Università degli studi di Firenze – Laurea in Ingegneria Civile N.O. – Tesi di Laurea
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Allievo: Luca Di Guardo
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Capitolo 1
–IL VETRO-
1.1 Caratteristiche
1.1.1 Caratteristiche meccaniche
Il vetro presenta una densità di circa 2.500 kg/m
3
, leggermente variabile a seconda della
composizione e del trattamento termico a cui è stato sottoposto.
Il vetro presenta ottime caratteristiche meccaniche sia in termini di resistenza sia in
termini di rigidezza, oltre che una notevole durezza. Il comportamento sotto tensioni
uniassiali, quale quello rilevabile con una normale prova a trazione, è di tipo elastico
lineare. La determinazione dei moduli elastici è abbastanza semplice; l’elevata rigidezza
può essere spiegata con la presenza dei covalenti e raggiunge un valore di 73 GPa. Il
coefficiente di Poisson vale 0,23.
Le caratteristiche teoriche di resistenza a trazione del vetro sono difficilmente
riscontrabile sperimentalmente a causa di vari motivi ma , deducendole dal tipo di legami
presenti e dai modelli semplificati su scala atomica, si può dedurre un valore approssimato
di 23.000 MPa . Il problema principale è che tali caratteristiche presentano una grande
variazione sia tra campioni di vetro diversi sia durante la vita di uno stesso elemento in
vetro e la percezione comune è che il vetro sia un materiale piuttosto “delicato” e “
fragile”.
Una caratteristica particolare del vetro, che non lo ha reso comune per impieghi strutturali,
è la sua fragilità. Il vetro non presenta nessun tipo di comportamento plastico, il che
comporta facilmente la concentrazione delle tensioni che portano alla rottura del materiale
senza possibilità di scorrimenti o snervamenti. Questo fatto, come meglio illustrato in
seguito, abbassa anche di 1000 volte la resistenza a trazione del vetro. Associata alla
fragilità, il vetro presenta una bassa tenacità, ossia una notevole debolezza nei confronti
delle imperfezioni.
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La durezza raggiunge il valore di 6 Mohs e dunque il vetro può essere scalfito solo da
materiali molto duri come diamante e alcuni carburi oppure da particelle molto aguzze di
metallo o quarzo che possono attaccare il vetro per normale uso.
Infine, il coefficiente di dilatazione termica lineare vale 9·10
-6
K
-1
per i vetri silicosodico-
calcici e circa la metà per vetri boro- silicati.
Riportiamo in una tabella i dati rilevanti ricordando che il vetro presenta una fortissima
isotropia delle sue caratteristiche.
Caratteristica Valore indicativo
Densità 2,500 kg/m
3
Resistenza a trazione 20÷200 MPa
Resistenza a compressione 1.000 MPa
Modulo di Young 73 GPa
Coeff. Di Poisson 0,22
Durezza (scala Mohs) 6
Coeff. Dilatazione termica lineare 9·10
-6
K
-1
Tabella 1:Caratteristiche meccaniche di vetri commerciali.
Come si vede, con opportuni accorgimenti, il vetro si presenta ad essere impiegato per usi
strutturali al pari di altri materiali.
Inoltre ricordiamo che il vetro possiede la proprietà di avere un grande range di valori , i
quali dipendono dai diversi trattamenti superficiali, dai trattamenti termici e dalle
condizioni del vetro, valori molto superiori sono ottenibile con le fibre di vetro.
1.1.2 Comportamento a rottura
Com’è stato detto il vetro è un materiale fragile. Il comportamento a rottura dei materiali
fragili è sostanzialmente diverso rispetto a quello dei materiali duttili e dunque non puo
essere studiato con gli usuali metodi della teoria della plasticità; inoltre, ed a tutta una
serie di altri materiali fragili sono molti sensibili ai difetti superficiali, alle dimensioni
dell’elemento ed a tutta una serie di altri fattori. Il vetro, infine, presenta comportamenti
plastici specifici che necessitano di apposite trattazioni.
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1.1.3 Meccanica della frattura
Lo studio teorico dei meccanismi che regolano la resistenza del vetro ha avuto un grande
sviluppo solo ne secolo scorso. Uno dei pionieri delle ricerche sui materiali fragili fù
Griffith che già nel 1920 propose che la resistenza a trazione fosse prevalentemente
influenzata dalla presenza di microscopiche lesioni. Nel secolo scorso degli anni tale
teoria è stata più volte criticata e confermata da vari autori ma resta comunque la base per
spiegare il comportamento a rottura dei materiali fragili come il vetro. Le teorie qui
esposte sono valide per modelli elastici lineari (LEFM).
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Acciaio
Vetro
Calcestruzzo
1.2 Il vetro come materiale da costruzione
1.2.1 Confronto con altri materiali
Si riportano in un grafico qualitativo i risultati di una prova a trazione su un campione di
vetro, uno di acciaio e uno di calcestruzzo. Nel primo caso non si osserva, come gia
accennato, nessuno snervamento ne comportamento plastico.
Figura 1:Prova di trazione su tre materiali diversi.
Le caratteristiche dei moduli elastici, come quelle di massa e dilatazione termica sono
compartibili.
Va ricordato che la resistenza del vetro dipende da vari fattori molti dei quali non
facilmente controllabili; si riportano i principali:
1) Condizione della superficie: presenza di graffi, difetti, etc.;
2) Dimensione dell’elemento e distribuzione delle tensioni;
3) Durata della permanenza del carico (fatica statica);
4) Influenza delle escursioni termiche (dovute anche all’umidità).
Questi fatti hanno limitato l’impiego del vetro come elemento strutturale perché
considerato poco affidabile. I tradizionali materiali da costruzione sono molto meno
sensibili a tali fattori e fino a poco tempo fa sono mancate sia le teorie per valutare
correttamente questi aspetti sia le normative adatte ad un impiego strutturale.
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D’altra parte il vetro ha delle caratteristiche uniche che lo rendono interessante per
l’impiego strutturale, tra le quali si possono citare:
1) Assenza di fluage. Assenza di deformazioni residue anche dopo lunghi periodi
di carico a tensioni prossime a quelle di rottura;
2) Grande resistenza agli agenti atmosferici e chimici, assenza di corrosione;
3) Assenza di fatica dinamica;
4) Pregi architettonici. La trasparenza è molto utile quando si richiede un basso
impatto ambientale ed architettonico.
Dunque, se da una parte il vetro risulta sconveniente in termini di resistenza e duttilità
rispetto ai materiali tradizionali, anche se presenta caratteristiche simili al
calcestruzzo,dall’altra presenta pregi notevoli.
1.2.2 Comportamento in opera
Stabilito che il vetro è adatto per un impiego strutturale si devono notare alcune
caratteristiche del suo comportamento in opera. Gli aspetti positivi sono già stati valutati
per cui si passano in rassegna alcuni degli aspetti negativi.
Uno dei limiti maggiore è legato alla sua scarsa resistenza al fuoco. Il vetro è un materiale
incombustibile ma il suo punto di rammollimento, essendo posto a circa 650°C, limita
l’impiego del vetro dove ci siano carichi di incendio rilevanti. Esistono tuttavia vetri
speciali adatti a resistere al fuoco in impieghi come porte o muri tagliafuoco. Tali vetri
sono realizzati a strati alternati di vetro e gel intumescente ignifugo che non ne pregiudica
la trasparenza. Un’altra metodologia consiste nell’applicare strati di ossidi metallici sulla
superficie
1
. Al momento della stesura della presente tesi non risulta un impiego strutturale
di tali vetri per la realizzazione di elementi portanti.
Un secondo aspetto negativo è la bassa resistenza agli urti. Tale aspetto non può essere
sottovalutato, neppure per vetrate non accessibili, perché in particolari condizioni
1
Con tali metodologie, ad esempio, la Saint-Gobain realizza vetri di sicurezza di classe REI 120 nel primo
caso e RE/REW 60 nel secondo (Cf.SAINT-GOBAIN, Manuale,238,252)
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meteorologiche possono essere scagliati in aria, a causa del vento, oggetti anche pesanti.
Anche in questo caso, con opportune tecniche, è possibile realizzare vetri resistenti agli
urti: vetri temperati di 8 mm di spessore possono assorbire un urto con una sfera di acciaio
di 500 g lasciata cadere da 2 m di altezza. Va ricordata anche l’esistenza di vetri
antisfondamento ed antiproiettile il cui funzionamento spiegheremo più avanti.
Citiamo anche la possibilità, purtroppo non rara, di rotture spontanee. Tali rotture sono
legate soprattutto agli shock termici a causa di inclusioni microscopiche di solfuro di
nichel che ha un coefficiente di dilatazione termica molto più grande del vetro. Per
eliminare tale difetto si può ricorrere ad un test termico detto “Heat soak test” che però
aumenta notevolmente il costo del materiale.
Ultimo aspetto negativo è legato all’essenza di plasticità. In caso di sisma non potendo
contare sulla dissipazione isterica del materiale, che può lavorare solo in campo elastico,
aumenta il valore delle sollecitazioni di progetto. Va però notato che spesso le strutture in
vetro, essendo quasi sempre sorrette da sottostrutture metalliche, soprattutto se di grandi
dimensioni, presentano frequenze proprie piuttosto basse che le dovrebbero collocare
verso la coda degli spettri di progetto di normativa.
Queste caratteristiche fanno si che il progetto delle strutture in vetro sia molto “delicato” e
si rende necessario usare altri tipi di approcci e di verifiche rispetto a quelle utilizzate per
le strutture ordinarie in acciaio o in cemento armato.
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