Adeguamento di edifici residenziali mediante telai ibridi vetro-acciaio
RELATORI: Prof. Ing. Maurizio Froli, Ing. Gerardo Masiello, Ing. Vincenzo Mamone
TESISTA: Maddalena Giammattei
SOMMARIO:
Introduzione
L’oggetto di questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio e la modellazione di un telaio realizzato interamente con il sistema costruttivo TVT (Trave Vitrea Tensegrity), un sistema misto vetro-acciaio, ideato e brevettato dal Professor Maurizio Froli. Il frame preso in esame è composto da una trave di 12 metri e da due colonne di circa 6,40 metri.
Figura : Vista di insieme del telaio oggetto di tesi.
L’intero telaio è realizzato mediante l’assemblaggio di parti in vetro di forma triangolare e rettangolare, che vengono precompresse grazie ad un sistema di barre metalliche ottenendo in questo modo, da un insieme di elementi disgiunti, un portale precaricato, in cui gli elementi in acciaio lavorano solo trazione, ed il vetro esclusivamente a compressione. Il portale preso in esame fa parte della Galleria Energetica, un edificio di notevole pregio architettonico e di elevato contenuto tecnologico, realizzata mediante una sequenza di telai di forme e dimensioni diverse, tutti costruiti interamente in vetro e in acciaio. Rivestendo l’intero volume con dei pannelli in vetro dotati di celle fotovoltaiche, che ne costituiscono sia la copertura che le pareti perimetrali, si ottiene un edificio quasi interamente vitreo.
Il telaio, grazie al sistema costruttivo TVT con il quale è stato progettato, risulta rispettare in pieno la progettazione fail–safe, secondo la quale deve essere soddisfatta oltre alla gerarchia strutturale, anche la ridondanza. Quest’ultima viene perseguita grazie alla predisposizione di pannelli in vetro di tipo stratificato, mediante i quali, grazie all’interposizione dello strato di interlayer in PVB fra le due lastre, è possibile garantire che anche in caso di rottura del vetro, permanga una buona capacità portante post-critica. Per quanto riguarda la gerarchia strutturale, questa è ottenuta a seguito di una progettazione dei singoli elementi che preveda e che faccia in modo, che si verifichi sempre prima della crisi del vetro, il raggiungimento dello snervamento dell’acciaio. Così facendo è possibile conferire all’intero elemento strutturale un comportamento duttile pur essendo realizzato con materiale fragile per natura.
Descrizione del Portale
Le novità introdotte nel telaio, rispetto a quanto già studiato e realizzato per il prototipo TVTγ hanno riguardato soprattutto le giunzioni tra il traverso ed il piedritto ed il collegamento di base.
Figura : Collegamento Traverso-Piedritto e Giunto di base.
Il collegamento tra traverso e piedritto è stato realizzato grazie un insieme di aste a sezione circolare la cui lunghezza è resa variabile mediante l’utilizzo di manicotti filettati ed una piastra in acciaio a forma trapezia, cava al centro. Grazie a questa combinazione di elementi e alle caratteristiche di modificabilità delle aste è possibile utilizzare lo stesso nodo per ricoprire qualsiasi angolazione.
Il giunto di base è costituito da un assemblaggio di piatti di 10mm di spessore uniti per mezzo di saldatura. Il design degli elementi metallici, è stato studiato al fine di alleggerire il nodo e di renderne più agevole le procedure di montaggio. Sono state previste altresì delle nervature di irrigidimento al fine di prevenire fenomeni di instabilità locale delle zone compresse. Il fissaggio del piedritto del portale al nodo si verifica mediante i due piatti laterali, provvisti di apposite asolature per accogliere il perno di estremità della colonna.
Modellazione agli Elementi Finiti
Per la modellazione del Telaio, è stato in primo luogo necessario disegnare mediante l’ausilio di un software CAD, la geometria esatta del portale, questa operazione è stata eseguita tenendo conto delle simmetrie intrinseche della struttura, mediante le quali è possibile ottenere un modello estremamente più maneggevole e più controllabile vista la notevole riduzione degli elementi presenti. Inserita correttamente la geometra all’interno del programma di calcolo si è passati alla composizione del modello e quindi alla trasformazione di ciascun elemento da semplice disegno a componente essenziale del telaio. Lo step successivo ha riguardato la generazione semi-automatica della mesh; importando dal programma di disegno delle regioni, mediante Straus7 esse possono essere trasformate in elementi plate, per mezzo dei quali è possibile modellare sia il vetro che l’acciaio. Sono stati poi studiate tutte le connessioni fra i vari elementi, soffermandosi soprattutto su il contatto vetro alluminio.
Figura : Vista frontale del modello del telaio raffinato.
Il modello è stato definito mediante 99580 nodi ed è composto da 84090 elementi plate, da 2694 elementi beam, e da 42969 link.
Siamo poi passati allo studio di un modello semplificato con il quale poter analizzare, in modo più rapido nonché maneggevole, il comportamento del telaio realizzato con il sistema costruttivo TVT e soggetto a diverse condizioni di carico. Pensando alla necessità di analizzare non solo un singolo telaio, bensì l’insieme dei telai costituenti la Galleria Energetica, assume ancora maggiore importanza uno strumento semplificato, realizzato con un numero ridotto di elementi, ma che, rispecchiando i principi di modellazione del modello più raffinato, fornisca risultati identici o con approssimazioni accettabili rispetto a quest’ultimo.
In seguito ad una serie di operazioni iterative votate alla risoluzione di un problema parametrico, è stato messo a punto un modello che pur comprendendo elementi tipo plate e link, soddisfa i requisiti di equivalenza e di leggerezza come sopra descritti.
Figura : Vista frontale del modello del telaio semplificato.
Il modello è stato definito mediante 9176 nodi ed è composto da 2808 elementi plate, da 1269 elementi beam, e da 7656 link.
Come possiamo osservare dai grafici riportati a seguire, lo studio e l’implementazione del modello semplificato ha condotto a risultati soddisfacenti. Sia il modello perfetto che il modello semplificato, sono stati soggetti alle stesse combinazioni di carico e risultano quindi perfettamente confrontabili. I termini di paragone scelti sono stati, lo spostamento verticale in mezzeria, lo spostamento orizzontale nel piano del portale e gli sforzi di trazione nelle barre, non sono state considerati invece paragonabili gli sforzi negli elementi plate a causa della diversa schematizzazione adottata nei due modelli.
Il modello semplificato presenta una maggiore rigidezza che conduce a spostamenti leggermente minori, quanto detto è confermato dal confronto effettuato sui massimi spostamenti verticali in mezzeria, i quali differiscono nei due casi di 10,49mm soddisfacendo ampiamente la precisione richiesta.
Figura : Diagramma F-δ dello spostamento verticale in mezzeria.
Figura : Diagramma F-δ dello spostamento orizzontale.
Figura : Diagramma sforzo assiale nel corrente inferiore di mezzeria.
Sviluppi futuri
Al fine di completare lo studio riguardante i modelli semplificati, necessari per l’implementazione di strutture vitree realizzate con il sistema costruttivo TVT e volendo rispettare le prescrizioni riportate nelle normative specifiche, si ritiene necessario lo sviluppo di un modello semplificato che schematizzi il telaio realizzato con piedritti con pannelli stratificati a tre lastre.
Abstract Tesi di Laurea Magistrale_Maddalena Giammattei