La progettazione strutturale di elementi in vetro deve essere effettuata con la consapevolezza del progettista che il vetro si può rompere.
Proprio da tale consapevolezza nasce il problema di evitare che il vetro, una volta rotto, posso compromettere la sicurezza dell’utente o provocare danni. Questo tipo di “rottura protetta” è conosciuta con il termine anglosassone “fail safe”.
Ai fini del comportamento strutturale, il comportamento fragile del vetro e la dispersione dei valori delle caratteristiche di resistenza, devono essere superati mediante l’applicazione dei concetti di gerarchia, robustezza e ridondanza.
GERARCHIA STRUTTURALE E CLASSI DI CONSEGUENZA
Gli elementi di vetro costituiscono in genere parti localizzate dell’opera (travi, parapetti, solai, scale, etc.) la cui crisi può avere conseguenze più o meno gravi ed, in generale, non è quasi mai associata alla crisi dell’intera opera.
Ai sensi della EN1990, sulla base delle possibili conseguenze dovute alla crisi degli elementi strutturali in termini economici, sociali, ambientali e perdita di vite umane, gli elementi di vetro usati nelle opere di costruzione possono essere distinti in classi di conseguenze:
CC0: prodotti da costruzione non strutturali. A seguito della loro crisi, si prevedono conseguenze molto limitate in termini economici, sociali, ambientali e perdita di vite umane.
CC1: elementi strutturali in seguito alla cui crisi si prevedono conseguenze limitate per la perdita di vite umane e conseguenze modeste o trascurabili in termini economici, sociali o ambientali. Fanno parte di questa categoria le strutture degli edifici dove le persone sono presenti solo occasionalmente e, per estensione, quegli elementi in vetro la cui crisi strutturale comporta scarse conseguenze.
CC2: elementi strutturali in seguito alla cui crisi si prevedono conseguenze medie per perdita di vite umane, conseguenze considerevoli in termini economici, sociali o ambientali. Esempi di strutture ricadenti in questa classe sono quelle degli edifici residenziali e per uffici. Per estensione, tutti quegli elementi strutturali la cui crisi comporta conseguenze di livello medio.
CC3: elementi strutturali in seguito alla cui crisi si prevedono conseguenze alte per perdita di vite umane, conseguenze importanti in termini economici, sociali o ambientali. Ricadono in questa categoria, ad esempio, le strutture di edifici pubblici, palchi e tribune coperte, dove le conseguenze della crisi posso essere elevate (sale da concerto, centri commerciali con grande affollamento etc.). Per estensione, tutti quegli elementi strutturali di vetro la cui crisi comporta conseguenze di livello elevato.
In genere, non è possibile associare in maniera univoca a ciascuna categoria strutturale (travi, solai, coperture) una determinata classe di conseguenze. Ad esempio, un parapetto in vetro il cui collasso non comporti rischi di cadute nel vuoto (perché posto ad altezza nulla o perché protetto da adeguata struttura metallica di protezione) è da considerarsi in classe 0; un parapetto analogo posto a grande altezza con pericolo di caduta, dovrà essere considerato in classe 1 o in classe 2, a seconda dell’uso e delle possibili conseguenze a seguito della crisi.
Inoltre, la scelta della classe dell’elemento strutturale dipende anche dal tipo di verifica. Per le verifiche pre-rottura, il tempo di ritorno caratteristico delle azioni è quello relativo alla vita utile di progetto della struttura. Nelle verifiche post-rottura si deve tener conto che l’elemento danneggiato resta in opera per un periodo di tempo ridotto, pari a quello necessario per la sua sostituzione. Pertanto, anche il periodo di ritorno delle azioni va ridotto in accordo.
Pertanto, per le verifiche post-rottura, si fa riferimento ad una vita nominale convenzionalmente assunta pari a 10 anni per elementi di prima e seconda classe, pari a quella della strutture temporanee.
In aggiunta, si suppone che la rottura di un elemento strutturale preveda contromisure immediate, quali puntellatura o protezione con isolamento dell’area di competenza.
In definitiva, lo stesso elemento strutturale può essere declassato passando dalle verifiche pre-rottura a quelle post-rottura.
Un riferimento di massima è fornito dalla CNR-DT 210/2013, in cui si riporta la classificazione degli elementi strutturali di vetro a seconda delle condizioni di impiego.
Per elementi ricadenti in classe di conseguenza 3 (ad esempio pilastri in vetro che sostengono orizzontamenti), per la verifica pre-rottura si dovranno eseguire studi specifici mediante metodi che presuppongono una valutazione diretta della probabilità di collasso sulla base delle distribuzioni statistiche delle azioni agenti sulla struttura e delle resistenze dei materiali. Nelle verifiche post- rottura si dovranno considerare le medesime azioni utilizzate per le verifiche pre-rottura, senza diminuirne il periodo di ritorno.
ROBUSTEZZA STRUTTURALE
La robustezza strutturale indica la capacità di un elemento o di una parte strutturale di evitare danni sproporzionati come conseguenza di danni locali dovuti ad azioni accidentali o rotture spontanee.
La robustezza strutturale può essere ottenuta mediante opportune scelte progettuali:
Evitando, eliminando o riducendo i rischi ai quali la struttura può essere soggetta;
Adottando una soluzione che abbia una bassa sensibilità ai rischi considerati;
Progettando un sistema strutturale che possa sopportare in sicurezza la rottura accidentale di un elemento strutturale (una pinna di facciata, una trave portante in un impalcato) o il verificarsi di un danno localizzato nell’elemento stesso (la rottura di una lastra in un elemento stratificato).
RIDONDANZA STRUTTURALE
La ridondanza strutturale rappresenta la capacità della struttura di ridistribuire lo stato di sforzo tra elementi strutturali che la compongono, in modo tale che il collasso di un elemento o di una parte limitata della struttura non provochi il collasso globale.
È importante osservare che nelle strutture in vetro, la tenacità del materiale è scarsa e quindi, una volta innescate, le fratture propagano istantaneamente o possono innescarsi spontaneamente per la presenza di microdifetti.
La ridondanza di sezione può essere ottenuta ad esempio nei vetri stratificati, dove si possono prevedere lastre aggiuntive rispetto a quelle necessarie a sopportare le azioni di progetto, piuttosto che aumentare lo spessore rispetto a quello minimo di progetto. La presenza della lastra sacrificale, in caso di rottura, non pregiudica la capacità portante dell’elemento vetrato, in quanto le lastre superstiti sono in grado di sopportare, in tutto o in parte, i carichi di progetto.
La ridondanza strutturale può inoltre essere ottenuta a livello globale di sistema prevedendo che, a seguito della rottura di un elemento o di una parte, i carichi vengano trasferiti mediante meccanismi alternativi a quello di progetto.