Instabilità flesso-torsionale di elementi in vetro strutturale – metodo di verifica e contributo dei ritegni laterali

Il materiale vetro è ampiamente utilizzato per realizzazioni strutturali, sia i edifici di nuova costruzione che di intervento nell’esistente.

Tra le varie soluzioni disponibili, questo materiale può prendere forma di lastre per facciate, anche di tipo “adattivo” di nuova generazione, o elementi portanti di varia tipologia (travi, pinne, colonne, ecc.), così come pareti di taglio che si prevede possano contribuire come controventi alla ridistribuzione delle azioni sismiche, o ancora coperture, solai, passerelle. Date le caratteristiche meccaniche di base del materiale vetro (e delle componenti ad esso collegate), la progettazione strutturale deve seguire specifici criteri e prescrizioni volte a garantire adeguata robustezza, ridondanza, duttilità, durabilità e sicurezza. 

Il presente contributo, alla luce degli strumenti di calcolo forniti nelle istruzioni CNR-DT210/2013, pone in particolare l’attenzione ai problemi di stabilità dell’equilibrio di elementi in vetro strutturale, e si concentra soprattutto su elementi monodimensionali prevalentemente inflessi di uso comune in facciate e solai. A tale scopo, vengono richiamati alcuni dei temi di ricerca e risultati sviluppati presso il Dipartimento di Ingegneria e Architettura (DIA) dell’Università degli Studi di Trieste.

I materiali

È risaputo che il materiale vetro è caratterizzato da un comportamento meccanico estremamente diverso rispetto ad altri materiali da costruzione di tipo “tradizionale” e di uso più comune. Se confrontato con materiali quali l’acciaio e l’alluminio, per esempio, il vetro non può certamente offrire capacità plastiche post-rottura. Allo stesso tempo, se confrontato con materiali dal comportamento fragile come il calcestruzzo, il vetro non è in grado di garantire la propagazione di micro-fessure diffuse tali da consentire una adeguata ridistribuzione anelastica delle tensioni. A fini progettuali, il vetro è pertanto da definirsi come un materiale fragile con rottura di tipo stocastico, tale da richiedere notevoli specificità di calcolo strutturale (connessioni incluse) e grande attenzione nella concezione di dettagli e tolleranze costruttive.

Pur trattandosi di un materiale dal comportamento elastico lineare di relativamente semplice caratterizzazione meccanica (modulo elastico E= 70 GPa, coefficiente di Poisson v= 0.23, densità del materiale ρ= 2500 kg/m³), il vetro richiede inoltre una specifica attenzione per la stima della resistenza di progetto a trazione (f_g;d), essendo 

questa influenzata da molteplici fattori quali la presenza di microdifetti superficiali, i fenomeni di fatica statica, altri effetti dovuti a abrasione, serigrafia, smaltatura, etc., nonché i processi di presollecitazione . 

Nel momento in cui due o più lastre di vetro vengono solidarizzate (stratificate, o laminate) con uno o più fogli di intercalare, in genere polimerico, è altrettanto importante valutare in fase di progetto le caratteristiche meccaniche di questi ultimi, essendo fortemente sensibili a condizioni operative.

I vetri laminati presentano grande affidabilità in termini di sicurezza, in quanto l’intercalare mantiene aderenti i frammenti anche dopo la rottura del vetro, riducendo il rischio di lesioni e conferendo all’insieme una residua consistenza post-rottura. Resta tuttavia ancora molto complessa l’analisi del comportamento e la quantificazione delle caratteristiche meccaniche post-rottura. Pertanto, a fini progettuali, si è soliti trascurare in fase di calcolo (si veda SLC al capitolo successivo) il contributo residuo di rigidezza e resistenza di eventuali lastre fessurate.

Cenni ai criteri di progettazione

Da un punto di vista prettamente progettuale, nell’ambito della filosofia di progettazione agli Stati Limite, è noto come un dato elemento in vetro (o “struttura”) debba soddisfare determinate prestazioni in condizioni operative, tipicamente associate a:

– una limitata probabilità di collasso allo Stato Limite Ultimo (SLU), e

– un’adeguata capacità di assecondare le deformazioni richieste dai carichi di progetto, allo Stato Limite di Esercizio (SLE),

– è inoltre necessaria una verifica allo Stato Limite di Collasso (SLC), atta ad accertare che Lo SLC verifica che la struttura (o elemento) conservi una capacità portante residua adeguata, e che il meccanismo che detta la crisi non sia eccessivamente fragile 

Per quanto riguarda lo SLU, si considera la struttura integra e sottoposta ai valori estremi delle azioni esterne. Si dovrà prestare attenzione alle verifiche SLU per 

ottura del vetro e (2) SLU per rottura di un materiale in composizione con il vetro, nonché (3) SLU per crisi dell’interfaccia di un collegamento. La verifica SLU di cui al punto (1) si svolge controllando che, in ogni punto, la tensione sollecitante sia inferiore alla tensione resistente del vetro. La tensione sollecitante da adottare in questa verifica è quella che risulta dal calcolo applicando le combinazioni di carico più sfavorevoli. La massima tensione principale di trazione dovrà essere confrontata con la resistenza di progetto del materiale.

La verifica SLU di tipo (2) riguarda tipicamente gli intercalari e gli incollaggi di uso combinato con il vetro. Condizione minima da soddisfare è che in tutti i punti la tensione sollecitante sia inferiore alla tensione resistente del materiale stesso, facendo particolare attenzione alla combinazione degli effetti delle tensioni normali con le componenti tangenziali.

La verifica allo SLU tipo (3), infine, riguarda sia l’adesione del vetro all’intercalare, sia la superficie del vetro in diretto contatto con i sistemi di fissaggio, senza però includere la verifica del dispositivo di collegamento in sé (e in genere realizzato in altri materiali, da verificare a parte). Questa verifica si considera soddisfatta se in tutti i punti la tensione sollecitante l’interfaccia è inferiore alla tensione resistente dell’interfaccia. In ogni caso, è buona regola che la crisi dell’interfaccia (tipo (3)) si collochi a un livello gerarchico superiore alla crisi del vetro (tipo (1))

La verifica SLE considera la struttura integra e sottoposta ai valori di servizio delle azioni. In genere viene valutata la deformabilità degli elementi, che deve essere limitata così da non pregiudicare la funzionalità della costruzione (e non solo la funzionalità strutturale). Lo SLE non include in genere alcuna verifica sulle tensioni massime, nelle strutture più ricorrenti (ad esclusione delle condizioni di carico sismiche). Sarà pertanto sufficiente verificare l’ampiezza delle massime deformazioni rispetto a valori limite di riferimento (diversificati per tipologia di elemento e condizioni di vincolo).

La verifica SLC, infine, considera l’elemento vetrato in tutto o in parte frammentato. L’obiettivo dello SLC è quindi teso ad accertare che una costruzione con elementi strutturali di vetro garantisca un adeguato comportamento post-rottura a livello sia globale che locale. Ciò deriva dalla fragilità del materiale e dalla possibilità di rotture spontanee e crisi locali eventuali che potrebbero comportare collassi per carichi esterni inferiori rispetto a quanto calcolato allo SLU (su sezione integra). […]

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