Verifica di pannelli in vetro in copertura

Guida all'uso e al metodo di calcolo  |  CNR-DT 210/2013 – NTC 2018  |  v1.0
1. Cosa fa e cosa non fa
2. Geometria e schema statico
3. Stratigrafia e spessori efficaci
4. Modulo di taglio dell'intercalare
5. Azioni e durate
6. Combinazioni
7. Resistenza di progetto
8. Coefficienti di piastra
9. Verifiche di deformabilità
10. Fase post-rottura
11. Carichi concentrati
12. Validazione e limiti noti
13. Riferimenti

1. Cosa fa e cosa non fa

Il tool verifica un pannello in vetro monolitico o stratificato posto in copertura, sotto peso proprio, permanenti portati, neve, carico variabile di categoria H e vento. Calcola tensioni e frecce, le confronta con la resistenza di progetto e con i limiti di deformabilità, ed esegue le verifiche in fase fessurata.

Non esegue:

Il tool è un ausilio al calcolo del progettista, non un riferimento autonomo. Le NTC 2018 §10.2 richiedono che il software di calcolo strutturale sia validato e che il professionista verifichi i risultati. Il §12 riporta lo stato della validazione e i punti ancora aperti.

2. Geometria e schema statico

Il pannello è rettangolare, di lati a (minore) e b (maggiore), inclinato di α sull'orizzontale. Sono previsti due schemi:

Se si inserisce a > b i due lati vengono scambiati e, nello schema a due lati, viene scambiato coerentemente anche il lato di appoggio: la luce che si ottiene resta quella voluta. Lo schema è rappresentato nel disegno, con il tratto nero sui bordi appoggiati e il tratteggio grigio su quelli liberi.

Componenti delle azioni

Neve e carico di categoria H sono riferiti alla proiezione orizzontale, quindi la componente normale al pannello vale Q·cos²α; i permanenti danno G·cosα; il vento è già normale al piano.

La componente di peso proprio nel piano della falda, g·sinα, non produce flessione: la tensione di membrana che ne deriva è dell'ordine dei centesimi di MPa, trascurabile rispetto a quella flessionale. Viene comunque riportata in relazione, con la forza per metro che scarica sui vincoli, perché serve al progetto di appoggi e ritegni.

3. Stratigrafia e spessori efficaci

Si definiscono fino a 4 lastre, ciascuna con spessore e tipo (ricotto, indurito, temprato), separate da intercalari. Le lastre di uno stratificato collaborano solo in parte: il grado di collaborazione dipende dalla rigidezza a taglio dell'intercalare, che a sua volta dipende da durata del carico e temperatura. Si adotta il concetto di spessore efficace: lo spessore di una lastra monolitica che, sotto quel carico e quella durata, si comporta come il pacchetto stratificato.

Ne esistono due, diversi fra loro:

Metodi disponibili

ModelloDescrizione
Wolfel-BennisonFormulazione approssimata basata su un coefficiente empirico β. Valida per 2 lastre.
EETEnhanced Effective Thickness (Galuppi & Royer-Carfagni), metodo adottato dal CNR. Deriva da una minimizzazione energetica e si estende a 3 e N lastre. Distingue il comportamento a trave da quello a piastra.
lastre non collaborantiLimite inferiore cautelativo: ogni lastra lavora per sé.
monoliticoLimite superiore, collaborazione totale. Non cautelativo: usare solo con intercalari molto rigidi e carichi di breve durata.
Nonostante i due coefficienti abbiano valori molto diversi (η dell'EET e γ di Wolfel non sono confrontabili fra loro), gli spessori efficaci che ne risultano coincidono entro lo 0,4 % su tutto il campo pratico di G. La differenza pratica fra i due metodi sta nel fatto che l'EET tratta anche gli stratificati con più di due lastre, che con Wolfel ricadono sul limite non collaborante.

Coefficiente Ψ

Il metodo EET richiede il coefficiente Ψ, che dipende dallo schema di carico e vincolo. Il tool implementa gli schemi delle tabelle del CNR per travi (appoggio-appoggio con vari carichi, incastri, mensole, trave continua) e per piastre (appoggio sui 4 lati, su 2 lati, incastro su un lato). Va scelto lo schema corrispondente alla situazione reale: la scelta pesa, perché passando da appoggio semplice a incastro-incastro lo spessore efficace può variare di alcuni millimetri.

4. Modulo di taglio dell'intercalare

Il modulo di taglio G,int deve essere fornito dall'utente. Il tool non lo assume: se lasciato a zero il calcolo procede con lastre non collaboranti, che è il limite inferiore cautelativo ma non rappresenta uno stratificato reale.

Il valore va desunto dalla scheda tecnica del produttore del prodotto effettivamente impiegato, in funzione di durata del carico e temperatura di esercizio. Varia di ordini di grandezza fra una condizione e l'altra e anche fra prodotti della stessa famiglia, per cui non esiste un valore di riferimento generale.

Valori citati negli esempi del CNR

A puro titolo di ordine di grandezza, e con l'indicazione della provenienza:

ValoreCondizioneProvenienza
0,052 MPaT = 20 °C, carico permanente valore da produttore citato negli esempi CNR-DT 210
0,44 MPat = 3 s, T = 50 °C esempi CNR-DT 210
0,5 MPasilicone strutturale G del silicone, esempi CNR-DT 210
1,50 MPaintercalare ionoplastico ricavato dall'esempio §8.3 del CNR (calibrazione su η = 0,6914)
Questi valori non sono una tabella di progetto: sono i pochi numeri citati nel documento, in condizioni specifiche. Usarli fuori da quelle condizioni non è corretto.

Temperatura di riferimento

Il tool consente di indicare una temperatura per ciascuna azione, che viene riportata in relazione accanto al G adottato. Non entra nel calcolo (G è fornito direttamente), ma documenta la scelta. Il CNR negli esempi adotta temperature diverse per azione: il carico neve agisce a temperature basse, mentre il carico antropico può sussistere anche a temperature elevate, cui corrisponde una rigidezza dell'intercalare molto minore.

5. Azioni e durate

La resistenza del vetro dipende dalla durata del carico attraverso il coefficiente k,mod, per il fenomeno della fatica statica. Il CNR fornisce le durate convenzionali — che sono tempi equivalenti all'integrale dello spettro di carico, non durate fisiche — e l'espressione

k,mod = 0,585 · t^(-1/16)      con t in ore

Durate adottate per default dal tool:

AzioneDuratak,mod
peso proprio e permanenti50 anni0,26
neve3 mesi0,36
manutenzione (cat. H)30 s0,79
vento, raffica di picco5 s0,88
vento, medio su 10 minuti15 min0,64

Il campo k_mod_azione consente di imporre valori diversi, ad esempio per adottare i valori della prEN 16612, che sono sistematicamente meno cautelativi di quelli ricavati dalla meccanica della frattura adottati dal CNR.

Le due azioni del vento

Il CNR distingue la raffica di picco (media su 3 s, durata convenzionale 5 s) dal vento medio su 10 minuti (durata convenzionale 15 min). La seconda ha pressione minore ma k,mod più basso, quindi non è noto a priori quale governi. Il tool consente di verificare l'una, l'altra o entrambe.

6. Combinazioni

Si generano le combinazioni SLU e SLE secondo le NTC 2018, con neve, vento (in pressione e in depressione) e categoria H alternativamente dominanti. La depressione è combinata con permanenti favorevoli.

Azioni di durata diversa nella stessa combinazione

Una combinazione contiene azioni con k,mod e spessori efficaci diversi. Il tool applica due criteri e adotta il più severo:

  1. azione dominante: tutte le tensioni valutate con il k,mod dell'azione di durata minore fra quelle presenti;
  2. cumulativo: somma dei rapporti σj / f,g,d,j ≤ 1, ciascuno con il proprio k,mod e il proprio spessore efficace.

In relazione è indicato quale dei due governa. Nella pratica il criterio cumulativo risulta spesso il più severo.

7. Resistenza di progetto

f,g,d = k,mod · k,ed · k,sf · λ,gA · λ,gl · f,g,k / (R,M · γ,M)
      + k',ed · k,v · (f,b,k − f,g,k) / (R,M;v · γ,M;v)

Il primo termine riguarda il vetro ricotto, il secondo l'incremento dovuto alla presollecitazione. Nel secondo termine non compaiono k,mod né λ,gA: la precompressione non è soggetta né a fatica statica né a effetto scala.

Per il vetro temprato sotto carichi permanenti il secondo termine vale oltre il 90 % della resistenza di progetto. Il coefficiente k,v è quindi il parametro più sensibile dell'intera verifica.

I coefficienti

8. Coefficienti di piastra

Per l'appoggio sui 4 lati sono disponibili due metodi:

Sulle lastre grandi la differenza è sensibile: su un pannello 3000×4000 mm in vetro 12+12 la freccia passa da circa 32 mm (lineare) a circa 14 mm (con effetto membrana).

Per l'appoggio su 2 lati si adotta la striscia in flessione cilindrica, in analisi lineare.

9. Verifiche di deformabilità

Per vetro singolo con vincolo lineare i limiti dipendono dallo schema:

VincoloLimitePunto di controllo
appoggio sui 4 latiL,min/60 e < 30 mmcentro lastra
appoggio su 2 latiL,inf/100 e < 50 mmbordo libero

Lasciando i due campi a zero i limiti sono assunti automaticamente in funzione dello schema; assegnando un valore lo si impone. Per le vetrate isolanti la norma prescrive limiti più severi, caso non trattato dal tool.

10. Fase post-rottura

Per le coperture la verifica in fase fessurata è di norma richiesta: la rottura di una lastra non deve comportare la caduta dell'elemento. Il tool esamina automaticamente gli scenari di rottura di ciascuna lastra, delle due esterne e di tutte.

Ipotesi adottate

La verifica post-rottura svolta è un modello di riferimento. La normativa richiede che il comportamento del pacchetto fessurato sia comprovato per via sperimentale, con prova di carico sul campione rotto. Lo scenario con tutte le lastre rotte, in particolare, adotta un modello a membrana fortemente semplificato e per default non entra nel coefficiente di sicurezza globale.

Controlli tipologici automatici: vetro monolitico in copertura, lastra inferiore temprata (che non garantisce la ritenzione dei frammenti), pacchetto interamente temprato, pendenza inferiore a 5°.

11. Carichi concentrati

Il CNR osserva che in presenza di carichi concentrati il metodo degli spessori efficaci può portare a risultati non accurati, e risolve questi casi con modellazione agli Elementi Finiti. Il tool non esegue la verifica al concentrato.

Attivando la casella corrispondente, la relazione riporta i dati per impostare il modello FEM: modulo elastico, coefficiente di Poisson, peso specifico e — per ciascuna durata di azione — lo spessore equivalente per la rigidezza e quello per le tensioni di ciascuna lastra, con il criterio d'uso.

12. Validazione e limiti noti

Validato: la resistenza di progetto è stata confrontata con l'esempio svolto del CNR relativo a una copertura vincolata su due lati soggetta a neve e manutenzione. Tutte le resistenze delle due lastre, per le tre condizioni di carico, sono riprodotte con scarto massimo di 0,004 MPa. Il file di esempio è distribuito col tool e può essere aperto e stampato per documentare la validazione.

Verificati inoltre per via numerica: i coefficienti di piastra del CNR su tutti i valori tabellari; il coefficiente η del metodo EET, con due formulazioni indipendenti che coincidono; i coefficienti Ψ per travi e piastre, con riscontri incrociati fra le due tabelle; l'espressione di k,mod su tutte le durate tabellate.

Limiti noti

13. Riferimenti

Questa guida descrive il metodo di calcolo e non sostituisce il testo normativo. I prospetti e le tabelle delle norme non sono qui riprodotti: per i valori occorre fare riferimento ai documenti originali.