LA REALIZZAZIONE DELLA TORRE ISOZAKI NEL COMPLESSO CITYLIFE: DAL PROGETTO ALLA SUPERVISIONE DEL CANTIERE FRANCO MOLA, Politecnico di Milano CARLO SEGATO, ECSD Srl, Milano GEORGIOS STEFOPOULOS, ECSD Srl, Milano
supervisione della costruzione e le professionalità che gestiscono l’attività di cantiere, consentendo, mediante la tempestiva risoluzione di problematiche costruttive e lo studio di soluzioni tecnologiche alternative, il rispetto dei tempi di esecuzione e garantendo, mediante una rigorosa attività di controllo e supervisione, la qualità del processo costruttivo e la prestazionalità dell’oggetto realizzato.
SUMMARY The Isozaki Tower, a fifty-storey building located in the CityLife district of Milan, is currently about to be completed, setting the new record as the tallest building in Milan, at a height of 202m. The architectural feature of the tower is its slenderness, so that the lateral and torsional responses due to the wind action are significant for structural analysis and occupant comfort. In order to mitigate these effects eight external viscous dampers will be connected to the tower by means of four steel “crutches”, restrained to the surrounding plaza and podium at the base of the tower on one end, and to the main cores on the other end, at a height of about 80m. In the present paper, the main structural design assumptions, as well as a variety of construction issues, are described in detail, with a focus on some relevant aspects of structural analysis and construction monitoring.
1.
INTRODUZIONE
Il rinnovamento edilizio cui si è assistito nell’ultima decade in Milano ha modificato il profilo della città attraverso la realizzazione di nuovi complessi contraddistinti dalla presenza di edifici alti. Palazzo Lombardia, gli interventi operati nei quartieri Porta Nuova-Garibaldi e Isola e le torri in costruzione nel distretto denominato City Life costituiscono le trasformazioni di maggiore rappresentatività. Quest’ultimo, in particolare, situato nei pressi dell’ex quartiere fieristico e progettato dagli architetti Arata Isozaki, Zaha Hadid e Daniel Libeskind, occupa una superficie tale per cui è attualmente identificabile, in ambito edilizio, tra i siti di costruzione più estesi in Europa, comprendendo tre edifici a torre per uffici, residenze, spazi commerciali, aree destinate a parco, parcheggi interrati e infrastrutture viarie. La realizzazione di edifici alti pone problematiche di natura progettuale e costruttiva, la cui risoluzione richiede una forte sinergia tra le varie figure coinvolte nella progettazione e nella
Figura 1. Complesso City Life in Milano Nel prosieguo verranno presentati alcuni aspetti derivanti dall’esperienza condotta nell’ambito della progettazione esecutiva e dell’assistenza in cantiere all’Impresa per la risoluzione delle problematiche costruttive occorse durante la realizzazione della Torre Isozaki. Essa, con il completamento in luglio 2014 delle strutture in elevazione e i suoi 202m dallo spiccato della piazza principale, è oggi l’edificio più alto di Milano.
2.
ASSETTO STRUTTURALE
La Torre è posta in posizione all’incirca centrale rispetto al proprio lotto di pertinenza, il quale comprende anche un complesso adibito a servizi, parcheggi, spazi commerciali e parco, denominato Piastra Est, esteso intorno ad essa per tre livelli al di sotto della piazza principale, per un totale di oltre 50'000 m2 di superficie coperta, e tre corpi bassi, sul lato orientale, che costituiscono il Podio. Dal punto di vista strutturale la Torre e la Piastra sono indipendenti e separate da giunti sismici. La Torre è impostata su di una fondazione mista costituita da una platea in calcestruzzo di altezza variabile di (2.5÷3.5)m, con 62 pali trivellati riduttori di cedimento di diametro variabile φ(120÷150)cm e lunghezza pari a 33,2 m, i quali limitano efficacemente i cedimenti assoluti e differenziali della stessa, e contengono gli effetti di subsidenza indotti alle costruzioni poste in prossimità della Torre. Per conferire maggiore affidabilità al sistema e mitigare gli effetti
differenziali indotti sia durante la simultanea edificazione di Piastra e Torre sia al termine della costruzione, si è deciso di introdurre una fondazione diretta continua, ad anello, di spessore pari a 1,5m, da cui si elevano le prime due file di colonne delle strutture di Piastra, i cui rimanenti basamenti sono invece costituiti da plinti isolati.
Fondazione ad anello Torre
Le colonne sono a sezione circolare, con struttura mista acciaio-calcestruzzo nei livelli inferiori dell’edificio e sono successivamente in calcestruzzo armato ordinario fino in sommità, con diametro variabile da φ170 a φ65 cm. Gli impalcati sono del tipo a piastra in calcestruzzo armato, di spessore pari a 20 cm, con travi intradossate di altezza pari a 50 cm, atte a formare un sistema a telaio con le colonne e i nuclei. L’ingombro planimetrico, misurato rispetto ai fili esterni è pari circa a (24x61)m. La Torre consta di 50 piani al di sopra del livello di piazza principale e di 3 livelli interrati.
Figura 2. Sistema fondale La Torre presenta caratteristiche di snellezza e smorzamento intrinseco tali da rendere non trascurabili gli effetti connessi alla risposta trasversale e torsionale del fabbricato generati dalle azioni orizzontali applicate, con particolare riferimento a quelle di vento. Per quanto concerne lo smorzamento strutturale intrinseco nelle condizioni di esercizio, i codici normativi internazionali, supportati da misure sperimentali condotte mediante prove dinamiche su edifici esistenti, individuano, per costruzioni di pari altezza, valori che si attestano intorno all’1% dello smorzamento critico. Tali circostanze hanno suggerito nel corso dello stadio definitivo di progettazione l’introduzione di specifici accorgimenti volti ad incrementare le caratteristiche di smorzamento e rigidezza. Per quanto riguarda le prime si è ricorso all’aggiunta di otto dissipatori viscosi esterni, collegati alla Torre in direzione trasversale mediante quattro puntoni metallici di adeguata rigidezza. In tal modo si è garantita una riduzione delle accelerazioni percepite ai piani più alti e una diminuzione di intensità della componente risonante del vento, migliorando le prestazioni di comfort abitativo nel rispetto delle funzioni svolte all’interno del fabbricato. In direzione longitudinale si è invece agito mediante l’incremento delle caratteristiche di rigidezza, introducendo quattro travi di accoppiamento, tipo outrigger, di cui due poste a metà altezza e due in sommità, le quali sono solidali ai nuclei taglio-resitenti in calcestruzzo armato, posti sui lati nord e sud. Questi ultimi hanno spessore variabile da 120cm a 40cm con appositi ringrossi in corrispondenza delle suddette travi di accoppiamento. Completano lo schema resistente alle azioni trasversali i nuclei in c.a. degli ascensori esterni sui lati minori orientati a nord e sud.
Figura 3. Piano tipo
Figura 4. Sezione trasversale – Individuazione travi cintura intermedie e di copertura
3.
SCELTE PROGETTUALI E RELATIVE PROBLEMATICHE COSTRUTTIVE
Si illustrano alcune fra le scelte più importanti formulate nel corso della progettazione esecutiva che hanno influenzato le tecniche realizzative, richiedendo la condivisione da parte dei tecnici
proposta in Eurocodice 2 al punto 6.2.5, in grado di impedire lo scorrimento all’interfaccia delle superfici di ripresa e di garantire un comportamento di insieme monolitico.
Figura 5. Getto e maturazione della platea di fondazione Alle fasi di cura e stagionatura dei getti sono state dedicate particolari attenzioni nella definizione delle cautele da adottare. Riguardo alle condizioni al contorno, per entrambi i getti di prima e seconda fase, si è stabilito di interporre pannelli termicamente isolanti, di adeguato spessore, tra le superfici laterali dei getti e dei casseri e si è prescritto di proteggere le superfici di estradosso, ad avvenuto indurimento, mediante teli in materiale tessuto non tessuto, completamente immersi in uno strato d’acqua calda, mantenuta a temperatura prefissata mediante un generatore di calore. Si è infine provveduto all’avvolgimento dell’intera superficie superiore mediante teli in polietilene, sovrapposti ai casseri sul perimetro. Il costante apporto d’acqua sulla superficie di estradosso è stato garantito tramite un impianto di irrigazione appositamente predisposto nelle fasi costruttive. Temperature medie [°C]
delle Imprese esecutrici riguardo alle modalità operative e la loro partecipazione alla definizione costruttiva degli aspetti di dettaglio. Pur essendo le migliorie introdotte orientate alla semplificazione delle operazioni da compiersi nelle fasi di costruzione e di controllo del costruito, oltre che, talvolta, alla loro ottimizzazione economica e temporale, esse sono sempre state formulate mirando in primo luogo all’ottenimento di elevate e garantite prestazioni in termini di sicurezza, efficienza e durabilità, comparando quanto proposto con le limitazioni normative e con quelle stabilite in sede contrattuale rispetto alla progettazione definitiva posta a base di gara. Per quanto riguarda i sistemi fondali, [1], le variazioni introdotte sono state duplici. La prima, riferita alle modalità di getto della piastra di base della Torre, per la quale si è operato all’interno di un appalto dedicato, distinto da quello avente ad oggetto la costruzione della Torre. Dovendo procedere ad un eventuale subentro di Impresa in seconda fase, sono stati stabiliti da parte della Committenza severi requisiti prestazionali da garantirsi per la costruzione della piastra, sia in termini progettuali che di controllo sul costruito. Si tratta di una piastra rettangolare avente dimensioni (63,1x27)m e spessore costante 2,5m, alla quale sono sovrapposti due rialzi di spessore 1m aventi pianta rettangolare di dimensioni (16,3x27)m, posizionati in corrispondenza ai nuclei di estremità e due rialzi aventi pianta rettangolare di dimensioni (8x10)m, posti in corrispondenza delle quattro colonne centrali. L’elevato volume di calcestruzzo da mettere in opera, pari a circa 5300m3, nonché le prestazioni che devono essere garantite dalla struttura di fondazione, sia allo stato fresco del calcestruzzo sia nella fase indurita, hanno condotto a proporre per il getto della fondazione l’utilizzo di calcestruzzo autocompattante, a basso sviluppo di calore di idratazione (LH), avente classe di resistenza C32/40, operando mediante getto continuo, per il quale si sono individuate sezioni di ripresa orizzontali in corrispondenza alle superfici di interfaccia fra la piastra di spessore 2,5m ed i rialzi di spessore 1,0m. Il progetto della miscela di calcestruzzo autocompattante è stato sviluppato con il supporto dei tecnici della produzione conducendo studi teorici e verifiche sperimentali, con particolare riferimento alle problematiche connesse allo sviluppo del calore di idratazione, trattandosi di un getto massivo. Sono stati condotti calcoli in condizioni adiabatiche e sperimentazioni su un provino cubico coibentato avente lato pari a 1m che hanno esibito risultati in buon accordo con le valutazioni teoriche. La realizzazione del getto della platea in due fasi successive ha richiesto l’introduzione di specifiche armature di sutura, dimensionate in accordo alla formulazione
temperatura esterna misure a 50 cm da intradosso Nucleo misure a 50 cm da estradosso
60 50 40 30 20 10 0 3/30 4/1
4/3
4/5
4/7
4/9 4/11 4/13 4/15 4/17 4/19 2012
Figura 6. Misura della temperatura esterna e delle temperature della platea associate alla reazione di idratazione del cemento In corrispondenza del nucleo si è raggiunta la massima temperatura di 63°C. Le differenze di temperatura con le parti corticali sono risultate compatibili con i valori assunti quale riferimento: la massima differenza tra i valori medi corticali e di nucleo è stata di circa 40°C, mentre la differenza tra i valori medi delle superfici poste a 50cm dalla
superficie di intradosso, o di estradosso, e il nucleo è sempre risultata inferiore a 20°C. La seconda decisione ha riguardato l’introduzione di una fondazione ad anello per le strutture di Piastra, avente caratteristiche di rigidezza tali da mitigare i cedimenti e le rotazioni differenziali indotte dai rilevanti fenomeni di subsidenza indotti dalla simultanea costruzione della Torre. Occorre a tal proposito considerare che tutti gli orizzontamenti della Piastra sono realizzati con solai presollecitati a trefoli non aderenti, di elevata snellezza, particolarmente suscettibili alle distorsioni imposte, gettati in continuità su più campate, per i quali, all’interno delle linee guida e delle specifiche di progetto formulate per le analisi, sono stati specificatamente contemplati gli effetti associati alle distorsioni imposte alla base. Approfondite analisi comparative svolte dal Consulente geotecnico, introducendo appropriati legami costitutivi non lineari per il terreno, riproponendo le fasi costruttive definite dall’Impresa e simulando le caratteristiche geometriche e di rigidezza delle fondazioni, hanno supportato tale proposta, essendo essa risultata di maggior robustezza rispetto a quella alternativa con plinti isolati. La validità di tale scelta è stata poi confermata dal soddisfacente comportamento esibito dal sistema, dedotto durante le rilevazioni afferenti al monitoraggio in corso d’opera, brevemente illustrato nel prosieguo. Una costante attenzione è stata dedicata, sia in fase di progettazione sia in fase di qualifica e sperimentazione, nonché di messa in opera, ai materiali di base e alle specifiche per il loro corretto impiego. Per quanto riguarda i calcestruzzi ordinari dei nuclei e degli orizzontamenti, che non richiedono formulazioni speciali in ragione delle pertinenti caratteristiche di sollecitazione, si è deciso di rendere omogenea la classe di resistenza, pari a C40/50, in maniera tale da evitare nodi di connessione aventi caratteristiche diversificate e da semplificare le operazioni di getto e di controllo dell’esecuzione da parte della Direzione Lavori. La massività degli elementi in elevazione dei nuclei ai piani interrati, nonché l’estensione in lunghezza dei muri di ridotto spessore ad essi collegati, in assenza di giunti di contrazione, associata al getto in clima freddo, ha richiesto l’adozione di procedure controllate e di miscele additivate con riduttori di ritiro (SRA), unitamente al controllo delle temperature sviluppate durante la maturazione. Ciò ha permesso una opportuna calibrazione dei tempi di rimozione dei sistemi di casseratura orientata a limitare l’eventuale comparsa di lesioni e la relativa ampiezza. I risultati ottenuti sono stati ampiamente soddisfacenti. Per le colonne a sezione mista acciaio-calcestruzzo che si
estendono dalla base fondale fino circa a metà altezza della costruzione, oltre che per il loro proseguimento con sezione resistente in calcestruzzo armato, fino al piano 36, è stato impiegato un calcestruzzo ad alta resistenza, di classe C70/85, avente generalmente classe di consistenza S5, oppure SCC per particolari condizioni di getto. Per questi materiali per il quale sono state progettate apposite prove di qualifica e accettazione, comprendenti l’esecuzione di una colonna prototipo a piè d’opera, strumentata con termocoppie, di dimensioni geometriche e densità di armatura pari a quelle effettivamente impiegate nella costruzione. Inoltre, sulla base delle richieste avanzate dalla Collaudazione, le prove sperimentali condotte durante la costruzione nell’ambito dei controlli di accettazione in cantiere secondo NTC2008 sono state integrate con ulteriori prove, sia per quanto concerne la misura delle resistenze su cubo sia, soprattutto, per la misura dei moduli elastici. Per questi appariva infatti di grande importanza valutare la costanza delle caratteristiche di fornitura e la loro compatibilità con il valore desunto dalle formulazioni di previsione teorica a cui ci si è attenuti nella progettazione. Infatti, sussistendo una correlazione positiva fra il valore del modulo elastico e l’entità della deformazione viscosa, la approfondita conoscenza del primo permette di formulare utili valutazioni di previsione della seconda, la cui influenza sulle verifiche di compatibilità con i sistemi vetrati di facciata è di primaria importanza. Nel caso in oggetto, in termini di trattamento statistico dei risultati sperimentali, si è osservato come le determinazioni sperimentali sulla resistenza e sul modulo elastico siano meglio interpretate da distribuzioni statistiche di Weibull piuttosto che da distribuzioni normali, con valori misurati caratteristici e medi, per resistenze e moduli elastici, rispettivamente, lievemente superiori a quelli introdotti in progetto. Per quanto concerne i manufatti in carpenteria metallica si è generalmente ricorso a profili in composizione saldata in acciaio S355, di adeguate caratteristiche di tenacità, sia per i profili di rinforzo a croce austriaca inglobati nelle colonne sia per la realizzazione delle travi di cintura intermedie. La progettazione dei puntoni esterni che collegano la Torre ai dissipatori viscosi ha richiesto invece un’accurata selezione dei materiali di base e un’attenta definizione e qualifica dei processi di saldatura, di lavorazione meccanica, di trattamento termico, di calandratura, di fucinatura, di verniciatura, di montaggio e di varo per costruire oggetti in grado di ottemperare sia ai requisiti di sicurezza strutturale sia a quelli di valenza estetica attribuiti agli stessi. Questi manufatti costituiscono marcata
evidenza della necessaria, costante interazione specialistica che si deve attivare tra le professionalità dedicate alla progettazione, al controllo, alla costruzione e al montaggio dei manufatti. Trattasi infatti di elementi a sviluppo lineare e sezione variabile, formata da un unico tubo alla base φ = (800x60)mm, ramificato in tre distinti φ = (610x40)mm attraverso un raccordo tronco conico, per culminare in un’unica ogiva, realizzata mediante fucinatura. Essi hanno lunghezza complessiva di 40m, per quelli installati in sommità al Podio (Fig. 7), e di 60m per quelli antistanti alla Metropolitana. Per eliminare la suscettibilità a fenomeni aeroelastici di distacco di vortici e instabilità essi sono riempiti in calcestruzzo, ai fini di aumentare il numero di Scruton attraverso l’incremento di massa, per un peso complessivo pari circa a 180t oppure 120t in relazione alla lunghezza degli elementi, e sono rivestiti nella parte compresa tra i tre tubi con lamiere macroforate che attenuano gli spostamenti trasversali di picco in condizioni di vento. I manufatti, costruiti e preassemblati in officine altamente specializzate, saranno montati in cantiere in conci da 20m sovrapposti, posti verticalmente all’interno di torri provvisionali, per poi essere varati con rotazione nel piano verticale e punto fisso alla base, sino alla definitiva solidarizzazione alla Torre all’undicesimo piano, ove risulteranno appesi. All’estremità inferiore saranno alloggiati dispositivi di appoggio, sostitutivi dell’elemento provvisionale di vincolo progettato per la fase di varo, che consentiranno il movimento nella direzione parallela allo sviluppo dei puntoni al fine di attivare i dissipatori viscosi collegati in seconda fase alla flangia di base.
lunghezza di circa 36 m, larghezza di 0,9m e altezza di 5,2m, sono state condotte analisi particolareggiate, in relazione alla modifica di tecnologia realizzativa proposta in sede di progetto esecutivo e alla valutazione di modalità costruttive alternative richieste dall’Impresa. In luogo di elementi reticolari in carpenteria metallica, affini a quelli introdotti a metà altezza, si è ritenuto più vantaggioso proporre la realizzazione di elementi in calcestruzzo armato, che garantisce maggiore omogeneità con la restante ossatura, anch’essa in calcestruzzo armato, minore sensitività agli effetti differiti di accorciamento differenziale di colonne e nuclei rispetto alla soluzione in carpenteria metallica, monoliticità di connessione con i nuclei in calcestruzzo armato, vantaggi nel contenimento di tempi e oneri realizzativi, semplificazioni per quanto concerne la messa in opera.
Figura 8. Travi cintura in c.a. di copertura
Figura 7. Costruzione in officina e montaggio in cantiere dei puntoni Le tecniche costruttive individuate per la realizzazione delle travi di accoppiamento intermedie e di sommità hanno influenzato significativamente la progettazione e le analisi strutturali, come meglio descritto nel prosieguo. Per quelle di sommità, in particolare, aventi
In base alle scelte operate, le travi di accoppiamento conferiscono caratteristiche di rigidezza affini a quelle precedentemente proposte in sede di progettazione definitiva, non alterando le proprietà dinamiche complessive, purché lo stato fessurativo permanga entro limiti prefissati. Sono state combinate differenti strategie per raggiungere tale obiettivo. Per contrastare gli effetti di ritiro differenziale che si esplicano a livello sezionale, in ragione delle differenti densità di armatura collocate in corrispondenza dei correnti posti ai lembi di estremità e in corrispondenza della parte centrale della sezione trasversale, è stata attribuita una lieve presollecitazione longitudinale, applicata a 24 ore dal getto, mediante la tesatura di quattro cavi di 15 trefoli 0,6’’ super per ciascuna trave,
Microdeformazioni [-] Temperatura [°C]
successivamente iniettati e resi aderenti. In corrispondenza delle prime due campate, su ciascun lato, ove sono alloggiati diagonali metallici nell’interpiano sottostante, che collegano le travi di cintura ai nuclei in c.a., si è introdotta una presollecitazione con coppie di barre D=26.5mm ad alta resistenza, opportunamente diffuse nella zona di interazione, onde mitigare gli stati tensionali di trazione diffusi dai collegamenti interni piolati. La presollecitazione è stata calibrata in modo tale da bilanciare le azioni di trazione introdotte a lungo termine attraverso i diagonali. Per quanto concerne la miscela di calcestruzzo si è progettata e testata una formulazione speciale, avente classe di resistenza C60/75, classe di consistenza S5, pompabile a 200m di altezza, addittivata con riduttori di ritiro (SRA) in ragione di 4 l/m3 e fibre polimeriche ausiliarie, con tenore di 0,8 kg/m3, in grado di controllare l’ampiezza di eventuali fessure all’interno della massa di calcestruzzo. Anche in questo caso è stata condotta una campagna sperimentale particolareggiata per la selezione delle proprietà della miscela da impiegarsi. Essa ha compreso lo studio dello sviluppo di resistenza meccanica a compressione e trazione, delle caratteristiche di deformabilità, di ritiro igrometrico e di ritiro elasticamente impedito, la misura del calore di idratazione, sia su cubo adiabatico sia durante il getto delle travi stesse. Per quanto concerne le prove di ritiro elasticamente impedito sono stati progettati specifici protocolli di prove da condursi su travetti bxhxL=(0,5x0,1x3)m, strumentati con barrette estensimetriche, armati con rapporti geometrici di armatura affini a quelli effettivamente impiegati, onde valutare la validità delle assunzioni formulate in sede progettuale e stabilire la idoneità della miscela proposta. Sono state testate due differenti formulazioni, di cui la prima conforme a quella prescritta in progetto e la seconda di pari caratteristiche, fatta eccezione l’assenza di additivi SRA. L’integrità delle travi di cintura a getto eseguito è stata poi controllata mediante controllo ultrasonoro con esito positivo. 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 15/6 SENZA SRA
20/6 CON SRA
25/6
30/6
Differenza |SRA - NO SRA|
5/7 DT media
10/7 Giorni
Figura 9. Esiti delle prove di ritiro elasticamente impedito eseguite su travetti armati e strumentati Un ulteriore rilevante aspetto riguarda le modalità di connessione delle travi di accoppiamento ai nuclei, l’organizzazione delle
specifiche armature di rinforzo predisposte negli stessi e la presollecitazione delle zone di interazione tra travi di cintura e nuclei, ove si innestano i diagonali metallici. Esse vengono di seguito illustrate per le travi di cintura intermedie, valendo considerazioni analoghe per quelle in calcestruzzo poste in sommità per quanto concerne l’arrangiamento delle armature lente e di presollecitazione nelle zone diffusive e di quelle poste in corrispondenza dei nuclei, trasversalmente all’orditura delle travi di cintura. Costituisce fattore di differenziazione il collegamento delle travi di cintura ai nuclei, di cui quello relativo alle travi in calcestruzzo si mostra più efficiente ed affidabile in quanto il getto è stato organizzato in continuità con i lati corti dei nuclei, senza interruzioni, conferendo monoliticità ai nodi del telaio resistente. Le travi di cintura intermedie sono realizzate in carpenteria metallica e presentano ossatura reticolare con profili laminati in composizione saldata. Ciascun manufatto pesa circa 200t, si estende per 36m in lunghezza e 5m in altezza nell’interpiano P24-P25. I manufatti sono stati completamente assemblati mediante saldatura in officina, trasportati per più di 500 km e sollevati per 100m mediante strand jack. Essi sono solidarizzati alle cinque colonne in c.a. di facciata, poste ad interasse di 6m e ai nuclei alle estremità. In corrispondenza alle campate più esterne sono presenti diagonali metallici aggiunti all’orditura principale, inseriti negli interpiani P23-P24 e P25P26, che conferiscono maggiore rigidezza all’insieme nei confronti della azioni orizzontali, enfatizzando il comportamento ad outrigger. La trasmissione delle azioni ai nuclei avviene all’interfaccia delle flange terminali poste tra P24P25, le quali sono solidarizzate ad attrito con barre presollecitate ad alta resistenza di diametro D=47mm e attraverso gli elementi di proseguimento all’interno dei nuclei la cui aderenza al calcestruzzo è assicurata da pioli metallici saldati. La soluzione adottata, che elimina la presenza di invasive e di dubbia efficacia predisposizioni in carpenteria metallica disposte entro i nuclei, si mostra nettamente superiore in termini di efficienza strutturale. In particolare si evitano separazioni di getto per i nuclei, minimizzando i rischi di formazione di vespai e discontinuità, evitando inoltre l’interruzione dei flussi di compressione nel calcestruzzo e quella delle armature verticali e orizzontali di rinforzo, conferendo omogeneità e consistenza all’insieme. Gli associati benefici costruttivi riguardano l’assenza di ulteriori modifiche ai sistemi di casseratura, la semplificazione delle modalità realizzative, la riduzione dei tempi di esecuzione e l’introduzione di tolleranze costruttive meno restrittive rispetto a
quelle necessarie per il corretto posizionamento in prima fase di ulteriori elementi metallici inseriti nei nuclei e alla loro connessione in seconda fase con le travi di cintura.
Figura 10. Sollevamento delle travi di cintura intermedie e armature di rinforzo disposte nei nuclei in c.a. In corrispondenza degli interpiani P22-P27 e P47-P50, ove si innestano le travi di cintura e i relativi diagonali, i nuclei in c.a. presentano ringrossi sul lato corto per consentirne l’inserimento, essendo le travi aggettanti in larghezza rispetto al filo esterno dei nuclei. Pertanto le azioni gravitazionali trasmesse dalle travi cintura insistono parzialmente su di una porzione di nucleo anch’essa aggettante rispetto alla parte sottostante ed assicurata alla porzione di nucleo che trova continuità ai livelli sottostanti attraverso l’introduzione di una presollecitazione trasversale a cavi scorrevoli di tipo monotrefolo, in ragione delle esigue disponibilità geometriche per l’ancoraggio delle testate passive. La tecnica della presollecitazione è stata inoltre convenientemente impiegata anche per mitigare gli effetti associati agli stati tensionali di trazione che si creano nelle zone diffusive ove i diagonali esterni all’orditura principale delle travi si innestano nei nuclei e nelle travi di cintura di sommità. In questo caso sono state impiegate barre di post-tensione ad alta resistenza, di diametro pari a 26.5mm, disposte a coppie sull’intera estensione delle zone diffusive nell’intorno di ciascun diagonale. Oltre a garantire un affidabile comportamento strutturale, gli accorgimenti descritti hanno consentito di poter procedere in maniera agevole alla costruzione in avanzamento dei nuclei, per la successiva introduzione in un’unica soluzione delle travi metalliche intermedie, garantendo il rispetto del serrato cronoprogramma. La disomogeneità di comportamento associata all’introduzione di elementi di notevole rigidezza aventi comportamento elastico lineare all’interno
di un’ossatura in calcestruzzo armato influenzata dalle ridistribuzioni tensionali associate agli effetti viscosi e di ritiro differiti, ha richiesto l’esecuzione di raffinate analisi numeriche che consentissero di valutare oltre al comportamento strutturale globale a breve e lungo termine, la compatibilità con i sistemi di facciata in termini deformativi e di individuare le più idonee tecniche di montaggio, in relazione alla possibilità di connettere tutti gli elementi diagonali che realizzano l’orditura reticolare già in prima fase. L’ottimizzazione dei sistemi di dissipazione aggiunta è stato argomento di particolare impegno sia per quanto concerne le analisi di valutazione teorica sia per l’esame delle prestazionalità effettivamente offerte dalle apparecchiature e tecnologie disponibili sul mercato, in relazione a vincoli geometrici prefissati e limitazioni di capacità resistente afferenti agli elementi interagenti con i dispositivi stessi. In sede contrattuale, per lo svolgimento della progettazione esecutiva e la realizzazione della Torre, sono state incrementate le prestazioni di comfort da garantire rispetto a quanto precedentemente progettato, richiedendo l’esame di ulteriori configurazioni, anche in relazione all’eventuale introduzione di ulteriori dispositivi in sommità. Sulla base delle analisi condotte è risultato vantaggioso rimodulare le caratteristiche dei dispositivi posti alla base dei puntoni, senza introdurre ulteriori dissipatori in sommità, onde soddisfare alle specifiche di contratto. Il funzionamento degli smorzatori viscosi, specificatamente calibrato per la mitigazione delle componenti fluttuanti di vento, ha richiesto un attento esame delle forzanti, in analogia a quanto operato per la validazione delle pressioni di progetto desunte dalle sperimentazioni in galleria del vento e rimodulate in sede di progetto definitivo, impiegate per il dimensionamento dei sistemi di facciata. In quest’ambito si è operato applicando un approccio non tradizionale, definito in letteratura quale risk-consistent, [2], basato sulla correzione dei dati registrati in galleria del vento, includendo gli effetti associati alla direzionalità delle azioni eoliche, contestualizzando le calcolazioni in relazione alle analisi climatologiche condotte a partire dai dati misurati negli aeroporti di Linate, Malpensa e Cameri. Tale approccio ha consentito l’adozione di valori di progetto ridotti sino al 40% rispetto a quelli di picco misurati in galleria del vento, ottenendo una ripartizione delle azioni di progetto sui sistemi di facciata più omogenea per quanto riguarda il rapporto capacità-domanda e ottimizzando la progettazione degli elementi di facciata dal punto di vista economico.
4.
ANALISI STRUTTURALI
Le analisi strutturali sono state organizzate attraverso l’implementazione di sofisticate modellazioni che ripropongono accuramente le caratteristiche meccaniche e geometriche degli elementi costituenti. I risultati desunti attaverso i procedimenti automatici sono stati costantemente validati mediante confronto operato con calcolazioni semplificate o modelli parziali di chiara interpretabilità. Nell’ambito dello studio del comportamento strutturale di edifici alti occorre ricorrere ad analisi per fasi costruttive, attribuendo adeguati legami costitutivi ai materiali di base, così da cogliere le modifiche dello stato tensionale e deformativo che si manifestano per effetto del comportamento viscoso dei calcestruzzi, in relazione agli effetti di ritiro, delle azioni verticali e dell’introduzione di vincoli posticipati. Viceversa, le valutazioni del comportamento strutturale sviluppate in base a calcolazioni nell’ambito dell’elasticità lineare, prescindendo dalle fasi costruttive, forniscono infatti risultati non attendibili, [2].
valutate e combinate per quanto riguarda le componenti longitudinale, trasversale e torcente con riferimento alle indicazioni contenute in CNRDT 207/2008. Le azioni di natura sismica sono state calcolate sulla base delle caratteristiche del sito indicate all’interno delle NTC2008 e dello spettro di risposta definito in accordo alla formulazione proposta dal gruppo di ricerca S5 dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia per periodi superiori a 4 secondi, assumendo fattore di struttura pari a 2,88 per la parte fuori terra e fattore unitario per la parte sottostante avente comportamento scatolare. I primi tre periodi di vibrazione, valutati prescindendo dalla deformabilità del sistema fondale, rispettivamente associati a modi traslazionali longitudinale, trasversale e ad un modo torsionale, sono pari a circa 6s, 5s e 2,6s. In presenza di dissipatori viscosi tali periodi risultano immutati, parimenti alle forme modali, modificandosi solamente gli smorzamenti complessivi del sistema, che, con gli smorzatori progettati, risultano pari a (1; 7; 7)% per i tre modi principali.
Figura 12. Caratteristiche dinamiche Figura 11. Componente elastica, viscosa e di ritiro L’accuratezza delle previsioni costituisce fattore essenziale per l’esame della compatibilità deformativa con i sistemi di facciata e con gli elementi portati di tipo fragile, quali ad esempio le partizioni interne in cartongesso. I modelli di calcolo per fasi costruttive replicano le tempistiche di costruzione individuate nel cronoprogramma di progetto, attribuendo legami costitutivi appropriati per i calcestruzzi nell’ambito della visco-elasticità lineare, in accordo ai modelli descritti in [4]. Per quanto riguarda l’esame del comportamento globale in termini di caratteristiche dinamiche e di risposta alle azioni variabili gravitazionali e orizzontali di origine eolica e sismica ci si è avvalsi di una specifica modellazione svolta nell’ambito dell’elasticità lineare, prescindendo dall’esame delle fasi costruttive, in ragione della loro natura istantanea. Le azioni variabili associate al vento sono state
Tra le situazioni cantieristiche che hanno richiesto appositi approfondimenti si ricorda lo studio delle modalità di puntellazione per la realizzazione parziale e anomala di sette impalcati, di cui quattro incompleti, necessaria all’avanzamento della costruzione in configurazione idonea alla installazione degli apparecchi di sollevamento delle travi di cintura in carpenteria metallica, allorché sono state definite le sequenze operative mediante analisi per fasi costruttive, ottimizzando l’impegno delle attrezzature.
Figura 13. Studio puntellazione atipica P20-P27
Figura 14. Puntoni in carpenteria metallica, ogiva
5.
CONTROLLO E MONITORAGGIO IN CORSO D’OPERA
Il monitoraggio in corso d’opera del sistema fondale e dell’organismo strutturale nel suo complesso costituisce strumento utile per la validazione delle assunzioni formulate in sede di progettazione, necessario per assicurare il rispetto delle tolleranze costruttive ivi definite e calibrare eventuali misure correttive da mettersi in atto durante l’edificazione. Il comportamento esibito dal sistema fondale e l’interazione della Torre con gli edifici circostanti, con particolare riferimento alla costruenda Linea 5 della Metropolitana, sono stati oggetto di specifici rilievi eseguiti da soggetti indipendenti. La correlabilità dei risultati ha attestato la validità delle singole misurazioni. Nello specifico, sono state condotte operazioni di monitoraggio geostrutturale e livellazioni topografiche operate nell’ambito di una rete topografica certificata da un soggetto terzo. Il monitoraggio si esplica attraverso misurazioni in continuo di tipo estensimetrico per n°7 pali strumentati, con terne poste in tre sezioni significative lungo il fusto degli stessi, che consentono di tracciare curve di trasferimento per le azioni trasmesse ai pali, attraverso misurazioni della pressione di contatto relativa alla quotaparte di azioni trasmesse direttamente al terreno, misurata con l’ausilio di n°6 celle di pressione poste ad intradosso platea, mediante controlli inclinometrici con sonde poste all’interno di n°3 pali e tramite misurazioni della variazione del livello piezometrico con riferimento a n°3 installazioni. Le livellazioni topografiche sono riferite a 20 punti posti alla base delle colonne e dei nuclei e ad altrettanti distribuiti alla
base delle strutture circostanti, oltre alle installazioni poste sul manufatto di Metropolitana. Come atteso, la ripartizione tra pali e platea delle azioni gradualmente applicate non è costante, sussistendo complesse interazioni tra pali, platea, terreno e sovrastruttura, influenzate dalla non linearità di comportamento dei materiali sciolti che connotano il sedime. Al termine della realizzazione delle opere strutturali la ripartizione delle totali azioni applicate tra pali e platea è risultata pari circa al 70% e 30%, rispettivamente, mentre il cedimento assoluto medio attualizzato della base fondale della Torre è risultato pari a 41mm a fronte di azioni applicate di intensità complessiva pari a 1200 MN, in linea con le valutazioni di previsione teorica. I cedimenti differenziali tra Torre e Piastra risultano contenuti e compatibili con le assunzioni formulate in sede di progetto. Non è stata necessaria alcuna regolazione dei dispositivi di appoggio collocati all’interfaccia tra Piastra e Torre in corrispondenza dei giunti, ove sono applicabili compensazioni verticali per limitare gli effetti delle distorsioni imposte agli impalcati di Piastra ad essi vincolati. (Azioni applicate) / (Peso Proprio del fabbricato) x 100 0
Cedimento medio [mm]
Un ulteriore caso rappresentativo delle interazioni che sussistono tra la vicende costruttive e le valutazioni di riesame da condursi in ambito progettuale, riguarda lo studio di dettaglio dello stato tensionale in relazione alle caratteristiche di tenacità degli elementi fucinati di testa dei puntoni, i quali, sono stati sottoposti ad un secondo trattamento termico, dal momento che il primo non garantiva adeguate risorse di resilienza.
10
20
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
40
50
60
70
80
90
100
110
y = 0,0021x2 + 0,2129x R² = 0,99 P=625 MN, L.20, platea=50%, pali= 50%
P=1200MN, L.50 platea=30%, pali= 70%
Misure attualizzate
Valori di previsione teorica (Metodo semi-empirico)
Figura 15. Confronto tra i cedimenti misurati e quelli calcolati Il monitoraggio strutturale ha riguardato svariati aspetti della costruzione. Sono state costantemente valutate le deviazioni di verticalità per tutti gli elementi portanti in elevazione, le quali possono significativamente influenzare l’esito delle verifiche di misura della sicurezza strutturale per le colonne, mentre influiscono solo marginalmente per i nuclei, per i quali sono più significative le problematiche afferenti agli elementi portati, anche in relazione a piccole deviazioni dai valori teorici. Ci si riferisce in particolare alle limitazioni di compatibilità geometrica che sussistono con le predisposizioni afferenti ai sistemi di casseratura auto-avanzanti e con quelle dei sistemi di facciata, oltre che alle tolleranze relative alla successiva installazione delle guide degli impianti elevatori. Sono attualmente in corso livellazioni topografiche degli abbassamenti di punti prefissati posti a differenti quote dell’edificio, che verranno continuate nell’ambito del piano di monitoraggio dell’opera, onde valutare nel tempo gli effetti di
abbassamento differenziale di origine viscosa delle colonne, oltre che il monitoraggio dello stato tensionale delle travi di cintura intermedie e di sommità ottenute attraverso misurazioni estensimetriche. Queste ultime, suscettibili di oscillazioni tensionali di origine termica e di quelle derivanti dalle azioni di vento applicate alla Torre, saranno influenzate dagli effetti di riacquisto del regime principale, generato dalle travi cintura che agiscono quali vincoli posticipati per gli elementi strutturali preesistenti alla loro messa in opera e da quelli di origine viscosa e di ritiro agenti sull’intera ossatura in calcestruzzo armato. I modelli per fasi costruttive sviluppati in sede di progetto, comprensivi degli effetti di comportamento differito dei calcestruzzi, costituiscono il necessario strumento atto a formulare il modello di previsione per l’interpretazione del comportamento strutturale. A completamento del sistema di monitoraggio saranno installate tre terne accelerometriche per due dei quattro puntoni, in maniera tale da individuare le loro effettive caratteristiche dinamiche in termini di frequenze, smorzamenti e forme modali, confrontando gli esiti con le modellazioni teoriche e con quelli della sperimentazione condotta in galleria del vento. Saranno inoltre oggetto di controllo i dispositivi di dissipazione con acquisizioni contestuali dei valori di corsa e forza trasmessa per valutare la potenza effettivamente dissipata e controllare nel tempo il funzionamento degli stessi. Infine, nell’ambito dei controlli, sono state definite specifiche procedure per l’esecuzione di prove di collaudo dinamico, che saranno eseguite in due fasi comparando la risposta strutturale in assenza di dispositivi di dissipazione ausiliaria con quella ottenuta ad edificio completato equipaggiato di smorzatori. Esse potranno poi essere replicate nell’ambito della vita della costruzione per valutarne lo stato di conservazione.
6.
CONCLUSIONI
Le complessità insite nella progettazione e nella realizzazione di un edificio a torre avente caratteristiche affini a quello oggetto della presente descrizione richiedono un approccio sinergico da parte delle professionalità ad esse dedicate. In quest’ambito persino le scelte progettuali non possono prescindere dall’essere presentate e discusse anticipatamente alla loro emanazione. Le modalità costruttive infatti, strettamente dipendenti da vincoli temporali e contrattuali, condizionano la concezione progettuale e la orientano verso soluzioni che ottimizzano le risorse disponibili. Le stesse analisi
strutturali, di fatto, devono affidabilmente replicare le effettive fasi di costruzione affinché siano prodotte valutazioni teoriche del comportamento strutturale attendibili ed utilizzabili per la valutazione delle interazioni sussistenti con gli elementi portati, con particolare riguardo ai sistemi di facciata, per effettuare i controlli di monitoraggio in corso d’opera e per esaminare speciali configurazioni transitorie non ricomprese nelle valutazioni di misura della sicurezza condotte con riferimento alle usuali convenzioni. Le tecniche di monitoraggio in corso d’opera costituiscono strumento fondamentale per la validazione di quanto progettato e costruito e per il controllo dello stato di consistenza dell’opera nel tempo.
7.
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[03]
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[04]
CEB-FIP Model Code 1990, Thomas Telford, London 1993
8.
RINGRAZIAMENTI
Gli autori e tutto lo staff ECSD Srl ringraziano i tecnici delle società Colombo Costruzioni con MPartner e Impregilo per le interessanti esperienze condivise nell’espletamento dell’incarico di Supervisione della Progettazione Strutturale ed Assistenza al Cantiere nel corso delle attività di costruzione della Torre e della relativa fondazione, nonché i professionisti della società CityLife, Committente dell’Opera.
Contatti con gli autori: Franco Mola: franco.mola@polimi.it Carlo Segato: carlo.segato@ecsd.it Georgios Stefopoulos: georgios@ecsd.it