Al fine di ottenere la massima trasparenza, si è scelto di progettare una serie di colonne di vetro a sostegno della copertura e di costruire un piccolo corridoio di ingresso interamente in vetro. Sono stati quindi eseguiti alcuni test, allo scopo di determinare l’affidabilità del progetto e verificare la robustezza delle strutture vetrate. I test effettuati hanno fornito una preziosa panoramica sul comportamento del vetro impiegato come materiale strutturale. Per determinare l’affidabilità del vetro come materiale strutturale è necessario procedere per gradi, eseguire test e acquisire esperienza attraverso la progettazione e la costruzione di strutture di piccole dimensioni. Nell’ambito di un intervento di ristrutturazione sulla sede principale di un’azienda situata a Nordborg, in Danimarca, si è deciso di costruire una nuova struttura adibita a reception all’insegna della massima trasparenza.



Figura 1 - Vista frontale della nuova struttura adibita a reception

La copertura dell’edificio della reception è sostenuta da colonne di vetro cruciformi mentre le facciate vetrate, supportate da alette di vetro, offrono una visuale indisturbata attraverso le pareti dell’edificio. Un piccolo corridoio di ingresso, costituito da una sorta di porticato in vetro, conduce il visitatore alla porta girevole d’ingresso: il corridoio è concepito come una struttura vetrata indipendente, con il compito di sostenere il concetto architettonico principale. Questo articolo è incentrato sulla fase di progettazione delle colonne di vetro e del corridoio di ingresso, fase durante la quale un ruolo cruciale è stato svolto dai test su scala reale eseguiti sugli elementi principali.



Figura 2 - Vista laterale della nuova reception con il corridoio di ingresso vetrato

Concetto architettonico
Dal punto di vista architettonico, l’edificio della reception è stato concepito in modo tale da creare una struttura di ingresso a cavallo tra l’area di accettazione e un piccolo auditorium/cinema circolare. Il tutto è situato su una superficie riflettente che rispecchia il cielo, così da potenziare l’illuminazione diurna. Al fine di ridurre la campata strutturale e limitare la profondità della copertura, la struttura è supportata da due serie di colonne. Inizialmente erano state prese in considerazione delle colonne in vetro circolari, ma successivamente si è optato per colonne cruciformi in vetro laminato multistrato. Il corridoio di ingresso antistante l’edificio è stato progettato come una struttura composta da quattro portali, con pareti e copertura in vetro laminato.



Figura 3 - Schema dell’edificio della reception e del corridoio di ingresso

Progetto delle colonne di vetro
Le colonne di vetro presentano un’altezza approssimativa di 5,5 m e una sezione cruciforme di dimensioni pari a 449x449 mm. Ciascun braccio della croce è costituito da 3 strati da 12 mm in vetro float a basso contenuto di ferro, con intercalari in pvb da 1,52 mm. Due bracci contrapposti sono stati incollati su ciascun lato di un’unica lastra continua mediante un adesivo rigido, mentre gli spazi di 5 mm presenti su ciascun lato dei bracci non continui sono stati riempiti con silicone trasparente. È infine stata prestata grande attenzione affinché le due estremità non trasferissero alla colonna alcuna sollecitazione di flessione. A tale scopo, le estremità della colonna sono state inserite in zoccoli di acciaio, in cui sono state integrate delle strisce di neoprene dello spessore di 10 mm; gli zoccoli di acciaio sono quindi stati installati sulla pavimentazione e sulla copertura, in maniera tale da non impedire la rotazione delle colonne.



Figura 4 - Dimensioni   struttura delle colonne di vetro

Analisi strutturale delle colonne
L’analisi strutturale si è articolata in: A. un’analisi allo stato limite ultimo con una sezione formata unicamente da uno strato di 12 mm di vetro float in entrambe le direzioni (presupponendo che gli strati esterni non contribuiscano alla capacità di carico della colonna). Il carico teorico allo SLU è risultato pari a 250 kN; B. un’analisi allo stato limite accidentale, in cui uno dei bracci è stato rimosso e in cui i 3 bracci rimanenti erano composti soltanto da 2 strati di vetro float da 12 mm. La rimozione di uno dei bracci genera una sollecitazione di flessione a carico della colonna, a causa del decentramento del carico sostenuto dalla colonna stessa; C. un’analisi allo stato limite accidentale in cui uno dei bracci è stato sottoposto a un carico concentrato di 0,7 kN in corrispondenza dell’estremità del braccio continuo. Inoltre, la struttura della copertura è stata progettata con dimensioni ridondanti, in modo tale da consentire una redistribuzione delle sollecitazioni nel caso in cui una colonna venisse rimossa. Secondo i calcoli, le colonne cruciformi presentavano una capacità di carico soddisfacente; non risultava tuttavia possibile prevedere né la resistenza delle connessioni incollate, né il comportamento delle colonne in caso di impatto dinamico (ad esempio, colpi accidentali inferti da passanti distratti ecc.). Si è infine concluso che, al fine di verificare la robustezza delle colonne in caso di rottura di uno o più strati di vetro, era necessario eseguire dei test su scala reale.

Test sulle colonne in scala reale
Un campione in scala reale è stato testato presso il Politecnico di Danimarca, a Copenhagen. La colonna è stata disposta in posizione orizzontale (sostenuta in 1/5 punti) e sottoposta ai seguenti test:
- imposizione di un carico assiale allo stato limite ultimo pari a 250 kN per 1 ora, con successiva rimozione del carico e verifica delle strisce di neoprene negli zoccoli in acciaio installati alle estremità della colonna;
- la colonna è stata quindi sottoposta a test d’impatto con corpo duro e morbido con una procedura simile a quella seguita per testare il vetro di sicurezza, mentre alla colonna era imposto un carico assiale allo stato limite di servizio pari a 190 kN;
- la colonna, infine, con diversi bracci gravemente danneggiati dal test d’impatto con corpo duro, è stata sottoposta a carichi sempre maggiori, fino a quando essa non ha iniziato a perdere capacità di carico.




Figura 5 - Installazione per l’esecuzione dei test in scala reale sulla colonna in vetro



Figura 6 - Test d’impatto con corpo morbido e duro sulla colonna di vetro

Tale limite è stato raggiunto in presenza di un carico assiale di 575 kN. La perdita di capacità di carico non ha comportato effetti particolarmente gravi, quale ad esempio una disintegrazione della colonna in grado di provocare lesioni. Al termine del test in scala reale, si è concluso che la colonna cruciforme in vetro laminato presentava una sufficiente resistenza al carico dinamico e una capacità di carico soddisfacente anche in presenza di gravi danni.



Figura 7 - La colonna dopo l’applicazione di carichi sempre maggiori, fino alla perdita di capacità di carico



Figura 8 - Le colonne di vetro installate nella struttura finita

Corridoio di ingresso
Il corridoio di accesso è considerato una struttura secondaria, il cui eventuale cedimento difficilmente tenderà a comportare conseguenze gravi. Qualsiasi cedimento strutturale, tuttavia, è destinato a tradursi in una cattiva pubblicità e, data la natura del vetro, qualsiasi rottura risulterà evidente in una simile struttura trasparente, situata bene in vista e destinata ad accogliere tutti i visitatori.

Progetto del corridoio di ingresso
La struttura è sottoposta sia a carichi orizzontali (vento) che a carichi verticali (neve e carico permanente esercitato dal vetro). La stabilità longitudinale del corridoio di ingresso viene garantita dall’effetto “diaframma” creato dalle pareti vetrate laterali. La stabilità trasversale, invece, è assicurata da 4 portali separati da un interasse di 1,35 m, costituiti da architravi di vetro laminato e colonne fissate agli angoli con bulloni in acciaio inossidabile. Per quanto concerne le dimensioni esterne, i portali sono larghi 3,84 m e alti 2,85 m. Gli elementi in vetro sono realizzati con lastre di vetro temperato con spessore 8+12+8 mm. Le colonne di uno dei portali sono state concepite con una larghezza maggiore rispetto agli altri, in modo tale da consentire l’installazione in quel punto di una porta scorrevole. I carichi longitudinali che agiscono sul corridoio di ingresso risultano piuttosto limitati, grazie alle dimensioni relativamente ridotte dell’area esposta al carico del vento. Il peso della struttura è sufficiente a impedire possibili rovesciamenti.



Figura 9 - Il corridoio di ingresso completamente vetrato che porta alla porta girevole della reception

Le pareti laterali sono costituite da pannelli di vetro temperato spessi 10 mm, assemblati lungo i bordi verticali mediante silicone trasparente.


Figura 10 - Gli elementi vetrati del corridoio di ingresso

I portali sono semplicemente sostenuti alla base da zoccoli in acciaio, in cui sono inserite le colonne. Gli zoccoli sono rivestiti internamente in epdm, al fine di evitare il contatto diretto tra vetro e acciaio e consentire una lieve rotazione dell’elemento inserito. In corrispondenza degli spigoli superiori, invece, è stato necessario ricorrere a connessioni rigide al fine di garantire la stabilità del portale, dal momento che gli zoccoli fungono semplicemente da supporti. In altri progetti si è optato per connessioni incollate, ma gli effetti a lungo termine di temperatura, umidità e radiazioni UV sugli adesivi rigidi sono difficili da prevedere in presenza di condizioni meteorologiche simili a quelle scandinave.


Figura 11 - Giunto a sovrapposizione bullonato in corrispondenza degli angoli dei portali di vetro

Figura 12 - Carichi agenti sul portale e schema del momento fl ettente che ne risulta


Figura 13 - Connessione bullonata e prova di fl essione su 4 punti che simula le forze agenti sulle connessioni agli angoli dei portali

Si è scelto quindi di ricorrere a connessioni imbullonate: la lastra di vetro centrale dell’architrave e delle colonne di ciascun portale è stata inserita in posizione sfalsata, in modo da consentire l’installazione di giunti a sovrapposizione tra i diversi elementi. La combinazione di carico critica allo stato limite ultimo per quanto riguarda l’assemblaggio degli angoli è risultata corrispondente alla combinazione tra il carico del vento orizzontale e il carico permanente verticale applicato dalla struttura stessa e dalla neve presente sulla copertura. Questa combinazione di carico si è tradotta in un momento flettente massimo a breve termine di 3 kNm. Le lastre di vetro temperato sono state perforate quindi, in corrispondenza dei fori, sono stati inseriti dei dischi in policarbonato trasparente. Lo scopo di questi dischi era duplice: fungere da intercalare morbido tra il vetro e il bullone in acciaio e compensare eventuali, piccoli disallineamenti tra i fori (nell’ordine di ± 1 mm) provocati dal processo di laminazione. I dischi sono stati quindi inseriti nei fori praticati nel vetro; successivamente, sono stati forati tutti e tre gli strati, in modo tale da consentire l’inserimento del bullone di acciaio. Si è ottenuta così una salda giunzione tra bullone, policarbonato e vetro. Le forze agenti a livello della connessione bullonata sono state calcolate presupponendo una distribuzione elastica-lineare delle sollecitazioni, e la forza massima derivante dal momento flettente dallo sforzo di taglio e dalle forze normali agenti sulla connessione è risultata pari a 11,4 kN. Sulla base dell’esperienza acquisita da altri progetti, la resistenza del vetro è stata giudicata sufficiente. A titolo di conferma, tuttavia, sono state eseguite anche due prove standard di flessione su quattro punti. Il momento flettente da applicare in corrispondenza della connessione è stato scelto in maniera tale da riprodurre lo sforzo massimo a carico del bullone fissato sull’angolo del portale. Nel primo test è stato utilizzato un provino di vetro laminato temperato da 8+15+8 mm, mentre il secondo è stato eseguito su un provino in vetro laminato temperato da 8+12+8 mm. I risultati del test hanno confermato l’affidabilità del progetto, sebbene due sole prove siano insufficienti per una valutazione statistica della resistenza di una connessione.



Figura 14 - Banco di prova con provino prima e dopo la rottura



Figura 15 - L’edificio della reception con le colonne di vetro

Conclusione
L’edificio della reception è stato aperto al pubblico nel 2006. Sia le colonne che il corridoio di ingresso hanno resistito all’usura durante il tempo trascorso dall’inaugurazione. L’unico problema sembra essere rappresentato dagli insetti che restano imprigionati nel piccolo spazio esistente tra le lastre di vetro, in corrispondenza dei giunti a sovrapposizione.



Figura 16 - Insetti imprigionati negli spazi presenti in corrispondenza dei giunti a sovrapposizione