PONTE E STRUTTURE IN VETRO

 

L’arco in vetro precompresso


L’arco in vetro è composto da 68 conci di vetro assemblati tra di loro in maniera da potere trasmettere il più uniformemente possibile gli sforzi risultanti di compressione con il quale è sollecitato. La conformazione parabolica dell’asse dell’arco permette, già di per se stessa alla struttura di avere una risultante, ai carichi distribuiti verticali, di soli sforzi di compressione; nel nostro caso, la particolare situazione dissimmetrica dell’arco e la presenza di carichi variabili sull’impalcato, comportano la nascita di importanti sollecitazioni flessionali che il vetro, come sappiamo, non è in grado di sopportare.


Si è pensato quindi di far correre, all’interno della sezione circolare cava dei conci di vetro, un certo numero di cavi di precompressione allo scopo di bilanciare i momenti flettenti presenti e di ricondurre la risultante dei carichi entro il terzo medio della sezione dell’arco. Più precisamente, anche per agevolarne il montaggio e il successivo serraggio e tensionamento, si ricorre in questo caso a barre semirigide in acciaio di post-tensione ad asse rettilineo serrate in corrispondenza di una serie di corone circolari appositamente realizzate per l’alloggiamento delle piastre di fissaggio e dei dadi di serraggio delle barre. Le stesse barre saranno “inghisate” in corrispondenza del concio iniziale in acciaio, posto sul basamento di fondazione, dal quale partiranno i successivi conci in vetro.


Il concio-tipo avrà sezione circolare con diametro passante da 3mt, alla base, fino a 1.4mt per il concio di chiave e una altezza di 2mt; sarà formato da una doppia parete in vetro stratificato temperato forman
te una camera d’aria, tra le due lastre curve, di 25cm per l’alloggiamento dei cavi di post-tensione appena descritti; la stessa intercapedine ospita gli irrigidimenti radiali del concio realizzati sempre in vetro stratificato.

Il concio sarà chiuso alle estremità da piastre in acciaio di spessore 40mm conformate a corona circolare per lasciare naturalmente libera la parte centrale al passaggio della luce.

Solo i conci in corrispondenza delle spezzate di pensionamento delle barre termineranno, in sommità, con la corona circolare di cui si è detto, più spessa e rigida dei precedenti piatti.


In corrispondenza delle lame di irrigidimento, si prevede il passaggio di una serie di cavi radiali necessari a serrare le due parti di concio tra di loro. Questo è necessario perché l’operazione di tempra delle lastre curve può essere svolta, attualmente, su una sola metà di sezione circolare e pertanto, le due metà costituenti il concio completo, devono essere assemblate ricorrendo a resine collanti speciali (siliconici strutturali) e all’azione meccanica delle barre radiali pretensionate di cui si è appena parlato.


I basamenti dell’arco sono tecnologicamente avanzati per una struttura di questo tipo: vi sono infatti alloggiati i 5 fari alogeni per l’illuminazione interna dei conci, che dovrebbero illuminare intensamente l’arco fino alla zona delle reni per poi smorzarsi fino ad arrivare tenuemente al colmo della parabola. Ci sono poi gli inghisaggi delle barre radiali di post-tensione con le eventuali aperture per potere eseguire le regolazioni.


Allo scopo di prevenire l’eventuale formarsi di condensa nel tubo in vetro dell’arco e per evitare i fastidiosi sbalzi termici che potrebbero verificarsi per una struttura così esposta ai raggi solari e alle condizioni atmosferiche, si prevede di alloggiare, nelle due basi dell’arco, gli arrivi di opportune condotte di condizionamento (con i relativi macchinari interrati poco lontano) che convoglino all’interno dell’arco flussi d’aria regolati in modo da garantirne il continuo ricambio.


 

Il calcolo strutturale


Come si è già detto precedentemente, si è eseguita una analisi agli elementi finiti, necessaria a determinare le sollecitazioni statiche e la risposta dinamica ai carichi accidentali. L’impalcato è stato caricato con i carichi permanenti e con gli accidentali derivati dalla condizione di ponte di II Categoria, come previsto dal DM 4-Maggio-1990: in particolare per questi carichi accidentali, sono state considerate le strisce di carico più dannose per le deformazioni, ottenendo le tensioni risultanti nell’arco parabolico in vetro strutturale, tensioni per noi fondamentali per verificare la portata del materiale e la tensione da dare alle barre interne per bilanciare le eventuali sollecitazioni di flessione. Si ricorda inoltre che, in questo caso, si ha anche il carico aggiuntivo dovuto alla pretensione delle funi stabilizzanti inferiori.


Dai calcoli, si è ricavata, lungo l’asse principale dell’arco, uno sforzo normale N=700.0000N e una sollecitazione massima M =24.0000N*mt (alla base dell’arco, considerato incastrato). La sollecitazione di momento flettente agisce sul piano dell’arco per via del carico dovuto all’impalcato, ma anche ortogonalmente all’asse dello stesso arco, per via dell’azione del vento: in questo senso le barre hanno disposizione radiale nella sezione circolare, proprio per bilanciare le tensioni che nascono per effetto delle azioni corrispondenti alla loro disposizione.


Per bilanciare il momento flettente, con cui non si vuole assolutamente impegnare la sezione in vetro, si predispongono le barre di pretensione alle quali viene affidata una tensione globale massima di 4000000N (ma dosata opportunamente lungo i tratti di barre, ciascuna pre-tensionata con un proprio sforzo per fare fronte al momento in quella zona): con questo sforzo, in pratica assimilato ad un ulteriore carico distribuito lungo l’asse dell’arco parabolico, si riporta la risultante delle pressioni all’interno del terzo medio della sezione circolare, pressoché coincidente con l’asse geometrico  annullando, quindi, le flessioni.


Il valore massimo dell’azione N raggiunge ora quindi il valore di N=12000000N e la sezione più sollecitata viene impegnata con uno sforzo massimo di 52N/mmq, ampiamente compatibile con la tensione massima a compressione ammissibile del vetro. Infatti, come abbiamo riportato nelle tabelle, la tensione di rottura a compressione del vetro ha un minimo di 700N/mmq (ma può arrivare anche a 1000N/mmq), per cui, nel nostro caso si ha un coefficiente di sicurezza >13.


Per quello che riguarda le deformazioni si rispettano, nel caso statico, quelle previste dalla normativa essendo l’abbassamento massimo dell’impalcato contenuto nei valori di circa 18.5cm; nel caso dinamico si fa sentire l’azione controventante delle funi stabilizzanti inferiori pretensionate in modo da evitare proprio le azioni di flutter e di buffeting provocate dall’azione dinamica del vento.

In pratica è stata analizzata la sezione centrale dell’impalcato con un programma realizzato ad hoc per l’analisi al vento della sezione del ponte ed implementante l’algoritmo di Wilson-theta integrante, nel tempo, una particolare “storia” standard di vento.


Questa analisi particolare ha evidenziato, ma non c’era bisogno di conferme, la estrema rigidezza torsionale dell’impalcato e lo smorzamento degli spostamenti (sia verticali che torsionali)della sezione, nel tempo.

La stessa rigidezza dell’impalcato contribuisce a fare rientrare agevolmente la frequenza fondamentale del ponte fo nei limiti imposti dal bando, essendosi calcolata fo_max=1.95Hz.




Problematiche e sviluppi di questo tipo di strutture


Negli ultimi anni la ricerca sugli elementi in vetro strutturale ha fatto passi da gigante, soprattutto grazie alle ricerche condotte presso l’Istituto di strutture leggere di Stoccarda, in Germania. Questi studi si sono indirizzati, coadiuvati dalle prove condotte anche presso i laboratori delle ditte produttrici, sugli elementi in tubi cilindrici laminati che hanno raggiunto tecnologie tali da permettere di avvicinarci alla tipologia del concio descritto nell’articolo, ma realizzato in un unico pezzo.

Fino ad oggi la tecnologia permette di realizzare tubi di vetro fino al diametro esterno di circa 500mm e spessori nell’ordine dei 19mm con resistenze ammissibili di 60N/mmq (400N/mmq e oltre, a rottura). La tecnologia del concio di vetro, teorizzata qualche anno fa nel progetto descritto, sembra oggi una realtà possibile almeno per piccole strutture o elementi portanti tra di loro assemblati.


Ed è proprio nell’assemblaggio delle singole parti tra di loro che sembrano esserci i maggiori problemi nel senso di riuscire a rendere perfettamente complanari e regolari le faccie tra di loro in accostamento in modo da non far nascere picchi di tensione indesiderati e non previsti. Ricordiamo infatti che il vetro, anche se laminato in associazione con le plastiche, è un materiale estremamente fragile per il quale la “prediction” (cfr. Peter Rice) delle sollecitazioni è fondamentale.



Viste le premesse, dato che gli stimoli progettuali non mancheranno, vedremo nel futuro il vetro sempre più protagonista nelle nostre costruzioni e in un ruolo forse fino a solo pochi anni fa, veramente inaspettato.

Introduzione.


In questo articolo si descrive il progetto di un ponte pedonale proposto in occasione del concorso “Due ponti sul Tevere per Roma”. In particolare si vuole proporre, in questo caso, l’uso del vetro come materiale strutturale in un momento storico dell’architettura in cui il vetro è protagonista nelle facciate portanti di molti edifici del nostro tempo ma ancora troppo timido nel calcare le scene della struttura vera e propria.


Per questo ponte si prevede allora l’utilizzo del vetro come unica parte strutturale costituente i conci di un grande arco ad asse parabolico portante l’impalcato sottostante mediante una serie di stralli in acciaio armonico.


La sfida, in questo senso, è notevole: realizzare un arco in vetro portante un ponte pedonale saltuariamente carrabile, per una luce libera di circa 100mt, illuminarlo al suo interno quasi a smaterializzare la stessa struttura in un effetto scenografico che avrà al buio, di notte, il suo lato più affascinante ed eclatante.


E’ difficile immaginare un tale effetto: dobbiamo però considerare sia l’architettura illuminata che quella luminosa e luminescente come due aspetti fondamentali dell’arte del costruire. Un esempio, tra i tanti, che ci dice come oggi molto spesso la materialità, la “corposità”, che ha dominato la progettazione di ogni epoca passata, trovi, proprio attraverso il medium luminoso, un primo esempio di “de-materializzazione”, nel senso di trovare una nuova materia per modellare lo spazio; uno spazio che può quindi essere quello percorso dal flusso luminoso che altera le dimensioni effettive ma che offre nuove sensazioni ed emozioni.






































Il progetto del ponte


Lo schema strutturale che si è scelto per questo tipo di attraversamento è quello del ponte ad arco strallato a via inferiore con alcune varianti sostanziali sia dal punto di vista della geometria che dei materiali utilizzati.

In particolare, si è pensato ad una particolare conformazione geometrica dell’unico arco portante in modo che quest’ultimo passasse, a cavallo dell’impalcato, da un parte all’altra delle due sponde del fiume; questo tipo di conformazione certamente eclettica come scelta, ha però il vantaggio oltre che una originale connotazione scenografica degli stralli che vengono in questo modo ad intrecciarsi (per un osservatore che percorra il ponte), anche di poter concentrarsi su un unico arco per la scelta del materiale e dei particolari costruttivi conseguenti.


E’ in questo modo che si inquadra la ricerca per realizzare l’arco portante in vetro strutturale: una serie di conci cavi all’interno, formati da pareti in vetro curvo temperato e stratificato, irrigidite mediante costolature verticali piane.

L’arco parabolico sarà illuminato da una serie di fari disposti alle due basi opposte in modo da realizzare un forte segno luminoso e scenografico che, se di giorno avrà la sua particolare connotazione tecnico-scientifica, di notte si ergerà a simbolo per quella zona di città, ad allacciare romanticamente le rive opposte del Tevere.


Se l’arco in vetro è certamente l’elemento caratteristico e innovativo del ponte, anche la conformazione e l’andamento dei cavi portanti e stabilizzanti l’impalcato sono altrettanto iinteressanti da esaminare. Come si è già detto, dall’arco parabolico partono le coppie di pendini in acciaio armonico che sostengono ai bordi, l’impalcato del ponte; dallo stesso partono poi, in corrispondenza degli stralli superiori, l’ordito delle funi stabilizzanti inferiori conformate sempre ad andamento parabolico e aperte verso l’esterno del piano viario.


Tali funi inferiori funzionano nel caso sull’impalcato agiscano particolari carichi accidentali che mandino in compressione i pendini superiori: in questo caso agiscono allora le funi inferiori che permettono anche di limitare gli spostamenti laterali dell’impalcato soprattutto nei confronti dell’azione del vento, tanto dannosa per gli impalcati leggeri.


L’impalcato del ponte si è pensato, più tradizionalmente, in una struttura centrale scatolare chiusa di acciaio della larghezza di 6mt, corrispondente alla fascia eventualmente carrabile del ponte, e con due aree laterali solo pedonali, con piano di calpestio in lastre di vetro stratificato temperato. Queste due fasce laterali in vetro alleggeriscono l’impatto della larghezza totale dell’impalcato e, soprattutto al buio, dovrebbero conferire al pedone l’impressione di galleggiare sull’acqua. Questo effetto è stato pensato inserendo una serie di fari nel cassone centrale puntati verso l’acqua sottostante.