UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PISA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALE

Progetto di Ricerca di Rilevante Interesse Nazionale - PRIN 2005-2007

AFFIDABILITA’ DI ELEMENTI IN VETRO STRUTTURALE: INDAGINI TEORICHE E
SPERIMENTALI SULLA RISPOSTA TERMO-MECCANICA DEL MATERIALE E DI
STRUTTURE TRASPARENTI DI TIPO INNOVATIVO

TRAVE VITREA TENSEGRITY (TVT)

Prof. Maurizio Froli, Dr. Ing. Leonardo Lani, Ing. Stefano Serracchiani

Testo e immagini per gentile concessione degli Autori

Fig. 1 - Foto della trave TVT

LA CONCEZIONE STRUTTURALE - Il sistema costruttivo di trave mista vetro-acciaio (TVT: Trave Vitrea Tensegrity) presentata in questa ricerca, e brevettata dal primo degli autori, scaturisce dall’idea di assemblare due ordini paralleli di elementi triangolari in vetro stratificato e temperato attraverso un sistema di barre metalliche pretese che confluiscono insieme ai vertici degli elementi vitrei in nodi metallici. Vengono impiegati elementi in vetro stratificato di forma triangolare con i vertici arrotondati per assecondare i mutui movimenti tra vetro e metallo e limitare l’insorgere di tensioni localizzate. Il vetro sarà sottoposto al trattamento di tempera chimica perché questa tipologia di tempera è caratterizzata, in caso di rottura, da una frammentazione in grandi elementi in grado di donare alla struttura una capacità residua di portare i carichi come avviene per il vetro ricotto. I nodi metallici in acciaio inox sono assimilabili a vincoli monolateri in cui le azioni tra gli elementi di vetro sono trasmesse solo per contatto diretto. In questo modo viene assicurata la trasmissione negli elementi fragili di azioni prevalentemente di compressione delegando alle barre metalliche quelle di trazione. Il contatto diretto tra vetro e acciaio inox è evitato interponendo delle lamine di teflon o alluminio in grado di limitare l’insorgere di microfessure sui bordi degli elementi in vetro. Il fine è quello di realizzare elementi strutturali a comportamento duttile assemblando in parallelo componenti in vetro, prevalentemente compresse, ad altre componenti in trazione realizzate con materiali sintetici e metallici dotati di adeguato comportamento plastico. Il funzionamento meccanico della trave mista vetro–acciaio presenta delle analogie con quello caratteristico delle strutture in c.a. o c.a.p. ove si sostituisca la matrice di calcestruzzo con gli elementi in vetro.

Fig. 2 - Prova fino rottura della trave TVT

IL MODELLO AGLI ELEMENTI FINITI - L’analisi numerica sviluppata per il prototipo TVT con il metodo degli elementi finiti, ed eseguita con il programma Straus7, si prefissa di approfondire lo studio della risposta meccanica della trave nel proprio piano e fuori piano. Il comportamento strutturale della trave risulta essere condizionato dal grado di vincolo interno dei nodi metallici, modellato con elementi point-contact, e dalle non linearità offerte dai tiranti pretesi (cuttof bar), si è cercato pertanto di includere nel modello numerico, per quanto possibile, questi fattori che risultano essere determinanti per lo studio della risposta meccanica della trave. Sono state svolte analisi parametriche per valutare l’influenza della forza di pretensione dei cavi sul comportamento meccanico della trave, analisi di stabilità locale delle lastre di vetro ed analisi di stabilità flessotorsionale globale della trave, mettendo in conto imperfezioni di carattere geometrico e meccanico. Per ottenere una rappresentazione sufficientemente dettagliata, in funzione della complessità delle analisi svolte, sono stati definiti quattro distinti modelli: • il modello TVT-1 è un modello globale piano, sviluppato per analizzare la risposta meccanica della struttura prescindendo da possibili fenomeni di instabilità e per studiare l’effetto della pretensione dei cavi sulla rigidezza globale; • il modello TVT-2 è un modello locale tridimensionale, comprendente una sola lastra di vetro con tre nodi metallici ai vertici, usato per studiare la stabilità del vetro sotto l’effetto della pretensione dei cavi; • il modello TVT-3 è un modello locale tridimensionale, comprendente un solo nodo metallico ed una sola lastra di vetro, usato per valutare la rigidezza trasversale del nodo; • il modello TVT-4 è un modello globale tridimensionale, con nodi semplificati rispetto al modello TVT-1, sviluppato per superare i problemi di stabilità numerica sorti nelle analisi geometricamente non lineari con valori elevati del moltiplicatore dei carichi esterni.

Fig. 3 - Modello agli Elementi Finiti della trave




Fig. 4 - Modello con elementi solidi per la valutazione della rigidezza del nodo metallico




Fig. 5 - Tensioni principali di compressione




Fig. 6 - Tensioni principali di trazione




Fig. 7 - Tensioni localizzate di contatto nodo-vetro




Fig. 8 - Modi di instabilità




Fig. 9 - Confronto tra dati sperimentali e teorici desunti con Straus7