Se un tempo, le superfici, destinate a far penetrare la necessaria quantità di luce all’interno degli edifici costituivano solo una piccola parte dell’involucro, oggi la continuità delle superfici vetrate e lo sviluppo delle strutture miste vetro acciaio ha subito negli ultimi anni una accelerazione enorme. La richiesta sempre maggiore di “alleggerire” l’involucro architettonico aumentandone la “trasparenza”, ha fatto sì che il vetro assumesse sempre di più precise funzioni strutturali di collaborazione con l’acciaio. La perfetta simbiosi meccanica tra questi due materiali così diversi ha inizialmente consentito la realizzazione d’impressionanti facciate sospese evolvendosi poi verso elementi strutturali importanti come travi e pilastri a sostegno di coperture, passerelle e scale.
Fra le proprietà fisiche del vetro, la trasparenza è senz’altro la più importante: essa è lo scopo principale del suo utilizzo in edilizia conferendo agli elementi in vetro specifiche qualità architettoniche. Il vetro ha poi un’elevata durezza, nell’ordine di circa 6 nella scala di Mohs (resistenza alla scalfittura) e compresa tra 400 e 500 in quella di Knoop, tuttavia può essere scalfito da diversi materiali.
Nel suo uso strutturale il vetro è da considerare come materiale con comportamento elastico lineare, che quindi non manifesta deformazione residua e non è in grado di ridistribuire plasticamente le tensioni. Il vetro risulta sensibile alla presenza di imperfezioni, quali microfratture ed inclusioni. Al fine di rimediare a queste caratteristiche esistono procedimenti come la tempra in modo da fornire al vetro uno stato di precompressione superficiale che conferisce maggiore resistenza. Il vetro temprato è ottenuto raffreddando lentamente la miscela vetruosa fusa, successivamente viene riscaldata fino al punto di rammollimento in modo che la lastra di vetro dopo essere tornata a temperatura ambiente, risulti fino a due o tre volte più resistente. Il vetro così trattato presenta quindi uno stato di trazione all’interno della lastra e una forte compressione sulle superfici, da cui deriva la maggior resistenza.
Altra tecnica per migliorare la resistenza è il vetro indurito, ottenuto con un trattamento termico simile a quello dei vetri temprati; fondamentalmente la differenza consiste in una minore temperatura di riscaldamento del vetro e in un raffreddamento più lento, eseguito sempre mediante getti d’aria, ma molto meno potenti. La tensione di compressione che si genera sulla superficie è minore rispetto a quella di un vetro temprato, quindi si hanno inferiori resistenze a trazione, circa 80 N/mm2, comunque quasi doppia rispetto a quella di un normale vetro. Nell’intento di rimediare alla tipica fragilità del vetro, oltre ai processi di rafforzamento sopracitati, va evidenziato anche il ricorso al multistrato, capace di garantire una resistenza meccanica significativa per le possibilità architettoniche del vetro, proprio nel caso delle facciate strutturali e degli elementi portanti di molte strutture contemporanee interamente vetrate.
Tra le principali applicazioni del vetro in architettura come non citare le facciate vetrate, con geometrie e superfici più o meno estese. Nei sistemi di facciata è possibile distinguere quattro elementi funzionali essenziali:
- l’elemento base, ovvero la semplice lastra di vetro o il vetrocamera;
- la struttura portante, ovvero la struttura sulla quale vengono fissate le lastre di vetro e gli altri elementi della vetrata, e alla quale vengono trasmessi tutti i carichi;
- il fissaggio, ovvero il sistema che consente la trasmissione dei carichi dalla lastra all’ossatura principale;
- il giunto, ovvero l’insieme di quegli elementi di correlazione e tenuta
Le diverse tipologie di facciate strutturali in vetro-acciaio realizzate negli ultimi anni si possono suddividere fondamentalmente in due grossi gruppi in base alle condizione di posa delle lastre di vetro: facciate a “lastre indipendenti” o facciate a lastre “dipendenti”. Le prime consentono la realizzazione di ampie superfici in cui ogni lastra viene agganciata alla struttura portante mediante appositi sistemi di fissaggio che assorbono i carichi dovuti al peso proprio e alle sollecitazioni esterne. Questi sistemi sono studiati in modo che, in caso di rottura di una delle lastre, non si abbia alcune conseguenza rilevante sull’intera integrità della struttura globale. Dal punto di vista statico le lastre, oltre al peso proprio che però agisce nel piano della lastra stessa, devono sostenere la pressione del vento. Il pannello vetrato si comporta così come una piastra, ma, a causa dei fori praticati per alloggiare gli elementi di ancoraggio, il carico ultimo di collasso risulta fortemente influenzato dalla distanza del foro dall’estremità della lastra. Tutto ciò è risolvibile grazie l’installazione di giunti particolari denominati “rotulle” che grazie ad un nodo sferico posizionato sulla lastra consentono alla lastra di deformasi liberamente in presenza di vento.
La copertura vetrata viene spesso prevista all’interno di un progetto con lo scopo di conferire particolare enfasi ad opere architettoniche di grande rilevanza. Il problema strutturale principale è dato della resistenza della singola lastra (soggetta ai carichi di vento, neve e di calpestio) a quello della stabilità e deformabilità dell’insieme. In queste strutture estremamente sottili, con curvatura semplice o con luce molto ampia, l’unico modo per risolvere questi problemi di stabilità è con l’inserimento di componenti aggiuntivi come cavi o controventature.
Con le lastre di vetro è anche possibile realizzare pilastri a patto di realizzare alle estremità vincoli che assicurino la completa assenza di momenti flettenti. Sebbene il vetro abbia una buona resistenza a compressione, bisogna garantire che non avvengano rotture causate dalle sollecitazioni a flessione, a tal fine, in fase di progettazione, è buona cosa studiare una struttura, che in caso di rottura di un singolo elemento, essa possa resistere tranquillamente ai normali carichi cui è sottoposta, per il breve periodo necessario alla sostituzione o riparazione dell’elemento danneggiato. È possibile realizzare sistemi pilastro costituiti da più elementi, che possono essere uniti o rimanere separati come pilastri a sezione aperta oppure a croce con basamento.
Per quanto riguarda la realizzazione di travi in vetro la flessione intorno all’asse forte implica una sollecitazione di trazione lungo il bordo inferiore, per migliorare la resistenza a trazione i progettisti preferiscono solitamente il vetro temperato i cui bordi sono rifiniti prima della tempra.
