IL VETRO STRUTTURALE

Emanuele Cagnacci
IL VETRO STRUTTURALE
LEZIONE 1
Corso di Progetto e Riabilitazione Strutturale I
Prof. Maurizio Orlando
aa 2010/11
IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
INTRODUZIONE
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IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Foyer centro fieristico, Brescia, Italia, 2006
Studio di architettura Armellini
Vetrostrutturale S.r.l
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IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Museo d’arte, Stoccarda, Germania, 2004
Hascher Jehle Architektur e
Werner Sobek
Museo del vetro, Kingswinford, UK,
1994 Design Antenna and
Dewhust Macfarlane & Part.
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4
IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Passerella, Rotterdam,
Olanda, 1994
Kraaijvanger Urbis,
Rob Nijsse e ABT Velp
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5
Emanuele Cagnacci
IL VETRO STRUTTURALE
ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Copertura del castello di Juval
Alto Adige, Italia, 1997
Robert Danz
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6
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ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Museo storico
Amburgo, Germania, 1990
Von Gerkan, Marg und Partner,
Jörg Schlaich (strutture)
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ESEMPI DI REALIZZAZIONI
Apple Store, New York, USA, 2006, Peter Bohlin & al., Eckersly
O'Callahan , Tim Mac Farlane (consulente).
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IL VETRO STRUTTURALE
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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
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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
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IL VETRO
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COMPOSIZIONE CHIMICA
Componente
Percentuale in peso
Principale funzione
SiO2
69 ÷ 47 %
Costituente di base
NaO2
12 ÷ 16 %
Abbassa il punto di fusione
K2O
0÷1%
Modificatore di reticolo.
CaO
5 ÷ 12 %
Stabilizzante antisolvente. Abbassa il punto di
fusione
MgO
0 ÷6 %
Aumenta la stabilità chimica
Al2O3
0 ÷3 %
Aumenta la stabilità chimica
B2O3
0 ÷12 %
Migliora la resistenza agli sbalzi termici
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STRUTTURA CHIMICA
Struttura della silice pura (sinistra) e del vetro comune (destra)
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DIFFERENZA TRA MATERIALI VETROSI
E CRISTALLINI
Diagramma di stato della silice
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CARATTERISTICHE FISICHE E MECCANICHE
acciaio
vetro
Prova di trazione
COMPORTAMENTO ELASTICO
LINEARE
ASSENZA DI SNERVAMENTO
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
ASSENZA DI FENOMENI
PLASTICI E VISCOSI
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CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE
Spessore (mm)
Coeff. trasmissione
termica (Wm2K-1)
Singolo vetro
4
5,8
Vetrocamera comune
20
2,9
Vetrocamera con argon e deposito basso
emissivo
23
1,1
Triplo vetrocamera con argon e depositi
basso emissivi
42
0,6
Vetri con camera sotto vuoto
6,2
0,8
Lastre traslucide con camera in aerogel
60,8
0,3
Muratura in blocchi di calcestruzzo e argilla
espansa con pannelli in polistirene
380
0,23
Tipo di vetro/parete
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CARATTERISTICHE TERMOTECNICHE
BASSA INERZIA TERMICA DELLE PARETI VETRATE
EFFETTO SERRA
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COMPORTAMENTO MECCANICO
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IL VETRO STRUTTURALE
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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”)
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IL VETRO STRUTTURALE
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PROBLEMA DI INGLIS – APPROCCIO CLASSICO
CONCENTRAZIONE DELLE TENSIONI
ALL’APICE DI UNA LESIONE
σm


a
;
= σ 0 1 + 2

ρ 

ρ = b2 a
CONDIZIONE DI PROPAGAZIONE
DELLA LESIONE
σm ≥ σR
Foro ellittico in una lastra indefinita
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PROBLEMA DI INGLIS – APPROCCIO CLASSICO
SE
ρ → 0 ⇒ σm → ∞
CONDIZIONE DI PROPAGAZIONE
DELLA LESIONE
σm ≥ σR
IL MATERIALE NON PUÒ RESISTERE
A SFORZI DI TRAZIONE!
Lesione acuminata in una lastra indefinita
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IL VETRO STRUTTURALE
APPROCCIO ENERGETICO DI GRIFFITH
PER FAR AVANZARE UNA LESIONE SI DEVONO CREARE
SUPERFICI LIBERE. QUESTO RICHIEDE ENERGIA: LA FESSURA
PUÒ PROPAGARSI SOLO SE È DISPONIBILE SUFFICIENTE
ENERGIA.
dE t dΠ dWs
=
+
=0
dA
dA
dA
Et:
ENERGIA TOTALE
Π:
ENERGIA POTENZIALE ELASTICA
Ws:
LAVORO NECESSARIO
SUPERFICI
A:
AREA DELLA SUPERFICIE DELLA FRATTURA
PER
CREARE
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DUE
NUOVE
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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)
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IL VETRO STRUTTURALE
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CAMPO TENSIONALE ALL’APICE DI UNA
LESIONE ACUMINATA (WILLIAMS)
Sistema di riferimento e andamento delle tensioni all’apice di una lesione
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IL VETRO STRUTTURALE
CAMPO TENSIONALE ALL’APICE DI UNA
LESIONE ACUMINATA (WILLIAMS)
σ xx = σ yy =
KI
2πr
NEL CASO DEL PROBLEMA DI
INGLIS
K I = σ 0 πa
NEL CASO GENERALE
CRITERIO DI VERIFICA
K I < K Ic ⇒ σ 0 <
K Ic
Y πa
= σ R (a,Y )
K I = Yσ 0 πa
KIc = “TENACITÀ ALLA FRATTURA”
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IL VETRO STRUTTURALE
DUE CASI NOTEVOLI
Y = 1,12
Y = 0,713
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IL VETRO STRUTTURALE
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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.
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IL VETRO STRUTTURALE
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SPECCHIO DI FRATTURA
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IL VETRO STRUTTURALE
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RIASSUNTO
LA RESISTENZA DEL VETRO
PRESENTI SULLA SUPERFICIE
DIPENDE
DALLE
LESIONI
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)
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IL VETRO STRUTTURALE
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IL POSTULATO DI WEIBULL
“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.
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IL VETRO STRUTTURALE
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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.
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IL VETRO STRUTTURALE
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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.
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IL VETRO STRUTTURALE
DISTRIBUZIONE DI WEIBULL
(
P σ R,A0
)
 σ R ,f , A
0
−
 θA
=1−e  0




β
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)
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IL VETRO STRUTTURALE
DISTRIBUZIONE DI WEIBULL - CONSEGUENZE
LA
RESISTENZA
DIMINUISCE
DIMENSIONI DELLA LASTRA.
ALL’AUMENTARE
 σ R ,A
1

 σ R ,A
0



=

PR =cos t
DELLE
1
 A0  β
 
 A1 
Andamento
della
tensione
resistente
in
funzione
del
rapporto tra area del campione A1
ed A0 = 2400 cm2, area della
superficie caricata nella prova del
doppio anello. Il grafico è
tracciato ponendo σR = 45 N/mm2
e β = 25
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IL VETRO STRUTTURALE
DISTRIBUZIONE DI WEIBULL - CONSEGUENZE
NEL CASO DI DISTRIBUZIONI DI TENSIONI NON UNIFORME SI
DEVE FARE RIFERIMENTO AD UNA TENSIONE EQUIVALENTE
DETTA “TENSIONE EFFICACE”
1
σ eff
β
1
β
=
σ max (x, y ) dx dy 

A

 A
∫
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IL VETRO STRUTTURALE
FATICA STATICA
IL VETRO È SOGGETTO AD UNA
DIMINUZIONE DELLA TENSIONE
RESISTENTE SE SOTTOPOSTO A
CARICHI COSTANTI DI LUNGA
DURATA
 KI
da
= v 0 
dt
 K Ic
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



n
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IL VETRO STRUTTURALE
FATICA STATICA
 KI
da
= v 0 
dt
 K Ic




n
I PARAMETRI DIPENDONO DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI
Condizione
v0 (m/s)
n
Umidità relativa 100% - temperatura 25 °C
50,00
16
Umidità relativa 50% - temperatura 25 °C
2,46
18
Umidità relativa 10% - temperatura 25 °C
0,37
27
Neve in fusione (temperatura 0 °C)
8,22
16
Vuoto - temperatura 25 °C
4,50×10-4
70
Valori consigliati in condizioni normali
6,00
16
30,00
16
Valori consigliati per vetri immersi in acqua
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IL VETRO STRUTTURALE
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FATICA STATICA – FENOMENO FISICO
Meccanismo di dissoluzione della silice ad opera dell’acqua
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IL VETRO STRUTTURALE
FATICA STATICA – INTEGRALE DI RISCHIO
(BROWN)
tf
∫0
σ 0n (t ) dt =
2
(n − 2 )v 0K Ic−n (Y
)
n
π ai(n − 2 ) / 2
= cos t
È POSSIBILE VALUTARE IL TEMPO DI VITA DI UN CAMPIONE. NEL
CASO DI TENSIONE COSTANTE SI HA:
tf =
2
(n − 2 )
v 0 K Ic−n σ 0n
(Y π ) a(
n
n −2 )/ 2
i
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IL VETRO STRUTTURALE
FATICA STATICA – TENSIONE STATICA
EQUIVALENTE
ESSENDO L’INTEGRALE DI BROWN UNA COSTANTE VALE LA
SEGUENTE RELAZIONE
tf 1
∫0
σ (n1)
tf 2
(t ) dt = ∫0
σ (n2 ) (t ) dt
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 È
DETTA “TENSIONE STATICA EQUIVALENTE”
σ t0
1
= 
 t0
T
∫0

n
σ (t ) dt 

1/ n
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IL VETRO STRUTTURALE
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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
t Rσ Rn ,tR = t f σ En
DA CUI
σ R,tR
1
n
 tf
1
σE
=   σ E =
k mod (t f )
 tR 
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40
IL VETRO STRUTTURALE
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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
k mod (t E ) ⋅ σ R,tR ≥ σ E
k mod
 tE
= 
 tR



−1 n
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IL VETRO STRUTTURALE
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TIPI DI VETRO PER IMPIEGHI STRUTTURALI
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IL VETRO STRUTTURALE
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IL PROCESSO FLOAT
ALASTAIR PILKINGTON 1952
Impianto per la produzione di vetro float
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IL VETRO STRUTTURALE
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IL PROCESSO FLOAT
Bagno float
“Top” di regolazione per lo spessore
GLI SPESSORI COMMERCIALI VARIANO TRA 2 E 25mm
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IL VETRO STRUTTURALE
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LA TEMPERA TERMICA
PROCESSO OTTENUTO TRAMITE IL RISCALDAMENTO DEL VETRO
SEGUITO DA UN REPENTINO RAFFREDDAMENTO.
VETRI TEMPERATI DI SICUREZZA
VETRI INDURITI TERMICAMENTE
LA DIFFERENZA CONSISTE NEL DIFFERENTE VALORE DI
TENSIONE RESIDUA
Impianto per la tempera termica del vetro
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IL VETRO STRUTTURALE
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LA TEMPERA CHIMICA
PROCESSO OTTENUTO SCAMBI IONICI SULLA SUPERFICIE DEL
VETRO.
VETRI INDURITI CHIMICAMENTE
Processo di tempera chimica
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IL VETRO STRUTTURALE
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LA TEMPERA - PROFILO DELLE TENSIONI
IL 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
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IL VETRO STRUTTURALE
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LA TEMPERA - EFFETTI SULLA RESISTENZA
σR =
K Ic
Y aπ
+ σv
LA TEMPERA MODIFICA ANCHE IL COMPORTAMENTO POST
ROTTURA
Esempio di rottura di un vetro non temperato e temperato di sicurezza
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IL VETRO STRUTTURALE
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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
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49
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VETRI STRATIFICATI
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50
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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)
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IL VETRO STRUTTURALE
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VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO
MECCANICO PRE E POST ROTTURA
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VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO
MECCANICO PRE ROTTURA
Andamento delle tensioni in un vetro stratificato
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IL VETRO STRUTTURALE
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VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO
MECCANICO PRE ROTTURA
MONOLITICO
TENSIONI
SPOSTAMENTI
A STRATI
INDIPENDENTI
2X
4X
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54
IL VETRO STRUTTURALE
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VETRI STRATIFICATI – COMPORTAMENTO
MECCANICO POST ROTTURA
Comportamento post rottura di un vetro stratificato temperato e non
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55
IL VETRO STRUTTURALE
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CONCLUSIONI
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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.)
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IL VETRO STRUTTURALE
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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
…
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58
IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
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.
http://www.dicea.unifi.it/emanuele.cagnacci
59
IL VETRO STRUTTURALE
Emanuele Cagnacci
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
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60
IL VETRO STRUTTURALE
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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.
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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).
http://www.dicea.unifi.it/emanuele.cagnacci
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