IT201800005568A1 - Dispositivo di ancoraggio con capacita’ dissipativa degli effetti causati da esplosioni su facciate di edifici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI BREVETTO ITALIANO PER INVENZIONE INDUSTRIALE AVENTE TITOLO:

DISPOSITIVO DI ANCORAGGIO CON CAPACITA’ DISSIPATIVA DEGLI

EFFETTI CAUSATI DA ESPLOSIONI SU FACCIATE DI EDIFICI

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo della progettazione di facciate di edifici resistenti alle esplosioni.

STATO DELL’ ARTE

Attuali soluzioni nell’ambito dalla progettazione di facciate resistenti alle esplosioni utilizzano una filosofia di tipo dissipativo, al contrario di quello che veniva perseguito nelle prime fasi dell’applicazione di tale requisito progettuale, allorché si ambiva a realizzare una facciata capace di resistere all’onda d’urto rimanendo in campo elastico e quindi con comportamento molto rigido. Soluzioni attuali invece partono dal presupposto che la facciata deve proteggere l’edificio dal possibile ingresso dell’onda di sovrappressione, ma è preferibile che lo faccia dissipando nello stesso tempo parte dell’energia dell’onda d’urto, attraverso deformazioni permanenti dei suoi principali componenti. In questo modo anche il trasferimento di forze dalla facciata alla struttura portante dell’edificio è ridotto, con il vantaggio di diminuire i rischi di collasso progressivo. La facciata è quindi un elemento sacrificale, destinato ad essere sostituito in caso di evento esplosivo. A questo proposito diversi livelli di performance possono essere richiesti ai componenti della facciata, in termini di integrità strutturale, volti a ridurre il rischio di frammentazione del vetro e rottura plastica del telaio, sia verso l’interno che verso l’esterno dell’edificio. La principale richiesta in termini di protezione si correla all’estensivo utilizzo in facciata di zone trasparenti e quindi vetrate, dato che il vetro è un materiale caratterizzato da rottura fragile e distruttiva. Pur se l’utilizzo del vetro laminato ha ridotto i rischi di collasso catastrofico, la richiesta di protezione è incentrata sul potenziale danno portato alle persone presenti all’interno dell’edificio dai frammenti di vetro prodotti da una esplosione. Frequente è anche il controllo che parte significativa della vetrata non venga proiettata verso l’esterno dell’edificio, sia per ridurre i rischi di frammenti secondari propagati dalla fase negativa dello scoppio, sia per favorire le operazioni di soccorso e il ripristino delle attività svolte all’interno dell’edificio stesso.

Sistemi di ancoraggio alla struttura portante di un edificio di elementi costituenti la facciata di un edificio sono stati proposti negli ultimi anni, che si possono categorizzare come di prima generazione la quale era caratterizzata da una vera e propria resistenza, spesso ottenuta con comportamenti molto rigidi e di seconda generazione la quale è stata spesso denominata di “enhancement” ottimizzato, utilizzando risorse plastiche implicite nei componenti principali (vetro e telaio) della facciata e rinforzando in particolare le connessioni fra elementi della facciata e fra la facciata e la struttura portante.

Tuttavia tali sistemi della tecnica nota non presentano ancora un comportamento ottimale, in caso di esplosione vicina all’edificio su cui vengono impiegati. È sentito il bisogno di prevedere dispositivi di fissaggio di elementi di facciata che abbiano una maggiore e migliore capacità di assorbimento delle azioni dinamiche sugli elementi delle facciate provocati da esplosioni nella vicinanza, pur mantenendo un costo contenuto e una semplicità di realizzazione e di montaggio.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Questi scopi e altri che saranno chiari alla lettura della descrizione che segue sono raggiunti mediante un dispositivo di ancoraggio di un elemento di facciata ad una struttura di un edificio che presenta le caratteristiche della rivendicazione 1.

Il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, chiamato qui di seguito per semplicità anche “staffa”, senza che con questa denominazione si intenda limitare la portata dell’invenzione, si inserisce nel contesto dello stato dell’arte delle facciate resistenti alle esplosioni e in particolare risulta in una nuova soluzione progettuale di tipo “protettivo”, seppur sempre di carattere dissipativo. La caratterizzazione di maggiore protezione in varie direzioni (sia verso l’interno che verso l’esterno dell’edificio, sia verso gli occupanti dell’edificio che verso lo stesso edificio) nei confronti dello stato dell’arte, si esplica nell’utilizzo di uno specifico componente dissipativo, disposto a livello del tradizionale componente di ancoraggio della facciata alla struttura portante dell’edificio. Il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione diventa quindi dissipativo, al contrario di quanto definito nelle linee guida della progettazione tradizionale rigida e anche dissipativa di prima generazione. Il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione ha più vantaggi rispetto alle staffe delle prime generazioni dello stato della tecnica poiché le sue capacità di resilienza e di protezione possono essere massimizzati grazie ai benefici apportati dalla sua deformabilità. Il dispositivo di ancoraggio è in grado di resistere in maniera rigida ai carichi di progettazione tradizionali, quali peso proprio, vento, impatti. Al di sopra di una predefinita soglia di reazione, invece, il dispositivo di ancoraggio collassa in maniera plastica, con un plateau controllato di funzione resistenza/deformazione, determinando una traslazione della facciata che va così a chiudere il gap normalmente esistente fra filo della facciata e solaio. Attraverso tale meccanismo, si hanno due benefici grazie all’effetto inerziale della facciata:

- la reazione trasferita alla struttura portante dell’edificio non supera il livello del plateau di reazione caratteristico del dispositivo di ancoraggio, costituendo una riduzione significativa dal 50 al 70% rispetto al caso di reazione trasferita rigidamente alla struttura portante.

- i componenti della facciata quali vetro e telaio presentano una riduzione delle tensioni rispetto al caso di fissaggio alla struttura portante con dispositivo di ancoraggio rigido. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un dispositivo di ancoraggio a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle unite figure in cui:

La Figura 1 mostra in sezione il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione sotto carichi convenzionali quali vento, nel caso A e il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione sotto un carico prodotto da una esplosione nel caso B, e nella fase di risposta dinamica verso l’esterno dell’edificio nel caso “C”, in una prima forma di realizzazione,

la Figura 2 mostra un grafico con l’andamento ideale della resistenza in funzione della deformazione di un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 3 mostra grafici comparativi con l’andamento della resistenza della combinazione di un dispositivo di ancoraggio con la lastra di vetro in funzione della deformazione nel caso di impiego di un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione (a destra) e nel caso di impiego di un dispositivo di ancoraggio dello stato della tecnica nota (a sinistra),

la Figura 4 mostra un diagramma di flusso che rappresenta il metodo di calcolo sequenziale (sinistra) comune nello stato della tecnica a confronto con un diagramma di flusso che rappresenta il metodo di calcolo ad approccio bilanciato (destra),

le Figure 5A e 5B mostrano grafici con curve rappresentanti gli spostamenti di vetro e telaio in funzione dell’inerzia del montante con e senza il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 6 mostra un modello a molteplici gradi di libertà per l’analisi dinamica dei principali componenti di facciata di un edificio,

la Figura 7 mostra una vista assonometrica del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione in una seconda forma di realizzazione,

le Figure 8a, 8b, 8c mostrano una vista assonometrica del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione in tre diverse posizioni operative, posizione neutrale, movimento verso l’interno e movimento verso l’esterno dell’edificio,

la Figura 9 mostra un grafico con il confronto tra le curve rappresentante l’andamento sperimentale e la simulazione attraverso il modello numerico della resistenza in funzione dello spostamento offerta da un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 10 mostra un grafico con il confronto tra le curve rappresentanti l’andamento sperimentale e la simulazione realizzata attraverso il modello numerico della resistenza in funzione dello spostamento offerta da un elemento dissipativo da utilizzare in un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, la Figura 11 mostra un grafico rappresentante la funzione di resistenza generale per un dispositivo di ancoraggio con elementi di calcestruzzo alleggerito,

la Figura 12 mostra alcune evidenze sperimentali di letteratura a riguardo dell’insorgenza di diverse tipologie di instabilità di tubi di alluminio in funzione di diametro, lunghezza e spessore,

la Figura 13 mostra dei risultati sperimentali di tre diversi campioni di tubo di identiche dimensioni soggetti ad una prova di compressione che ne evidenzia l’instabilità di tipo euleriana,

la Figura 14 mostra una curva sperimentale resistenzaspostamento ad elevata velocità di deformazione con un andamento tipico di un dispositivo di ancoraggio adatto a resistere a carichi moderati di progetto,

la Figura 15 mostra un grafico con curve con un andamento tipico di un dispositivo di ancoraggio adatto a resistere a carichi medi di progetto,

la Figura 16 mostra un dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione,

la Figura 17: mostra un'altra variante del dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione,

la Figura 18 mostra un grafico che spiega la modalità di progettazione di un perno/spina di sicurezza all’interno del dispositivo di ancoraggio,

la Figura 19 mostra una variante del dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione,

la Figura 20 mostra dei perni o spine utilizzati come componenti del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, la Figura 21 mostra una forma di realizzazione del dispositivo di ancoraggio adatto a resistere a carichi elevati di progetto,

la Figura 22 mostra la funzione di resistenza ottenuta comprimendo il dispositivo di ancoraggio verso l’interno, la Figura 23 mostra la funzione di resistenza ottenuta comprimendo il dispositivo di ancoraggio in direzione verso l’esterno,

la Figura 24 mostra un grafico con il percorso continuo resistenza-deformazione che il dispositivo di ancoraggio subisce sotto un carico da esplosione,

la Figura 25 mostra uno schema di edificio per una simulazione numerica del calcolo dei dispositivi dell’invenzione,

la Figura 26 mostra una vista in trasparenza di una variante di dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 27 mostra una vista in pianta di un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 28 mostra una vista in trasparenza di una variante di dispositivo di ancoraggio dell’invenzione

la Figura 29 mostra un grafico che rappresenta la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 30 mostra una funzione di resistenza di una variante del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 31 mostra la funzione di resistenza di una variante di componenti del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, la Figura 32 mostra la funzione di resistenza di un’altra variante di componenti del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 33 mostra una vista in pianta in trasparenza di un’altra variante di un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 34 mostra un grafico con la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 35 mostra un grafico della funzione di resistenza di una variante di realizzazione del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 36 mostra una vista in pianta in trasparenza di una variante di dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 37 mostra una vista in pianta della variante di dispositivo di ancoraggio della Fig. 36,

la Figura 38 mostra una vista in pianta in trasparenza di una ulteriore variante di dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 39 mostra un grafico con la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno,

la Figura 40 mostra una vista in sezione di un’altra variante del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 41 mostra un grafico con la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno della variante di dispositivo della figura 40,

la Figura 42 mostra un grafico con la modellazione analitica di un’altra funzione di resistenza verso l’interno della variante di dispositivo della figura 40,

la Figura 43 mostra uno schema di parte di una facciata di edificio per eseguire i test di varianti di realizzazione del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 44 mostra grafici con i risultati di test su dispositivi di ancoraggio dell’invenzione,

la Figura 45 mostra un grafico con i risultati di test su dispositivi di ancoraggio dell’invenzione.

A numeri di riferimento uguali nelle varie figure corrispondono gli stessi elementi o componenti.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE VANTAGGIOSE DELL’INVENZIONE

Con particolare riferimento alle figure 1, 7 e 8 in cui sono visibili le principali caratteristiche progettuali del dispositivo di ancoraggio dissipativo, conforme all’invenzione, esso è indicato globalmente con il riferimento 1. Il dispositivo di ancoraggio 1 è posizionato sulla sommità del solaio 5, che è una soluzione costruttiva ricorrente nella tecnica del curtain wall, benché altre posizioni sono possibili senza uscire per questo dall’ambito dell’invenzione. Il dispositivo di ancoraggio 1 è normalmente fissato al solaio mediante bulloni 3 che lo vincolano ad un canale 4 annegato nel solaio 5 stesso. Un cassetto 2 scorrevole all’interno di una struttura portante o scatola 7 fissata al solaio 5 mediante i citati bulloni 3 presenta un alloggiamento nel quale viene inserito del materiale o un elemento 6 che si comporta in modo dissipativo in reazione alle forze che lo comprimono.

Il cassetto 2 scorrevole è connesso alla facciata quale ad es. un pannello di vetro e alluminio 8. In modalità di comportamento rigido (Fase A), le due parti sono entrambe fisse, connesse attraverso dei perni o spine 29 (opzionali) e attraverso la resistenza offerta dai componenti dissipativi, che hanno comportamento rigido al di sotto di una certa soglia di resistenza. Al di sopra della resistenza di progetto (Fase B), il perno o spina 29 si rompe e quindi gli elementi dissipativi 6 interposti fra parte fissa e parte mobile vengono compressi sulla base della funzione di resistenza complessiva, andando a sfruttare tutto lo spazio a disposizione fra filo facciata e solaio, generalmente compreso tra 50 e 100mm, anche in funzione delle tolleranze di posizionamento della facciata rispetto al solaio.

Caratteristica fondamentale del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione è di comprendere due serie di dispositivi dissipativi, i primi attivati dalla forza dell’onda d’urto diretta verso l’interno dell’edificio e i secondi che sono attivati durante il susseguente rimbalzo dinamico che porta la facciata a “rimbalzare” verso l’esterno dell’edificio (Fase C). Tale seconda azione è spesso determinante per la progettazione del canale di fissaggio 4 e del solaio e quindi una sufficiente corsa di deformazione deve essere predisposta anche in tale direzione. Tuttavia, come anche mostrato nei disegni, tale deformazione è generalmente minore di quella invece necessaria per assorbire l’onda d’urto della fase positiva dell’onda di pressione.

I grafici della figura 3 mostrano la differenza fra la seconda generazione di facciate blast e la terza generazione a cui appartiene il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione. Mentre nella seconda generazione si tendeva ad avere un comportamento del tutto rigido della staffa e a concentrare essenzialmente nel vetro la dissipazione, con il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione si può mantenere lo stesso livello di dissipazione ma spostarlo a livello del dispositivo di ancoraggio, con il vantaggio di avere un migliore controllo sull’hazard del vetro. Cioè, deformandosi meno e con meno velocità, il vetro proietterà meno frammenti all’interno dell’edificio quindi con una classificazione migliore in termini di protezione (classificazione secondo standard ISO16933 (2007), la EN13541, EN13123-1, EN13123-2, EN13124-1, EN13124-2, ASTMF1642).

Descriviamo ora un metodo di progettazione “bilanciato” del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione. Il dispositivo di ancoraggio dissipativo può essere considerato come un elemento opzionale, ma caratterizzante di un approccio di progettazione della facciata basato su uno strumento di calcolo simultaneo dei principali componenti di facciata. Tale approccio mostrato in Figura 4, differisce dal noto metodo sequenziale dello stato della tecnica, in cui la scelta del vetro viene effettuata utilizzando modelli di calcolo utilizzanti supporti rigidi, trascurando quindi l’effetto della deformabilità del telaio. Tale approccio risulta normalmente in una progettazione non economica, non sostenibile e non ottimizzata, dal momento che la capacità del vetro non viene valutata nel suo contesto reale, in cui essa viene determinata dallo specifico accoppiamento con il telaio. Vale a dire che lo stesso vetro accoppiato con un telaio più deformabile, ha una capacità di resistere ad onde d’urto più gravose, dal momento che usufruisce del contributo del telaio nel dissiparne l’energia. Tale effetto viene considerato in un approccio di progettazione “bilanciato”, in cui dato il vetro di partenza, si va alla ricerca del telaio che permetta di raggiungere la prestazione richiesta in termini di livello di pericolo del vetro e di deformazione plastica del telaio.

Elemento importante per applicare il metodo bilanciato è il cosiddetto grafico “bilanciato”, in cui si rappresentano le risposte di deformazione di vetro e telaio, sotto il carico di esplosione di progetto e accoppiando telai di inerzie variabili con lo stesso vetro. Questo scenario è mostrato in Figura 5A e va visto in combinazione con il diagramma di flusso di Figura 4 del metodo bilanciato (diagramma di flusso di destra). Partendo dal vetro minimo per rispondere adeguatamente alle richieste in termini di progettazione tradizionale (cioè non causato da una esplosione), in un certo intervallo di inerzie si hanno gli spostamenti di vetro e telaio, come mostrato dalle curve in linea continua e in linea tratteggiate rispettivamente, in funzione dell’inerzia del montante (figura 5A in alto). L’intervallo di inerzie valido per il progetto viene trovato come intersezione delle inerzie che rendono possibile il soddisfacimento del requisito in termini di prestazioni del vetro (zona di sinistra nel grafico di fig. 5B) con quelle che rendono possibile il soddisfacimento del requisito del telaio (zona di destra nel grafico di figura 5B). Nel caso di figura non esiste una soluzione per il design in questo caso, il che vuol dire che una opzione consiste nell’aumentare lo spessore del vetro e ripetere il grafico bilanciato, iterando eventualmente la procedura fino a trovare la soluzione. In questo contesto, tuttavia, l’aggiunta di un dispositivo di ancoraggio dissipativo conforme all’invenzione, può avere un effetto vantaggioso sufficiente, senza necessità quindi di aumentare lo spessore del vetro. Lo scenario è rappresentato nel grafico in basso di Figura 5B, dove allo stesso vetro di partenza del grafico superiore, viene aggiunto un dispositivo di ancoraggio dissipativo per ogni possibile inerzia del telaio. Le curve di spostamento traslano, permettendo una intersezione fra le aree di progetto per il vetro e per il telaio. Quindi il dispositivo di ancoraggio dissipativo aumenta le possibili opzioni valide a trovare una soluzione costruttiva capace di soddisfare i requisiti progettuali, col vantaggio di farlo verso una soluzione più economica e sostenibile dell’approccio che invece consiste nell’aumentare lo spessore del vetro.

Un tale approccio simultaneo di calcolo richiede l’utilizzo di un computer, dal momento che si devono ripetere molti calcoli al variare delle variabili della progettazione, compiendo iterazioni ed eventualmente analisi di sensitività per garantire esistenza, ma anche robustezza della soluzione progettuale. La soluzione ideale sembra quindi l’adozione di un modello di tipo MDOF, Multi Degrees of Freedom, cioè un modello numerico caratterizzato da un numero di gradi di libertà molteplici, ma molto ridotto rispetto agli approcci di calcolo agli elementi finiti. In pratica ogni componente fondamentale della facciata (vetro, telaio, staffa) è rappresentato con un grado di libertà SDOF (Single Degree of Freedom), capace comunque di modellare simultaneamente ed in maniera affidabile la reale situazione geometrica e di comportamento dei materiali presenti nei componenti principali della facciata, per es. vetro, telaio e dispositivo di ancoraggio dissipativo.

Descriviamo ora un metodo preferito di dimensionamento dei componenti del dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione. Data la funzione obiettivo resistenza/deformazione fornita dal metodo di calcolo “bilanciato”, ottimizzata in modo da rispettare i requisiti progettuali, tale funzione obiettivo può essere ottenuta a partire dal design mostrato precedentemente, ma inserendo una opportuna combinazione di elementi dissipativi.

Le figure 9 e 10 ad esempio mostrano risultati sperimentali delle funzioni resistenza/deformazione rispettivamente di una schiuma di alluminio e di tubi di alluminio compressi.

Per mezzo di database contenenti risultati sperimentali o funzioni di carattere analitico, si simula quindi il comportamento di un singolo componente dissipativo e della sovrapposizione di più elementi in serie e/o in parallelo. Ad esempio diventano fondamentali la presenza o meno di perni o spine 29 per offrire ridondanza di sicurezza rispetto a carichi tradizionali, valori massimi e periodi di eventuali oscillazioni della funzione di resistenza e anche gap inseriti fra le attivazioni dei diversi componenti per sfasare i picchi delle singole funzioni di resistenza in modo da ottenere un plateau il più smussato possibile e quindi vicino a quello ideale.

La figura 11 mostra una descrizione generica della funzione di resistenza di un elemento dissipativo, con caratteristiche tipiche di un elemento di calcestruzzo leggero 16, mettendo in risalto alcune caratteristiche, quali la zona di comportamento elastico, la forza di attivazione, generalmente maggiore di quella del plateau, la zona di incrudimento successiva a quella del plateau efficace e anche la presenza o meno di fattori di incremento dinamico della resistenza, non visibili nel caso di test quasi-statici, per cui è preferibile dotarsi di risultati sia a test statici che dinamici per costruire il database di un certo elemento dissipativo. Ovviamente è buona norma confermare sperimentalmente anche quando esistano dati in letteratura a riguardo di fenomeni noti di comportamento di elementi dissipativi. Ad esempio la figura 12 riporta il noto diagramma che definisce l’occorrenza dei diversi tipi di instabilità (euleriana, concertina-mode, diamond-mode, mixed mode) che si hanno quando dei tubi di alluminio o altri materiali vengono compressi. In particolare risulta conveniente utilizzare diametri/lunghezze e spessori tali da determinare l’attivazione dei modi cosiddetti locali (concertina, diamond, mixed) che realizzano un plateau molto ampio e quindi con elevata capacità di controllo della reazione e dell’energia di dissipazione. Al contrario, l’attivazione del modo globale euleriano si traduce in un rapido crollo della resistenza, con cui sarebbe impossibile regolare il fenomeno dissipativo da gestire con il dispositivo di ancoraggio. A tale proposito è chiara la differenza di comportamento fra il tubo di figura 10, che rappresenta l’instabilità a concertina e quello di figura 13 che rappresenta l’instabilità euleriana. Elementi con comportamento come quello di figura 13 devono essere usati solo in combinazione con un altro elemento dissipativo capace di stabilizzare lateralmente il tubo ed evitare quindi l’insorgenza di instabilità di tipo globale. Ad esempio, questa stabilizzazione laterale è anche il ruolo della schiuma di alluminio centrale 6 utilizzata in alcune varianti di realizzazione, quali per es. quella mostrata nella fig. 7.

Pur avendo descritto sopra una metodologia preferita che permette la customizzazione del dispositivo di ancoraggio dissipativo in base alle specifiche esigenze progettuali, sono ora descritte alcune varianti di dispositivo di ancoraggio per un utilizzo standardizzato, qualora le condizioni di progetto di un edificio lo permettano.

Una prima variante di realizzazione di dispositivo di ancoraggio “standardizzato” è stato sviluppato per carichi di esplosione moderati e viene anche definita come dispositivo di ancoraggio per un primo livello di resistenza ad una esplosione.

Tale caratterizzazione deriva dal fatto che essa può essere applicata ad una facciata convenzionale, con vetri, telaio e connessioni del tutto tradizionali, aumentando significativamente il livello di resistenza all’esplosione. Il plateau della curva di fig. 14 è all’incirca a 20kN e il dispositivo di ancoraggio si può deformare verso l’interno per circa 60mm e verso l’esterno per circa 20mm. Gli elementi dissipativi sono tubi di diametro 10mm e di spessore 1mm combinati con la schiuma di alluminio.

Nel caso invece del dispositivo di figura 15, a causa del comportamento del calcestruzzo, non si ha un vero plateau nell’andamento della curva forza/deformazione, ma una funzione crescente nel range di dissipazione efficace. Il plateau equivalente è in questi casi di circa 40kN sempre per circa 60mm di deformazione verso l’interno e circa 20mm verso l’esterno.

Un’altra forma di realizzazione di dispositivo di ancoraggio preferita per carichi elevati è illustrata in figura 21. Il dispositivo di ancoraggio per carichi elevati in figura è ottenuto combinando molteplici tubi calibrati sui modi di instabilità locale ed utilizzando il principio dello sfasamento. In questo caso il plateau nell’andamento della curva forza/deformazione è di circa 120kN, che può essere utilizzato per casi in cui la reazione di picco rigida arriva a circa 300kN.

Grazie a quanto sopra descritto risulta chiaro che, grazie al dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, si ha un trasferimento dell’energia dissipata dal vetro e dal telaio verso il dispositivo di ancoraggio. Questo quindi, a parità di minaccia e di tipologia di vetro e telaio usati, determina una performance più elevata di tali elementi, che avranno un livello di tensioni inferiori a discapito della deformazione plastica del dispositivo di ancoraggio. O, in alternativa, il dispositivo di ancoraggio può essere usato per ottenere una progettazione più economica e sostenibile in termini di vetro e telaio, mantenendo gli stessi limiti progettuali in termini di deformazioni plastiche di tali componenti.

Lo scenario è quello mostrato in Figura 3: la zona di sinistra è quella tipica di soluzione dello stato della tecnica, dove il dispositivo di ancoraggio ha un comportamento rigido, mentre per il vetro vengono usate nel complesso le risorse plastiche della fase di interlayer. Al contrario, il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione va ad assorbire parte dell’energia dell’esplosione attraverso le sue deformazioni plastiche permanenti, mentre si va a ridurre l’utilizzo delle risorse plastiche del vetro, fino a tendere (in alcuni casi applicativi) allo scenario di vetro intatto e quindi con rischio di pericolo assente. Tale approccio va tuttavia visto nella sua completezza, dal momento che il comportamento del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione va ad inserirsi nel già noto meccanismo di interazione dinamica vetro-telaio. Quindi anche tali ottimizzazioni della progettazione vanno valutate disponendo di un mezzo adeguato per valutare simultaneamente il comportamento dinamico di dispositivo di ancoraggio/telaio/vetro.

Un elemento dissipativo, per essere utilizzato all’interno del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione, deve avere le seguenti caratteristiche:

- Comportamento in compressione o trazione approssimabile con la curva di figura 2,

- Avere una regione elastica caratterizzata da rigidezza sufficiente a garantire una limitata deformazione elastica sotto carichi convenzionali di progettazione, - Presenza di un comportamento plastico ben definito, preferibilmente piatto, quindi con un incrudimento trascurabile per una deformazione percentuale almeno del 30-40%,

- Salto non troppo marcato di resistenza fra la forza di attivazione del dispositivo di ancoraggio e forza erogata al plateau,

- Ridotta dispersione statistica dei parametri descrittivi del comportamento di figura 2, in particolare della resistenza al plateau,

- Fattore di incremento dinamico della resistenza anch’esso caratterizzato da una ridotta dispersione statistica e stabilità in un range di velocità di deformazione significativo per applicazioni pratiche.

Per quanto riguarda il comportamento plastico, esso copre anche fenomeni che determinano una risposta del sistema assimilabile al plateau plastico di figura 2. In questo senso sono molto efficaci le instabilità di tipo locale (concertina, diamond, mista) dei tubi soggetti a compressione, che determinano una forza di attivazione molto precisa e con ridottissima dispersione statistica ed un plateau medio piatto per una deformazione relativa ben superiore al 50%.

A questo proposito si fa riferimento alla tabella 1 seguente, che riporta alcuni elementi testati in laboratorio, sotto prove statiche e dinamiche con le loro caratteristiche positive e le possibili problematiche.

Tabella 1-Caratteristiche di vari elementi dissipativi

La pratica sperimentale ha mostrato che alcuni elementi possono essere utilizzati con duplice funzione nell’ambito del comportamento complessivo dell’ancoraggio dissipativo. Ad esempio, materiali con bassa resistenza di compressione (rispetto alla superficie di compressione) possono avere un ruolo secondario di stabilizzatori laterali. Come mostrato in figura 16 ad esempio, la schiuma di alluminio centrale 10 contribuisce in maniera ridotta alla funzione di resistenza totale, con un apporto non superiore al 10-15% in termini di forza plastica, ma svolge in questo caso anche un ruolo di stabilizzazione rispetto alla risposta in compressione dei tubi di alluminio 12. Infatti la necessità di contenere gli spazi per avere un componente di costi ridotti, porta alla necessità di utilizzare anche tubi snelli (alto valore di L/D) che molto spesso presentano una instabilità di tipo euleriano (figura 12). Tuttavia, la stabilizzazione laterale esercitata dalla schiuma 10, in aggiunta a quella superiore e inferiore della cassa del dispositivo, ha mostrato sperimentalmente che per certi rapporti L/D critici, la schiuma permette di far attivare il comportamento di instabilità locale più adeguato.

Sperimentalmente si è rilevato che anche l’effetto dinamico è positivo a tale scopo, determinando in generale l’attivazione dell’instabilità locale anche in quei casi in cui durante l’equivalente prova quasi statica il tubo aveva presentato una instabilità globale di tipo euleriano.

Dal momento che il principio del dispositivo di ancoraggio si esplica attraverso lo scorrimento di superfici a contatto, si considerano anche le forze di attrito che insorgono a causa di forza peso e altre eventuali azioni che intervengono nel piano verticale, quali ad esempio nel caso in cui le superfici che scorrono siano soggette in qualche modo all’azione della forza di precarico fornita ai bulloni di serraggio 3 del dispositivo di ancoraggio al canale di ancoraggio 4.

La stessa forza di attrito in determinati casi può essere una azione desiderata e quindi considerata e controllata nella funzione di resistenza. È tuttavia necessario ricordare che tale azione è spesso altamente variabile e quindi è più efficace tentare di limitarne al massimo l’incidenza sulla funzione resistente, riducendola ad un ordine di grandezza compatibile con le incertezze statistiche. Il modo migliore per limitare tale azione è quello di interporre dei fogli di teflon fra le superfici in scorrimento, utilizzando in questo modo la riduzione apportata dal coefficiente di attrito alluminio/teflon pari a circa 0,15. Va tenuto in considerazione come nel passaggio da attrito statico ad attrito dinamico, si ottengono due termini aggiuntivi sulla funzione di resistenza, il primo che va a pesare sulla forza di attivazione ed il secondo sul plateau plastico.

Un ulteriore elemento vantaggioso per il dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione è l’impiego di molle 13 che non sono elementi puramente dissipativi, ma piuttosto elementi a comportamento elastico, che tuttavia apportano i vantaggi seguenti:

- contribuiscono alla funzione di resistenza, seppur con componente elastica e in maniera lineare rispetto alla deformazione,

- ripristinano la posizione di partenza come posizione di equilibrio finale post evento, in modo quindi da vincere la resistenza dell’attrito dovuto alla forza peso della facciata.

In Figura 17 è mostrato come possono essere alloggiate delle molle 13 e 14 in una configurazione tipica del dispositivo di ancoraggio, ad esempio disponendole con i tubi dissipativi 15 e 18 al loro interno. In tale caso il diametro interno della molla 13 è abbastanza grande da permettere al tubo 15 di deformare secondo la forma di instabilità locale, per cui il suo diametro esterno finale sarà di circa 20% superiore a quello della configurazione non deformata. La stessa figura mostra anche degli elementi dissipativi 11 e 11’ in schiuma di alluminio tagliati a misura secondo specifica richiesta di resistenza.

La scatola fissa 7 può presentare delle zigrinature 17 in prossimità delle asole per la gestione delle tolleranze, in modo da permettere un fissaggio attraverso rondelle. I grani 19 e 38 possono essere utilizzati in luogo di spine, in modo da permettere collegamenti smontabili.

Nella figura 18 vi è una schematizzazione del comportamento di un dispositivo di ancoraggio dell’invenzione in cui si evidenzia la necessità di avere la sicurezza dell’attivazione del comportamento plastico rispetto al massimo carico di vento. Tale sicurezza deve essere gestita in funzione della dispersione statistica della resistenza della spina o perno di sicurezza 29.

L’utilizzo di perni o di spine 29 di sicurezza, per esempio del tipo illustrato nella fig. 20 disposti fra le superfici fissa e mobile del dispositivo di ancoraggio, è vantaggiosa perché risponde a due esigenze fondamentali:

- Ottenere ridondanza rispetto alla tenuta per carichi da vento e altri carichi convenzionali non da esplosione, - Eliminare il rischio di eccessive deformazioni elastiche sotto carichi convenzionali dovute a bassi valori di rigidezza complessiva in fase elastica del sistema di ancoraggio.

Tuttavia, si tiene conto del fatto che la resistenza delle spine 29 si somma a quella degli elementi dissipativi, ritardandone l’attivazione. Inoltre in alcuni casi, in particolare per applicazioni a basso valore di reazione massima, perni intagliati con ridotta dispersione statistica della resistenza sono vantaggiosamente utilizzati per consentire una attivazione molto precisa.

Per ridurre l’incidenza della resistenza del perno sulla funzione di resistenza globale, si realizza un gap fra la deformazione massima attesa del perno a rottura, che per edifici convenzionali è di un ordine di grandezza di 10mm, e l’attivazione degli elementi dissipativi.

Riassumendo, le caratteristiche vantaggiose della funzione di resistenza complessiva del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione sono:

- Controllo della deformazione elastica sotto carichi convenzionali (in entrambe le direzioni, verso l’interno e verso l’esterno) mediante impiego di componenti di ridotta deformazione elastica e/o utilizzo di perni e sistemi rigidi di reazione alle forze prodotte dal carico del vento,

- Precisione e limitata dispersione nell’ottenimento della forza di attivazione, eventualmente utilizzando perni di ridondanza con o senza sfasamento rispetto all’attivazione nella zona plastica,

- Limitata dispersione, sufficiente deformazione relativa e controllo della forza plastica,

- Fase di incrudimento al termine del campo di deformazione efficace che costituisce un “freno” allo spostamento eccessivo e diminuzione del rischio di urto contro il solaio,

- Ritorno alla posizione di equilibrio eventualmente guidato da resistenza residua in trazione degli elementi compressi,

- Attivazione di una dissipazione in direzione opposta, per porre un limite plastico ai carichi agenti verso l’esterno dell’edificio. Il principio su cui è basata la dissipazione verso l’esterno avrà le medesime caratteristiche di quello verso l’interno, ma normalmente necessita di una minore deformazione, rispetto a quella necessaria verso l’interno, per dissipare l’energia dell’esplosione di depressione unita al rimbalzo dinamico della facciata, che è di intensità inferiore,

- Eventuale sistema elastico di ripristino della posizione iniziale come posizione di equilibrio post-evento.

La Figura 19 mostra una ulteriore variante di realizzazione del dispositivo di ancoraggio con resistenza media e che utilizza strati 16 di calcestruzzo alleggerito, preferibilmente, ma non necessariamente separati da piastre 9 di metallo o altro materiale di resistenza adeguata, come elemento solido dissipante 35. Nella stessa sono visibili gli incavi 30 per l’alloggiamento del tubi 12’, eventualmente fissati all’incavo attraverso incollaggio per evitare che i tubi 12’ vengano espulsi dall’incavo durante la compressione verso l’interno e quindi non permettendo il loro funzionamento durante il rimbalzo dinamico. Il gap 31 permette invece che il tubo 12 possa deformare liberamente sotto l’instabilità locale di tipo concertina o diamond.

La Figura 21 mostra una ulteriore variante di realizzazione del dispositivo di ancoraggio avente quattro tubi 21, 22, 23, 24 in cui la coppia di tubi 22, 23 con uno sfasamento di qualche mm rispetto all’altra coppia 21, 24 , in modo da avere una interferenza nella sovrapposizione della componente alternata di resistenza e quindi ottenere un plateau più piatto possibile. Lo stesso principio può essere applicato anche ai tubi 25, 26, 27, 28, che vengono compressi nella fase di rimbalzo dinamico. Le spine di connessione 41, insieme alle altre 42 poste sull’estremo opposto del tubo, garantiscono una resistenza anche nella fase di ritorno “elastico” successivo alla compressione massima verso l’interno.

Un esempio di risultati sperimentali provenienti da test quasi statici o dinamici su un sistema di ancoraggio secondo l’invenzione è mostrato nelle figure 22, 23, 24. La figura 22 mostra la funzione di resistenza ottenuta comprimendo il dispositivo di ancoraggio verso l’interno. È visibile una fase iniziale di all’incirca 15mm in cui agisce la resistenza di un perno, la cui rottura avviene a circa 80kN. Alla sua rottura, i tubi iniziano ad essere compressi fino a formare un ulteriore plateau di estensione di circa 40mm per un valore medio di 120kN. Come si può vedere la prima onda sinusoidale dovuta all’instabilità di tipo locale determina un picco di circa 150kN. Per smussare ulteriormente la differenza fra picco e valor medio, si può agire sullo sfasamento relativo dei tubi rispetto alla corsa in cui iniziano ad essere compressi. La figura 23 mostra invece il comportamento sperimentale in direzione di compressione verso l’esterno. Nella disposizione sperimentale, il test viene condotto partendo dalla posizione di deformazione massima ottenuta durante il test di compressione verso l’interno. Quindi l’origine delle ascisse della figura 24 è coincidente con il valore massimo di deformazione del grafico della figura 23. Si può notare come appunto si abbia una piccola resistenza all’incirca costante (con leggeri salti dovuti al collasso in trazione dei tubi spinati 21, 22, 23, 24) fino al momento in cui iniziano ad essere compressi i piccoli tubi posti 25, 26, 27, 28 sulla parte posteriore del dispositivo di ancoraggio. A quel punto, ancora sulla base degli sfasamenti realizzati fra i tubi, si ottiene il plateau (in step unico o multipli) in direzione verso l’esterno.

La combinazione delle due figure si realizza con la figura 24, in cui si può vedere il percorso effettivo con origine comune delle due fasi: il grafico fornisce quindi il percorso continuo resistenza-deformazione che il dispositivo di ancoraggio subisce sotto il carico da esplosione, rendendo anche visibile, attraverso il ciclo di isteresi, l’energia dissipata.

Data una specifica tipologia di dispositivo di ancoraggio dissipativo, si può simulare analiticamente la sua funzione di resistenza sulla base della sovrapposizione delle proprietà degli elementi costituenti e sulla base del loro sfasamento relativo.

I seguenti parametri sono stati utilizzati per caratterizzare il modello analitico approssimante del singolo elemento dissipativo:

- Sfasamento del punto di contatto dell’elemento rispetto a origine compressione (mm),

- Rigidezza in campo elastico (kN/mm),

- Valore nominale e dispersione della resistenza di attivazione (kN),

- Estensione del plateau plastico medio (mm),

- Eventuale pendenza del plateau plastico medio (per calcestruzzo alleggerito),

- Ampiezza della componente alternata (kN),

- Periodo spaziale della componente alternata (mm),

- Resistenza residua in trazione (per tubi spinati, kN), - Rigidezza lineare (per elementi molla kN/mm),

- Componente di attrito (costante in kN).

Il modello permette quindi, una volta sovrapposte tutte le funzioni di resistenza componenti dei singoli elementi, di ottenere la funzione complessiva di resistenza/deformazione sia verso l’interno che verso l’esterno dell’edificio.

E’ possibile selezionare alcuni valori di resistenza globale di progetto per il dispositivo di ancoraggio dell’invenzione e di definire varianti di realizzazione standardizzate per offrire sul mercato:

Tabella 2 con design standardizzati realizzati

Livelli di resistenza anche molto maggiori possono essere ottenibili, utilizzando ad esempio secondi tubi inseriti all’interno dei primi tubi sopra citati.

Tali forme di realizzazione di tipo standard possono coprire un’ampia gamma di situazioni applicative: la variabilità del dispositivo di ancoraggio per applicazioni necessitanti resistenza bassa dipende dal fatto che tale tipologia si applica a ridosso del massimo carico di resistenza al vento. Il dispositivo di ancoraggio quindi si attiva in maniera precisa e i diversi tipi di soluzione dipendono dalla grande ampiezza dell’intervallo nel quale varia il massimo carico da vento nei casi applicativi, dato che esso dipende da pressione/depressione di design, ma anche dalla superficie totale del pannello di facciata. Con la tipologia di dispositivo di ancoraggio a resistenza elevata di 150kN si possono coprire situazioni in cui si parte da una reazione rigida di circa 350/400kN con riduzione massima del picco =60% circa, che risulta ampiamente sufficiente per i maggiori casi applicativi.

Un esempio di realizzazione di una facciata di edificio coperta da pannelli di vetro 8 è mostrata in fig. 43. Qui sono applicate varie forme di realizzazione del dispositivo di ancoraggio dell’invenzione.

ESEMPIO APPLICATIVO

Per una migliore comprensione dell’invenzione, descriviamo qui un esempio applicativo di un dispositivo di ancoraggio secondo l’invenzione.

Un edificio di 20 piani composto da un podio di 8 piani e una torre di 12 piani deve essere progettato per resistere la minaccia proveniente da una esplosione di 100kg di TNT. La distanza minima della minaccia dalle diverse facciate viene assunta indistintamente di 15m per le 4 elevazioni.

L’analisi fluidodinamica della propagazione dell’onda di pressione ha portato a determinare i seguenti valori di pressione ed impulso di design ai diversi piani dell’edificio le cui caratteristiche sono mostrate nella tabella 3 seguente.

Tabella 3 - Carichi blast di progettazione per i vari piani dell’edificio

Il modulo tipico di facciata è di 1500x4800mm nella zona podio (piani 1-8) e di 1500x4000mm nella zona torre. In un caso del genere le soluzioni adottate sono state le seguenti: dispositivo di ancoraggio di tipo 1 per i piani 1-4, dispositivo di ancoraggio di tipo 2 per i piani 5-8, dispositivo di ancoraggio di tipo 3 per i piani 9-20.

Nelle figure 25a e 25b sono visibili prospetto e la pianta dell’edificio.

Nel caso in cui si utilizzi il sistema di fissaggio dissipativo dell’invenzione, il design ottimizzato ai vari piani è quello mostrato nella Tabella 4.

Tabella 4 - Risultati delle analisi per il dimensionamento della facciata ai vari piani

Vengono così determinate le caratteristiche target di tre tipologie di staffe dissipative.

Il dispositivo di ancoraggio di tipo 1 è da utilizzare ai primi 4 piani dell’edificio. Le sue caratteristiche dissipative sono:

- plateau verso l’interno a 92kN,

- plateau verso l’interno a 46kN,

- deformazione massima verso l’interno circa 53mm,

- deformazione massima verso l’esterno circa 19mm.

Per realizzare le seguenti caratteristiche vengono proposte le due differenti opzioni seguenti.

Opzione “a”

Nell’opzione “a” il dispositivo di ancoraggio è presentato nelle figure 26 e 27. In Figura 28 vengono mostrate le caratteristiche costruttive fondamentali, in versione prodotta con estrusi in lega di alluminio 6060-T6.

Il piatto estruso 2, contenente le lavorazioni per l’inserimento degli uncini del dispositivo di ancoraggio staffa lato facciata, è reso solidale attraverso un sistema di accoppiamento 32, costituito dalla scanalatura e dente estrusi, al blocchetto 33. Opposto al blocchetto 33 si ha il blocchetto 34, reso solidale attraverso quattro collegamenti bullonati 20 alla cassa esterna della staffa, la quale andrà fissata attraverso i bulloni 3 al solaio, generalmente mediante canali di ancoraggio 4 annegati nel calcestruzzo. Gli stessi blocchetti laterali di contenimento 36 vengono fissati mediante collegamenti bullonati 37 alla cassa.

Il blocco mobile costituito da piatto 2 e blocchetto 33 può essere reso esso stesso solidale alla cassa mediante la spina 29. Parte fissa e mobile del dispositivo di ancoraggio sono quindi connessi da quattro tubi 39, collegati anch’essi dal sistema di spine 41 e 42. Coassialmente ai tubi 39 sono quindi esternamente inseriti i tubi a diametro maggiore 43, con un gap 45 di qualche mm rispetto alla superficie del blocchetto 33. Infine fra la parte posteriore del piatto mobile 2 e la cassa fissa, attraverso quattro fori prodotti nel blocchetto fisso 34, sono alloggiati quattro tubi numero 44.

La Figura 29 mostra la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno, costruita attraverso il tool di progettazione del dispositivo di ancoraggio dissipativo e nel caso non sia presente la spina 29, che in questo caso può essere utile per evitare eventuali giochi fra parte fissa e mobile e per ovviare ad eccessive deformazioni plastiche dei componenti dissipativi.

La funzione tiene conto delle caratteristiche dei singoli elementi dissipativi come dalla Tabella 5

Tabella 5 - Caratteristiche elementi costituenti la funzione di resistenza opzione “a”

e le combina tenendo conto del gap di 6mm che intercorre fra l’attivazione della compressione dei tubi 39 e tubi 43. In questo modo si ottiene una funzione di resistenza sufficientemente smussata nei picchi sinusoidali dovuti all’attivazione dei modi locali di instabilità dei tubi. In Figura 30 la stessa funzione viene mostrata nel caso si utilizzi anche la spina 29. Alla fine della fase di compressione verso l’interno, le spine 41 e 42 di collegamento permettono una resistenza limitata (circa 20kN totali) durante il ritorno verso la posizione di equilibrio, in modo da garantire un contenimento della velocità della facciata e quindi una minore deformazione dei componenti dissipativi necessaria verso l’esterno. Tale deformazione è permessa dalla compressione dei tubi 44. Le figure 31 e 32 mostrano la funzione di resistenza per tali tubi nel caso non esistano gaps nella loro attivazione o considerando ancora 5mm di gap di attivazione fra tubi esterni e tubi centrali. Nel secondo caso lo sfasamento dei picchi permetterà anche un plateau più smussato. Attraverso la staffa di tale costruzione si riesce quindi ad avere un plateau medio verso l’interno di circa 95-100kN con una deformazione massima di circa 60mm e un plateau verso l’esterno di circa 45kN con deformazione di circa 22-23mm.

Opzione “b”

In Figura 33 vengono mostrate le caratteristiche costruttive fondamentali, in versione prodotta con estrusi in lega di alluminio 6060-T6.

Rispetto all’opzione “a”, si hanno i medesimi componenti fondamentali.

Le differenze principali sono che ora si ha un gap di circa 6mm nella coppia centrale dei quattro tubi 39 e che solo i tubi esterni sono fissati fra la parte mobile e quella fissa mediante le spine 41 e 42. Quindi si ridurrà rispetto al caso precedente la forza iniziale (a vantaggio di un controllo del primo picco di resistenza, soprattutto quando si usa anche la spina 29) e si riduce anche l’azione resistente durante il ritorno verso la posizione di equilibrio. Si ha ancora la possibilità, non a disegno in questo caso, di sfasare anche i tubi 43 per avere un plateau più smussato in resistenza alla forza verso l’esterno.

La Figura 34 mostra la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno, costruita attraverso il tool di progettazione del dispositivo di ancoraggio e nel caso non sia presente il perno o spina di connessione 29, che in questo caso può essere utile per evitare eventuali giochi fra parte fissa e mobile e per ovviare ad eccessive deformazioni plastiche dei componenti dissipativi.

La funzione tiene conto delle caratteristiche dei singoli elementi dissipativi come da Tabella 6

Tabella 6 - Caratteristiche elementi costituenti la funzione di resistenza opzione b

e le combina tenendo conto del gap 45 di 6mm che intercorre fra l’attivazione della compressione dei tubi 39 e tubi 40. In questo modo si ottiene una funzione di resistenza sufficientemente smussata nei picchi sinusoidali dovuti all’attivazione dei modi locali di instabilità dei tubi. In Figura 35 la stessa funzione viene mostrata nel caso si utilizzi anche la spina 29. Attraverso la staffa di tale costruzione si riesce quindi ad avere un plateau medio verso l’interno di circa 90kN con una deformazione massima di circa 60mm e un plateau verso l’esterno di circa 38kN con 22-23mm. Il dispositivo di ancoraggio di tipo due è da utilizzare ai piani 5-8 cioè agli ultimi 4 piani del podio dell’edificio. Le sue caratteristiche dissipative sono:

- plateau verso l’interno a 68kN

- plateau verso l’interno a 46kN

- deformazione massima verso l’interno 32mm

- deformazione massima verso l’esterno 8mm

Il dispositivo di ancoraggio è presentato nelle figure 36 e 37 e in Figura 38 vengono mostrate le caratteristiche costruttive fondamentali, in versione prodotta con estrusi in lega di alluminio 6060-T6. Rispetto ai casi precedenti, si hanno i medesimi componenti fondamentali.

Le differenze principali sono che ora le due coppie di tubi 39 e 40 hanno spessori diversi, che si rifletterà in una difficoltà maggiore nell’ottenere uno sfasamento efficace dell’attivazione della compressione dei tubi.

La Figura 39 mostra la modellazione analitica della funzione di resistenza verso l’interno, costruita attraverso il tool di progettazione del dispositivo di ancoraggio dissipativo e nel caso sia presente la spina 29, che in questo caso può essere utile per evitare eventuali giochi fra parte fissa e mobile e per ovviare ad eccessive deformazioni plastiche dei componenti dissipativi. La funzione tiene conto delle caratteristiche dei singoli elementi dissipativi come da Tabella 7

Tabella 7 - Caratteristiche elementi costituenti la funzione di resistenza staffa tipo 2

e le combina tenendo conto del gap 45 di 6mm che intercorre fra l’attivazione della compressione dei tubi 39 e tubi 40. Attraverso il dispositivo di ancoraggio di tale costruzione si riesce quindi ad avere un plateau medio verso l’interno di circa 70kN con una deformazione massima di circa 60mm e un plateau verso l’esterno di circa 52kN con 22-23mm. Il plateau verso esterno risulta leggermente superiore alle specifiche, il che non costituisce un problema, dal momento che si avrà comunque deformazione sufficiente verso l’esterno.

Il dispositivo di ancoraggio di tipo tre è da utilizzare sulla torre dell’edificio per i piani 9-20. Esso è mostrato nella figura 40. Le sue caratteristiche dissipative sono:

- plateau verso l’interno a 22kN,

- plateau verso l’interno a 18kN,

- deformazione massima verso l’interno 56mm,

- deformazione massima verso l’esterno 18mm.

In questo caso, data la vicinanza fra carico da vento e forza di attivazione in caso di blast, si ritiene vantaggioso l’utilizzo di un perno ridondante per il vento. Le principali differenze di tale dispositivo di ancoraggio rispetto ai precedenti sono:

- la coppia di tubi 39 non ha spine di collegamento con piatto mobile e cassa fissa, il che significa che non sarà presente alcuna forza resistente nel corso del ritorno verso la posizione di equilibrio e quindi dovrà essere verificato che la deformazione disponibile verso l’esterno sia sufficiente a dissipare l’energia addizionale dovuta alla velocità superiore acquisita dalla facciata.

- La necessità di tale variazione deriva dal fatto di non sommare le resistenze dei tubi 39 e del perno o spina 29 nella fase iniziale della funzione di resistenza e quindi di far attivare con uno sfasamento 45 di circa 5 mm l’azione dei tubi.

- La schiuma di alluminio 35 ha un peso molto basso sulla costruzione della funzione di resistenza. In realtà come discusso precedentemente il suo ruolo è principalmente quello di stabilizzare i tubi ed evitare che insorga il buckling di tipo euleriano

- Ulteriori tubi possono essere aggiunti nella parte posteriore del dispositivo di ancoraggio per aumentare se necessario il plateau in fase resistente a forza verso l’esterno.

Le Figure 41 e 42 mostrano le funzioni di resistenza che si ottengono dal modello analitico tenendo conto delle proprietà dei singoli elementi dissipativi come mostrato nella tabella 8, rispettivamente con e senza perno o spina 29.

Tabella 8 - Caratteristiche elementi costituenti la funzione di resistenza staffa tipo 3

Attraverso il dispositivo di ancoraggio di tale costruzione si riesce quindi ad avere un plateau medio verso l’interno di circa 22kN con una deformazione massima di circa 60mm (ma con forza di attivazione di circa 27kN) e un plateau verso l’esterno di circa 18kN con 22-23mm.

La soluzione costruttiva con staffe dissipative ha i seguenti benefici rispetto a quella tradizionale con staffe rigide:

- Il vantaggio più evidente dal punto di vista della soluzione costruttiva della facciata consiste nella possibilità con dispositivo di ancoraggio dissipativo, di utilizzare lo stesso vetro sia su podio che su torre. In termini di costi, si tratta di un risparmio di circa il 30% del costo del vetro camera, che si applica ad una superficie di circa il 60% della superficie vetrata del progetto;

- Si ottiene anche un risparmio di rinforzi di acciaio su un piano del podio (piano numero 5)

- Sulla torre, non si hanno risparmi rispetto a vetri e telaio, ma l’utilizzo del dispositivo di ancoraggio permette di evitare accessori di rinforzo delle connessioni della facciata, permettendo quindi anche l’utilizzo di standard di progettazione più consolidati - In termini di reazioni di picco è evidente il beneficio ottenuto con l’applicazione del dispositivo di ancoraggio dissipativo. Al podio, sia grazie all’azione diretta del dispositivo di ancoraggio, sia grazie al bilanciamento che permette di costruire una facciata meno rigida, si ha in media un picco di reazione ridotto di circa il 75% rispetto al caso di staffa rigida. Stesso beneficio si ha sui primi piani della torre, fino a ridursi del tutto agli ultimi piani.

- Ovviamente mentre la soluzione costruttiva senza dispositivo di ancoraggio dissipativo può essere applicata solo ad edifici di nuova costruzione e con struttura primaria concepita per resistere i carichi da esplosione, sia come comportamento globale che come resistenza locale dei solai, la soluzione con dispositivo di ancoraggio dissipativo limita i carichi trasferiti a valori accettabili anche per strutture non concepite per resistere ai carichi di esplosione. Quindi il dispositivo di ancoraggio si adatta molto bene alle esigenze di rinforzo di edifici in concomitanza con sostituzione della sola facciata (ad esempio per termine di durata della facciata stessa), senza necessità di rinforzare la struttura primaria dell’edificio

- In termini di risparmio sui costi dei materiali della facciata, il dispositivo di ancoraggio dissipativo determina circa un 5-6% in meno di spesa rispetto ai costi totali senza dispositivo di ancoraggio. Tale riduzione è significativa, perché il costo aggiuntivo per avere una facciata resistente alle esplosioni secondo le specifiche di progetto e con staffe rigide, sarebbe all’incirca del 8-9% rispetto alla facciata tradizionale.

Quindi i costi del blast enhancement della facciata risultano in questo modo ridotti a circa un terzo. A tali risparmi vanno sommati quelli probabilmente maggiori dovuti ai minori costi per la costruzione della struttura primaria dell’edificio e di adeguati solai per permettere connessioni capaci di trasferire adeguatamente centinaia di kN di reazioni.

Test sperimentali in laboratorio sotto carichi quasi statici e sotto carichi ad elevata velocità di deformazione sono stati realizzati sugli elementi dissipativi e su diverse tipologie di staffe.

Tale attività sperimentale ha permesso di costruire un significativo database di comportamento di materiali, elementi dissipativi e del loro funzionamento combinato che ha permesso di validare il tool di design del dispositivo di ancoraggio. Test sperimentali sono stati anche eseguiti con su un campione di facciata in scala reale secondo lo schema di Figura 43. I test hanno mostrato l’attivazione delle staffe in termini di spostamento secondo quanto previsto dalle simulazioni numeriche (Figura 44) e anche i benefici attesi in termini di spostamento del montante della facciata (Figura 45).

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di ancoraggio (1) di un pannello o di una lastra di vetro (8) ad una struttura di edificio (5) comprendente - un contenitore scatolare (7), - un primo attacco (2) atto a fissare detto pannello o lastra di vetro, - un secondo attacco (3, 4) atto a fissare il dispositivo di ancoraggio alla struttura di edificio (5), detto primo attacco e detto secondo attacco (2, 3, 4) definenti una linea di scorrimento lungo la quale agiscono componenti di prime forze esterne che si scaricano su detto edificio (5) ed essendo capaci di effettuare uno scorrimento interno relativo e reciproco in un primo verso A di avvicinamento del pannello o della lastra di vetro (8) alla detta struttura di edificio (5) parallelamente a detta linea di scorrimento sotto un’azione di dette prime forze esterne ed essendo capaci anche di uno scorrimento esterno relativo e reciproco in un secondo verso B di allontanamento del pannello o della lastra di vetro (8) alla detta struttura di edificio (5) parallelamente a detta linea di scorrimento sotto un’azione di seconde forze esterne di direzione opposta alla direzione di dette prime forze esterne, - almeno un primo elemento (6, 10, 11, 16) dissipante avente una capacità dissipativa di forze di compressione agenti nel primo verso A, almeno un secondo elemento (11’, 12’, 18) dissipante avente una capacità dissipativa di seconde forze di compressione agenti nel secondo verso B, in cui detto scorrimento interno relativo avviene se dette prime forze esterne hanno una intensità superiore ad una soglia predeterminata eccezionale, superiore a quella di forze agenti su detto edificio normalmente e durante detto scorrimento relativo determinando in tal modo una deformazione nel campo elastico e plastico di detti primo (6, 10, 11, 16) e secondo (11’, 12’, 18) elementi dissipanti , tale per cui le prime e seconde forze esterne vengono dissipate.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui è previsto anche un terzo elemento (12, 15) dissipante avente una capacità dissipativa di una forza di compressione agente nella prima direzione A e capace di accrescere la funzione dissipativa del primo elemento (6, 10, 11, 16) dissipante.
3. 3. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo elemento dissipante comprende uno o più primi tubi metallici (39) con asse parallelo alla linea di scorrimento oppure cemento (16) espanso oppure una struttura (6, 10, 11, 35) a nido d’ape.
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il terzo elemento dissipante comprende uno o più secondi tubi (12, 15) con asse parallelo alla linea di scorrimento .
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo elemento dissipante comprende uno o più terzi tubi (12’, 18, 25, 26, 27, 28, 43, 44) con asse parallelo alla linea di scorrimento o una struttura metallica (11’) a nido d’ape.
6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previste molle (13) a spirale disposte coassialmente intorno a detti primi tubi (15).
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui il diametro interno delle molle (13) è superiore del 20% a quello del diametro esterno dei tubi dissipativi.
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui fogli di teflon sono interposti fra una prima superficie solidale a detto primo attacco (2) e una seconda superficie solidale a detto secondo attacco (3, 4) per ridurre l’attrito in scorrimento tra dette prima e seconda superficie.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui sono previsti perni o spine (29) di sicurezza disposti fra detto primo attacco (2) e detto secondo attacco (3, 4).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui sono previsti quattro primi tubi (21, 22, 23, 24) di cui due tubi (22, 23) sono disposti con uno sfasamento in direzione assiale rispetto ad altri due tubi (21, 24).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui sono previsti quattro secondi tubi (25, 26, 27, 28), capaci di dissipare dette seconde forze, di cui due tubi (26, 27) sono disposti con uno sfasamento in direzione assiale rispetto ad altri due tubi (25, 28).