Frattura dipendente dalla velocità del vetro monolitico e stratificato: esperimenti e simulazioni

Data: 23 novembre 2022

Autori: Karoline Osnes, Odd Sture Hopperstad e Tore Børvik

Fonte: Strutture di Ingegneria, Volume 212, 1 giugno 2020 | https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110516

Il vetro è un materiale fragile noto per possedere un'ampia dispersione nella sua resistenza alla frattura, causata dall'esistenza di microscopici difetti superficiali. La frattura del vetro generalmente ha origine dalle concentrazioni di stress attorno a questi difetti, che fanno sì che la resistenza alla frattura dipenda dalle proprietà del difetto e dallo stato di stress sulla superficie del vetro. Si segnala inoltre che la resistenza alla frattura aumenta con la velocità di carico. Il presente studio mira a determinare la resistenza alla frattura probabilistica delle lastre di vetro esposte a carichi e velocità di carico arbitrari mediante un modello di previsione della resistenza dipendente dalla velocità (SPM) proposto.

L'SPM si basa sull'esistenza di microscopici difetti superficiali ed esegue esperimenti virtuali su lastre di vetro attraverso simulazioni Monte Carlo. Per convalidare in una certa misura l'SPM, abbiamo eseguito test di punzonatura quasi statici e test di impatto a bassa velocità su vetro monolitico e laminato. Il lavoro sperimentale ha chiaramente dimostrato la resistenza stocastica alla frattura del vetro, oltre alla dipendenza dal tasso di carico. L'SPM è riuscito a catturare molte delle tendenze osservate negli esperimenti, come l'aumento della resistenza alla frattura con la velocità di carico e le posizioni di inizio della frattura nel vetro.

L’uso del vetro negli edifici è aumentato notevolmente negli ultimi decenni. Tradizionalmente, il vetro è stato utilizzato solo come componente di una finestra all'interno di un telaio portante, ma nei progetti moderni, il vetro viene spesso utilizzato per elementi portanti, come tetti, travi, colonne e pavimenti [1], [2] . Questo sviluppo ha introdotto nuove sfide nel processo di progettazione strutturale e richiede una migliore comprensione della capacità di carico del vetro. Inoltre, se la struttura deve resistere a carichi estremi, come un'esplosione o un impatto, la natura dipendente dalla velocità della frattura del vetro complicherà ulteriormente il processo di progettazione. Il vetro laminato viene spesso utilizzato al posto del vetro monolitico quando sono necessarie capacità e sicurezza aggiuntive. Il vetro laminato è costituito da due o più lastre di vetro legate insieme da uno strato intermedio polimerico ed è in grado di mantenere una certa integrità strutturale anche dopo la rottura del vetro [3], [4], [5].

Il vetro è un materiale fragile noto per possedere un comportamento di frattura altamente stocastico causato dalla presenza di microscopici difetti superficiali [6]. La frattura generalmente inizia in questi difetti sotto carico di trazione e la resistenza alla frattura del vetro dipende quindi dalle proprietà del difetto e dalle sollecitazioni applicate. Di conseguenza, la probabilità di rottura del vetro dipende dalla geometria, dalle condizioni al contorno e dalla storia dei carichi. La frattura del vetro ha origine da un'amplificazione delle sollecitazioni attorno ai difetti superficiali, provocando la crescita instabile dei difetti [7].

Tuttavia, gli studi hanno anche dimostrato che i difetti superficiali possono crescere lentamente e costantemente sotto carichi di trazione prima che si verifichi un cedimento improvviso. Questo fenomeno è noto come tensocorrosione o fatica statica ed è causato da una reazione chimica tra il vetro (sulla punta del difetto) e il vapore acqueo nell'ambiente [8]. È noto anche che la tensocorrosione causa una dipendenza dalla velocità di carico della resistenza alla frattura del vetro e può ridurre significativamente la resistenza alla frattura in caso di carico a lungo termine.

Charles [9] ha proposto un modello fenomenologico che mette in relazione lo stress di frattura e il tempo di frattura per bacchette di vetro sodico-calcico-silice sotto carico di trazione quasi statico, e ha successivamente dimostrato che il modello potrebbe essere applicato anche per carichi dinamici [10]. In questi test, Charles ha utilizzato velocità di carico fino a 13 mm/min. Ritter [11] ha successivamente dimostrato che il modello di Charles prevedeva correttamente la dipendenza dalla velocità della resistenza alla frattura per test simili eseguiti con velocità di carico fino a 50 mm/min. Chandan et al. [12] hanno scoperto che la relazione derivata da Charles potrebbe descrivere il tasso di aumento dello stress da frattura nelle prove di flessione con tassi di stress che vanno da 10⁻¹ MPa/s a 10⁷ MPa/s. Studi più recenti hanno anche dimostrato la dipendenza dalla velocità di carico della resistenza alla frattura del vetro.