212   Luglio - Agosto  2017
ISSN 2282-3794
COSTRUIRE COL MATERIALE FRAGILE
di
Gianni Royer-Carfagni
Ordinario di Scienza delle Costruzioni, Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università di Parma
gianni.royer@unipr.it

Vengono richiamati alcuni recenti sviluppi nell’ingegneria del vetro volti a superare la fragilità intrinseca del materiale tramite stratificazione con intercalari, raggiungendo così la duttilità necessaria per una buona prestazione strutturale. Interessanti novità si apprezzano nell’uso di elementi tanto sottili da essere inflessi elasticamente, in modo da ottenere superfici curve free-form senza l’uso delle costose contro-forme richieste dalla curvatura a caldo. Notevoli sono i risultati ottenuti nella caratterizzazione statistica della resistenza del vetro, soprattutto se temperato o indurito, che permetteranno la corretta calibrazione dei coefficienti parziali di sicurezza per la progettazione, così da sfruttare al meglio le grandi risorse del materiale, ad oggi sottostimate. A livello normativo, sono in fase avanzata i lavori per il nuovo Eurocodice strutturale sul vetro, che porterà finalmente chiarezza in un mondo dove norme di prodotto sono talvolta usate a sproposito al posto dei codici progettuali, superando quindi definitivamente la distinzione pretestuosa fra elementi strutturali e non strutturali.

English version
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BUILDING WITH THE BRITTLE MATERIAL

I recall some recent developments in glass engineering, aimed at overcoming the intrinsic brittleness of the material through lamination, so to provide the ductility needed for a good structural performance. Interesting achievements can be appreciated in the use of elements so thin to be elastically bent, to construct free-form curved surfaces without the use of the expensive moulds required by hot bending. Notable results have been obtained in the statistical characterization of the strength of glass, especially if heat-tempered or strengthened, which will enable the correct calibration of the partial safety factors for the design, so as to exploit the great potentiality of the material, currently underestimated. At the level of standardization, substantial progress has been made for the new structural Eurocodes on glass, which will finally bring clarity in a world where product standards are sometimes used inappropriately in place of design codes, thus overcoming the pretextual distinction between structural and non-structural elements.

ELEMENTI IN VETRO STRUTTURALE
Approccio unificato per la verifica di stabilità
di
Chiara Bedon, 
Ricercatore, Università di Trieste, Dipartimento di Ingegneria e Architettura (DIA)
chiara.bedon@dia.units.it
Claudio Amadio
Professore, Università di Trieste, Dipartimento di Ingegneria e Architettura (DIA)
amadio@units.it

In questo lavoro si presenta un approccio unificato per la verifica di stabilità di elementi in vetro strutturale sottoposti a svariate condizioni di carico e vincolo. L’approccio proposto, sviluppato sulla base della teoria di Ayrton-Perry, è attualmente implementato nel Documento Tecnico italiano CNR-DT-210/2013. Il vantaggio principale di tale approccio è che date le caratteristiche geometriche e meccaniche di un elemento in vetro strutturale, la verifica di stabilità dell’equilibrio può essere eseguita mediante l’utilizzo di curve normalizzate di progetto. In queste, un ruolo fondamentale è dato ai coefficienti di imperfezione, calibrati su base sperimentale e numerica, nonché al calcolo del carico critico Euleriano. Sulla base di considerazioni derivate dal concetto di spessore equivalente, lo stesso approccio può essere utilizzato anche per elementi in vetro stratificato, rappresentando quindi uno strumento particolarmente vantaggioso per i progettisti. L’approccio generale di verifica è dapprima presentato per il caso specifico delle travi sottoposte a fenomeni di instabilità flesso-torsionale, e poi richiamato per una svariata serie travi e pannelli in vetro strutturale sottoposti a combinazioni di carichi simultanei e soggetti a per particolari condizioni di vincolo, includendo vincoli flessibili o non ideali in generale. Un esempio di calcolo pratico viene infine proposto, seguendo le prescrizioni della CNR-DT-210/2013.

English version
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STRUCTURAL GLASS ELEMENTS
Unified approach for the buckling verification

In this paper, a unified buckling design approach for structural glass elements under various loading and boundary conditions is proposed. The mentioned approach, based on the Ayrton-Perry theory derived from literature, is currently implemented in the Italian Technical Document CNR-DT-210/2013. Its main advantage is that, given the geometrical and mechanical properties of a structural glass member, the stability check can be carried out via normalized design curves. In doing so, a key role is assigned to the experimentally and numerically calibrated imperfections factors, as well as to the calculation of the Euler’s elastic critical load. Based on equivalent thickness assumptions, the same approach canbe used for laminated glass elements, hence representing a practical tool for designers and practitioners. The general design concept is first summarized in this paper for the specific case of glass beams in lateral-torsional buckling, but then recalled for a multitude of structural glass members and panels undercombined multiple loads as well as affected by partially flexible joints and non-ideal restraints in general. A practical calculation example is then also proposed, following the provisions of the CNR-DT-210/2013 document.

COLD-BENDING E COLD-LAMINATION-BENDING DEL VETRO STRATIFICATO
Modellazione e ottimizzazione della forma
di
Laura Galuppi
Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università di Parma
laura.galuppi@unipr.it

Le più recenti tendenze architettoniche si stanno muovendo, negli ultimi anni, verso l’utilizzo di involucri edilizi di forma libera, realizzati con pannelli in vetro stratificato curvo che possono essere ottenuti tramite "cold-bending", vincolando il pannello stesso nella forma desiderata. Grazie alla viscosità dell’interstrato, l'elemento presenta un rilassamento dello stress a partire dall'istante in cui viene posizionato.
Un’altra possibilità per la realizzazione di pannelli curvi è il processo di “cold-lamination-bending”, anche detto “warm-bending” del vetro stratificato, che consiste nel deformare il pacchetto composto da vetri ed intercalare vincolandolo provvisoriamente ad uno stampo, e nell’eseguire successivamente, in questa configurazione deformata, il trattamento in autoclave. Una volta rimossi i vincoli provvisori, l’adesione tra i vari strati di vetro fa sì che la curvatura venga, almeno in parte, mantenuta. L’elemento stratificato esibisce un ritorno elastico iniziale, seguito da un rilassamento causato dalla viscosità dell’intercalare.
Entrambi i metodi citati si stanno rapidamente sviluppando, perché permettono di ottenere, a costi relativamente contenuti, pannelli di forma qualsiasi senza la necessità di stampo e controstampo, e senza l’utilizzo di forni, richiesti invece per i tradizionali processi di curvatura a caldo.
Nell’articolo viene esposto un metodo analitico, basato sulla teoria delle travi sandwich, che, per processi di cold-bending, permette di valutare lo stato tensionale, dipendente dal tempo, sia negli strati di vetro che nell’intercalare. Lo stesso modello viene esteso a processi di cold-lamination-bending, per i quali consente di valutare anche la variazione nel tempo della forma del pannello. Il modello ha permesso di dimostrare che la forma più utilizzata per questo tipo di processi, quella con curvatura costante, provoca l’insorgenza di concentrazioni di tensione agli estremi della trave. Altre forme, molto simili, sono invece decisamente più convenienti.

English version
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Cold-Bending and Cold-Lamination-Bending of glass

Architectural trends move towards free-form building envelopes. Curved transparent panels can be obtained via “cold-bending”, by elastically constraining laminated glass in the desired curved shape. Due to the interlayer viscosity, the element exhibits a stress relaxation from the instant in which it is positioned.
Another possibility is “cold-lamination-bending”, also known as “warm-bending” of laminated glass, which consists in curving the unbonded glass-interlayer package in the desired shape and in performing the lamination process in autoclave in this curved configuration. When releasing the assembly, the curvature is only partially maintained through the interlayer bond, and the laminate suffers a spring-back followed by a relaxation, due to the interlayer viscosity. These methods are widely developing because they allow for the construction, at relatively low cost, of curved free-form glazed surfaces with no need of negative moulds and ovens used for traditional hot-bending processes.
Based on sandwich beam theory, a method has been proposed to find the time-dependent stress state in both glass and interlayer during cold-bending. This can be extended to cold-lamination-bending, allowing to evaluate not only the stress distribution, but also the (time-dependent) deformed shape of the panel.
Remarkably, it is demonstrated that the most used constant-curvature shape is perhaps the most critical configuration to achieve, because it produces high stress concentrations in the interlayer. Other shapes, just slightly different, are much more performant in terms of stress state.

CELLE IBRIDE VETRO-ACCIAIO CURVATE A FREDDO
Modellazione, progettazione e test sperimentali
di
Benno Hoffmeister, 
Institute for Steel Construction, RWTH Aachen University, Germany
hoff@stb.rwth-aachen.de
Pietro Di Biase, 
Institute for Steel Construction, RWTH Aachen University, Germany
p.dibiase@stb.rwth-aachen.de
Carl Richter, 
Institute for Steel Construction, RWTH Aachen University, Germany
c.richter@stb.rwth-aachen.de
Benjamin Schaaf, 
Institute for Steel Construction, RWTH Aachen University, Germany
s.schaaf@stb.rwth-aachen.de
Markus Feldmann, 
Institute for Steel Construction, RWTH Aachen University, Germany
feldmann@stb.rwth-aachen.de
Laura Galuppi
Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università di Parma
laura.galuppi@unipr.it

L’obiettivo principale del Progetto Europeo “S+G - Innovative Steel Glass composite structures for high-performance building skins” è stato la progettazione di celle in vetro-acciaio, di forma curva, per il rivestimento di facciate e coperture di forma libera. Tali celle possono essere ottenute tramite curvatura a freddo di pannelli in vetro. Per poter raggiungere curvature elevate, limitando le tensioni al di sotto di quella di rottura del materiale, è necessario utilizzare pannelli di spessori molto bassi, e questo può portare all’insorgere di fenomeni di buckling (perdita di stabilità). Questo rischio può essere ridotto utilizzando un telaio in acciaio, connesso al pannello di vetro tramite adesivi strutturali. Sono state progettate tre diverse celle (HYP&R, WING and TWIST), con differenti gradi di complessità.
Test sperimentali sulle diverse celle, con differenti adesivi, sono stati condotti con carichi ortogonali al piano, sia in condizioni di pressione (carico sulla parte superiore, che simula l’effetto di neve, vento e carichi antropici), che di depressione, con carico agente sul lato inferiore. I grafici forza-spostamento ottenuti presentano una dispersione abbastanza evidente, ma, in generale, i carichi sopportati dalle celle sono di un ordine di grandezza superiore rispetto ai valori usuali di progetto dei carichi da vento e neve per strutture in vetro. Infine, è stato testato il comportamento della cella più rigida, sotto l’azione di carichi agenti nel piano.
 

English version
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COLD-TWISTED HYBRID STEEL-GLASS CELLS
Analytical modelling, design and experimental testing

The main goal of the European Project “S+G - Innovative Steel Glass composite structures for high-performance building skins” has been the design of hybrid steel-glass curved cells, to panelize free-form transparent building facades and roofs. The cells are obtained by cold-twisting glass panels. In order to achieve large curvatures while maintaining the stress under the limit strength of the material, very thin glass panels need to be used in cold bending, with the consequent risk of buckling. This may be reduced by means of a steel frame, bonded to the glass with a structural adhesive. Three different solutions for the unitized cell(HYP&R, WING and TWIST), with different degree of complexity, have been designed.
Out-of–plane tests have been performed both with pressure setup (to simulate wind, snow, man load), with loading from the upper side, and suction setup, with loading from the lower side, to simulate the different cases of wind, on the three different cell solutions, with three different adhesives. As expected, the evaluation of the load-displacement curves exhibi ts a scattering, but, generally, values of failure loads carried by the twisted hybrid cells are approximately an order of magnitude higher than wind loads / snow loads normally used for design of glass facades and roofs. Finally, tests have been performed on the cell with the stiffest frame, to evaluate its response under in-plane loading.

L’OSPEDALE UNIVERSITARIO RE JUAN CARLOS: UN CASO STUDIO
Un’applicazione particolare di grandi staffe in alluminio fuso e vetro formato a caldo alle facciate
di
Giampiero Manara, 
Luca Tonon

La progettazione architettonica ha da sempre coinvolto lo studio di nuove soluzioni tecnologiche. Il progetto del “Hospital Universitario Rey Juan Carlos” è un esempio recente di un sistema di facciata complesso e che applica soluzioni non tradizionali. Quest’ospedale, progettato da Rafael de La-Hoz Architects, è un centro di cure mediche che è parte del sistema sanitario pubblico spagnolo e sorge a Mostóles, nei dintorni di Madrid. Il sistema di rivestimento delle due torri di questo edificio consiste in grandi staffe costruite in alluminio per getti, che supportano dei pannelli romboidali in vetro, composti da una cornice realizzata mediante profili estrusi d’alluminio e vetro curvato a caldo. L’uso dell’alluminio per getti non è frequente nelle applicazioni strutturali, poiché questo materiale può essere soggetto allo sviluppo di difetti durante la fase di produzione. Per superare questo problema ed ottenere una produzione affidabile, le normative impongono controlli rigorosi e severe limitazioni dei valori ammissibili di resistenza. Ciò nonostante, in questo progetto, questa tecnica si è dimostrata l’unica in grado di fornire un elemento di grandi dimensioni ma leggero, quindi si è reso necessario cogliere questa sfida. E’ stato scelto il metodo del getto in sabbia con una lega EN AC-42200 T6, definendo una procedura che ha permesso di tenere sotto controllo le problematiche di produzione e progettazione, secondo la norma EN 1999-1-1:2007. Essa si è sviluppata attraverso modelli agli elementi finiti tri-dimensionali di grandi dimensioni e stringenti controlli di qualità. Un’altra sfida particolare è stata rappresentata dalla forma dei pannelli in vetro. Avendo la forma di bolle sferiche protrudenti bruscamente da una superficie cilindrica ritagliata in losanghe, il controllo dello spessore ha presentato notevoli difficoltà durante la produzione, a causa delle brusche variazioni di curvatura dell’elemento vitreo, e sono state necessarie numerose prove prima di mettere a punto la procedura produttiva e raggiungere la qualità desiderata. Oltre è ciò, si è resa necessaria un’attenta analisi delle tensioni per verificare i valori di picco indotti dalle concentrazioni di sforzo legate alla repentina variazione di curvatura lungo la linea di connessione della parte sferica a quella cilindrica.

English version
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THE “HOSPITAL UNIVERSITARIO REY JUAN CARLOS” CASE STUDY
A special application of large cast aluminium brackets and hot formed glass to the facades

Architectural design has always involved studying new technological solutions. The “Hospital Universitario Rey Juan Carlos” is a recent example of complex façade system applying non-traditional solutions. This hospital, designed by Rafael de La-Hoz Architects, is a medical care establishment which is part of the Spanish public health network andit is located in Mostóles, close to Madrid. The cladding system of the two towers of this building consists of a large bracket made of cast aluminium that supports a rhomboidal panel composed by an aluminium frame and a curved hot-formed glass. The use of cast aluminium is not frequent in structural applications, because it may be prone to production defects. To overcome this problem and obtain a reliable product, the standards impose severe controls and strength limitations. Nevertheless, in this case, this technique proved to be the only one able to provide a light structural element despite its large dimensions, so we had to take this challenge. Sand casting with EN AC-42200 T6 alloy has been chosen and aprocedure has been defined that allowed governing the design and the production issues, according to the EN 1999-1-1:2007norm. This has gone through large three-dimensional finite element models and strict quality controls. Another special challenge has been represented by the glass pane shape. Being in the form of a bubble sharply protruding from a cylinder divided into lozenges, the thickness control of the glass has raised serious troubles during production, due to the very high curvature changes, and several trials have been done before reaching the wanted quality. Furthermore, an attentive stress analysis has been required, to check the stress concentrations raised by the abrupt difference of curvature along the line connecting the spherical part to the cylindrical one.

FREQUENZE PROPRIE E COMPORTAMENTO ACUSTICO DI VETRATE DI SICUREZZA IN APPLICAZIONI EDILI
di
Laura Consolini, 
Università Politecnica delle Marche, Ancona
consolini.ing.laura@gmail.com
Francesco Clementi, 
Università Politecnica delle Marche, Ancona
francesco.clementi@univpm.it
Stefano Lenci
Università Politecnica delle Marche, Ancona
lenci@univpm.it

Con l’introduzione in campo nazionale della Norma UNI 7697:2015 – Criteri di sicurezza per le applicazioni vetrarie, si è data ancora più importanza alla scelta delle vetrate stratificate di sicurezza da utilizzarsi nelle diverse e più comuni applicazioni. Il vetro, ed in particolare il vetro stratificato di sicurezza, è infatti diventato sempre più utilizzato in edilizia e architettura. Quindi esso è stato sempre più oggetto di studio per comprenderne il comportamento meccanico. In questo lavoro, i moduli elastici sono determinati tramite identificazione dinamica “Modal Testing”, cioè l’acquisizione di dati sperimentali e il loro successivo post-processing per l’identificazione di un modello matematico che descriva il comportamento dinamico della struttura. Le frequenze e gli smorzamenti modali sono stati identificati mediante il metodo “Fitting Time History” (FTH), basato sull’acquisizione di accelerogrammi ed un’ottimizzazione ai minimi quadrati tra il segnale misurato ed un’approssimazione analiticamente determinata. Si affronta anche il tema dell’isolamento acustico dei medesimi componenti vetrati, essendo la risposta vibrazionale strettamente connessa al comportamento acustico del vetro.

English version
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NATURAL FREQUENCIES AND ACOUSTICAL BEHAVIOR OF SAFETY LAMINATED GLASS WINDOWS IN CONSTRUCTION APPLICATIONS

With the introduction of the Italian Standard UNI 7697: 2015 - Safety Criteria for glass applications, the design of laminated safety glass becomes more and more important in the most common applications. The glass, and in particular the laminated safety glass, is increasingly used in construction and architectural applications. Thus, laminated glass has been progressively analyzed to understand its mechanical behavior. In this work, we use the Young modulus measured by dynamic identification techniques known as "Modal Testing", i.e. the acquisition of experimental data and the subsequent post-processing to identify a mathematical model that describes the dynamic behavior of the structure. Dynamic parameters (natural frequency and modal damping) are identified by the "Fitting Time History" (FTH) technique, that is based on a least squares fitting between the measured signal (here accelerations) and an approximation analytically determined. We also investigate the acoustic insulation of the same components, being the vibrational response strictly connected to the acoustical behavior of the glass.

LA DUTTILITA’ DELLE TRAVI IN VETRO
di
Emanuela Speranzini
Professore, Università degli Studi di Perugia - Dip. Ingegneria, Perugia
emanuela.speranzini@unipg.it

La fragilità, la bassa tenacità, l’elevata dispersione della sua resistenza a trazione, la rottura anche per bassi stati tensionali, rendono difficoltoso l’impiego del vetro nelle applicazioni strutturali, rese possibili solo dalle innovazioni tecnologiche degli ultimi decenni. L’accoppiamento del vetro ad altri materiali resistenti a trazione, in grado di aumentarne la capacità portante, ridurre le implicazioni dovute ad improvvise rotture e garantire una resistenza residua dopo il raggiungimento del limite elastico del vetro, è una delle tecnologie più studiate per la realizzazione di travi. Questo articolo espone le potenzialità e le peculiarità strutturali di siffatte travi, ottenute dall’accoppiamento del vetro con acciaio, fibra d’acciaio e pultrusi in fibra di vetro. Il rinforzo contribuisce ad incrementare la capacità portante del vetro, garantisce una resistenza residua post-rottura che riduce le problematiche legate all’improvvisa fessurazione e permette di ottenere, a livello di struttura, quella duttilità mancante a livello di materiale.

English version
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THE DUCTILITY OF GLASS BEAMS

The fragility, the low toughness, the high dispersion of its tensile strength, the cracks even for low stresses, make difficult the use of glass in structural applications. This has been made possible only by technological innovations of recent years. One of the technologies developed for the realization of beams is the coupling of glass with tensile resistant materials which can increase the load-bearing capacity, reduce the implications caused by sudden breakages and guarantee a residual stress after reaching the tensile strength of the glass. Therefore, in this paper, structural features and potentiality of beams obtained by coupling the glass with steel profile, steel fibres and fiberglass pultruded profile are shown. The reinforcement helps to increase the glass load-bearing capacity, ensures a post-breaking residual strength that reduces sudden cracking issues and lets get some structural ductility though the materials are fragile.