Vetro colato topologicamente ottimizzato

Data: 14 novembre 2022

Autori: Wilfried Damen, Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni e Michela Turrin

Fonte:Strutture in vetro e ingegneria volume 7, (2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

Finora, la fabbricazione di componenti in vetro colato di notevole massa e/o spessore comportava un processo di ricottura lungo e complesso. Ciò ha limitato l’uso di questo metodo di produzione del vetro nell’ambiente edificato a oggetti semplici fino alle dimensioni di normali mattoni da costruzione, che possono essere ricotti in poche ore. Per la prima volta, l'ottimizzazione topologica strutturale (TO) viene studiata come un approccio per progettare elementi monolitici portanti in vetro colato di massa e dimensioni sostanziali, con tempi di ricottura significativamente ridotti. La ricerca è duplice. Innanzitutto viene eseguita un’esplorazione numerica. Il potenziale di riduzione della massa pur mantenendo una rigidità soddisfacente di un componente strutturale viene analizzato attraverso un caso di studio, in cui un nodo del guscio della griglia di vetro colato viene progettato e ottimizzato.

Per raggiungere questo obiettivo, vengono formulati e applicati nell'ottimizzazione diversi criteri di progettazione rispetto al vetro come materiale, alla fusione come processo di produzione e al TO come metodo di progettazione. Si conclude che un approccio TO pienamente adatto alla progettazione tridimensionale del vetro non è ancora disponibile. Per questa ricerca, viene selezionato TO basato sulla deformazione o sulla conformità per l'ottimizzazione del nodo del guscio della griglia di vetro tridimensionale; nel nostro caso, riteniamo che un TO basato sulla deformazione consenta una migliore esplorazione della riduzione dello spessore, che, a sua volta, ha una grande influenza sul tempo di ricottura del vetro colato. In confronto, in un’ottimizzazione basata sulle sollecitazioni, la resistenza alla trazione considerevolmente inferiore del vetro diventerebbe il principale ostacolo, lasciando sottoutilizzata la resistenza a compressione più elevata. Inoltre, viene determinato che un caso di carico singolo, immutabile e dominante è il più adatto per l'ottimizzazione del TO.

Utilizzando ANSYS Workbench, si ottengono riduzioni di massa fino al 69% rispetto ad una geometria iniziale non ottimizzata, riducendo i tempi di ricottura di circa il 90%. Successivamente, viene studiata la fattibilità della produzione dei componenti in vetro dalla forma complessa risultanti attraverso prototipi fisici. Vengono esplorate due tecniche di produzione: fusione a cera persa utilizzando geometrie di cera stampate in 3D e fusione in forno utilizzando stampi di sabbia usa e getta stampati in 3D. Diversi prototipi di vetro sono stati fusi e ricotti con successo. Da ciò si traggono diverse conclusioni riguardanti l’applicabilità e i limiti del TO per i componenti in vetro colato e il potenziale di metodi di produzione alternativi per realizzare tali componenti in vetro dalla forma complessa.

La modellatura del vetro colato: possibilità e limiti

Negli ultimi decenni, la percezione del vetro nella comunità ingegneristica si è evoluta da quella di un materiale fragile e fragile, utilizzato solo per elementi di tamponamento, a un materiale portante trasparente con un'elevata resistenza alla compressione, dichiarata fino a 1000 MPa per la calce sodata float. vetro (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby e Jones 2006), superiore anche a quello dell’acciaio strutturale. Le applicazioni strutturali del vetro nell’ambiente costruito, infatti, sono in continuo aumento, ma con una notevole limitazione geometrica: a causa della prevalenza dell’industria del vetro float, il vetro strutturale è generalmente limitato alle forme che possono essere generate dalla superficie virtualmente planare. , bidimensionali, pannelli float. Il vetro colato può sfuggire ai limiti di progettazione imposti essenzialmente dalla bidimensionalità del vetro float.

Versando il vetro fuso negli stampi, questo metodo di produzione alternativo consente la creazione di elementi di vetro solidi tridimensionali praticamente di qualsiasi forma e sezione trasversale (Oikonomopoulou et al. 2018a). Gli elementi portanti in vetro colato hanno trovato finora scarsa applicazione nelle strutture realizzate. Alcuni esempi notevoli includono il Memoriale di Atocha (Paech e Göppert 2008), la Fontana della Corona (Hannah 2009), la Casa Ottica (Hiroshi 2013), le Case di Cristallo (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), il Qwalala Scultura (Paech e Göppert 2018), LightVault (Parascho et al. 2020) e il Padiglione Qaammat (Oikonomopoulou et al. 2022).