Seminario vetro 1 STAMPApeople.dicea.unifi.it/emanuele.cagnacci/LN_vetro_1.pdfIL VETRO STRUTTURALE...

Emanuele Cagnacci

IL VETRO STRUTTURALELEZIONE 1

Corso di Progetto e Riabilitazione Strutturale IProf. Maurizio Orlando

aa 2010/11

Emanuele CagnacciIL VETRO STRUTTURALE

http://www.dicea.unifi.it/emanuele.cagnacci 2

INTRODUZIONE



Foyer centro fieristico, Brescia, Italia, 2006Studio di architettura Armellini

Vetrostrutturale S.r.l

ESEMPI DI REALIZZAZIONI



Museo del vetro, Kingswinford, UK, 1994 Design Antenna and Dewhust Macfarlane & Part.

Museo d’arte, Stoccarda, Germania, 2004Hascher Jehle Architektur e

Werner Sobek




Passerella, Rotterdam,Olanda, 1994Kraaijvanger Urbis,Rob Nijsse e ABT Velp




Copertura del castello di JuvalAlto Adige, Italia, 1997Robert Danz




Museo storicoAmburgo, Germania, 1990Von Gerkan, Marg und Partner, Jörg Schlaich (strutture)




Apple Store, New York, USA, 2006, Peter Bohlin & al., EckerslyO'Callahan , Tim Mac Farlane (consulente).



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PUNTI DI FORZA DEL VETRO

� TRASPARENZA

� OTTIMA STABILITÀ CHIMICA → DURABILITÀ

� BUONA STABILITÀ TERMICA

� OTTIMA STABILITÀ MECCANICA (ASSENZA DI VISCOSITÀ)

� ISOLAMENTO TERMICO

� ISOLAMENTO ELETTRICO

� BUONA RESISTENZA MECCANICA



PROBLEMI

PERCHÉ IL VETRO NON È UN “BUON” MATERIALE STRUTTURALE?

� FRAGILITÀ

� MODESTA RESISTENZA A TRAZIONE IN PARAGONE ALLA RESISTENZA A COMPRESSIONE

� SCARSA RESISTENZA AGLI INCENDI



IL VETRO



COMPOSIZIONE CHIMICA

Migliora la resistenza agli sbalzi termici0 ÷12 %B2O3

Aumenta la stabilità chimica0 ÷3 %Al2O3

Aumenta la stabilità chimica0 ÷6 %MgO

Stabilizzante antisolvente. Abbassa il punto di fusione

5 ÷ 12 %CaO

Modificatore di reticolo.0 ÷ 1 %K2O

Abbassa il punto di fusione12 ÷ 16 %NaO2

Costituente di base69 ÷ 47 %SiO2

Principale funzionePercentuale in pesoComponente



STRUTTURA CHIMICA

Struttura della silice pura (sinistra) e del vetro comune (destra)



DIFFERENZA TRA MATERIALI VETROSI E CRISTALLINI

Diagramma di stato della silice



CARATTERISTICHE FISICHE E MECCANICHE

Prova di trazione

acciaio

vetro

�COMPORTAMENTO ELASTICO LINEARE

�ASSENZA DI SNERVAMENTO

�ASSENZA DI FENOMENI PLASTICI E VISCOSI

Caratteristica Valori tipici

Densità 2.500 kg/m3

Resistenza a trazione 20 ÷ 200 N/mm2

Resistenza a compressione

221 ÷ 1.000 N/mm2

Tenacità alla frattura 0.75 Mpa·m½

Modulo elastico 70.000 N/mm2

Coeff. di Poisson 0.22

Durezza 6 MoH

Coeff. di dilatazione termica

9x10-6 K-1



CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE

0,23380Muratura in blocchi di calcestruzzo e argilla espansa con pannelli in polistirene

0,360,8Lastre traslucide con camera in aerogel

0,86,2Vetri con camera sotto vuoto

0,642Triplo vetrocamera con argon e depositi basso emissivi

1,123Vetrocamera con argon e deposito basso emissivo

2,920Vetrocamera comune

5,84Singolo vetro

Coeff. trasmissione termica (Wm2K-1)

Spessore (mm)Tipo di vetro/parete



CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE

� BASSA INERZIA TERMICA DELLE PARETI VETRATE

� EFFETTO SERRA



COMPORTAMENTO MECCANICO



IL VETRO È UN MATERIALE FRAGILE

�SENSIBILITÀ ALLA CONCENTRAZIONE DELLE TENSIONI (ASSENZA DI ADATTAMENTO PLASTICO)

�SENSIBILITÀ ALLA PRESENZA DI DIFETTI (BASSA TENACITA’)

ALTRI COMPORTAMENTI LEGATI ALLA FRAGILITA’

� SENSIBILITÀ ALLE DIMENSIONI DEL CAMPIONE

� SENSIBILITÀ ALLA DURATA DEI CARICHI (“FATICA STATICA”)

COMPORTAMENTO MECCANICO



PROBLEMA DI INGLIS – APPROCCIO CLASSICO

CONCENTRAZIONE DELLE TENSIONI ALL’APICE DI UNA LESIONE

CONDIZIONE DI PROPAGAZIONE DELLA LESIONE

aba

m2

021 =

+= ρ

ρσσ ;

Rm σσ ≥

Foro ellittico in una lastra indefinita



PROBLEMA DI INGLIS – APPROCCIO CLASSICO

SE

CONDIZIONE DI PROPAGAZIONE DELLA LESIONE

IL MATERIALE NON PUÒ RESISTERE A SFORZI DI TRAZIONE!

∞→⇒→ mσρ 0

Rm σσ ≥

Lesione acuminata in una lastra indefinita



APPROCCIO ENERGETICO DI GRIFFITHPER FAR AVANZARE UNA LESIONE SI DEVONO CREARE SUPERFICI LIBERE. QUESTO RICHIEDE ENERGIA: LA FESSURA PUÒ PROPAGARSI SOLO SE È DISPONIBILE SUFFICIENTE ENERGIA.

Et: ENERGIA TOTALE

Π: ENERGIA POTENZIALE ELASTICA

Ws: LAVORO NECESSARIO PER CREARE DUE NUOVE SUPERFICI

A: AREA DELLA SUPERFICIE DELLA FRATTURA

0=+Π

=dA

dW

dA

d

dA

dE st



SOLLECITAZIONI ALL’APICE DI UNA LESIONE

Possibili modi di sollecitazione di una frattura: I a trazione; II a taglio longitudinale e III a taglio trasversale (o torsione)



CAMPO TENSIONALE ALL’APICE DI UNA LESIONE ACUMINATA (WILLIAMS)

Sistema di riferimento e andamento delle tensioni all’apice di una lesione



CAMPO TENSIONALE ALL’APICE DI UNA LESIONE ACUMINATA (WILLIAMS)

r

KIyyxx

πσσ

2

==

NEL CASO DEL PROBLEMA DI INGLIS

aKI πσ0

=

CRITERIO DI VERIFICA

NEL CASO GENERALE

aYKI πσ0

=

( )YaaY

KKK R

IcIcI ,σ

πσ =<⇒<0 KIc = “TENACITÀ ALLA FRATTURA”



DUE CASI NOTEVOLI

Y = 1,12 Y = 0,713



VARIAZIONE DELLA RESISTENZA

Andamento della tensione resistente in funzione della profondità a della lesione. Valori calcolati con KIc = 0,75 N/mm2·m½ e Y = 1,12.



SPECCHIO DI FRATTURA



� LA RESISTENZA DEL VETRO DIPENDE DALLE LESIONI PRESENTI SULLA SUPERFICIE

FATTORI CHE INFLUENZANO LA RESISTENZA

� GEOMETRIA DEL CAMPIONE DI VETRO (DIMENSIONI, SPESSORI, ETC.)

� GEOMETRIA DELLA LESIONE (PROFONDITÀ, FORMA, ETC.)

� ORIENTAMENTO DELLA LESIONE RISPETTO ALLA TENSIONE SOLLECITANTE

� DISTRIBUZIONE DELLA TENSIONE SOLLECITANTE (UNIFORME, VARIABILE LINEARMENTE, ETC)

RIASSUNTO



“UNA CATENA SI SPEZZA QUANDO UN QUALUNQUE SINGOLO ANELLO SI SPEZZA”

NEL VETRO LA RESISTENZA È DETERMINATA DALLA LESIONE CHE PRESENTA UN COEFFICIENTE DI INTENSIFICAZIONE DEGLI SFORZI MAGGIORE, INDIPENDENTEMENTE DALLA PRESENZA DI ALTRE LESIONI.

IL POSTULATO DI WEIBULL



PROVE DI RESISTENZA

Dispositivo di prova per la prova con doppio anello UNI EN 1288-2. 1) campione di vetro; 2) piastra di base; 3) profilo anulare di gomma; 4) anello di carico; 5) dispositivo di trasmissione della forza di carico; 6) guarnizione anulare in gomma; 7) morsetti di contrasto; 8) cerchio di contatto dell’anello di carico; 9) cerchio di contatto dell’anello di supporto; F) forza di carico; p) pressione per regolare l’andamento delle tensioni.

I raggi degli anelli di carico e contrasto sono: r1 = 300mm; r2 = 400mm. La dimensione del campione è L = 1.000mm.



PROVE DI RESISTENZA

Andamento delle tensioni tangenziali σT e radiali σrad nella prova con doppio anello: F, carico di prova; h, spessore del provino. Regolando la pressione del gas p è possibile ottenere, all’interno dell’anello di carico, una tensione di trazione uniforme.



DISTRIBUZIONE DI WEIBULL

( )

β

θ

σ

σ

−

−= 0

0

01

A

AfR

eP AR

,,

,

TIPICAMENTE I PARAMETRI ASSUMONO I SEGUENTI VALORI

θA0 = 32

β = 25

Rappresentazione delle tensioni di rottura di provini di vetro su una carta di Weibull(scala bi-logaritmica)



DISTRIBUZIONE DI WEIBULL - CONSEGUENZE

� LA RESISTENZA DIMINUISCE ALL’AUMENTARE DELLE DIMENSIONI DELLA LASTRA.

β

σ

σ1

1

0

0

1

=

=A

A

tPAR

AR

R cos,

,

Andamento della tensione resistente in funzione del rapporto tra area del campione A1ed A0 = 2400 cm2, area della superficie caricata nella prova del doppio anello. Il grafico ètracciato ponendo σR = 45 N/mm2

e β = 25



DISTRIBUZIONE DI WEIBULL - CONSEGUENZE

� NEL CASO DI DISTRIBUZIONI DI TENSIONI NON UNIFORME SI DEVE FARE RIFERIMENTO AD UNA TENSIONE EQUIVALENTE DETTA “TENSIONE EFFICACE”

( )β

βσσ

1

1

= ∫ dydxyx

AA

maxeff ,



FATICA STATICAIL VETRO È SOGGETTO AD UNA DIMINUZIONE DELLA TENSIONE RESISTENTE SE SOTTOPOSTO A CARICHI COSTANTI DI LUNGA DURATA

n

Ic

I

K

Kv

dt

da

=

0



FATICA STATICA

I PARAMETRI DIPENDONO DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI

n

Ic

I

K

Kv

dt

da

=

0

1630,00Valori consigliati per vetri immersi in acqua

166,00Valori consigliati in condizioni normali

704,50×10-4Vuoto - temperatura 25 °C

168,22Neve in fusione (temperatura 0 °C)

270,37Umidità relativa 10% - temperatura 25 °C



nv0 (m/s)Condizione



FATICA STATICA – FENOMENO FISICO

Meccanismo di dissoluzione della silice ad opera dell’acqua



FATICA STATICA – INTEGRALE DI RISCHIO (BROWN)

È POSSIBILE VALUTARE IL TEMPO DI VITA DI UN CAMPIONE. NEL CASO DI TENSIONE COSTANTE SI HA:

( )( ) ( ) ( )

taYKvn

dttn

i

nnIc

t nfcos

/=

−=

−−∫22

0

00

2

2

πσ

( ) ( ) ( ) 22

002

2

/−−−=

ni

nnnIc

f

aYKvnt

πσ



FATICA STATICA – TENSIONE STATICA EQUIVALENTE

ALLORA UNA QUALUNQUE STORIA DI CARICO PUÒ ESSERE RICONDOTTA AD UNA TENSIONE STATICA CHE PORTA A ROTTURA IL CAMPIONE DOPO LO STESSO PERIODO. TALE TENSIONE ÈDETTA “TENSIONE STATICA EQUIVALENTE”

( )( ) ( )( ) dttdttff t nt n∫∫ =

21

02

01

σσ

ESSENDO L’INTEGRALE DI BROWN UNA COSTANTE VALE LA SEGUENTE RELAZIONE

( )n

T nt dtt

t

/1

00

1

0

= ∫ σσ



FATICA STATICA – FATTORE CORRETTIVO PER LA DURATA DEI CARICHI kmod

I RAGIONAMENTI PRECEDENTI POSSONO ESSERE ESTESI AD UNA PROVA DI CARICO. ALLORA È POSSIBILE CONFRONTARE LA TENSIONE STATICA EQUIVALENTE RESISTENTE CON QUELLA SOLLECITANTE TRAMITE L’INTEGRALE DI BROWN

nEf

ntRR ttR

σσ =,

DA CUI

( ) Efmod

E

n

R

ftR

tkt

tR

σσσ1

1

=

=,



FATICA STATICA – DEFINIZIONE DI UN CRITERIO DI VERIFICA

È POSSIBILE DEFINIRE UN CRITERIO DI VERIFICA CHE TENGA CONTO DEGLI EFFETTI DELLA FATICA STATICA NEL MODO SEGUENTE

( ) EtREmod Rtk σσ ≥⋅ ,

n

R

Emod

t

tk

1−

=



TIPI DI VETRO PER IMPIEGHI STRUTTURALI



IL PROCESSO FLOAT

ALASTAIR PILKINGTON 1952

Impianto per la produzione di vetro float



IL PROCESSO FLOAT

Bagno float “Top” di regolazione per lo spessore

GLI SPESSORI COMMERCIALI VARIANO TRA 2 E 25mm



LA TEMPERA TERMICAPROCESSO OTTENUTO TRAMITE IL RISCALDAMENTO DEL VETRO SEGUITO DA UN REPENTINO RAFFREDDAMENTO.

� VETRI TEMPERATI DI SICUREZZA

� VETRI INDURITI TERMICAMENTELA DIFFERENZA CONSISTE NEL DIFFERENTE VALORE DI TENSIONE RESIDUA

Impianto per la tempera termica del vetro



LA TEMPERA CHIMICAPROCESSO OTTENUTO SCAMBI IONICI SULLA SUPERFICIE DEL VETRO.

� VETRI INDURITI CHIMICAMENTE

Processo di tempera chimica



LA TEMPERA - PROFILO DELLE TENSIONIIL PROFILO DELLE TENSIONI ATTRAVERSO LO SPESSORE VARIA A SECONDA DEL TIPO DI TEMPERA EFFETTUATA. LE AUTOTENSIONI PRODOTTE DAL PROCESSO CHIMICO SONO MOLTO PIÙ ELEVATE MA INTERESSANO SPESSORI MOLTO MINORI

Profilo delle tensioni per tempera termica e chimica



LA TEMPERA - EFFETTI SULLA RESISTENZA

LA TEMPERA MODIFICA ANCHE IL COMPORTAMENTO POST ROTTURA

Esempio di rottura di un vetro non temperato e temperato di sicurezza

vIc

RaY

Kσ

πσ +=



LA TEMPERA - VANTAGGI E SVANTAGGI

� MAGGIORE RESISTENZA MECCANICA

� MAGGIORE RESISTENZA AGLI URTI ED AGLI SHOCK TERMICI

� MINOR INFLUENZA DELLA FATICA STATICA (TEMPERA TERMICA)

� SCARSA RESISTENZA POST ROTTURA

� POSSIBILI ROTTURE SPONTANEE (INCLUSIONI DI NiS)

� POSSIBILI FENOMENI DI AUTO-FATICA (TEMPERA CHIMICA)

� DIFFICOLTÀ CON PICCOLI SPESSORI E VETRI CURVI



VETRI STRATIFICATI



VETRI STRATIFICATI

� MAGGIORE SICUREZZA IN CASO DI ROTTURA

� MAGGIORE PROTEZIONE CONTRO ATTI VANDALICI

� CONTROLLO SOLARE E RAGGI U.V.

� PROTEZIONE DAL RUMORE

� POSSIBILITÀ DI DECORAZIONE

� PROTEZIONE DAGLI AGENTI ATMOSFERICI IN CASO DI ROTTURA

� NUOVE TECNOLOGIE (COLD-BENDING)



VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO MECCANICO PRE E POST ROTTURA



VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO MECCANICO PRE ROTTURA

Andamento delle tensioni in un vetro stratificato



VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO MECCANICO PRE ROTTURA

MONOLITICO

A STRATIINDIPENDENTI

TENSIONI

2 X 4 X

SPOSTAMENTI



VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO MECCANICO POST ROTTURA

Comportamento post rottura di un vetro stratificato temperato e non



CONCLUSIONI



FATTORI CHE INFLUENZANO LA RESISTENZA

� PRESENZA DI LESIONI E SCALFITTURE (ANCHE NON VISIBILI)

� NATURA E DURATA DEI CARICHI

� CONDIZIONI AMBIENTALI

� CONTRASTI TERMICI

� EFFETTI DELLE LAVORAZIONI DI TEMPERA

� PRESENZA DI STRATI INTERCALARI (VETRI STRATIFICATI)

� EFFETTI DI ALTRE LAVORAZIONI (SMALTATURA, BORDI, ETC.)



DIFFICOLTÀ PER IMPIEGHI STRUTTURALI

� FRAGILITÀ

� SCARSA RESISTENZA A TRAZIONE

� SENSIBILITÀ ALLA CONCENTRAZIONE DELLE TENSIONI

� SENSIBILITÀ ALLA PRESENZA DI DIFETTI

� DIFFICOLTÀ DI INTERFACCIARSI CON ALTRI MATERIALI

� …



BIBLIOGRAFIA 1/3• IL VETRO – CARATTERISTICHE DEL MATERIALE ED IMPIEGHI STRUTTURALI

– E. Cagnacci & al., “Il vetro come materiale strutturale”, Ed. Polistampa, 2010.– C. Schittich & al., “Atlante del vetro” in “Grandi atlanti di architettura”, Ed. UTET

Scienze Tecniche, 1999.– C. Schittich & al., “Glass Construction Manual”, Ed. Birkhäuser Architecture, 20032,

(versione aggiornata di b).– P. Rice e H. Dutton, “Il vetro strutturale” in “Architettura tematica”, Ed. Tecniche

Nuove, 1991.– E. Re, “Trasparenza al limite. Tecniche e linguaggi per un'architettura del vetro

strutturale” in “I materiali dell'architettura”, Ed. Alinea, 1997.– St. Gobain “Manuale del vetro”, Ed. St. Gobain, 2007 (disponibile on-line:

http://it.saint-gobain-glass.com)

• PER APPROFONDIRE– M. Haldimann &al. “Structural use of glass”, Ed. IABSE-AIPC-IVBH, 2008– AA. VV., “Structural use of glass” Ed. The Institution of Structural Engineers (ISE),

1999.



BIBLIOGRAFIA 2/3• SCIENZA DEI MATERIALI - MECCANICA DELLA FRATTURA

– J. C. Anderson & al. “Scienza dei materiali”, Ed. Sansoni, 1980– T. L. Anderson, “Fracture Mechanics. Fundamentals and applications” Ed. CRC

Press, 1995.– G. Alpa e A. Carpinteri, “Meccanica dei materiali e della frattura”, Ed. Pitagora, 1992.

• TESI DI LAUREA (consultabili in biblioteca di Ingegneria)– L. Lani, “Il vetro strutturale ed il suo impiego in attraversamenti pedonali: proposta per

una passerella pedonale a Firenze”, 2001.– E. Cagnacci, “Manufatti innovativi in vetro strutturale impegnati a flessione. Studio di

applicabilità per una passerella pedonale”, 2004.– A. Bati, “Manufatti innovativi in vetro strutturale: progetto applicativo ad una

passerella pedonale”, 2006.– M. L.Pecora, “Elementi portanti in vetro strutturale rinforzati con barre in FRP:

proposta di progetto per la facciata della banca del valdarno”, 2008.– S. Miceli, “Progetto architettonico e strutturale dell'ex area Petrelli-Chelazzi a

Compiobbi (FI)”, 2009



BIBLIOGRAFIA 3/3

• TESI DI LAUREA (CONTINUA)– B. Laganà, “Travi di vetro rinforzate con FRP: indagine sperimentale ed applicazione

progettuale”, 2010.– R. Foconi, “Elementi di vetro stratificato: analisi del comportamento strutturale ed

applicazione al progetto di una facciata”, 2010.– G. Ermini e F. Mini, “Progettazione integrata di un centro culturale per il restauro a

Chianciano Terme”, 2011.

• RISORSE IN RETE– GlassFiles.com, http://www.glassfiles.com.– GlassOnWeb, http://www.glassonweb.com.– Vetrostrutturale, www.vetrostrutturale.it/ (ditta specializzata in strutture di vetro).– Sadev, http://www.sadev.fr (rotule, sistemi per facciate).– Logli, http://www.loglimassimo.it (rotule, sistemi per facciate).– Metra, http://www.metra.it/ (profilati in alluminio).

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