Valutazione del danno nel vetro stratificato mediante analisi modale

Gli impatti ripetuti possono ridurre la rigidezza residua e le prestazioni meccaniche del vetro stratificato fratturato, rendendo essenziale una valutazione affidabile post-rottura per garantire la sicurezza strutturale. Questo studio analizza il vetro stratificato con fessure passanti sottoposto a impatti ripetuti da corpo duro e ad analisi modale sperimentale. Le variazioni della frequenza fondamentale di vibrazione rivelano l'evoluzione del danno e dimostrano il potenziale del monitoraggio basato sulle vibrazioni per la stima della rigidezza residua e del degrado strutturale.

Valutazione del danno nel vetro stratificato fessurato

La valutazione delle prestazioni post-rottura del vetro stratificato (LG) fratturato rappresenta una sfida complessa, poiché il danno può evolvere in modi differenti a seconda della configurazione della lastra e delle proprietà dell'intercalare. Questo studio analizza il comportamento dinamico di provini in scala ridotta di LG con fessure passanti, composti da due lastre di vetro ricotto unite mediante diversi intercalari.

I provini sono stati testati secondo uno schema di flessione su tre punti e sottoposti a 10 impatti ripetuti da corpo duro. Sono state eseguite analisi modali sperimentali mediante prove con martello mobile (roving hammer test) prima del primo impatto e dopo ciascun impatto successivo, al fine di valutare le variazioni della rigidezza flessionale residua con il progredire del danno. La frequenza fondamentale di vibrazione è stata utilizzata come principale parametro diagnostico, evidenziando schemi di degrado nettamente distinti tra le configurazioni analizzate.

Comprendere il comportamento post-rottura del vetro stratificato è fondamentale per la sicurezza strutturale, poiché la sua capacità meccanica residua può variare in modo significativo con l'evolvere del danno [1,2]. Quantificare in che modo tale capacità si modifichi all'aumentare della gravità del danno fornisce quindi informazioni preziose per stimare le prestazioni strutturali residue degli elementi in vetro fessurati [3].

Lo studio sperimentale, condotto presso Università di Trieste, si è concentrato su provini di vetro stratificato pre-fessurati in scala ridotta e ha avuto come obiettivo la caratterizzazione dinamica delle variazioni della loro capacità meccanica residua [4]. Combinando impatti ripetuti da corpo duro con l'analisi modale sperimentale, l'indagine ha monitorato la propagazione del danno e la diminuzione di rigidezza nel corso dei successivi cicli di impatto.

Le variazioni della frequenza fondamentale di vibrazione sono state impiegate come indicatore chiave del degrado strutturale, poiché i mutamenti di frequenza riflettono i cambiamenti nelle proprietà meccaniche e nella rigidezza dei campioni testati.

Impatti ripetuti e prove modali sul vetro stratificato

L'indagine sperimentale riportata in [4] ha compreso una serie di impatti a bassa velocità da corpo duro su provini di LG in una configurazione di flessione su tre punti, alternati a prove con martello battitore mobile (roving hammer) per la caratterizzazione dinamica. La Tabella 1 e la Figura 1 riassumono le caratteristiche principali dei provini esaminati.

Con il supporto tecnico di Seretti Srl, abbiamo realizzato i provini con una discontinuità in mezzeria per replicare un campione con fessura passante e valutare la capacità di adesione degli intercalari [5, 6].

La serie di n = 10 prove di impatto è stata eseguita posizionando il provino su due blocchi rigidi, garantendo una luce libera totale di Lb = 190 mm. Come illustrato nella Figura 1(a), abbiamo fatto cadere una sfera d'acciaio con diametro d = 35 mm e massa m = 0,18 kg da un'altezza fissa pari a h = 190 mm per colpire la sezione di mezzeria del provino. La configurazione di Figura 1(a) corrispondeva a un'energia di impatto Eimp = 0,328 J.

Per quantificare la potenziale propagazione del danno derivante dal protocollo di prove con impatti ripetuti da corpo duro, su ciascun provino di LG sono state eseguite analisi modali sperimentali, sia prima delle prove di impatto sia dopo ciascun impatto [4].

Utilizzando una suite di acquisizione dati Dewesoft, abbiamo eseguito l'analisi modale. Per eccitare la struttura, abbiamo utilizzato un martello modale strumentato DYTRAN® (Figura 2(a)) con un fondo scala di forza pari a 440 N per imprimere tre impatti su ciascuno dei 14 punti di controllo (si veda la Figura 1(b)).

Le vibrazioni risultanti sono state rilevate da un accelerometro monoassiale IEPE DYTRAN® (fondo scala ±50 g, sensibilità 100 mV/g) incollato rigidamente al vetro in prossimità della mezzeria. Grazie alle sue dimensioni miniaturizzate (cubo da 10,2 mm) e al peso ridotto (4,3 g), la massa del sensore non ha interferito con la risposta dinamica dei provini di LG.

Abbiamo acquisito i dati a una frequenza di campionamento di 5000 Hz mediante un sistema di acquisizione SIRIUS Mini a 4 canali, alimentato via USB (Figura 2(b)). Il post-processing è stato condotto utilizzando il software di acquisizione dati ed elaborazione del segnale DewesoftX (v. 2025.2), dotato di un plugin dedicato all'analisi modale.

Risultati delle prove di impatto e dell'analisi modale sul vetro stratificato

Nel complesso, il provino stratificato con EVA è apparso fortemente danneggiato dagli impatti applicati, con un'evidente propagazione delle fessure nella zona di impatto. Al contrario, a seguito degli impatti da corpo duro, nel provino con SG non sono state rilevate visivamente fessure. In entrambi i casi non abbiamo osservato fenomeni di danneggiamento negli intercalari in EVA o SG. Le Figure 3(a) e (b) mostrano alcuni esempi selezionati.

L'elaborazione dei dati sperimentali acquisiti dalle prove con roving hammer si è concentrata sull'analisi della frequenza fondamentale di vibrazione, com'è noto un parametro preliminare di monitoraggio. Assumendo f1,0 come frequenza di vibrazione del campione con fessura passante prima della prima prova di impatto (n = 0), è lecito attendersi che:

La Figura 4 illustra le frequenze fondamentali sperimentali, confermando questo andamento e mostrando una differente progressione del danno nei provini stratificati con EVA e SG. Nello specifico, quest'ultimo mostra un andamento piuttosto stabile, con una lieve diminuzione della frequenza all'aumentare di n. Dato che le lastre di vetro non hanno manifestato fessurazioni significative, tale riduzione è verosimilmente attribuibile al deterioramento dell'intercalare in SG nella sezione di mezzeria.

Al contrario, il provino con EVA evidenzia una riduzione di frequenza più marcata all'aumentare di n. Possiamo spiegare entrambi i fenomeni considerando il maggior spessore delle lastre di vetro e l'intercalare più rigido impiegati nel provino con SG.

L'andamento dei dati sperimentali per il provino con EVA si discosta inoltre dall'aspettativa generale riassunta dall'Eq. (1), evidenziando il verificarsi di un rilevante fenomeno di interlocking all'aumentare di n.

Infine, la Figura 5 mostra la variazione della forma modale fondamentale con n per il provino stratificato con EVA. L'aumento della gravità del danno al crescere di n è chiaramente evidente negli spostamenti normalizzati selezionati, registrati durante la serie di prove di impatto ripetute. In particolare, non abbiamo osservato lo stesso comportamento nel provino con SG.

Valutazione del danno nel vetro stratificato mediante analisi modale

Lo studio ha dimostrato che l'analisi modale sperimentale può contribuire a valutare la progressione del danno nel vetro stratificato fratturato a seguito di impatti ripetuti a bassa velocità.

Le prove condotte su provini con intercalari Evalam Visual® e SentryGlas® SG5000 hanno evidenziato variazioni nettamente differenti della frequenza fondamentale di vibrazione, rispecchiando le differenze nella rigidezza residua e nell'evoluzione del danno.

Questi risultati mettono in luce il potenziale del monitoraggio basato sulle vibrazioni quale metodo pratico per valutare il comportamento post-rottura del vetro stratificato.

Ringraziamenti

Il Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR) fornisce il supporto finanziario per queste attività di ricerca tramite il FIS2021 Starting Grant (FIS00000609), si veda www.hopglaz.it.

Bibliografia

1. C. Bedon, M. Kozłowski, and N. Cella, “Gaps in the post-breakage out-of-plane bending stiffness assessment of 2-ply partially damaged laminated glass elements under short-term quasi-static loads,” Engineering Structures vol. 327, p. 119617, Mar. 2025, doi: 10.1016/J.ENGSTRUCT.2025.119617.

2. C. Bedon, R. del Bello, N. Cella, L. Cozzarini, and M. Fasan, “Residual mechanical capacity of small-scale partially fractured annealed laminated glass elements subjected to a quasi-static cyclic protocol,” Engineering Failure Analysis, vol. 186, no. 3, p. 110462, Mar. 2026, doi: 10.1016/j.engfailanal.2025.110462.

3. M. Feldmann et al., “The new CEN/TS 19100: Design of glass structures,” Glass Structures & Engineering 2023 8:3, vol. 8, no. 3, pp. 317–337, Mar. 2023, doi: 10.1007/s40940-023-00219-y.

4. C. Bedon, N. Cella, and R. del Bello, “Damage assessment of through-cracked-bending laminated glass elements under low-velocity hard-body impacts,” Materials 2025, Vol. 18, Page 4454, vol. 18, no. 19, p. 4454, Sep. 2025, doi: 10.3390/MA18194454.

5. S. Chen, Z. Chen, X. Chen, and J. Schneider, “Evaluation of the delamination performance of polyvinyl-butyral laminated glass by through-cracked tensile tests,” Construction and Building Materials, vol. 341, Jul. 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127914.

6. D. Ferretti, M. Rossi, and G. Royer-Carfagni, “Through-Cracked Tensile Delamination Tests with Photo-elastic Measurements,” Challenging Glass 3: Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, CGC 2012, pp. 641–652, 2012, doi: 10.3233/978-1-61499-061-1-641.