Progettazione di solai e coperture accessibili in vetro

Il vetro strutturale nelle costruzioni

Il materiale vetro trova impiego sempre più marcato nelle nuove realizzazioni strutturali (Figura 1), sia che si tratti di edifici di nuova costruzione, o di intervento in edifici esistenti.

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 tuttavia necessariamente seguire specifici criteri e prescrizioni volte a garantire adeguata robustezza, ridondanza, duttilità, durabilità e sicurezza.

Spesso, può essere utile o necessario ricorrere allo studio di giunti e dispositivi speciali per conferire adeguate prestazioni ad elementi tipicamente fragili sottoposto ad azioni di progetto ordinare o eccezionali.

Nel caso di elementi e sistemi di nuova realizzazione, i progettisti possono disporre di sufficienti strumenti di calcolo semplificati, dove trovare adeguato supporto tecnico alle combinazioni di carico e caratteristiche dei materiali di prima necessità.

Tuttavia, è importante precisare che ci sono ancora molti aspetti da approfondire, specialmente in merito alla valutazione delle prestazioni nel tempo di elementi / sistemi già in funzione. Tra questi aspetti è per esempio importante ricordare la stima del comportamento meccanico dei materiali nel lungo termine, o ancora in caso di danneggiamento, o anche frattura del vetro (parziale o estesa che sia).

Cenni alle caratteristiche meccaniche dei 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 ν= 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 (fg;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 pre-sollecitazione.

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 (Figura 2).

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 strutturale

Riferimenti normativi

La progettazione strutturale di elementi e sistemi in vetro è una pratica relativamente recente, in confronto a quanto sviluppato nei decenni per soluzioni progettuali basate su materiali da costruzione tradizionali. Si tratta quindi, nella maggior parte dei casi, di applicazioni strutturali in contesti di nuova realizzazione o esistenti, in cui solo recentemente i progettisti possono trovare prescrizioni univoche e omogenee a livello internazionale.

Si ricorda per esempio che solo nel 2021 è stato pubblicato il primo documento tenico pre-normativo CEN/TS 19100, tipo Eurocodice, interamente dedicato al vetro strutturale, su elaborazione del sottocomitato tecnico CEN/TC250/SC11.

Di questo documento, le cui prime tre parti sono già disponibili, è in fase di elaborazione una quarta parte dedicata alla riduzione dei rischi per gli utenti, in termini di scelta dei materiali, dei dettagli costruttivi, ecc.

Si osserva che questo tipo di risultato rappresenta un importante traguardo internazionale, dal momento che il documento CEN/TS 19100 va a dare risposte omogenee e quanto più complete ad un Quadro internazionale Europeo particolarmente frammentato e variegato (Figura 3). Si ricorda inoltre come molti dei contenuti delle Istruzioni CNR-DT 210 siano ora parte integrante del documento CEN/TS 19100.

Progettazione agli Stati Limite

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),
• 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:

1. SLU per rottura del vetro;
2. SLU per rottura di un materiale in composizione con il vetro;
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).

Classificazione degli elementi: classe di conseguenza e classe di importanza

La classificazione di un elemento (o sistema) in vetro strutturale e oggetto di progettazione rappresenta un aspetto di particolare importanza, avendo questo stesso passaggio ricadute anche significative in termini di verifiche di resistenza, deformazione, e capacità residua post-rottura.

Sulla base delle possibili conseguenze dovute alla crisi degli elementi strutturali in termini economici, sociali, ambientali e perdita di vite umane, a tale scopo, nel prospetto B1 della UNI EN1990 vengono definite le note classi di conseguenza (CC1 e CC2 e CC3), le quali vengono generalmente associate a varie categorie di opere o sistemi costruttivi sulla base dell’importanza (ad es., edifici agricoli, edifici residenziali, edifici pubblici suscettibili di grande affollamento).

In generale le opere strutturali di vetro sono realizzate in edifici di pregio, ma non sarebbe corretto applicare a tutti i vari elementi vetrati che compongono l’opera classi di conseguenza elevate. Infatti, gli elementi di vetro costituiscono in genere parti localizzate dell’opera (travi, parapetti, solai, scale, etc.) la cui crisi può avere conseguenze più o meno gravi e, in generale, non è quasi mai associata alla crisi dell’intera opera.

Nel caso elementi strutturali di vetro, la classificazione più corretta appare quindi quella effettuata su principi di base, ovvero sulla gravità delle possibili conseguenze dovute alla crisi, locale o globale, dell’elemento. Si presenta quindi una definizione delle varie classi di conseguenza CC1 e CC2 e CC3 che segue le stesse linee stabilite nella EN1990, alle quali si aggiunge, per completezza la classe CC0, che comprende tutti quei prodotti da costruzione di vetro specificatamente non strutturali.

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