Qualsiasi elemento portante si intenda realizzare,

Transcript

1 elementi strutturali Teoria e pratica: le regole del gioco In questo momento storico di fermento normativo il mercato del vetro per applicazioni strutturali sta rispondendo in maniera molto vivace, e a volte anche scomposta, alle sollecitazioni architettoniche che riceve da professionisti sempre più smaliziati e architettonicamente aggressivi. L obiettivo del presente articolo è quello di fare un po di chiarezza sulle modalità operative da seguire per non commettere errori grossolani, dalle ricadute pesanti per la propria attività lavorativa Ing. Michel Palumbo, Ing. Maria Teresa Mazzucchelli (progettisti Glass Safety Service) Qualsiasi elemento portante si intenda realizzare, sia esso una scala, un soppalco, un calpestabile, una parete portante o una copertura eccetera, richiede inevitabilmente un progetto strutturale che deve essere realizzato ai sensi delle leggi e dei documenti tecnici pertinenti, anche se si tratta di elementi strutturali secondari (come richiesto dal paragrafo delle NTC 2008 avente per titolo: Criteri di progettazione di elementi strutturali SECONDARI ed elementi NON strutturali ). Nel caso di elementi in vetro con applicazioni strutturali, i documenti da cui non si può prescindere per la progettazione sono: 1) Decreto Ministeriale Llpp del 14/01/2008 Norme tecniche per le costruzioni (Ntc 2008); 2) Norma nazionale Uni 7697:2015 Criteri di sicurezza per le applicazioni vetrarie ; 3) Documento tecnico Cnr DT 210:2013 Istruzioni per la progettazione, l esecuzione ed il controllo di costruzioni con elementi strutturali di vetro. Esclusivamente per gli elementi soggetti a carico distribuito lineare orizzontale (tamponamenti e parapetti), le Ntc 2008 consentono (Par ) di procedere alla verifica anche per via sperimentale. Risulta evidente che l impianto logico della verifica sperimentale deve essere coerente con quello del dimensionamento teorico: a) per misurare le deformazioni si procede con la combinazione dei carichi definita allo Stato Limite di Esercizio (S.L.E.); b) per valutare la resistenza si procede con la combinazione dei carichi amplificati così come previsto allo Stato Limite Ultimo (S.L.U.); 50 rivista del vetro 2~Aprile/Maggio 2015

2 Non si vive di solo vetro La forte dipendenza del comportamento meccanico del pvb dalla temperatura ha evidenti ricadute sul comportamento del prodotto stratificato c) per valutare la sicurezza del manufatto, se mancano presidi esterni anticaduta è necessario procedere alla verifica sullo Stato Limite di Collasso (S.L.C.) come previsto dal Cnr DT-210:2013. Condizione fondamentale, richiesta da tutti i documenti normativi di riferimento, Ntc 2008, Uni 7697:2015 e Cnr DT/210, è ovviamente quella che il sistema testato deve avere le stesse caratteristiche di quello che poi verrà installato. Tale concetto viene esplicitato nei tre documenti nel modo seguente: Ntc 2008 par I carichi orizzontali lineari Hk devono essere applicati a pareti - alla quota di 1,20 m dal rispettivo piano di calpestio - ed a parapetti o mancorrenti alla quota del bordo superiore. In proposito deve essere precisato che tali verifiche locali riguardano, in relazione alle condizioni d uso, gli elementi verticali bidimensionali quali tramezzi, pareti, tamponamenti esterni comunque realizzati, con esclusione di divisori mobili (che comunque devono garantire sufficiente stabilità in esercizio). Il soddisfacimento della prescrizione può essere documentato anche per via sperimentale, e comunque mettendo in conto i vincoli che il manufatto possiede tutte le risorse che il tipo costruttivo consente. Uni 7697:2015 par. 9 Una volta effettuata la scelta del tipo di vetro se ne definisce lo spessore atto a sopportare i carichi ed i sovraccarichi mediante calcolo in conformità alle norme pertinenti ( ). Qualora si ritenesse necessario verificare per via sperimentale l effetto delle sollecitazioni previste sulle vetrate, è Come viene sollecitato un parapetto al variare del tipo di vincolo scelto? Prendiamo ad esempio un parapetto in vetro incastrato al piede. Quando si pensa ad un parapetto in vetro si fa riferimento quantomeno a due elementi costituenti fondamentali: 1) il vetro stratificato; 2) il sistema di vincolo scelto. Escludiamo come variabili di cui tenere necessariamente conto, per semplicità, le guarnizioni utilizzate, la consistenza della muratura a cui verrà vincolato il parapetto e i sistemi di vincolo scelti per vincolarsi alla muratura (barre con ancorante chimico, tasselli a battere, ). È ben noto che molteplici sono i possibili sistemi di vincolo che possono essere utilizzati e, a parità di forza esterna applicata, ciascuno di essi sollecita il vetro in maniera differente. Un parapetto con attacchi puntuali vedrà fortemente localizzato lo sforzo sul vetro, perché tutta la forza esterna verrà trasferita alla muratura di vincolo attraverso un limitato numero di punti di sostegno. Un parapetto vincolato con continuità per l intera larghezza, consentendo al vetro sotto sforzo di appoggiarsi per tutta l estensione del vincolo, risulterà molto meno sollecitato della situazione precedente. Infine, una soluzione commercialmente molto diffusa consiste nel vincolare un parapetto in un estruso unico facendo appoggiare il vetro in maniera discontinua su supporti di opportuna larghezza posizionati ad intervalli prestabiliti. In questo caso, il vetro sotto sforzo si appoggerà in maniera discontinua a dispetto della continuità visiva e risulterà molto meno sollecitato di quanto non avvenga con gli attacchi puntuali, ma ovviamente più stressato di quanto descritto nella situazione di vincolo continuo. Figura a: Stima degli sforzi indotti nel vetro da un carico nominale di 2 KN/m testato all SLU (q=2 KN/m x 1,5 = 3 KN/m). I vincoli sono attacchi puntuali. Figura b: Stima degli sforzi indotti nel vetro da un carico nominale di 2 KN/m testato all SLU (q=2 KN/m x 1,5 = 3 KN/m). Il vincolo è lineare continuo. Figura c: Stima degli sforzi indotti nel vetro da un carico nominale di 2 KN/m testato all SLU (q=2 KN/m x 1,5 = 3 KN/m). Il vincolo è lineare continuo. 2~Aprile/Maggio 2015 rivista del vetro 51

3 elementi strutturali 1 Con stesse caratteristiche si intende anche la stessa temperatura, aspetto che spesso viene trascurato. Come sempre, sia in fase di calcolo che nel caso di sperimentazione, bisogna porsi nelle condizioni di temperatura più gravose per verificare e validare il comportamento dello stratificato. La forte dipendenza del comportamento meccanico del pvb dalla temperatura ha evidenti ricadute sul comportamento del prodotto stratificato. Non ha alcun significato effettuare le prove di carico su un parapetto ad una temperatura di 20 C se esso verrà installato in esterno in una zona soleggiata, dove tranquillamente le temperature estive faranno raggiungere al plastico la temperatura di 40 C. La sicurezza va garantita sempre nelle Figura 1_ Andamento della rigidezza a taglio del pvb al variare della temperatura. Timmel et Al. in Int.J. Impact Eng. 34 (2007) pp.: TAbella 1 Elementi verticali Verifica teorica Validazione sperimentale Confronto tra attività di calcolo ed equivalenti verifiche sperimentali Effettuato da Professionista abilitato Laboratorio accreditato con presidio anticaduta senza presidio anticaduta Norme di riferimento NTC 2008 NTC DT 210 in interno climatizzato in esterno SLU SLC T=20 C T=45 C SLU SLC T=20 C T=45 C NTC 2008 par NTC 2008 par necessario essere certi che le prove riproducano con sufficiente approssimazione tutte quelle azioni che si vogliono simulare. Cnr DT 210 par I produttori e/o i fornitori che sono in grado di proporre sistemi completi (vetri + sistemi di connessione) devono fornire, oltre alle caratteristiche meccaniche e fisiche dei singoli componenti, anche le caratteristiche meccaniche del sistema completo. Tali valori devono essere supportati da validazioni sperimentali effettuate in laboratorio o in situ (prove su strutture in scala reale) e documentate da dettagliati rapporti di prova. Con stesse caratteristiche si intendono non solo le stesse misure e la stessa tipologia e stratigrafia di vetro, ma soprattutto gli stessi sistemi di vincolo. Qualsiasi differenza tra quanto testato sperimentalmente e quanto verrà successivamente installato va ad inficiare la possibilità di estendere il valore della prova a ciò che viene effettivamente messo in opera. condizioni più critiche dell applicazione. La dipendenza della rigidezza del pvb dalla temperatura è stata abbondantemente caratterizzata, in letteratura. Si riporta, per semplicità, l andamento della rigidezza del pvb in funzione della temperatura così come pubblicato da Timmel et Al. in Int.J. Impact Eng. 34 (2007) pp.: È facile evincere dal grafico, anche per un occhio inesperto, che dopo i 20 C di temperatura si manifesta un crollo della rigidezza a taglio del pvb. La conseguenza diretta è un abbattimento del momento di inerzia del multistrato in vetro e quindi un conseguente abbattimento della sua resistenza (vedere box). Continuiamo ora parlare di verifiche per via sperimentale. Anche se si eseguono una o alcune prove presso laboratori di prova accreditati, questo non costituisce in alcun modo una certificazione del prodotto e men che meno di un sistema più complesso costituito dalla somma di più oggetti. Il laboratorio certificato non fa altro che condurre il test richiesto e comunicare i risultati ottenuti nelle condizioni dichiarate. Oltre a condurre il test richiesto con mezzi e strumenti tarati e certificati il laboratorio di prova agisce 52 rivista del vetro 2~Aprile/Maggio 2015

4 Le verifiche analitiche o le prove vanno effettuate nella condizione di temperatura più gravosa, quindi più elevata, che il manufatto possa raggiungere nella sua vita come un notaio e garantisce il valore dei risultati, descrivendo tanto le condizioni operative quanto il comportamento del campione analizzato. Nulla di più. Il test o le prove di un sistema composito vanno effettuati secondo criteri ben precisi, indicati da norme specifiche e condotti da laboratori accreditati in modo che i risultati ottenuti possano avere una valenza formale e non solo indicativa dei risultati. Per tutto quanto detto il resoconto di prova deve riportare, oltre ai risultati ottenuti, le esatte condizioni in cui la prova è stata effettuata in termini di temperatura, di vincolo, di tipologia di vetro e dei carichi applicati. Proviamo ora ad esplicitare meglio i concetti sopra esposti con esempi. Ipotizziamo di dovere dimensionare per via teorica o sperimentalmente la resistenza di una parete di tamponamento o di un parapetto con rischio di caduta nel vuoto. Il punto di partenza di ogni considerazione è la consultazione delle Ntc 2008, Tab. 3.1.II Valori dei carichi di esercizio per le diverse categorie degli edifici. La tabella riporta i valori di esercizio che devono quindi essere ulteriormente amplificati per un coefficiente γ Q =1,5, per la verifica allo Stato Limite Ultimo. Es. 1 categoria di carico C2 a cui corrisponde un carico lineare nominale H k = 2,00 KN/m (200 kg/m); il valore da considerare per le verifiche all S.L.U. e all S.L.C. è pari a 2,00 KN/m x 1,5 = 3,00 KN/m (200 kg/m x 1,5= 300 kg/m). Es. 2 categoria di carico C3 a cui corrisponde un carico lineare nominale H k = 3,00KN/m (300 kg/m); Come aumenta la sollecitazione nel vetro di un parapetto al variare della temperatura Profilo con appoggio continuo Categoria B1: H k = 2,00 KN/m Carico per dimensionamento allo S.L.U.: q = H k γ = 2,00 KN/m 1,5 = 3,00 KN/m (300 Kg/ml) Modalità di prova: carico SLU applicato per 15 minuti secondo Uni 10806:1999 Analisi Fem 1: T=20 C - Ntc 2008 par Figura I): Stima degli sforzi indotti nel vetro da un carico nominale di 2 KN/m testato all SLU (q=2 KN/m x 1,5 = 3 KN/m) alla temperatura di T=20 C. Il vincolo è lineare continuo. In un ambiente climatizzato è coerente testare il sistema vetro+vincolo ad una temperatura di 20 C; invece, qualora lo stratificato dovesse essere installato in ambiente esterno soleggiato, la temperatura di prova non dovrebbe essere inferiore ai 40 C dato che questa temperatura è facilmente raggiungibile per il plastico di stratifica sottoposto ad irraggiamento solare. Analisi Fem 2: T=45 C - Ntc 2008 par Figura II): Stima degli sforzi indotti nel vetro da un carico nominale di 2 KN/m testato all SLU (q=2 KN/m x 1,5 = 3 KN/m) alla temperatura di T=40 C. Il vincolo è lineare continuo. Come si può vedere, l effetto della temperatura sullo stratificato dipende fortemente dalle proprietà del plastico di stratifica. La correlazione è inversa: la rigidezza dello stratificato decresce all aumentare della temperatura, in perfetta coerenza con quanto riportato nella Figura 1 dell articolo. Per questo motivo le prove sperimentali, qualora si dovesse adottare questa strategia di validazione della scelta progettuale, devono essere condotte non solo in perfetta corrispondenza tra sistema testato e sistema che verrà effettivamente installato, ma tali prove devono essere condotte nelle condizioni di temperatura più sfavorevoli che l applicazione prevista prevede. 2~Aprile/Maggio 2015 rivista del vetro 53

5 elementi strutturali il valore da considerare per le verifiche all S.L.U. e all S.L.C. è pari a 3,00 KN/m x 1,5 = 4,50 KN/m (300 kg/m x 1,5= 450 kg/m). Trattandosi delle prescrizioni di un Decreto ministeriale devono essere seguite scrupolosamente per tutti i tipi di progettazione. È necessario attenersi alle prescrizioni sia per l individuazione corretta dei carichi da applicare sia per la definizione dei coefficienti di amplificazione da adottare per la verifica della resistenza (sia che si proceda con un calcolo sia che si opti per una prova pratica). Troppo spesso abbiamo sentito affermazioni del tipo: Ma tanto chi vuoi che passi?, oppure Quando mai sui parapetti di una scala si arriva a carichi così elevati?, oppure ancora Quei carichi sono così elevati che solo noi in Italia. Ebbene, se si decidesse di deviare da questo percorso, facendo prevalere considerazioni e interpretazioni soggettive sulla oggettività della disciplina normativa ci si posizionerebbe fuori dalla legge alla pari di un automobilista spregiudicato. Sarebbe come dire che, se in autostrada il limite di velocità imposto è di 130 km/h, nel caso in cui si stia guidando un auto di grossa cilindrata si ha il diritto di superare detto limite se la visibilità è buona e il traffico è scarso. Inutile dire che, in caso di controllo, l automobilista verrebbe sanzionato con multa e decurtazione di punti dalla patente se non con il ritiro di quest ultima. Le verifiche analitiche o le prove vanno poi effettuate Il mio prodotto è certificato Innanzitutto è necessario chiarire il significato del termine certificato, che con troppa leggerezza viene utilizzato in ambito vetrario e che troppe volte risulta abusato rispetto al suo valore formale. Si può asserire che un prodotto è certificato se e solo se esiste una norma di prodotto che consente di operare prove di caratterizzazione a loro volta codificate. Laddove queste prove esistano, ogni prodotto realizzato in conformità ad esse può ritenersi prodotto certificato. In mancanza di una norma di prodotto il prodotto stesso non può essere né certificato né essere venduto come prodotto certificato. In alcuni Paesi quali la Francia esiste la possibilità di certificare un prodotto o un unione di più prodotti (ad esempio, un vetro e i relativi sistemi di vincolo) attraverso l impiego di procedure e protocolli nazionali, realizzando un set di prove di caratterizzazione sistematica al variare dei parametri ritenuti significativi dall ente di certificazione stesso, in modo tale da potere ritenere sempre validi e quindi certificati tutti i casi intermedi ricadenti nell intervallo di misure minime e massime indagate. Queste certificazioni hanno un costo molto elevato, perché si tratta di realizzare uno studio ed una conseguente sperimentazione molto ampia e onerosa. Tra l altro, le certificazioni rilasciate hanno una scadenza temporale. A scadenza, la commissione che ha deliberato la certificazione valuta se norme o conoscenze nel settore sono cambiate rispetto alla delibera precedente. In caso negativo la certificazione viene prorogata, altrimenti si devono condurre nuove sperimentazioni, così come deliberato dalla commissione certificatrice. In Italia, il ruolo di garante è demandato al progettista abilitato. È questa figura formale che dimensiona e dichiara, sotto la propria responsabilità, che il sistema costituito da vincoli, ancoraggi e vetro abbia le caratteristiche coerenti con i carichi agenti e con le richieste normative. Anche in presenza dove consentito dalle Ntc 2008 di prove sperimentali, è il progettista che sottoscrive la coerenza tra prova di carico ed esigenze normative, assumendosene la responsabilità. Se manca il progettista abilitato, colui che installa il sistema si assume implicitamente tutte le responsabilità che le scelte condotte comportano. Nell ambito delle attività di cantiere oltre al progettista altre figure abilitate, quali il Direttore dei lavori ed il collaudatore, possono operare ulteriori verifiche secondo quanto di loro competenza sia dal punto di vista tecnico-operativo, sia dal punto di vista formale di raccolta e verifica dei documenti. 54 rivista del vetro 2~Aprile/Maggio 2015

6 NON è legge, ma non si può nascondere la testa sotto la sabbia Le leggi che disciplinano un attività devono necessariamente essere rispettate. Per quanto riguarda la realizzazione di elementi in vetro in ambito edile le Norme tecniche per le costruzioni (DM Llpp del NTC 2008) rappresentano il cardine imprescindibile da cui desumere: 1) i valori dei carichi variabili dovuti all affollamento, al vento, alla neve, ad eventuali terremoti eccetera (cap. 3); 2) quali Stati Limite verificare e quali coefficienti di amplificazione dei carichi devono essere utilizzati per il dimensionamento statico allo Stato Limite Ultimo (cap. 2); 3) le specifiche progettuali cui devono sottostare gli elementi strutturali secondari (par 7.2). Per quanto riguarda le norme tecniche bisogna chiarire innanzitutto che la loro applicazione è di natura volontaria, ma quando vengono richiamate da testi di legge esse assumono un carattere di cogenza. Lo stesso dicasi per i documenti tecnici di comprovata affidabilità. Il rispetto di alcune norme tecniche è reso obbligatorio da regolamenti europei o da leggi nazionali. Nel nostro caso: 1) il Regolamento europeo Cpr 305/2011, che sostituisce la Direttiva Cpd 89/106/Cee, prevede l obbligo della marcatura CE per tutti i prodotti da costruzione e quindi prevede l obbligatorietà, limitata al campo dei prodotti da costruzione, delle norme di prodotto; 2) il DM 14/01/2008 (Ntc 2008), al Capitolo 12 afferma che: in mancanza di specifiche indicazioni, a integrazione delle presenti norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati i documenti di seguito indicati che costituiscono riferimenti di comprovata validità, tra cui si annoverano anche le Istruzioni e i documenti tecnici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.); 3) il DL 206 del 6/9/2005 (Codice del Consumo) asserisce che la sicurezza di un prodotto è, tra l altro, valutata in base: a) alle norme in vigore nello Stato membro in cui il prodotto è commercializzato; b) ai codici di buona condotta in materia di sicurezza vigenti nel settore interessato; c) agli ultimi ritrovati della tecnica; d) al livello di sicurezza che i consumatori possono ragionevolmente attendersi. Per i sopracitati punti a) e b) desunti dal Codice del Consumo e per il Cap. 12 delle Ntc 2008: I) la Uni 7697:2015 Criteri di sicurezza nelle applicazioni vetrarie risulta elevata di rango da semplice norma tecnica a documento derimente ogniqualvolta si faccia riferimento alla sicurezza di elementi in vetro; II) parimenti il Cnr DT 210:2013 Istruzioni per la progettazione, l esecuzione ed il controllo di costruzioni con elementi strutturali di vetro, laddove si focalizza sui criteri di progettazione e verifica di elementi strutturali in vetro al fine di garantirne il requisito fondamentale ER1: Resistenza meccanica e stabilità secondo l Allegato 1 del Cpr 305/2011 risulta elevato di rango da semplice documento tecnico a comprovato documento di progettazione. nella condizione di temperatura più gravosa, quindi più elevata, che il manufatto possa raggiungere nella sua vita. Una volta stabilito il valore del carico da applicare e la temperatura di esercizio, il manufatto deve essere verificato o testato nelle esatte condizioni di vincolo stabilite. Al variare della natura dei vincoli e dalla posizione degli stessi cambia notevolmente la sollecitazione indotta nel vetro e quindi la resistenza del manufatto complessivo. Concludiamo ricordando che le verifiche sperimentali, se effettuate rispettando i criteri descritti, possono essere condotte per il soddisfacimento della prescrizione di carico lineare, quindi per le verifiche di parapetti o pareti. Per quanto riguarda il progetto degli altri elementi strutturali quali calpestabili, scale eccetera soggetti ad altro tipo di carico, è obbligatoria la verifica analitica da parte di un progettista abilitato e le prove sperimentali possono essere effettuate o richieste come ulteriore avvallo del calcolo ad esempio in fase di collaudo. 2~Aprile/Maggio 2015 rivista del vetro 55