Indagini sul comportamento alla flessione a freddo di una vetrata isolante con bordo rigido

Data: 28 luglio 2022

Le facciate a forma libera con vetro curvato stanno diventando sempre più popolari. Poiché la piegatura del vetro conferisce una migliore resistenza ai carichi fuori piano, il vetro può risultare più sottile. Una nuova tecnica promettente consiste nel piegare a freddo sottili lastre di vetro con un bordo strutturale rigido in un paraboloide iperbolico (hypar) e successivamente bloccare gli angoli per creare un sistema autonomo e auto-stressato. In questo studio, il processo di piegatura di unità di vetrocamera ("pannelli") appositamente fabbricati viene studiato concentrandosi su un fenomeno di instabilità locale. L'ipotesi che tale instabilità sia influenzata dalla rigidità del bordo della lastra, viene verificata utilizzando profili GFRP 30x30 mm come distanziatori lungo il perimetro del vetro.

Questi sono stati incollati al vetro utilizzando l'adesivo siliconico Dow 993. Sono stati prodotti in totale quattro pannelli da 1,5x1,5 m, tre con vetro completamente temperato (FT) da 4 mm e uno con vetro temperato chimicamente (CT) da 1,1 mm. I pannelli sono stati piegati a freddo in una serie di esperimenti di laboratorio. È stato sviluppato un modello numerico per fornire ulteriori informazioni sulla risposta meccanica e per prevedere l'esito degli esperimenti. Con le dimensioni dei pannelli utilizzati non è stato possibile formare un hypar. A causa del piccolo spessore del vetro, una delle diagonali si raddrizzava sempre quando veniva piegata a freddo. I pannelli FT da 4 mm si sono guastati quando la piastra inferiore si è rotta con uno spostamento angolare di circa 150 mm e un carico totale di 2,6 kN.

Anche la piastra inferiore del CT 1.1 mm è stata la prima a fratturarsi, con uno spostamento angolare di 120 mm e un carico totale di 1,4 kN. Le piastre superiore e inferiore sono entrate in contatto al centro della piastra quando lo spostamento dell'angolo era di circa 50 mm per i pannelli FT da 4 mm e di circa 30 mm per il pannello CT da 1,1 mm. Il modello numerico ha previsto questo contatto e il comportamento complessivo del pannello fino ad uno spostamento angolare di 60 mm. Si è concluso che il vetro era troppo sottile per creare un hypar con queste dimensioni del pannello. I dati sperimentali generati insieme al modello numerico sono utili per ricerche e sviluppi futuri.

Le curvature tridimensionali, di entità sufficiente, potrebbero rendere praticabile l’uso del vetro sottile (<2,1 mm) per l’uso negli edifici, portando a strutture più leggere e a minori emissioni di carbonio. Molti ricercatori nell’ultimo decennio hanno esaminato le modalità per implementare questo metodo e molti, come Galuppi et al (2014) e Datsiou e Overend (2016), considerano la possibilità di modellare sottili lastre di vetro in un paraboloide iperbolico (hypar). Tuttavia, questi studi hanno scoperto che esiste una grande difficoltà nel modellare una piastra sottile in un'ipara. Quando si ruota la piastra si verifica un fenomeno di instabilità locale in cui una delle diagonali della piastra si raddrizza (Figura 1). Eekhout e Staaks (2004) hanno riscontrato che questa instabilità si verifica con uno spostamento d'angolo di circa 16 volte lo spessore della piastra.

Nehring e Siebert (2018) hanno scoperto che l’uso del vetro laminato aiuta a ottenere una curvatura maggiore con il vetro sottile. Per ritardare ulteriormente l'instabilità, Galuppi et al (2014) propongono una soluzione che prevede l'irrigidimento dei bordi. Attraverso l'analisi numerica hanno dimostrato che il fenomeno dell'instabilità è effettivamente ritardato. Per testarlo sperimentalmente, Young (2019) ha eseguito esperimenti fisici su una lastra di vetro irrigidita. I risultati di quegli esperimenti sembravano promettenti. Pertanto, lo studio descritto nel presente documento si basa su tali risultati.

Le piastre utilizzate da Young (2019) erano 1x1 m, realizzate in vetro temperato chimicamente da 1,5 mm (CT, Zaccaria et al, 2019)), irrigidite con profili cavi quadrati di 30x30x3 mm in polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP). Nel presente studio, i pannelli sono stati ingranditi a 1,5x1,5 m per avvicinarsi alle dimensioni previste nelle applicazioni del mondo reale. Per lo stesso motivo, è stata aggiunta all'unità un'ulteriore lastra di vetro per produrre efficacemente una vetrata isolante (IGU) in vetro sottile, in grado di fornire i livelli accettabili di conduttività termica richiesti negli edifici moderni (Figura 2).

Agli angoli è stato lasciato uno spazio vuoto, quindi la cavità non è stata sigillata. In questo modo le singole parti del bordo del telaio potrebbero muoversi in modo indipendente e la pressione interna non influenzerebbe il processo di sagomatura. Sono stati utilizzati gli stessi profili GFRP utilizzati da Young (2019), poiché erano leggeri, il che era in linea con l'obiettivo originale di creare un prodotto da costruzione leggero. Inoltre, il GFRP ha buone proprietà isolanti e ha un buon rapporto rigidità/peso. Sono stati utilizzati due tipi di vetro per testare diverse configurazioni del pannello. Tre pannelli sono stati realizzati con vetro completamente temperato (FT) da 4 mm e un pannello con vetro CT da 1,1 mm. L'intenzione originale era quella di produrre tre pannelli CT da 1,1 mm, ma i pannelli da 1,1 mm allo stato non trattato erano difficili da produrre a causa della loro fragilità e la quantità di vetro CT ricevuta entro il periodo di tempo di questo studio era sufficiente per un vetro CT unità da assemblare.