È possibile progettare strutture in vetro? Ecco i vantaggi e i limiti di questa soluzione

Nella comune edilizia, soprattutto in Italia, si ha prevalentemente a che fare con costruzioni realizzate in calcestruzzo armato o muratura. Meno diffuse, ma comunque presenti, sono invece le costruzioni in acciaio, legno o vetro. Proprio quest'ultimo è una soluzione strutturale sempre più diffusa visto che è un materiale trasparente (o traslucido) e che possiede ottime proprietà in termini di isolamento acustico e termico dall'ambiente esterno. Tuttavia, i processi produttivi e le modalità realizzative rendono l'utilizzo del vetro strutturale e la sua progettazione una sfida per gli ingegneri che ci si cimentano.

Cosa vuol dire materiale da costruzione

Per "materiale da costruzione" si intende un materiale tramite cui vengono realizzati gli elementi portanti di una costruzione, anche chiamati appunto elementi strutturali.

Affinché sia tale, esso deve soddisfare principalmente requisiti di resistenza e rigidezza, tali da consentire la possibilità di "sopportare" i carichi applicati che gravano su di esso: la resistenza rappresenta quella caratteristica che definisce, in sostanza, quanto carico quell'elemento può effettivamente sopportare prima di "rompersi" mentre la rigidezza determina la risposta dell'elemento in termini di deformazioni per un dato carico applicato. In sostanza, è il numero che definisce quanto un oggetto si deforma a parità di tutte le altre condizioni.

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Se un oggetto si deforma non vuol dire che si sta rompendo: tutti gli elementi si deformano. Tuttavia, è necessario che queste deformazioni siano limitate per garantire il corretto funzionamento della struttura e di tutto quello che con essa interagisce. Partendo da questi due semplici concetti, gli ingegneri dimensionano gli elementi strutturali portanti affinché resistano – deformandosi in maniera limitata (o comunque controllata) – agli effetti delle forze che su di esso agiscono. Il vetro nasconde qualche insidia in tal senso, cerchiamo di capire perché.

Comportamento strutturale e peculiarità

Ecco un elenco dei principali punti che differenziano il vetro dagli altri materiali da costruzione:

• Il vetro risulta avere un peso specifico confrontabile con quello del calcestruzzo armato, sebbene presenti valori di rigidezza più che doppi rispetto al calcestruzzo. La resistenza meccanica a compressione è, generalmente, maggiore di quella a trazione. Tuttavia, eventuali rotture localizzate e premature, causate da concentrazione di sforzi, possono cambiare di molto questi parametri.
• Praticamente sempre, un elemento in vetro presenta microdifetti superficiali, la cui entità può aumentare nel tempo anche per effetto della presenza dei carichi agenti in maniera prolungata (si pensi agli arredamenti interni di un appartamento). Se il difetto nel tempo cresce, si può assistere ad un progressivo degrado delle prestazioni meccaniche, esponendo il materiale al cosiddetto fenomeno di fatica statica. Questo è già un aspetto tecnico che non si riscontra nel caso di strutture in cemento armato o acciaio.
• Diverse lavorazioni possono modificare le proprietà meccaniche del vetro. In alcuni casi possono però apportare un contributo benefico. Per esempio, i processi di tempera producono uno stato di compressione superficiale che provoca la chiusura di micro-cricche da cui si propagano le fratture.
• Il vetro rappresenta il materiale fragile per antonomasia: un elemento fragile non ha la capacità di distribuire, anche localmente, gli effetti di crisi prodotte dalla presenza di microdifetti. Che vuol dire? Che anche il più piccolo difetto può compromettere la statica di tutto l'elemento. Il problema è che una concentrazione di sforzo si realizza sempre in prossimità, ad esempio, di un foro o di una brusca discontinuità geometrica: rappresenta quindi un fenomeno di fatto inevitabile!

Composizione con altri materiali

Elementi strutturali in vetro possono essere ottenuti come composizione di lastre con fogli di materiali plastici interposti (interlayer). Questi materiali plastici permettono l’accoppiamento di due o più lastre di vetro e producono quello che viene chiamato vetro stratificato. Il vantaggio di questa soluzione tecnologica si manifesta in caso di rottura delle lastre: i frammenti di vetro generati dalla rottura vengono trattenuti da questo accoppiamento con fogli di materiale plastico. In altri casi, materiali sigillanti sono utilizzati in accoppiamento con lastre in vetro per la loro finitura.

Si pensi ad esempio alla realizzazione di facciate in vetro con comportamento strutturale. In questo caso i materiali sigillanti permettono di ristabilire la continuità tra gli elementi di vetro in assenza di parti confinanti in metallo o guarnizioni, garantendo sia una barriera tra ambienti interni ed esterni, ma anche una vera e propria funzione di ritegno meccanico. Infine, altri tipi di adesivi vengono solitamente impiegati per il collegamento di moduli.

La progettazione strutturale

La progettazione strutturale di elementi in vetro si distingue dalla progettazione di strutture con materiali ordinari principalmente per due ragioni:

1. Comportamento strutturale fragile, incapace di garantire anche una minima ridistribuzione delle sollecitazioni interne a seguito di qualche piccola lesione.
2. Elevata incertezza dei valori sperimentali delle caratteristiche di resistenza.

Per tale ragione, la progettazione si basa sui concetti di gerarchia (vuol dire che alcuni elementi strutturali sono più importanti di altri), robustezza e ridondanza (vuol dire avere margini di sicurezza globale anche in caso di rotture accidentali di pochi elementi). Una progettazione che segue questo tipo di filosofia è tipica della progettazione aeronautica: in questo caso, è comunemente accettato che uno o più componenti possano collassare in particolari situazioni, solitamente estreme. Tuttavia, la crisi di uno qualsiasi di questi elementi non compromette comunque la stabilità globale del sistema strutturale, che mantiene le sue funzionalità primarie.

Rappresenta un tipo di prestazione cosiddetto a rottura protetta. Pertanto, la filosofia progettuale adottata permette di sopperire alle elevate fragilità a livello di materiale mediante l'ottenimento di una struttura con possibilità di adattamento statico a circostanze estreme.

La durabilità

Il vetro presenta generalmente eccellenti prestazioni in termini di durabilità. Ragionamento differente va invece fatto per materiali usati in composizione: essendo questi solitamente a base polimerica risultano essere molto sensibili alla temperatura e all'umidità e presentano inoltre un marcato invecchiamento.

Il quadro normativo

Ad oggi non esistono norme specifiche per il vetro da impiegarsi a fini strutturali. Dal 2013 si è partiti, a livello europeo, con la stesura di una norma dedicata, come già esiste per altri materiali. Esistono documenti che trattano il problema ma non ai fini della progettazione strutturale. Tuttavia, non è strano trovare indicazioni sui requisiti meccanici minimi da possedere. In Italia, il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) ha emesso già dal 2013 un documento contenente istruzioni per la progettazione e il controllo di costruzioni con elementi strutturali in vetro.