Invece di applicare un limite di flessione fisso generico, l’autore consiglia ai progettisti di strutture e facciate di collaborare a stretto contatto, al fine di determinare i limiti di flessione effettivi in base alle caratteristiche della facciata, alle sollecitazioni a carico dei cavi e dei pannelli di vetro, all’allungamento delle sigillature orizzontali e verticali in silicone e alla deformazione dei bordi delle vetrocamere. Ad aggiungere sempre nuovi problemi contribuisce inoltre il costante trend verso pannelli di vetro di grandi dimensioni, vetrocamere altamente isolanti comprendenti fino a tre vetri, ampi spazi strutturali tra i punti di sostegno (responsabili di flessioni estremamente elevate a carico della facciata) e facciate dalla geometria complessa. Nel prossimo futuro, consulenti per le facciate e industria del vetro dovranno collaborare ancora più strettamente allo scopo di migliorare le capacità di flessione e deformazione delle vetrocamere, al momento ancora relativamente ridotte. L’ultimo decennio ha visto salire alla ribalta gli edifici con facciate e coperture dalla forma irregolare. Designer e consulenti sono impegnati ad affrontare la sfida rappresentata dalla creazione di queste forme curve, a curvatura doppia o addirittura a forma libera senza superare il budget a disposizione, generalmente ristretto, e senza lasciarsi ostacolare dall’elevato costo del vetro curvo. I metodi più diffusi prevedono la realizzazione delle forme curve ricorrendo all’installazione di pannelli di vetro piano; una sfida più ardua è invece rappresentata dalla tecnologia, relativamente recente, della curvatura a freddo dei pannelli di vetro. Nella realizzazione di tutte le forme curve, libere e persino delle facciate piane, una delle maggiori difficoltà in sede di progettazione strutturale è costituita dal limite di flessione in presenza di carichi statici o dinamici (come il vento). Mentre le sollecitazioni di flessione non rappresentano un elemento critico nel caso delle tradizionali strutture di sostegno realizzate con profili in acciaio o alluminio, caratterizzati da una certa “rigidità”, le sollecitazioni di flessione a cui sono soggette le strutture vetrate sostenute da cavi, di gran lunga più elevate, richiedono necessariamente controlli intensivi e rigorosi al fine di accertare la conformità con i limiti di deformazione dei bordi prestabiliti. Se poi si estende l’impiego di strutture vetrate sostenute da cavi anche alle superfici a curvatura doppia, la geometria e la curvatura della superficie in questione devono essere ottimizzate ricorrendo a tecnologie di ricerca di forma e diventa necessario sviluppare dettagli esclusivi, come nel caso del progetto realizzato da Werner Sobek Ingenieure descritto di seguito.


Esempio di progetto di una facciata a curvatura doppia sostenuta da cavi con vetrocamere: Chinese Maritime Museum, Lingang, Cina
La creazione di superfici curve sostenute da cavi pone il progettista di fronte a una notevole sfida: superare il problema costituito dalla natura stessa dei cavi pretensionati, tesi tra due punti di sostegno; i punti di sostegno del cavo devono quindi essere spostati e/o i cavi devono essere orientati in due direzioni, così da creare una rete di cavi. Il Chinese Maritime Museum di Lingang, in Cina (Figura 1), realizzato dallo studio di architetti GMP, è caratterizzato da un edificio centrale iconico, caratterizzato da una copertura dalla forma significativa che domina, distinta e indipendente, sulle costruzioni circostanti.

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Figura 1 - China Maritime Museum, Lingang, Cina: panoramica (Progettazione strutturale e della facciata, vele e facciata sostenuta da cavi: Werner Sobek Ingenieure)

Il museo sorge all’estremità continentale del Donghai Bridge, al centro di Lingang New City, nel distretto di Nanhui, a Shanghai. L’apertura ufficiale al pubblico del China Maritime Museum, primo museo marittimo nazionale approvato dal Concilio di Stato della Repubblica Popolare Cinese, è avvenuta nel luglio 2009. Lo straordinario design della struttura è caratterizzato da due sottili semigusci che ricoprono l’edificio, contrapposti e sovrapposti l’uno all’altro in maniera tale da ricordare l’ambiente marino; la somiglianza con la forma di una vela offre inoltre un simbolo assolutamente idoneo a identificare il museo. Costruita tra le due “vele” del tetto, la facciata vetrata deve seguire una curvatura doppia complessa (Figura 2) senza ricorrere ad alcun supporto intermedio eccettuate le tre linee curve che consentono di fissare i punti di sostegno alla base e sulle vele destra e sinistra.

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Figura 2 - China Maritime Museum, Lingang, Cina: dettaglio della facciata sostenuta da cavi a curvatura doppia (Progettazione strutturale e della facciata, vele e facciata con cavi: Werner Sobek Ingenieure)

Sulla base della forma originale prevista dal progetto formulato dallo studio GMP, Werner Sobek Ingenieure ha dovuto sviluppare un sistema di facciata strutturale, ottimizzare la geometria mediante tecnologie di ricerca di forma computerizzate ed elaborare tutti i dettagli principali necessari alla progettazione del disegno schematico e del disegno definitivo. La Figura 3 mostra la forma originale e la geometria ottimizzata finale per la realizzazione della struttura a rete bidirezionale dei cavi pretensionati. La curvatura doppia della superficie vetrata è data da tutti i punti di sostegno, che seguono le curve ottimizzate, e dal pretensionamento della rete bidirezionale dei cavi in una direzione in opposizione all’altra (Figura 4). Al fine di garantire una omogeneità e un’aderenza alla curvatura effettiva ragionevoli, si è scelto di utilizzare pannelli di vetro relativamente piccoli (Figura 3).


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Figura 3 - China Maritime Museum, Lingang, Cina: ricerca di forma per la facciata sostenuta da cavi a curvatura doppia, geometria di partenza (a sinistra) e forma defi nitiva ottimizzata (a destra): Progettazione strutturale e della facciata, vele e facciata sostenuta da cavi: Werner Sobek Ingenieure)



Figura 4 - China Maritime Museum, Lingang, Cina: vista dal basso verso l’alto della facciata sostenuta da cavi a curvatura doppia (Progettazione strutturale e della facciata, vele e facciata sostenuta da cavi: Werner Sobek Ingenieure)   

Le dimensioni ridotte hanno infatti contribuito ad abbattere lo spessore del vetro (e di conseguenza il suo peso intrinseco), hanno semplificato il problema della deformazione del bordo e hanno ridimensionato la questione del significativo allungamento delle sigillature verticali e orizzontali in silicone. Spiegazioni dettagliate in merito sono fornite ai paragrafi successivi "Nozioni tecniche fondamentali: flessione delle strutture di facciata sostenute da cavi” e “Controllo dell’allungamento delle sigillature orizzontali e verticali in silicone”. I pannelli di vetro sono sostenuti senza ricorrere ad alcun telaio, mediante clip circolari situate agli angoli delle lastre. Dal momento che gli angoli tra i diversi pannelli variano per quasi ogni lastra, si è rivelato necessario elaborare uno stratagemma esclusivo per riuscire ad adattare a tutti gli angoli un unico tipo di dispositivo di fissaggio: le clips presentano quattro piccole piastre di pressione circolari con cuscinetti ammortizzatori in EPDM sul lato anteriore, contrapposti al vetro, e cuscinetti a sfera circolari sul lato posteriore (v. dettaglio dei dispositivi di fissaggio del vetro, Figura 5).

Figura 5 - China Maritime  Museum, Lingang,  Cina: dettaglio  del fi  ssaggio dei  pannelli di vetro  della facciata  sostenuta da cavi  (Progettazione  strutturale e della  facciata, vele e  facciata sostenuta  da cavi: Werner  Sobek Ingenieure)

I cuscinetti a sfera articolati consentono inoltre una flessione e una deformazione illimitate del pannello di vetro senza provocare rigidità e, di conseguenza, sollecitazioni elevate all’interno del vetro in corrispondenza dei punti di sostegno.


Nozioni tecniche fondamentali: flessione delle strutture di facciata sostenute da cavi
In linea di massima, le strutture sostenute da cavi acquistano rigidità e stabilità attraverso il pretensionamento dei cavi strutturali contro punti di sostegno rigidi. Mentre queste cosiddette ‘tensostrutture’ risultano eccezionalmente leggere e caratterizzate da una massa strutturale ridotta al minimo, le facciate piane sostenute da cavi, in particolare, sono soggette a flessioni relativamente elevate in direzione perpendicolare rispetto alla superficie frontale della facciata. Se da un lato tali flessioni non costituiscono un fattore critico per i cavi in sé stessi, i pannelli di vetro da essi sostenuti sono costretti a seguire tali flessioni attraverso il movimento dei rispettivi punti di fissaggio. La Figura 6 illustra la flessione tipica di una struttura di facciata vetrata sostenuta da cavi sottoposta al carico del vento.

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Figura 6 - Forma fl essa tipica delle strutture di facciata vetrate sostenute da cavi soggette a carichi di vento: vista generale (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

Spesso il valore di flessione massimo globale o complessivo (vedi “f” in Figura 6) viene considerato come il principale fattore che determina il design strutturale delle facciate sostenute da cavi. Se ci si chiede quale valore vada utilizzato come limite e da dove tale valore sia ricavato, tuttavia, il principale fattore veramente critico è rappresentato, nel caso delle facciate sostenute da cavi con vetrocamere, dalla deformazione del bordo delle vetrocamere stesse. Per deformazione del bordo si intende la deformazione differenziale dei quattro punti di supporto del pannello di vetro. Una spiegazione maggiormente dettagliata relativa alla deformazione del bordo è riportata al paragrafo successivo, “Deformazione del bordo delle vetrocamere: calcolo della deformazione effettiva”. Se si osserva la superficie verticale della facciata nel suo complesso (Figura 6), è possibile notare come non sia, in effetti, la flessione complessiva assoluta “f” della facciata nell’area centrale a provocare la maggiore deformazione dei singoli pannelli: un ruolo maggiormente critico è svolto dai pannelli di vetro stessi, in particolare in corrispondenza degli angoli della facciata. In questo caso, due lati dei pannelli (corrispondenti a tre punti di fissaggio del vetro, Figura 7, punti P1’, P2’ e P4’) sono fissati a supporti rigidi alla base e lateralmente, senza subire alcuna flessione ad opera del carico del vento. Il quarto punto di fissaggio del vetro, tuttavia, è situato in corrispondenza della rete di cavi, Figura 7 punto P3 (posizione originale) e P3’ (flessione provocata dal carico del vento).

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Figura 7 - Forma fl essa tipica delle strutture di facciate vetrate sostenute da cavi soggette a carichi di vento: dettaglio dell’angolo (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

Vedi inoltre la Figura 8 per lo schema tipico della superficie verticale di una facciata sostenuta da cavi: in figura sono riportati i supporti fissi laterali, i fissaggi puntuali a clip dei pannelli di vetro e la posizione dei cavi di sostegno. Il pannello di vetro critico che subisce la massima deformazione del bordo è rappresentato dal pannello in basso a sinistra, fissato ai punti P1, P2, P3 e P4.

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Figura 8 - Dettaglio di una  tipica struttura di facciata sostenuta da cavi, con cavi verticali e dispositivi di fi ssaggio dei vetri con clips (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

Deformazione del bordo delle vetrocamere: calcolo della deformazione effettiva
Sebbene la precedente descrizione della posizione del pannello di vetro caratterizzato dalla massima deformazione del bordo possa essere utilizzata a titolo indicativo per una localizzazione iniziale, è necessario eseguire calcoli dettagliati per determinare in maniera definitiva la posizione e l’effettivo valore della deformazione del bordo. Se si osserva il pannello d’angolo critico evidenziato nelle Figure 6, 7 e 8 nel dettaglio e sottoposto al carico di vento, il pannello è soggetto a due sollecitazioni di flessione: la flessione diretta, provocata dal carico di vento che agisce al centro della lastra (Figura 9, flessione “b”), e le flessioni legate alla deformazione del bordo (flessione “a”), derivante dallo spostamento di uno dei punti di sostegno perpendicolarmente al piano (Figura 10, punto “P3”).

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Figura 9 - Pannello di vetro angolare, soggetto alla massima deformazione del bordo: effetto della fl essione diretta provocata dal carico di vento e deformazione del pannello di vetro determinata dalla fl essione del punto di sostegno (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

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Figura 10 - Pannello di vetro angolare, soggetto alla massima deformazione del bordo: punti e vettore di direzione per il calcolo del valore della deformazione “d” (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

Rispetto alla flessione “b”, provocata dal carico di vento sul vetro, le flessioni legate alla deformazione del bordo producono un impatto maggiore sulle sollecitazioni critiche di taglio a carico delle sigillature dei distanziatori delle vetrocamere (vedi anche il paragrafo successivo, “Limiti di flessione delle vetrocamere: sollecitazioni di taglio a carico di distanziatori e relative sigillature”). Il valore della deformazione del bordo va calcolato mediante la normalizzazione di un piano virtuale supportato da tre punti di sostegno fissi, mentre il quarto punto è determinato dal punto di flessione massima in direzione perpendicolare al piano virtuale (Figura 10, punto P3’). Al fine di ottenere l’effettivo valore della deformazione del bordo (valore “d”), è necessario ricavare le coordinate dei punti soggetti a flessione P1, P2, P3 e P4 (coordinate X, Y, Z nelle tre dimensioni) dall’esito di una analisi strutturale, e sottoporle a un controllo computazionale automatizzato: partendo dai vettori di direzione P1P2 e P1P4, è possibile calcolare i valori del vettore normale “n” e del vettore di direzione P1P3, così da ottenere il valore “d” della deformazione effettiva.


Limiti di flessione delle vetrocamere: sollecitazioni di taglio a carico di distanziatori e relative sigillature
Una volta ricavato il valore effettivo della deformazione del bordo dei pannelli di vetro più critici della facciata, il progettista deve capire da dove derivano i limiti di flessione delle vetrocamere e come il valore della deformazione del bordo sia legato ai limiti di flessione specificati dai costruttori delle vetrocamere. La Figura 11 presenta una sezione verticale schematica di una vetrocamera, in cui vengono evidenziate la tipica forma flessa e le forze di taglio agenti sul distanziatore (vedi anche Figura 9, flessioni “a” e “b”).

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Figura 11 - Vetrocamera 11 soggetta al carico del vento: sollecitazioni di taglio all’interno del distanziatore (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

Se si osserva il distanziatore della vetrocamera, le forze di taglio agiscono sia in direzione parallela che in direzione perpendicolare al distanziatore, generando sollecitazioni di taglio non solo all’interno del distanziatore stesso ma anche, e a livelli ancora più critici, all’interno della sigillatura che unisce il distanziatore alla lastra di vetro (sigillatura primaria). Le sigillature perimetrali delle vetrocamere sono concepite per assecondare tali sollecitazioni; tuttavia, i costruttori limitano l’entità delle sollecitazioni cui tali unità possono essere sottoposte specificando particolari limiti di flessione. Tali limiti garantiscono una durata prolungata delle sigillature perimetrali delle vetrocamere; va infatti ricordato che il cedimento della sigillatura perimetrale darebbe luogo alla penetrazione di aria e umidità all’interno dell’intercapedine fra le lastre e, di conseguenza, alla formazione di condensa nella vetrocamera. Nel caso in cui ciò si verifichi, sarebbe necessario sostituire l’intera vetrocamera. Dal momento che la questione della deformazione del bordo e delle sollecitazioni di taglio a carico delle sigillature perimetrali delle vetrocamere che ne derivano rappresentano un problema relativamente nuovo e spesso legato alle facciate vetrate sostenute da cavi soggette a elevate sollecitazioni di flessione, generalmente i costruttori non specificano limiti per questo tipo di flessione. Di conseguenza è necessario ricavare, dal limite generico stabilito per le flessioni a carico dell’area centrale delle vetrocamere, i limiti di flessione relativi alla deformazione del bordo. La Figura 12 mostra la flessione tipica “d” provocata dal carico del vento nell’area centrale di una vetrocamera il cui lato corto ha una lunghezza pari a “2w”. Se si fa riferimento alla forma flessa derivante dal carico di vento e si osserva un quarto di tale forma (Figura 12, riquadro in basso a sinistra delimitato dalle linee tratteggiate), la forma di un pannello di vetro deformato può essere ricavata tracciando l’immagine speculare del lato superiore della forma flessa rispetto all’asse dei punti P2 P3’, e l’immagine speculare del lato destro rispetto all’asse dei punti P3’ P4 (Figura 12).

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Figura 12 - Vetrocamera soggetta al carico del vento: convertire il limite di fl essione relativo alla fl essione del bordo nell’area centrale nel limite di fl essione per la deformazione (Illustrazione: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure)

La forma che ne risulta può essere ora messa in relazione con la forma prodotta dalla deformazione: la flessione “d” cui è sottoposta l’area centrale in Figura 12 è infatti equivalente alla flessione “d” legata alla deformazione indicata in Figura 10. La Figura 12 rivela che l’altezza “w” del pannello di vetro è pari al doppio dell’altezza “h” del pannello deformato (“2h = w”). L’altezza “h” è uguale all’altezza “h” indicata in Figura 10. I limiti di flessione generici forniti dai costruttori per le vetrocamere variano da 1/200 a 1/100 per il lato corto. Se si tiene conto del limite di 1/100, come stabilito dalle norme tecniche tedesche per la progettazione di sistemi vetrati a supporto puntuale (TRPV), è possibile applicare l’equazione “d ≤ w/100”. Dal momento che “w = 2h”, di conseguenza, il limite di flessione per la deformazione del bordo diventa “d ≤ 2h/100”, mentre la deformazione viene descritta come “d ≤ h/50”. Se si tiene conto di questo limite di flessione, diventa possibile automatizzare il controllo dell’intera facciata sostenuta da cavi per quanto riguarda la deformazione dei bordi dei pannelli di vetro sulla base della lunghezza del lato corto del pannello, delle coordinate dei punti di sostegno del vetro flesso nelle tre dimensioni (X, Y, Z) e delle equazioni per il calcolo della deformazione effettiva.


Controllo dell’allungamento delle sigillature orizzontali e verticali in silicone
Come dimostra la Figura 6, le flessioni che si verificano nelle facciate sostenute da cavi non solo comportano il problema della deformazione del bordo dei pannelli di vetro, ma richiedono anche l’esecuzione di ulteriori verifiche, in special modo per quanto riguarda flessioni particolarmente accentuate, al fine di controllare l’allungamento delle sigillature orizzontali e verticali in silicone. Un esempio è rappresentato dal sistema di controllo semplificato per una facciata alta 20 m e con un allungamento massimo ammissibile (capacità di spostamento) del silicone strutturale polimerizzato (dopo 2 settimane a +23°C con un tasso di umidità del 50%) del 14%. È possibile osservare il ruolo particolarmente critico dei giunti orizzontali per quanto riguarda i limiti di allungamento delle sigillature in silicone: un metodo che può risolvere il problema consiste in una riduzione delle dimensioni dei pannelli di vetro, con un conseguente incremento del numero di sigillature orizzontali. Si noti come l’allungamento ammissibile per il normale silicone per sigillature impermeabili sia pari a circa il doppio.


Altri esempi: strutture vetrate piane e a forma libera sostenute da cavi
Dopo avere presentato le strutture vetrate a curvatura doppia sostenute da cavi (Figure 1, 2, 3, 4 e 5), comprese le nozioni tecniche fondamentali relative alla deformazione del bordo dei pannelli di vetro e i controlli da eseguire sull’allungamento delle sigillature in silicone, vi sono altri tre progetti sviluppati da Werner Sobek Ingenieure in grado di mettere in evidenza le potenzialità di queste strutture per gli involucri edilizi vetrati complessi. La struttura vetrata in Figura 13, sostenuta da una rete di cavi a forma libera, è il progetto realizzato per l’ospedale Rhön Klinikum di Bad Neustadt, in Germania (architetti: Lamm, Weber, Donath & Partner).



Figura 13 - Struttura vetrata a forma libera sostenuta da cavi: Rhön Klinikum, Bad Neustadt, Germania (Progettazione facciata: Werner Sobek Ingenieure)


La rete di cavi copre lo spazio tra i diversi edifici, e rappresenta la prima rete di cavi in acciaio al mondo su cui sono state montate lastre di vetro silicato. Il vetro è fissato mediante clip a barre curve in acciaio (Figura 14).


Figura 14 - Dettaglio della struttura vetrata a forma libera sostenuta da cavi: Rhön Klinikum, Bad Neustadt, Germania (Progetto facciata: Werner Sobek Ingenieure)

Le Figure 15 e 16 presentano due esempi di struttura di facciata piana sostenuta da cavi. La nuova sede di Bayer a Leverkusen, in Germania, integra una facciata con cavi verticali (Figura 15), mentre le facciate vetrate del nuovo aeroporto internazionale Suvarnabhumi di Bangkok impiegano cavi con rinforzi di tipo “fish-bow”.

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Figura 15 - Struttura di facciata vetrata sostenuta da cavi: sede Bayer, Leverkusen, Germania (Progetto facciata: Werner Sobek Ingenieure)

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FIgura 16 - Struttura di facciata vetrata sostenuta da cavi: nuovo aeroporto internazionale Suvarnabhumi di Bangkok, Thailandia (Progetto facciata: Werner Sobek Ingenieure)