Rottura del vetro per sforzi di natura termica: Le nuove performance ne aumentano il rischio

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1 Dipartimento di Ingegneria Industriale Rottura del vetro per sforzi di natura termica: Le nuove performance ne aumentano il rischio Prof. Ing. Vincenzo M. Sglavo

2 Introduzione L uso di vetrate isolanti è spesso associato ad un aumento sensibile della temperatura del vetro e, in genere, a gradienti tra bordi e cuore delle lastre o comunque tra porzioni diverse della vetrata Tali gradienti sono la causa di sforzi che a volte portano a rotture premature della vetrata Obiettivo di questa presentazione è quello di evidenziare cause e modalità delle rotture per carichi termici e indicare possibili precauzioni 2

3 Sommario Vetro: fragilità e resistenza meccanica Difetti, effetto dei bordi, fatica Sforzi di natura termica e rotture Tipologia, genesi, modalità di frattura Stima della resistenza ai carichi termici Norma ASTM Conclusioni 3

4 Fragilità e resistenza del vetro P l comportamento elastico lineare fino a frattura P acciaio, alluminio, plastica comportamento elasto-plastico l 4

5 Fragilità e resistenza del vetro - struttura molecolare non deformabile plasticamente (k limitato ) - superficie ricca di difetti (graffi, intagli, bolle, ecc.) (c grande ) difetto più critico dimensione acutezza posizione resistenza meccanica: σ f = k mat c c = lunghezza caratteristica del difetto più critico k mat = proprietà del materiale amplificazione degli sforzi esterni applicati resistenza meccanica = variabile statistica 5

6 100 µm fessure superficiali 2c 2c 100 µm fessura sul bordo σf = 2c fessura sub-superficiale k mat c nel vetro: kmat 1 MPa m σf MPa 100 µm 6

7 Resistenza meccanica del vetro resistenza a flessione caratteristica (corrispondende al 5% di probabilità di rottura) vetro float (EN 572): 45 MPa = 4.5 kg/mm 2 vetro indurito (EN 12150): 70 MPa vetro temprato (EN 12150): 120 MPa vetro indurito chimicamente (EN 12337): 150 MPa 7

8 Effetto dei bordi sforzo ammissibile ex ASTM E1300 probabilità di rottura = 0.8%, durata carico = 3 s fattore di riduzione della resistenza di bordo (k ed ) ex pren σ f,bordo = k ed σ f,superficie 8

9 Fatica del vetro σ v σ c v = v 0 k mat n n, v 0 : materiale / ambiente σ 9

10 Fatica del vetro resistenza in presenza di fatica = k mod σ f 10

11 Resistenza reale del vetro resistenza a flessione vetro float (EN 572): 45 MPa vetro indurito (EN 12150): 70 MPa vetro temprato (EN 12150): 120 MPa vetro indurito chim.te (EN 12337): 150 MPa 20 MPa 35 MPa 60 MPa 75 MPa effetto dei bordi e della fatica 11

12 Proprietà del vetro EN572 vetro di silicato sodico calcico 12

13 Sforzi di natura termica T = T 1 riscaldamento uniforme riscaldamento non uniforme T 3 < T 2 T = T 2 > T 1 T 2 sforzi di trazione 13

14 2L s T 3 > T 1 T 2 σ th α E T 1 s L T = T 2 T 3 se T = 40 C σ th = 23 MPa T max float 35 C indurito termicamente temprato termicamente indurito chimicamente 55 C 90 C 115 C costo, spessore, NiS! costo! 14

15 Sforzi di natura termica nelle vetrazioni: esempi 15

16 lastra di vetro verso l interno T 1 T 2 T 1 < T 2 T 2 compressione T 1 trazione 16

17 bordi a temperatura inferiore superficie a temperatura superiore compressione trazione 17

18 compressione trazione area a temperatura inferiore 18

19 area a temperatura inferiore trazione compressione 19

20 preferibile per vetri colorati o rivestiti 75% ombreggiatura 25% ombreggiatura accettabile per vetri chiari / marginale per vetri colorati o rivestiti 75% ombreggiatura 25% ombreggiatura marginale per vetri chiari / sfavorevole per vetri colorati o rivestiti 75% ombreggiatura 25% ombreggiatura

21 lastra di vetro verso l interno area del vetro riscaldata dall interno compressione trazione area del vetro a temperatura inferiore

22 T >> 50 C vetro con rivestimento basso emissivo aumento dell assorbanza del vetro (fino al 90%) distanziatore e serramento isolante! 22

23 Sforzi di natura termica nelle vetrazioni Cause e condizioni preferenziali: Radiazione solare: esposizione e intensità della radiazione solare incidente Inclinazione della vetrata Dimensione della vetrata Valore di assorbimento energetico da parte del vetro, colorazione, presenza di trattamenti superficiali (coating, smaltature, serigrafie, ecc.) Rivestimenti con pellicole adesive Variazione della temperatura esterna, ombreggiatura, impianti di riscaldamento/condizionamento Impiego di vetrate triple Tipo di serramento / ancoraggio La quantificazione è sempre difficile! 23

24 Modalità e tipologie di rottura σ th < 20 MPa 90 σ th > 40 MPa T > 70 C 90 24

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28 Determinazione della resistenza ASTM E ai carichi termici vetro float esposto al sole, eventualmente ombreggiato sforzo termico al bordo: σ th = TSF x SL x SLA TSF = thermal stress factor [kpa/(w/m 2 )] SL = solar load [W/m 2 ] SLA = solar load adjustment ( ombreggiamento ) SL = I S x A S I S = intensità solare A S = assorbanza solare del vetro = 1 T S R S T S = trasmittanza solare del vetro R S = riflettanza solare del vetro 28

29 Tipologia del fissaggio TSF edge 29

30 Tipologia dell ombreggiamento TSF shadow TSF total = TSF edge + TSF shadow 30

31 Riflettanza dell ombreggiamento SLA = solar load adjustmens 31

32 POB = probability of breakage σ th = TSF x SL x SLA 32

33 Precuazioni rispetto ai carichi termici Limitare possibili danneggiamenti da movimentazione del vetro Evitare l eccessivo irrigidimento del telaio su cui è montato il vetro Prestare attenzione quando sul vetro si applicano coloranti o collanti Evitare ombreggiamenti parziali Evitare l accumulo di calore sul vetro dovuto a oscuranti interni Evitare l accumulo di calore a causa di corpi riscaldanti, illuminanti o arredi imbottiti collocati a ridosso del vetro Evitare il riscaldamento di finestre e porte scorrevoli sovrapposte 33

34 Conclusioni La problematica delle rotture per carichi termici nelle vetrate è argomento ormai consolidato seppur non sia possibile una teoria risolutiva assoluta L attenta analisi di tutte le condizioni qui riportate che possono generare carichi termici e la stima della probabilità di rottura possono indirizzare le scelte architettoniche/ingegneristiche e aiutare a limitare le rotture 34