La competenza di Malishev Wilson Engineers nella progettazione di costruzioni in vetro strutturale si sviluppa a partire dall’apertura dell’ufficio di Londra nel 2004 e si fonda sull’esperienza maturata dai proprietari presso la Dewhurst Macfarlane & Partners dal 1995. Da subito Malishev Wilson Engineers sviluppa uno stretto rapporto di collaborazione con F A Firman (Harold Wood) Ltd. Tra i primi progetti realizzati con F A Firman vi è la creazione della pensilina in vetro per la fermata della metropolitana di Yurakucho, in prossimità del Tokyo International Forum (Rafael Vinoly Architects). Per questo progetto, la tecnica utilizzata per costruire travi di vetro lunghe 10 metri è basata sul trasferimento del carico attraverso i fori nel vetro, in modo tale da garantire la presenza di un numero sufficiente di aree portanti, realizzate con la massima precisione al fine di evitare la concentrazione di sollecitazioni elevate che avrebbero potuto provocare il cedimento della struttura. Alcune travi in vetro stratificato temperato, costituite da lastre spesse 19 mm, vengono unite tra loro mediante una connessione portante realizzata attraverso i fori praticati in ciascuna trave. Dai primi test di laboratorio condotti dalla City University su un foro del diametro di 48 mm, in un campione di vetro temperato spesso 19 mm con un carico applicato esclusivamente in trazione, è emerso che la resistenza media a rottura corrisponde a 77 kN. Questi dati mostravano un buon livello di corrispondenza con le previsioni ricavate dall’analisi elastica della concentrazione delle sollecitazioni attorno ai fori: ciò ha consentito di eseguire test a grandezza naturale sulle singole travi in vetro stratificato e di individuare un metodo adeguato per la progettazione delle connessioni portanti in vetro (Wilson - 1999). Al fine di determinare la distribuzione del carico attraverso le boccole nel vetro stratificato sono state effettuate, a quel punto, delle prove di trazione su provini rappresentativi in vetro laminato. Mantenendo la massima tolleranza, i fori e le connessioni creati nel vetro, la suddivisione del carico tra gli strati risultava pari a 60%/40% e, nei casi limite, a 85%/15%. L’aderenza delle boccole alle pareti interne dei fori circolari praticati nel vetro svolge un ruolo fondamentale al fine di determinare la portata del manufatto. La stessa soluzione, sebbene con lievi variazioni per quanto riguarda la forma del foro o l’utilizzo di diversi materiali isolanti per risolvere il problema dei disallineamenti tra i fori nel vetro, è stata applicata con risultati positivi a numerosi progetti in tutto il mondo, tra cui la facciata di 50x50 m del palazzo Samsung Jong-Ro a Seul, Corea (1997); l’atrio in vetro di 10x9 m di Cadagon Mansions, Sloane Square 15, Londra (2002) e le scale in vetro degli Apple Store (2002-2009).


Figure 1 e 2_Pensilina in vetro per la fermata della metropolitana di Yurakucho, Tokyo International Forum (1996). La pensilina ha una larghezza di 5 m, con una tettoia di 11 m. Ingegnere strutturale: Dewhurst Macfarlane & Partners


L’idea della passerella
La costante collaborazione con F A Firman si è tradotta in una joint venture finalizzata alla progettazione e costruzione di una passerella lunga 18 m per il nuovo e prestigioso palazzo adibito a uffici situato al numero 150 di Cheapside, nel quartiere EC2 di Londra. Gli architetti dello studio Michael Aukett Architects si sono ispirati alle strutture interamente in vetro di Londra, con l’intenzione di fissare un nuovo standard in questo campo. Il concetto da loro sviluppato prevedeva la costruzione di un manufatto interamente in vetro in lastre da pavimentazione in triplo vetro stratificato incollato con il silicone alle travi, anch’esse in vetro stratificato, di spessore pari a 400 mm e poste a una distanza di interasse di 1,5 m. La passerella, ritenuta la struttura architettonica più lunga nel suo genere, si trova al primo piano dell’atrio d’ingresso dell’edificio.


Figure 3 e 4_Test di laboratorio presso la City University (1995)


Sviluppo del progetto
I primi incontri con il team di architetti erano finalizzati allo sviluppo del progetto e alla descrizione dettagliata delle connessioni in vetro e del fissaggio alle pareti perimetrali in calcestruzzo e alla parte inferiore della soletta del secondo piano. Le lastre sono fissate alle travi di vetro mediante connessioni strutturali innovative. Il manufatto è supportato da un lato da pareti in calcestruzzo, con profili Halfen annegati nel cls, bulloni a T e barre di sospensione in acciaio inossidabile fissate tramite i perni inseriti alle estremità della trave in vetro e il lato inferiore della soletta in calcestruzzo a livello del secondo piano. Le connessioni tra le travi in vetro principale e secondaria sono state realizzate mediante bulloni, come indicato nei disegni allegati. A causa della complessità di questa struttura, MWE ha dovuto condurre un’analisi agli elementi finiti per calcolare sollecitazioni, deformazione, frequenza naturale e di risposta di un modello della struttura. La sicurezza della struttura è garantita dalla ridondanza intrinseca che caratterizza la progettazione delle travi in vetro e degli altri elementi.


Figura 5_ Interpretazione artistica della passerella in vetro al numero 150 di Cheapside. Architetti: Michel Aukett Architecture

Descrizione del progetto

Analisi strutturale
Una volta terminata la fase di sviluppo del concetto, durante la quale sono stati utilizzati metodi di calcolo tradizionali per definire i parametri principali della struttura, è stato realizzato un modello in scala completo in 3D, successivamente analizzato con l’ausilio del software di analisi agli elementi finiti Strand7 (versione 2.3.7). Il modello computerizzato comprende circa 1.200 elementi per le travi e approssimativamente 76.000 elementi per le lastre. Generalmente, l’elemento finito utilizzato nel progetto aveva dimensioni di 50x50 mm. Inoltre, sono stati realizzati singoli sottomodelli strutturali per ricontrollare le sollecitazioni presenti in corrispondenza dei punti critici. Infine, è stato effettuato un controllo generale delle vibrazioni, al fine di verificare la presenza di una risposta dinamica accettabile alle sollecitazioni da parte della passerella.


Figure 6 e 7_ Progetto e assonometria della passerella proposti da F A Firman/ Malishev Wilson


Pavimentazione in vetro
Le lastre in vetro per la pavimentazione comprendevano tre strati di vetro stratificato temperato dello spessore di 15 mm con intercalare in PVB. Al fine di determinare il livello di sicurezza in caso di rottura del vetro, si è simulata la rottura di alcune lastre, lasciando che fossero le lastre rimaste intatte a sostenere l’intero peso. Nel corso del test, la pavimentazione in vetro è stata considerata come una semplice lastra supportata su tutti i quattro lati. Dal momento che le sollecitazioni consentite implicano un fattore di sicurezza pari a 3, è solitamente accettabile l’utilizzo di un carico caratteristico (non ponderato). Entrambi i casi hanno dimostrato che le sollecitazioni risultano inferiori al valore massimo consentito per la sollecitazione di flessione, pari a 59 MPa per il vetro temperato; si è perciò optato per un vetro stratificato temperato delle dimensioni di 3x15 mm. In totale, la passerella è costituita da 12 lastre di vetro da pavimentazione, quattro delle quali sono larghe 1,5 m e lunghe 4,2 m e sono dotate di supporti intermedi come indicato sui disegni generali relativi al progetto. Le rimanenti 8 lastre hanno una forma pressappoco quadrata, in cui ciascun lato misura 1,5 m. Poiché il rapporto d’aspetto è uguale a 1, queste lastre presentano una trasmissione del carico di tipo bidirezionale e sono quindi meno soggette a sollecitazioni e deformazioni. Pertanto, in questo progetto sono state prese in considerazione lastre di dimensioni maggiori con un rapporto di aspetto prossimo a 2. Solitamente, in condizioni di sicurezza, i valori di flessione non sono determinanti ai fini del progetto, ed è stata perciò esaminata la deformazione di tutte e tre le lastre intatte.


Figure 8 e  9_Massima  sollecitazione di  flessione pari a 29 MPa in una lastra di vetro spesso 15 mm, cui è stato applicato un carico statico (il peso proprio del vetro) e un carico dinamico di 5 kPa, e massima sollecitazione di flessione pari a 33 MPa in una lastra di vetro spessa 15 mm a cui è stato applicato un carico concentrato di 4,5 kN, distribuito su una superficie quadrata di 300x300 mm


Parapetto in vetro
I parapetti in vetro di questo progetto comprendono due lastre in vetro stratificato temperato, dello spessore di 10 mm, con un intercalare in PVB. Il parapetto misura generalmente 3x1,5 m (circa) ed è fissato alle travi in vetro per mezzo di bulloni. Il corrimano è continuo ed è fissato al vetro mediante silicone strutturale. Questa continuità garantisce la sicurezza nel caso in cui entrambe le lastre si rompano, pertanto queste ultime sono state considerate intatte nel modello per la determinazione della sicurezza in caso di rottura. Le massime sollecitazioni di flessione attorno alle piastre di fissaggio derivanti dai carichi applicati al corrimano e al tamponamento erano pari a 52 MPa (corrimano). Entrambi i valori risultano inferiori rispetto alla sollecitazione massima consentita, e pertanto sono state giudicate accettabili. Le deformazioni al di sotto dei carichi applicati al corrimano e al tamponamento sono inferiori a 20 mm e pertanto accettabili.


Figure 10 e 11_ Flessione di 0,3  mm sotto un peso dinamico di 5 kPa e un peso concentrato di 4,5 kN - L/5000


Travi in vetro
Le travi in vetro sono composte generalmente da 3 lastre di vetro stratificato temperato, ciascuna con uno spessore di 15 mm. L’estensione massima di una trave è approssimativamente pari a 4,5 m, un valore giudicato cruciale in questo caso. Inizialmente, sono state determinate le sollecitazioni di flessione in presenza di tutte e tre le lastre intatte. Tuttavia, ai fini della sicurezza in caso di rottura, va specificato che, se due lastre dovessero rompersi (caso altamente improbabile), la sollecitazione si attesterebbe attorno a 45 MPa, un valore comunque inferiore rispetto a quello consentito per il vetro temperato.

Prove e simulazioni
Sandberg ha effettuato una serie di test su alcuni provini di vetro temperato dello spessore di 15 mm e su due provini di vetro stratificato temperato spessi 15 mm, lunghi 500 mm e larghi 250 mm, con un foro del diametro di 40 mm. Lo spazio tra la boccola in acciaio inossidabile dal diametro esterno di 30 mm e il foro nel vetro è stato riempito con malta di cemento. Le prove avevano lo scopo di stabilire le prestazioni di entrambe le tipologie di lastre in caso di applicazione di forze di trazione crescenti. Dai risultati è emerso un carico di rottura medio dei singoli provini temperati da 15 mm pari a 53,4/58,1/48,3 kN mentre, per quanto riguarda il provino di vetro stratificato, il valore si è attestato attorno a 110,4/118,2/114,4 kN, con un’equa suddivisione del carico tra le due lastre. Al fine di dimostrare l’esattezza delle nostre supposizioni e analisi, è stata condotta una serie di test su un modello in scala, in presenza di Sandberg in qualità di autorità esaminatrice indipendente per l’esecuzione delle prove. È stato realizzato un modello a grandezza naturale di un infisso tradizionale, a cui è stato applicato un carico costituito da sacchetti di sabbia per simulare un peso dinamico specifico di 5 kPa; in tutto sono stati collocati mediamente 4,5 strati di sacchetti di sabbia, per un totale di circa 200 sacchetti. In seguito a questa prova, è stata testata l’applicazione di un carico concentrato sul pavimento, così come l’impatto con un oggetto duro, utilizzando un dispositivo d’impatto in acciaio del peso di 25 kg lasciato cadere da svariate altezze. Tutti i test effettuati hanno confermato che la struttura in vetro è in grado di sostenere carichi persino maggiori rispetto a quelli specificati, ed è sufficientemente affidabile da garantire un livello di sicurezza adeguato in caso di danno accidentale al vetro.



Figure 12 e  13_Massima  sollecitazione di  tensione attorno  alle piastre  di fissaggio e  deformazioni  derivanti dai  carichi applicati  a corrimano e  tamponamento


Figure 14 e  15_Sollecitazione  di flessione in  presenza di tutte  e tre le lastre  intatte e, in sede di  determinazione del  livello di sicurezza in  caso di rottura, nel  caso in cui due lastre  fossero rotte


Figure 16 e  17_Schema di  rottura in seguito  al cedimento di un  provino di vetro  stratificato


Figure 18 e 19_ Applicazione di un  carico distribuito  uniformemente  utilizzando sacchetti  di sabbia e di un  carico concentrato  mediante una trave  in acciaio su una  superficie quadrata  di 300x300 mm


Figure 20 _Esecuzione del test di impatto per caduta con un oggetto duro - segno circolare del dispositivo d’urto - schema di rottura sullo strato superiore del vetro

Costruzione/Realizzazione
I test di simulazione hanno messo in evidenza l’importanza di aumentare le tolleranze per facilitare il processo di assemblaggio sul posto. A tale scopo, è stata realizzata un’innovativa connessione bidirezionale trave-trave in grado di garantire margini di tolleranza sufficienti per un assemblaggio relativamente semplice assicurando, al contempo, una distribuzione uniforme delle forze tra gli strati del vetro stratificato. Di conseguenza, è stato possibile ultimare la passerella addirittura in anticipo rispetto alle previsioni, e senza superare il budget previsto.