Analisi sperimentale e numerica del termo

Data: 26 maggio 2023

Autori: Dániel Honfi, Johan Sjöström, Chiara Bedon e Marcin Kozłowski

Fonte: Fuoco 2022, 5(4), 124; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/fire5040124

Nonostante molte ricerche e applicazioni, il materiale di vetro e il suo utilizzo negli edifici rappresenta ancora una sfida per gli ingegneri a causa della sua fragilità intrinseca e di caratteristiche caratteristiche come la sensibilità alle concentrazioni di stress, la riduzione della resistenza nel tempo e dalla temperatura e la rottura dovuta alle sollecitazioni che possono accumularsi a causa dei gradienti termici. Questo articolo presenta i risultati di una serie di test originali effettuati su lastre di vetro monolitiche di dimensioni 500 × 500 mm2 e diversi spessori, sotto esposizione a riscaldamento radiante.

Lo studio di ricerca comprende anche un modello di trasferimento termico unidimensionale (1D) e un modello termomeccanico numerico tridimensionale (3D) che vengono utilizzati per indagare più in dettaglio i fenomeni osservati durante gli esperimenti. Come mostrato, il comportamento del vetro sotto riscaldamento radiante è piuttosto complesso e conferma l’elevata vulnerabilità di questo materiale per applicazioni in edilizia. L'usabilità e il potenziale dei modelli numerici termo-meccanici vengono discussi attraverso il feedback sperimentale.

1.1. Sfondo

Una tendenza recente nell’architettura moderna è quella di fornire la massima trasparenza all’interno dell’edificio riducendo le ostruzioni visive del telaio strutturale e dell’involucro [1]. Questo movimento include il crescente utilizzo di elementi strutturali in vetro autoportanti e di grandi pannelli di vetro per le facciate degli edifici.

Il vetro si è rapidamente sviluppato da materiale di riempimento a materiale strutturale, consentendo così agli ingegneri di progettare e costruire pareti, travi, colonne, pavimenti, scale, ecc. e di utilizzare campate e ampie aree trasparenti che prima non erano possibili. Un esempio ben noto di massimizzazione della trasparenza è l’Apple Store sulla Fifth Avenue a Manhattan (vedi Figura 1). Tuttavia, la progettazione strutturale del vetro è ancora impegnativa, ad esempio, a causa della sua intrinseca fragilità, sensibilità alle concentrazioni di stress, riduzione della resistenza nel tempo e possibile rottura termica [2]. Inoltre, molti altri problemi relativi alla progettazione strutturale sicura ed economica possono essere attribuiti al degrado relativamente comune dei materiali utilizzati in combinazione con il vetro (a causa di forti variazioni di umidità e temperatura, o di condizioni operative sfavorevoli per le vibrazioni, ecc.).

Esistono metodi e soluzioni per migliorare la robustezza delle applicazioni strutturali del vetro, compreso l'aumento della resistenza del vetro, come il trattamento termico, la precompressione, la lucidatura dei bordi e la prevenzione o la mitigazione dei rischi di rottura fragile, ad esempio, mediante un'accurata lavorazione dei dettagli, laminazione, elementi compositi, sistemi di backup, fornitura di percorsi di carico alternativi, ecc. [3]. Situazioni eccezionali, come la temperatura elevata durante un incendio in un edificio, sono impegnative e richiedono ulteriori considerazioni su tali misure di robustezza per garantire la sicurezza degli occupanti dell'edificio e consentire l'evacuazione [4]. La strategia progettuale principale è limitare le sollecitazioni del materiale e ridurre le conseguenze della rottura, poiché la rottura dei vetri non può essere evitata completamente. Tuttavia, è importante capire in quali circostanze il vetro potrebbe rompersi per sviluppare una base razionale per situazioni progettuali estreme.

1.2. Scopi, ambito e limitazioni

Questo articolo si concentra sull'analisi sperimentale e numerica del comportamento termo-meccanico di lastre di vetro monolitiche esposte a riscaldamento radiante. Il suo scopo è quello di contribuire a colmare le lacune conoscitive menzionate nella Sezione 2 e compiere un primo passo verso lo sviluppo di una metodologia per una progettazione e una valutazione antincendio strutturale più razionale per le vetrate architettoniche. Ciò include un approccio in cui le distribuzioni di temperatura previste nella struttura vengono simulate tramite modelli numerici e le sollecitazioni corrispondenti vengono calcolate utilizzando un modello termo-meccanico agli elementi finiti (FE). Le sollecitazioni calcolate possono quindi essere verificate rispetto a criteri di progettazione specifici per decidere se è soddisfatta la sicurezza contro la rottura termica. Uno dei principali vantaggi di questo approccio è l'analisi della distribuzione della temperatura nell'intero elemento strutturale e la possibilità di combinare l'effetto delle azioni termiche e meccaniche.