La resistenza teorica a trazione del vetro è molto elevata, in alcuni lavori scientifici quantificata in 32 GPa, ma le piastre in vetro collassano per valori di tensioni di trazione generalmente inferiori a 100 MPa. Questo è dovuto al fatto che la resistenza delle piastra è governata dalla presenza di micro-fessure dovute al processo produttivo, al trasporto, all’applicazione in cantiere ed a fenomeni abrasivi in genere, le cui profondità raggiungono al massimo i 200-300 μm. Il collasso avviene quando il rapporto tra la profondità di una cricca e la componente della tensione ortogonale all’asse della cricca stessa attinge un valore critico. Il taglio delle piastre successivo al processo produttivo comporta che una diversa difettosità rispetto alla parte interna caratterizzi i bordi. Un altro aspetto peculiare del vetro, generalmente trascurabile per i più comuni materiali strutturali, è la dipendenza della resistenza dall’area sottoposta a tensioni di trazione e dallo stato tensionale. Infatti, maggiore è l’area sottoposta a tensioni di trazione, maggiore sarà la probabilità di trovare una cricca in condizioni critiche. Inoltre, solo nel caso di stato tensionale equibiassiale [Uno stato tensionale si definisce equibiassiale quando le tensioni principali hanno lo stesso valore. In questo caso il cerchio di Mohr degenera in un punto e tutte le direzioni sono principali di tensione] si ha il 100% di probabilità di avere la massima tensione di trazione perfettamente ortogonale all’asse della cricca, mentre per stati tensionali generici ciò non è vero e la probabilità di collasso risulta inferiore. Tutti questi aspetti vanno tenuti in considerazione quando si vuol sperimentalmente caratterizzare il materiale.

In Europa, la norma EN 1288 propone quattro differenti tipi di set-up di prova per la caratterizzazione meccanica della resistenza del vetro strutturale. Le parti EN 1288-3 e 1288-4 normano prove di flessione su 4 punti, mentre le 1288-2 e le 1288-5 prove a doppio anello coassiale. Le principale differenza tra i due tipi di prova consiste nel fatto che mentre nel caso di prova di flessione su 4 punti anche i bordi della piastra sono sottoposti ai massimi sforzi di trazione nel secondo tipo di prove solo la parte centrale dei provini è testata. La parte EN1288-3 prevede di testare lastre piane di vetro, mentre la 1288-4 elementi in vetro con sezione a C. In ogni modo, la diversa difettosità ai bordi inserisce una importante fonte di incertezza, la quale rende molto complicata l’interpretazione dei dati sperimentali.
La prova a doppio anello coassiale nasce dall’idea di riprodurre in laboratorio il caso di una piastra circolare caricata tramite coppie distribuite lungo il bordo. Per effetto di questa configurazione, infatti, lo stato tensione risulta uniforme ed equibiassiale, il caso certamente più severo per un materiale come il vetro. In ogni caso, lo stato tensionale devia dalla equibiassialità quando le deformazioni del piano medio della piastra diventano sensibili (effetti della non-linearità geometrica non trascurabili). Data l’impossibilità pratica di riprodurre esattamente in laboratorio il caso di piastra circolare caricata con coppie distribuite lungo il bordo, in genere si utilizzano piastre quadrate appoggiate su un anello e caricate tramite un altro anello più piccolo, coassiale a quello di appoggio. Al crescere delle dimensioni del set-up di prova ed al crescere del carico applicato, le deviazione dall’equibiassialità diventà più significativa.

Per anni si è ritenuto che la prova a doppio anello coassiale normata dalla EN 1288-2 fosse la più affidabile. Secondo tale norma piastre quadrate di lato 1000 mm sono appoggiate su un anello di raggio 400 mm e caricate tramite un anello di raggio 300 mm coassiale a quello di appoggio. Inoltre, il set-up di prova prevede una sovrappressione uniformemente distribuita sull’area delimitata dall’anello di carico (Figura 1), applicata tramite gas, la cui intensità varia durante la prova ed è dipendente dalla forza applicata dal pistone. L’applicazione della sovrappressione variabile, molto complicata dal punto di vista tecnico, è stata concepita per garantire uno stato tensionale equibiassiale nella zona centrale del provino. È stato provato recentemente [7], però, che lo stato tensionale generato all’interno di un provino così caricato è differente da quello equibiassiale desiderato. Ciò rende l’interpretazione dei risultati di prova fallace. La norma EN 1288-5, invece, descrive una prova a doppio anello coassiale senza sovrappressione. Essa propone due diverse geometrie (R45 e R30) con provini quadrati o circolari di lato/diametro 100 mm (R45) o 66 mm (R30), raggio degli anelli di carico 9 mm (R45) e 6 mm (R30) e di appoggio 45 mm (R45) e 30 mm (R30). Grazie alle piccole dimensioni della geometria di prova, la piastra inflessa non devia dalla linearità geometrica e, quindi, lo stato tensionale agente nell’area delimitata dall’anello di carico risulta essere praticamente equibiassiale. Date però le piccole dimensioni dell’area di carico, la probabilità di trovare una cricca in condizioni critiche si abbassa sensibilmente, portando a valori di collasso molto alti, probabilmente non rappresentativi di quelle che sono le resistenze di piastre in vetro nelle applicazioni pratiche di ingegneria civile.
 

FIGURA 1 - Schematizzazione prova normata EN 1288-2 [1. Provino; 2. Base rigida con anello di supporto; 3. Profilo in gomma; 4. Anello di carico; 5. Sistema per la trasmissione del carico; 6. Profilo in gomma; 7. Ganasce per la centratura; 8. Cerchio di contatto dell’anello di carico; 9. Cerchio di contatto dell’anello di appoggio]


La norma americana ASTM C1499, ideata per i materiali ceramici, può essere certamente considerata un buona alternativa per la caratterizzazione meccanica del vetro strutturale. Tale norma prevede una prova a doppio anello coassiale senza sovrappressione, con geometria variabile. In particolare, la dimensione dei provini quadrati, i raggi degli anelli di carico e di appoggio sono assegnati in base allo spessore del provino. Più grande è lo spessore del provino, maggiore è la dimensione del set-up di prova. L’idea fondante di questa prova è quella di ottenere l’area di carico maggiore possibile limitando le deflessioni della piastra e, quindi, gli effetti della non-linearità geometrica (lo stato tensionale è equibiassiale). Per piastre di spessore piccolo, però, le dimensioni di piastra ed anelli diventano simili a quelle della prova EN 1288-5, ottenendo valori di resistenza molto grandi, probabilmente non rappresentativi delle applicazioni di ingegneria civile.
Quello della caratterizzazione meccanica del vetro strutturale è un campo in cui molti ricercatori sono impegnati. Diversi set-up di prova a doppio anello coassiale sono stati proposti nella letteratura scientifica, con l’intento di risolvere alcune problematiche relative alle prove normate e, quindi, è lecito attendersi delle novità nel prossimo futuro.



Bibliografia
[1] EN 1288-1. CEN/TC129. Glass in building – determination of the bending strength of glass – part 1: Fundamentals of testing glass. European Standard.
[2] EN 1288-2. CEN/TC129. Glass in building – determination of bending strength of glass – part 2: coaxial double ring test on flat specimens with large test surface areas. European Standard.
[3] EN 1288-3. CEN/TC129. Glass in building – determination of the bending strength of glass – part 3: test with specimen supported at two points (four point bending). European Standard.
[4] EN 1288-4. CEN/TC129. Glass in building – determination of bending strength of glass – part 4: testing of channel shaped glass. European Standard.
[5] EN 1288-5. CEN/TC129. Glass in building – determination of the bending strength of glass – part 5: coaxial double ring test on flat specimens with small test surface areas. European Standard.
[6] ASTM C1499. Standard Test Method for Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature. The American Society for Testing and Materials.
[7] G. Pisano and G. Royer Carfagni. “Towards a new standardized configuration for the coaxial double test for float glass”. Engineering Structures 119: 149-163 (2016).

La caratterizzazione della resistenza meccanica del vetro strutturale

Prove meccaniche normate e loro criticità

Di Gabriele Pisano, Università degli Studi di Parma