LE BALAUSTRE IN VETRO

CNR DT 210/2013: “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di costruzioni con

elementi strutturali di vetro”e

UNI 7697:2014: “Criteri di sicurezza nelle applicazioni vetrarie”

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Ing. Gabriele Romagnoli – Ufficio Tecnico Faraone

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INTRODUZIONEIL VETRO

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Il vetro è un materiale intrinsecamente fragile, pertanto nonda segnali della sua imminente rottura.

Il suo comportamento sotto carico è elastico lineare fino arottura improvvisa.Non presenta fase plastica tipica dei materiali duttili comel’alluminio.

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Possibili cause di rottura del vetro:

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Gli spessori standard di produzione del vetro float sono 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19, 22 e 25mm.I vetri per edilizia possono distinguersi a seconda delle lavorazioni che possono modificare leproprietà meccaniche e di rottura del vetro.Le principali tipologie di vetro si distinguono in:

Il processo di tempra viene realizzato sulle lastre di vetro ricotto tagliate e lavorate (presenza dieventuali fori e particolari finiture dei bordi).La lastra viene riscaldata fino a circa 650° e poi raffreddata rapidamente mediante soffiaggio diaria. Questo processo avviene solitamente in orizzontale, con la lastra che scorre sui rulli delforno.

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Il processo di tempra comporta:

Compressioni sulla superficie del vetro che risultano benefiche in quanto provocano lachiusura delle microcricche da cui propagano le fratture; Aumento della resistenza meccanica a flessione e trazione e migliore comportamento neiconfronti degli sbalzi termici.

Questo stato tensionale genera un accumulo di energia elastica che viene rilasciataimprovvisamente quando il vetro viene rotto. Per questo, in caso di rottura, si formano unamoltitudine di piccoli frammenti non taglienti.

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La stratifica permette di unire tra loro due o più lastre di vetro mediantedei fogli di intercalare, in genere polimerico.

Stratificare due o più vetri è un modo intelligente per conferire duttilitàad un materiale per sua natura fragile (lo stesso principio vale per illegno lamellare).

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Differenza nel comportamento meccanico delle lastre in vetro:

SFOR

ZO

DEFORMAZIONE

VETROSTRATIFICATO

SFO

RZO

DEFORMAZIONE

VETROMONOLITICO

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Rispetto ad un vetro monolitico di pari spessore, uno stratificato ha i seguenti vantaggi:

La presenza di difetti (cricche, inclusioni di NiS,etc..) è meno probabile in spessori ridotti (leggestatistica di Weibull);

La rottura di uno o tutti i vetri non pregiudica laresistenza e stabilità dell’intera struttura (post-rottura);

A seguito della rottura i frammenti di vetro,potenzialmente pericolosi per persone e cose,vengono trattenuti dall’intercalare.

Fornisce duttilità e ridondanza alla sezione.

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Gli intercalari per la stratifica si distinguono sostanzialmente in duemacro-categorie:

Elastici (PVB, EVA)

Rigidi (SentryGlas, Saflex DG41, X-Lab)

La principale peculiarità dell’intercalare è quella di trasferire gli sforzi ditaglio tra le lastre inflesse.

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Maggiore rigidezza dell’intercalare polimerico significa maggioresolidarizzazione delle lastre.

Il coefficiente di trasferimento del taglio rappresenta la capacitàdell’intercalare di solidarizzare le lastre.ll coefficiente è utilizzato per il calcolo dello spessore equivalente delvetro stratificato ed è definito dalla formula seguente:

Questo coefficiente assume valori compresi

tra 0 e 1Modulo di taglio dell’intercalare [MPa]

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Il modulo di trasferimento del taglio “G” rappresenta la principalecaratteristica di resistenza di un intercalare per stratifica.I suoi valori di resistenza decrescono sensibilmente all’aumentare dellatemperatura e del tempo di applicazione del carico:

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30°C 60°C 10 giorni

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I casi limite sono rappresentati nelle figure seguenti:

η=0 Coefficiente di trasferimento del

taglio uguale a zero.

η=1 Coefficiente di trasferimento

del taglio uguale a uno.

E’ il caso di un PVB(Gint=0,05 MPa)

sottoposto ad alte temperature (>30°C)

E’ il caso di un SG(Gint=250 MPa)

sottoposto a basse temperature (<10°C)

Le lastre si inflettono scorrendo l’una sull’altra

Le lastre si inflettono come se fossero saldate l’una con l’altra

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vetro LE BALAUSTRE IN VETRO

GENERALITA’

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vetro

Si definisce balaustra (o parapetto) il sistema di protezioneper evitare la caduta, costituito dall’assemblaggio di diversielementi (passamano, colonna o pannelli , piantoni) realizzaticon materiali diversi, formanti una barriera ad andamentoorizzontale.

Definizione (da UNI 10809:1999):

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Le tipologie strutturali di parapetti vetrati sono sostanzialmente 3:

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La normativa:Attualmente in Italia stiamo assistendo ad una sorta di “rivoluzione” per quantoriguarda il panorama normativo sulle balaustre in vetro. Elencandole in ordinecronologico, si possono definire le seguenti normative:

Definisce le modalità di prova di spinta staticasu balaustre di qualsiasi tipo e materiale

Definisce le modalità di prova del pendolo su balaustre di qualsiasi tipo e materiale

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Definisce i requisiti geometrico-prestazionali delle balaustre.Tra i requisiti più significativi si possono elencare i seguenti:

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…requisiti geometrico-prestazionali delle balaustre…

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Definisce la modalità di prova e le caratteristiche geometrico – fisiche del pendolo rigido.

Definisce la classe di prestazione dei vetri mediante numeri e lettere.Ad esempio, affinchè un vetro stratificato appartenga alla classe di prestazione minima 1(B)1 vuol dire:

Tipologia di vetro

Classe nella quale il campione si ritiene sicuro (non pericoloso)

Classe nella quale il campione si ritiene sicuro e capace di

contenere la caduta nel vuoto

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Definisce le modalità di progettazione, i carichi da applicare e le verifiche su tutte le strutture in Italia.

Definisce le modalità di progettazione e le verifiche per gli elementi in vetro strutturale.

Definisce le classi di prestazione minime per gli elementi in vetro in accordo alla UNI EN 12600:2004

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08 DM 14/01/2008NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI

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Il DM 14/01/2008 o “norme tecniche per le costruzioni” è la legge che definisce i carichie le verifiche sulle strutture in Italia.D’altra parte tale norma non contempla, in modo particolare, strutture in vetro ealluminio, rimandando ad altri documenti di comprovata validità tra cui norme UNI eistruzioni CNR (cap.12).La norma prescrive di progettare e verificare le strutture in accordo agli stati limite:

SLU (Stato Limite Ultimo) –Condizione superata la quale avvieneil collasso e la perdita di equilibrio diuna struttura.

SLE (Stato Limite di Esercizio) -Condizione superata la qualeavvengono spostamenti e deformazionieccessive che possano limitare l’usodella costruzione.

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AZIONI SULLE COSTRUZIONILe azioni vengono classificate dal DM 14/01/2008 secondo la variazione della lorointensità nel tempo:

AZIONI PERMANENTI (G): Agiscono durante tutta la vita nominale della

costruzione.PESI PROPRI

AZIONI VARIABILI (Q): Agiscono con valori estremamente variabili nel

tempo

VENTONEVE

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CARICHI ANTROPICI SULLE STRUTTURECarichi orizzontali lineari

da applicare su corrimano oppure a pareti a quota

1,2 mN.B. Sono verifiche locali

Non essendoci una categoria specifica per i parapetti, il Consiglio Superiore dei LavoriPubblici ha interpretato le spinte sulle balaustre come quelle relative alle sole categorie C2(balconi, ballatoi e scale) e C3 (ambienti privi di ostacoli per il libero movimento delle persone).

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Pertanto i carichi da applicare sulle balaustre sono, a seconda della destinazione d’uso:

Categoria C2 - 2 kN/m;Categoria C3 - 3 kN/m.

La scelta del profilo adatto, del sistema di fissaggio e del relativo vetro risultadeterminante per garantire le prestazioni di resistenza alla spinta di unabalaustra!

Si ricorda inoltre che il DM 14/01/2008 prevede che la verifica sui parapetti possaessere soddisfatta anche per via sperimentale, evitando pertanto il calcolo analitico(paragrafo 3.1.4.1 del DM):

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Per confermare e garantire la funzionalità dell’intero sistema profilo+vetro+fissaggio, laFaraone è molto soddisfatta quando vengono richieste prove di collaudo in cantiere,soprattutto per lavori di una certa importanza…

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13 CNR-DT 210/2013 ISTRUZIONI PER LA PROGETTAZIONE, L’ESECUZIONE

ED IL CONTROLLO DI ELEMENTI STRUTTURALI IN VETRO

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DT 210/2013:E’ un documento, emanato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) ed approvatodefinitivamente il 5/12/2013. Per adesso è l’unico riferimento in Italia per quanto riguarda laprogettazione degli elementi strutturali in vetro, rappresentando un notevole aiuto ai tecnici delsettore.Il DT è, per sua natura, un documento non cogente (non è una legge ma “istruzioni”); tuttavia,essendo chiamato in causa nel cap.12 del DM14/01/2008, costituisce un “riferimento dicomprovata validità”:

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Il DT 210/2013 è un documento corposo (conta oltre 350 pagine) e complesso,sicuramente di non facile lettura data la specificità degli argomenti trattati.

In estrema sintesi, il DT210/2013 introduce e approfondisce i seguenti concetti:

1 - GERARCHIA DELLE STRUTTURE IN VETRO

2 - ROBUSTEZZA E RIDONDANZA STRUTTURALE

3 - STATO LIMITE DI COLLASSO (POST ROTTURA)

4 - RESISTENZA DELLE STRUTTURE IN VETRO

5 - DEFORMABILITA’ LIMITE DELLE STRUTTURE IN VETRO

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1 GERARCHIA STRUTTURALEIl DT210 considera delle classi di conseguenza a seguito del collasso di un elemento strutturalein vetro in termini economici, sociali, ambientali e perdita di vite umane; a secondadell’importanza dell’elemento stesso.Le classi di conseguenza sono 4, in ordine crescente di intensità:

CLASSE DICONSEGUENZA

RISCHIOCONNESSO AL

COLLASSO

DESTINAZIONED’USO COMUNE TIPOLOGIA STRUTTURALE

CC0 Molto limitato Elementi non strutturali N.D.

CC1 Limitato Presenza occasionale di persone Facciate verticali continue e puntuali

CC2 Medio Edifici residenziali e uffici

Coperture, pinne, solai, travi portanti, parapetti con pericolo di caduta

CC3 Alto Edifici pubblici, palchi,tribune Pilastri in vetro

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Per le applicazioni più comuni, il DT210 riporta una tabella con la classificazione degli elementistrutturali in vetro, in base alle conseguenze:

r

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La classificazione di un elemento strutturale influisce principalmente sullaassegnazione della resistenza del vetro.

Come si evince dalla tabella, i parapetti con pericolo di caduta nel vuoto appartengonoalla classe 2 nella verifica pre-rottura ed alla classe 1 nella verifica post-rottura.

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2 ROBUSTEZZA E RIDONDANZA STRUTTURALESecondo il DT210, la robustezza strutturale è la capacità di un elemento, o di una partestrutturale, di evitare danni sproporzionati come conseguenza di una causa che abbia provocatoun danno limitato.La robustezza può essere ottenuta:

- Evitando o riducendo i rischi ai qualila struttura può essere soggetta;

- Progettando un sistema che possasopportare in sicurezza la rotturaaccidentale di un elemento strutturaleo il verificarsi di un danno localizzato.

Per progettare strutture in vetro robuste siapplicano i principi della ridondanza, cherappresenta un requisito fondamentale,data la natura fragile del materiale vetro.

Strutture “più robuste”:

Strutture “meno robuste”:

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Secondo il DT210, la ridondanza strutturale è la capacità della struttura di ridistribuire al suointerno lo stato di sforzo, in modo tale che il collasso di una sua parte non provochi il collassodell’intera struttura.La ridondanza può essere ottenuta a due livelli:1 – RIDONDANZA DI SEZIONE: l’elementostrutturale mantiene una residua capacità resistenteanche a seguito della rottura di una sua parte.L’uso del vetro stratificato nelle strutture rappresentauna valida applicazione della ridondanza di sezione.

2 – RIDONDANZA DI SISTEMA: trasferimento deicarichi con meccanismi alternativi anche a seguitodella rottura di una sua parte.L’inserimento del corrimano nelle balaustre in vetrorappresenta una valida applicazione della ridondanzadi sistema.

…ridondanza…

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3 STATO LIMITE DI COLLASSO (POST ROTTURA)Lo stato limite di collasso (SLC) è una importantenovità introdotta dal DT210 e rappresenta unacondizione decisamente sfavorevole per le strutture invetro, dovendo verificare lo stratificato anche inpresenza di una lastra rotta con un tempo diritorno di 10 anni.

Per il documento CNR è sempre necessarioassumere che vi possa essere la rottura prematura diun vetro, ad esempio per un difetto interno.

Il comportamento “post rottura” dipende principalmente:

• dal tipo di vetro utilizzato (ricotto, indurito, temprato);• dallo schema di vincolo (incastro alla base, appoggio su due lati, vincoli puntuali, etc..)• dalla eventuale associazione con altri materiali (intercalari per stratifica).

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Una lastra inflessa di vetro stratificato, caricata in modo progressivo, presenta tre fasi:

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Indicazioni del CNR-DT210 sulla composizione dei vetri stratificati per garantire la capacitàpost-rottura di una lastra:

Secondo l’esperienza Faraone i vetri ricotti e i vetri induriti da un lato garantiscono la stabilitadella balaustra con entrambi i vetri rotti, dall’altro non danno altrettanta sicurezza per provedi spinta e d’urto secondo le normative vigenti in Italia, rispetto ai vetri temprati (a parità dispessore).

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Indicazioni del CNR-DT210 sulla tipologia di vincolo per garantire la capacità post-rottura diuna lastra:

Da notare che, tra le tipologie di vincolo, non viene menzionato l’incastro alla base tipicodelle balaustre tutto vetro.

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Indicazioni del CNR-DT210 sulla composizione dei vetri per parapetti e barriere

Secondo le prove sperimentali e l’esperienza Faraone, i vetri di unabalaustra possono essere così composti:

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Secondo il CNR-DT210, per soddisfare lo stato limite di collasso nei parapetti ci sono duepossibilità:

• Costi elevati dei parapetti;• Maggiore difficoltà di posa a causa del peso.UTILIZZARE 3 LASTRE DI VETRO

Nel Faraone Lab abbiamo verificato che anche con il classico “doppio temprato”,utilizzando intercalari rigidi (SentryGlas, XLab) e rompendo una lastra, si raggiungonoresistenze alla spinta superiori ai 400 kg/m!

Prova di spinta a tre cicli di carico su:

vetro 10(T)+1,52 SG+10(T)con una lastra rotta.

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Secondo il CNR-DT210, per soddisfare lo stato limite di collasso nei parapetti ci sono duepossibilità:

UTILIZZARE UN CORRIMANOSUFFICIENTEMENTE RIGIDO

• Mancanza della totale trasparenza delparapetto.

Nel Faraone Lab abbiamo verificato che ilcorrimano permette il trasferimento deicarichi lineari alle lastre integre adiacenti,garantendo la “ridondanza di sistema” edottenendo il soddisfacimento della verificaallo stato limite di collasso (SLC).

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4 RESISTENZA DEL VETRO

Il DT-210 definisce la resistenza di progetto a trazione del vetro come la somma di duecontributi, mediante una formula che tiene conto delle diverse variabili che entrano in gioco:

La resistenza del vetro, poichè determinata dalla forte sensibilità alla presenza di microdifettisuperficiali, dipende da molti fattori.

Contributo vetro float Contributo trattamenti termiciDurata carico

Finitura del bordo edistanza fori dal bordo

Profilo superficialedel vetro

Dimensioni lastra Resistenza vetro floatResistenza vetrotemprato (o indurito)

Processo di tempraCoefficienti di sicurezzadipendenti dalla CC

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5 DEFORMABILITA’ LIMITE DELLE STRUTTURE IN VETROAl capitolo 7 del CNR-DT210 vengono riportate le limitazioni di deformabilità delle strutture invetro (facciate, vetri a fissaggio puntuale, vetri calpestabili e balaustre in vetro):

Per quanto riguarda i parapetti, i limiti di deformabilità sono compresi tra 20mm (altezza parapetto 1 m) e 25 mm (altezza parapetto maggiore ugualea 1,25 m).

≤22 mm

1100

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Negli esempi di calcolo il CNR considera il pannello di vetro perfettamente incastrato alla basesenza tenere conto del profilo di alluminio.Quindi le inflessioni calcolate analiticamente sono minori di quelle che si avrebbero nella realtàperchè non tengono in considerazione l’apertura del profilo d’alluminio ed i “giochi” dovuti aifissaggi ed eventuali registri.

Tali verifiche di deformabilità sono molto restrittive, imponendo dei limiti che nella realtà vengono sempre superati (con carichi al metro maggiori o uguali a 200 kg/m):

CICLO 1 Fase carico FORZA [kN/m] 1 kN/m 2 kN/m 3 kN/m Comp. 1 [mm] 34 65 110 Comp. 2 [mm] 35 74 113

Media [mm] 34,5 69,5 111,5

Maggiore del 215 %rispetto al limite CNR

NINFA 3 VETRO

10(T)+10(I)+0,8 EVA

Maggiore del 406 % rispetto al limite CNR

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Nel Faraone Lab abbiamo verificato che per stare all’interno dei limiti di deformabilitàdel DT-210 bisogna utilizzare un pannello composto da tre lastre da 10 mm con unprofilo di incastro rigido (Ninfa 3.3), che annulli ogni possibilità di assestamento delvetro all’incastro.

CICLO 1 Fase carico FORZA [kN/m] 1 kN/m 2 kN/m 3,2 kN/m Comp. 1 [mm] 5 11 14 Comp. 2 [mm] 4 10 21

Media [mm] 4,5 10,5 17,5

Minore dei 22 mm imposti dal DT-210

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UNI 7

697:

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CRITERI DI SICUREZZA NELLE APPLICAZIONI VETRARIE

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Le novità introdotte dal documento UNI riguardano principalmente la scelta dellatipologia di vetro da impiegare a seconda della prestazione minima richiesta.

Nella norma sono presenti due prospetti, vincolanti per la scelta dei vetri nelle varieapplicazioni:

PROSPETTO 1: Applicazioni “usuali”, valide in generale.

PROSPETTO 2: Applicazioni specifiche in ambienti di altoaffollamento (scuole, edifici adibiti ad attività sportive, ospedali,etc..)

Solo al prospetto 1 si parla di parapetti e balaustre in vetro!

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Riguardo i parapetti vetrati, al prospetto 1 vengono riportate le seguenti prestazioniminime del vetro:

La balaustra deve essere progettataper far fronte ai seguenti carichi:

6.1 – Carichi dinamici: climatici,vento, folla, traffico pedonale, etc..;

6.7 – Urti dovuti all’impatto di unapersona (secondo UNI EN 12600).

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UNI 7

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Ai fini della sicurezza, devonoessere considerati i rischi seguenti:

7.2 – Caduta nel vuoto da unaaltezza > 1 metro.

…rischi da considerare…

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Il parapetto deve essere progettato per una classe di prestazione minima 1B1 che non è riferitaalle sole caratteristiche del vetro ma all’intero sistema vetro+balaustra+ancoraggio, comeenunciato al paragrafo 9.3 della stessa UNI 7697:2014:

…classe di prestazione minima…

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1B1?Come visto precedentemente, la prestazione minima 1B1 è definita nella norma UNI EN12600:2004. Il pendolo per la prova ha una massa di 50 kg ed è costituito da due pneumatici inpressione che impattano al centro della balaustra in vetro.

L’altezza del pendolo rispetto al punto di impatto è di 1200 mm, in questa configurazione l’energiae la velocità di impatto del corpo sono, rispettivamente:

Energia=600 Joule Velocità=17,5 km/h

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..un paio di esempi..Ninfa 3 vetro 10(T) + 1,52 PVB + 10(T) Ninfa 190 vetro 8(T) + 1,52 PVB + 8(T)

Altezza caduta: 1200 mmPunto di impatto: corrimano

Energia: 600 J

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Facendo un paragone in termini “umani” è come se una persona di 86 kg si schiantasse contro ilparapetto ad una velocità di 13,5 km/h.Per raggiungere una tale velocità, l’attuale velocista record del mondo sui 100 metri H.Bolt (chepesa esattamente 86 kg) avrebbe bisogno di uno spazio di 3,5 metri, partendo da fermo.

3,5 m

600 J !

Quindi risulta chiaro che l’impatto secondo UNI 12600 è molto violento, soprattutto se siconsiderano balaustre installate in spazi angusti come rampe di scale, ballatoi e balconi di edificiresidenziali dove difficilmente si trovano percorsi liberi da ostacoli per 3,5 metri!

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…post rottura…

Rispetto alla vecchia versione, questa nuova UNI introduce un nuovo requisito per le balaustredenominato “PR” (post-rottura).Ciò implica che i vetri impiegati per realizzare i parapetti non devono collassareimmediatamente nel caso in cui tutte le lastre risultino rotte.Si tratta di garantire un adeguato comportamento “post-rottura” mediante la scelta accorta di vetriricotti, induriti, temprati combinati e vincolati opportunamente prevedendo l’impiego di intercalaripolimerici adatti (di seguito si riporta la nota 4 al prospetto 1 della UNI 7697:2014).

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…nota 4 del prospetto 1 della UNI 7696:2014…

Pertanto non è più ammesso l’utilizzo di vetri tempratistratificati con il classico PVB o EVA, ma nel “pacchetto”dovrebbe esserci almeno:• un vetro ricotto;• un vetro indurito;• un intercalare rigido (SentryGlas o similare)

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UNI 7

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L’utilizzo del corrimano può essere una valida alternativa per il soddisfacimento del requisito “PR” post rottura:

Il corrimano evita il collasso immediato della lastra in caso dirottura di tutti i vetri (verifica nel Faraone Lab):

SISTEMA NINFA 3. Prova a rottura post-critica su 3 pannelli composti da lastre 8 mm(temprato)+0,8 mm EVA +8 mm (indurito). Ilpannello sinistro e centrale sono stati rotti aseguito della prova di spinta. Grazie allapresenza del corrimano, il pannello integro adestra sostiene il peso degli altri due,evitandone il collasso.

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Conclusioni• Secondo il DM14/01/2008 un parapetto può essere verificato/certificato anche per viasperimentale tenendo conto del sistema di vincolo e fissaggio nelle reali condizioni diinstallazione. I carichi sono, a seconda della categoria, o 2 kN/m o 3 kN/m;

• Secondo il CNR DT-210 un parapetto in vetro va verificato, oltre che allo SLU e alloSLE, anche allo SLC prevedendo la rottura prematura di un vetro;

• Secondo la UNI 7697 bisogna garantire il requisito minimo 1B1 per i parapetti in vetrocon rischio di caduta, inoltre in caso di rottura di entrambi i vetri il pannello non devecollassare immediatamente (requisito “PR”);

• L’utilizzo del corrimano è un valido compromesso per garantire i requisiti post rotturaimposti sia dal CNR DT-210 che dalla UNI 7697.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Ing. Gabriele Romagnoliromagnoli@faraone.it

6110/03/2015