STUDIO DEL COMPORTAMENTO DI TRAVI IN VETRO RINFORZATE CON CFRP MEDIANTE ANALISI FEM

In the last few years the growing desire to realize structures with particular architectural needs increased the use of glass for structural purposes. Although the fragility of that material limits its use, research has focused on developing various strategies to improve the behaviour of glass, like choosing hybrid solutions. Those strategies combine fragile materials with high-resistance ones. This project will analyze by means of finite element numerical modeling various configurations of reinforced glass beams of 1500 mm in length with carbon fiber lamina (CFRP) under static and dynamic conditions. The static conditions are conducted through FEM software Ansys to reproduce a four-point bending test to obtain the maximum displacement under condition load. The dynamic characterization, also performed using FEM, was carried out to determinate the natural frequencies and mode shapes of the experimentally tested models. The main goal is to validate using numerical modeling static and dynamic results of already analyzed reinforced configuration and introduce other configurations in order to broaden the comparison of existing ones. The validated configuration shows low discrepancies compared to static and dynamic results obtained in experimental ways and this demonstrates the correct design of the configuration within calculation software. The reinforced configuration with a 1,27 mm thick lamina has higher stiffness and breaking load (12,2% and 7,2%) compared to the unreinforced configuration. Comparing the dynamic results to new configuration it can be inferred that configuration with a partial reinforcement have less stiffness than the reinforced one with 1,52 mm thick lamina along his all height. In static field, the configuration with 1,52 mm of thickness presents greater stiffness throughout almost the entire load history, but reaches a slightly higher final displacement than the configuration with partial reinforcement (differences of less than 1%). This discrepancy is attributed to approximations in the numerical model.

Negli ultimi anni la crescente volontà di realizzare strutture con particolari esigenze architettoniche ha aumentato l’utilizzo del vetro in ambito strutturale. Sebbene la fragilità di tale materiale ne limiti l’utilizzo, la ricerca si è concentrata sullo sviluppo di diverse strategie per migliorare il comportamento del vetro, come ad esempio la scelta di soluzioni ibride: esse combinano materiali caratterizzati da un comportamento fragile con materiali dalle spiccate capacità resistenti. Nel presente elaborato si analizzano mediante modellazione numerica agli elementi finiti (FEM) a livello statico e a livello dinamico diverse configurazioni di travi in vetro, caratterizzate da una lunghezza di 1500mm, rinforzate mediante lamina in carbonio (CFRP). La caratterizzazione statica è stata condotta tramite software FEM Ansys ai fini di riprodurre una prova di flessione a quattro punti per la determinazione degli spostamenti massimi sotto l’applicazione dei carichi. La caratterizzazione dinamica, anch’essa effettuata tramite FEM, è stata effettuata ai fini di determinare frequenze e modi propri di vibrare dei modelli testati sperimentalmente. L’obiettivo principale del presente lavoro è validare mediante modellazione numerica i risultati statici e dinamici ottenuti sperimentalmente delle configurazioni già studiate e introdurre altre configurazioni di trave rinforzata al fine di ampliare il confronto con quelle esistenti. Le soluzioni validate mostrano scarti, sia in termini di spostamento massimo che in frequenza, molto bassi rispetto ai risultati statici e dinamici ottenuti sperimentalmente, il che testimonia la corretta progettazione delle configurazioni all’interno del software di calcolo. La configurazione rinforzata con una lamina di spessore pari a 1,27 mm mostra una rigidezza e un carico di rottura maggiori (12,2% e 7,2%) rispetto alla configurazione non rinforzata. Dal confronto dei risultati dinamici delle nuove configurazioni si evince che le configurazioni con rinforzo parziale presentano una rigidezza minore rispetto alla configurazione con il rinforzo di spessore pari a 1,52 mm applicato su tutta l’altezza. In campo statico, la configurazione con la lamina da 1,52 mm presenta una rigidezza maggiore per la quasi totale storia di carico, ma raggiunge nel suo punto finale un livello di spostamento leggermente maggiore rispetto a quello delle configurazioni con rinforzo parziale (scarti inferiori all’1%). Tale incongruenza è attribuibile alle approssimazioni del modello numerico.