Progettazione, ingegneria e sperimentazione sperimentale di colonne tubolari in vetro

Data: 7 luglio 2022

Questa ricerca ruota attorno alla progettazione, fabbricazione e sperimentazione di colonne tubolari di vetro, con particolare attenzione alla loro ridondanza e ai meccanismi di sicurezza antincendio; inoltre, affrontando aspetti quali: la forma della colonna; pulizia e manutenzione; connessioni finali; tolleranze geometriche del vetro e smontabilità. Inizialmente vengono sviluppati e progettati due progetti alternativi di colonne circolari cave (tubi) per affrontare questi aspetti, vale a dire: MLA (Multi Layered with Air) e SLW (Single Layered with water). In entrambi i concetti la struttura portante principale è costituita da due tubi concentrici di vetro laminato.

Pertanto, al fine di esplorare le sfide produttive e il potenziale strutturale di questi concetti, il lavoro di prototipazione e sperimentale si concentra su sei campioni lunghi 300 mm con diametro esterno 115 mm che vengono laminati e inseriti in connessioni terminali in acciaio personalizzate e progettate. Particolare attenzione in termini di produzione è rivolta al processo di laminazione e alla relativa formazione di bolle, alla possibile frattura del vetro dovuta a sollecitazioni interne di polimerizzazione della resina e all'interfaccia tra il tubo di vetro e le connessioni terminali in acciaio. Tutti i campioni sono laminati con il componente Ködistruct LG 2-PU.

Tre campioni vengono assemblati utilizzando vetro DURAN® (ricotto) e gli altri tre utilizzano vetro DURATAN® (indurito termicamente). Successivamente i sei campioni vengono testati in compressione fino al fallimento per indagare il comportamento del materiale intercalare, il comportamento post-frattura dei disegni, le differenze tra campioni ricotti e induriti termicamente, la capacità dei tubi di vetro e le prestazioni di le connessioni finali. Le crepe iniziali sono apparse tra 95-160 kN (resistenza alla compressione di 30-50 MPa) nei campioni DURAN® e tra 120-160 kN (resistenza alla compressione di 37-50 MPa) nei campioni DURANATAN®.

Tali carichi sono inferiori a quelli stimati dai calcoli; nello specifico le prime fessurazioni si sono verificate al 34-64% del carico calcolato. Ciononostante, i campioni sono risultati robusti, con una notevole capacità di carico oltre le prime crepe, portando ad una capacità di resistenza alla compressione nominale massima fino a 152 MPa per i campioni DURATAN® e fino a 233 MPa per i campioni DURAN® .

1.1. Introduzione al problema

L'elevata resistenza alla compressione del vetro lo rende ideale per elementi compressivi come le colonne. Le colonne in vetro sono un'applicazione particolarmente promettente, perché la loro trasparenza consente anche la continuità dello spazio e una migliore penetrazione della luce diurna negli spazi interni. Tuttavia, sono stati applicati raramente nella pratica, a causa di molteplici ragioni, vale a dire: mancanza di dati sufficienti sulla resistenza e linee guida per la costruzione, variabili incerte, costi, complicazioni con la produzione, scarsa resistenza al fuoco, bassa resistenza alla trazione e la natura fragile e spontanea del vetro. fallimento (Kalamar et al. 2016) (Oikonomopoulou et al. 2017).

Secondo Nijsse e Ten Brincke (2014), esistono cinque tipi di colonne interamente in vetro: profilate, tubolari stratificate, raggruppate, colate e impilate. Oikonomopoulou et al. (2017) presenta un'ampia panoramica del lavoro sperimentale condotto finora sui diversi tipi di colonne interamente in vetro e afferma che, attualmente, l'unica colonna in vetro strutturale autoportante applicata negli edifici, è la colonna in vetro profilato con croce cruciforme -sezione. Tuttavia, una colonna chiusa, tubolare e profilata presenta una resistenza alla deformazione (torsionale) notevolmente migliore; inoltre, per la mancanza di angoli e spigoli è meno suscettibile agli urti accidentali (Eekhout 2019) e può essere percepito visivamente come meno invadente.

Sebbene siano state condotte alcune ricerche sperimentali sui tubi di vetro da Achenbach e Jung (2003), Doenitz et al. (2003) e Overend et al. (2005), non esistono ancora metodi di produzione ben consolidati con relativi metodi di controllo e calcolo per questo tipo di colonne di vetro dalla forma efficiente. Nonostante la mancanza di esempi esistenti di colonne in tubo di vetro, i tubi di vetro sono stati precedentemente applicati strutturalmente in strutture tensegrali (Achenbach e Jung 2003), nella facciata dell'atrio del Tower Place a Londra (Doenitz et al. 2003) e in una trave reticolare con cerniera che dimostra tensione e compressione mediante l'illuminazione dei colori nei tubi di vetro (Glass & Swinging Structures bv. 2021).