Il comportamento sismico del curtain wall: intervista a Guido Lori di Permasteelisa | Ingegneri.info

Il comportamento sismico del curtain wall: intervista a Guido Lori di Permasteelisa

Nel dimensionamento all'azione sismica, i curtain walls devono essere considerati parti strutturali o non strutturali? Lo abbiamo chiesto all'ingegnere Guido Lori (Permasteelisa SpA)

La Soyak Tower di Istanbul
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In occasione del convegno Seismic Academy, tenutosi a Pavia il 29 ottobre 2015 ed organizzato da Hilti Italia, sono stati affrontati temi legati alla sicurezza delle costruzioni nei confronti dell’azione sismica. Aspetto fondamentale che è emerso dalle osservazioni dei relatori che vi hanno preso parte è stata la necessità di cooperare nella progettazione esecutiva dell’opera al fine di considerare tutti gli aspetti che consentono di raggiungere la soglia di sicurezza richiesta, nei confronti dei diversi stati limite.
Non solo la sicurezza e la fruibilità della costruzione post evento deve essere garantita, ma soprattutto nelle strutture considerate strategiche, l’operatività deve essere ristabilita rapidamente; l’attenzione deve quindi essere rivolta agli elementi sia strutturali che non strutturali (ad esempio gli impianti, che devono essere operativi dopo il terremoto). Tra i relatori dell’evento, vi è stato anche l’ing. Guido Lori di Permasteelisa: il contributo di seguito è il frutto delle sue considerazioni fatte durante il convegno, integrato da alcune domande dirette sul tema del comportamento sismico del curtain wall.

Partiamo con una domanda nevralgica: le facciate devono essere considerate elementi strutturali o non strutturali?
Di fatto si tratta di un elemento che interagisce con la struttura principale, sia in termini di carichi trasferiti che di deformazioni da accomodare.
È il caso ad esempio del curtain wall (facciata continua) che rappresenta sì un elemento di decoro architettonico ma al contempo deve essere progettato adeguatamente per resistere a carichi dinamici, quali sisma e vento.  Trattandosi di un elemento avente funzione protettiva, è al contempo un elemento di design e quindi di distinzione rispetto alle costruzioni convenzionali. Ciò implica la realizzazione non seriale dell’elemento, che a sua volta incide sui dettagli e sui particolari realizzativi. Ma come si comporta la facciata durante il terremoto?

Il pericolo della facciata vetrata durante l’azione sismica è l’espulsione del vetro fuori dal piano (50 kg/m2), ovvero cadendo a terra può ferire persone o danneggiare beni posti nelle vicinanze. Nella sua presentazione l’ing. Lori ha proposto l’esempio dei danni registrati durante il terremoto di Kobe (17 gennaio 1995, magnitudo 6.8).
Lo scenario è quello di strade cedute contrapposte a facciate di grattacieli perfettamente integre; ciò implica un’evoluzione tecnologica e un’attenzione al progetto del curtain wall.

E’ necessario integrare queste considerazioni con una breve panoramica degli aspetti normativi del curtain wall. Il curtain wall è considerato sia dall’Eurocodice che dalla normativa nazionale quale elemento secondario non strutturale, pertanto nei confronti dell’azione sismica la connessione del curtain wall deve essere progettata per resistere ad una forza laterale proporzionale alla massa e alla posizione geometrica dell’elemento posto nel contesto strutturale.

La normativa EN 13830 (Annesso D) presta una maggiore attenzione al dimensionamento del curtain wall, considerando i movimenti che deve andare ad accomodare e che gli sono trasmessi dalla struttura principale. Sono quindi indicate le procedure sperimentali per valutare il comportamento della facciata ai diversi stati limite, di servizio e ultimi.
Il test consiste nel sollecitare con cicli deformativi il solaio e osservare la risposta del curtain wall; al termine della prova l’elemento deve continuare a sopportare le azioni ordinarie che investono la facciata e in particolare la funzione primaria di tenuta ad aria ed acqua.
Come asserito dall’ing. Lori, per trovare le migliori linee guida per la progettazione, occorre però uscire dall’Europa e andare a considerare i Paesi sismici in cui il mercato edilizio richiede la messa in opera del curtain wall da maggior tempo: è il caso ad esempio degli Stati Uniti (NEHRP/FEMA 450 – Capitolo 6) dove il progetto prevede oltre che alla forza orizzontale, anche una componente verticale per il dimensionamento della connessione della facciata alla struttura primaria e uno spostamento interpiano che deve essere accomodato dal curtain wall.
La FEMA dedica l’intero capitolo 6 al Curtain wall e definisce il cosiddetto Δfallout, cioè il massimo spostamento interpiano (interstorey drift) che la facciata può assorbire senza danni ai suoi elementi principali, ovvero il limite corrispondente alla caduta del vetro. Sperimentalmente l’entità di suddetto spostamento può essere valutata mediante il cosiddetto “Crescendo Test” (AAMA.501.6).
Infine un’ultima normativa è quella giapponese, JASS 14, in cui i movimenti accomodati in facciata sono proporzionali sia alle onde P (primarie) sia alle onde S (secondarie) del terremoto. La JASS 14 definisce tre soglie di interstorey drift:

  • Grado 1 H/300 evento con un’alta probabilità di accadimento;
  • Grado 2 H/200 evento con l’intensità più grande verificatosi;
  • Grado 3 H/100 corrispondente all’evento più intenso previsto nei prossimi 100 anni.

Le connessioni della facciata alla struttura primaria devono essere in grado di resistere alle azioni sismiche, le cui intensità sono generalmente inferiori a quelle del vento, quindi il design sismico non pone problematiche addizionali alla progettazione da questo punto di vista.
Al contrario una facciata progettata per sostenere gli effetti di una rilevante azione sismica, sarà molto diversa da una tradizionale dal punto di vista della capacità di assorbimento degli spostamenti d’interpiano attraverso i movimenti dei suoi giunti e dei suoi elementi principali.
Tornando alla caratterizzazione dei movimenti che il terremoto trasferisce all’edificio, le onde P sollecitano verticalmente la facciata, mentre le onde S si distinguono in due componenti: una fuori piano e una tangenziale, ovvero quella più critica da assorbire per la facciata e che può causare la rottura del vetro. Occorre quindi che i pannelli vetrati accompagnino il movimento attraverso spostamenti ben studiati. In termini teorici si potrebbe pensare di permettere una traslazione relativa dei pannelli fra i piani, ma questo non è accettabile dal momento che andrebbe a compromettere la funzionalità della facciata in termini di tenuta all’aria e all’acqua.
Nella pratica progettuale il movimento d’interpiano è accomodato dal pannello di facciata attraverso una combinazione di una rotazione (effetto racking/rocking) e una distorsione del telaio. La seconda componente è quella che risulta ovviamente più critica, dal momento che sotto tale distorsione gli elementi della facciata sono soggetti a stress elevati e in particolare il vetro, elemento debole e più pericoloso del sistema, può dislocarsi parzialmente o totalmente dal telaio causa rottura o scollamento dal telaio stesso.
Modelli numerici su base empirica sono stati sviluppati in modo da riuscire a prevedere il rapporto fra movimento di rotazione e di distorsione sulla base dei principali parametri di progetto, al contempo l’utilizzo della modellazione agli elementi finiti permette di stimare lo stato di stress dei vari componenti sotto l’azione di una certa distorsione. Tuttavia solo la verifica sperimentale riesce a dare una conferma o meno della capacità della singola facciata di rispondere al requisito sismico di progetto in maniera adeguata.

Figura 1a - Movimenti nelle connessioni (immagine fornita da Permasteelisa SpA)

Figura 1a – Movimenti nelle connessioni
(immagine fornita da Permasteelisa SpA)

Figura 1b - Movimento relativo al giunto delle 4 cellule (immagine fornita da Permasteelisa SpA)

Figura 1b – Movimento relativo al giunto delle 4 cellule
(immagine fornita da Permasteelisa SpA)

Quali tipi d’indagine sperimentale sono più coerenti per cogliere il comportamento sismico del curtain wall?

Le modalità di indagine sperimentale maggiormente utilizzate nella pratica sono due: racking test e crescendo test.
Di solito si applicano a un campione di facciata costituito da 9 cellule (tre piani per tre moduli) dove la trave intermedia a cui le cellule sono appese è una trave sismica, mentre le altre travi sono fisse.

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Immagini di laboratorio - evidenziati traduttori di spostamento per verifica degli spostamenti relativi (immagine fornita da Permasteelisa SpA).

Figura 2: Immagini di laboratorio – evidenziati traduttori di spostamento per verifica degli spostamenti relativi
(immagine fornita da Permasteelisa SpA).

Il racking test è quello maggiormente impiegato e consiste nell’applicare lo spostamento d’interpiano in maniera lenta o quasi-statica alla trave sismica con cicli ripetuti per spostamenti di servizio e ultimi. Attraverso misure sperimentali è possibile verificare che gli spostamenti relativi orizzontali e verticali dei vari elementi rispondano alle attese (Figura 2).
Ovviamente a conclusione del test l’elemento dovrà essere in grado di continuare a sopportare le condizioni e le azioni ordinarie (ad esempio, tenuta dell’aria e acqua); qualora questi requisiti venissero a mancare, nonostante l’eventuale superamento del racking test, l’elemento dovrebbe essere sottoposto a modifiche progettuali.
Ovviamente il racking test riproduce in maniera accurata solo lo spostamento massimo d’interpiano atteso durante l’evento sismico di progetto, ma non fornisce nessuna risposta rispetto alle condizioni dinamiche in cui nella realtà questo spostamento viene trasferito dall’edificio al curtain wall.
Al contrario il Crescendo test introduce anche una caratterizzazione dinamica, imponendo una sequenza di cicli di spostamento con ampiezza e frequenza via via crescente fino a determinare lo spostamento limite ultimo o Δfallout che la facciata riesce ad accomodare prima di perdere l’integrità strutturale.

I laboratori di prova più all’avanguardia permetterebbero oggi anche l’esecuzione di prove ancora più complesse e realistiche, con l’applicazione di storie temporali di spostamento sulla base di spettri in frequenza ben definiti e specifici di un particolare evento sismico, ulteriormente filtrato dal comportamento dell’edificio in esame.
Ad oggi sono rarissimi i casi in cui tali tipi di test vengono richiesti, ma saranno certamente più diffusi in futuro quando l’ottenimento di tali spettri in frequenza verrà normato/standardizzato in maniera più dettagliata.

 

Chi è Guido Lori

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Guido Lori si laurea nel 2001 in Ingegneria Meccanica all’Università di Perugia, indirizzo Veicoli terrestri con la tesi “Statistica del danneggiamento a fatica con metodi dal dominio del tempo e della frequenza”. Nel 2005, presso lo stesso Ateneo, ottiene il Dottorato in Ingegneria Industriale.
Guido Lori è Responsabile delle tematiche di ricerca in ambito “Structural and Safety” del Dipartimento R&D di Permasteelisa Group, azienda in cui entra a far parte nel 2006 come addetto al calcolo strutturale. Nel 2007 partecipa allo sviluppo del tool di proprietà di Permasteelisa per l’analisi del comportamento delle facciate resistenti alle esplosioni e supporta le attività di design/engineering delle applicazioni su edifici ad elevato rischio di attacchi terroristici. Dal 2008, sempre per la stessa azienda, è Project Manager di progetti di ricerca e sviluppo sulle tematiche di sicurezza e, sugli stessi argomenti, svolge attività di formazione per ingegneri e designers di Permasteelisa Group.
Nel biennio 2012-2013 ottiene lo status di visitor researcher dall’University of Melbourne, Department of Infrastructure Engineering e dall’University of Tecnology di Sydney, Department of Civil and Environmental Engineering nell’ambito della collaborazione di ricerca fra Permasteelisa e le suddette università, finanziata dall’Australian Research Council.
Guido Lori è autore di diverse pubblicazioni su benchmarking di metodi di progettazione e verifica di facciate resistenti alle esplosioni sulla base di dati sperimentali da test full-scale.

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