Perforazione del vetro stratificato: uno studio sperimentale e numerico

Data: 5 dicembre 2022

Autori: Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue e Tore Børvik

Fonte:International Journal of Impact Engineering, volume 156, ottobre 2021

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103922

Il vetro laminato è un tipo di vetro di sicurezza che viene spesso utilizzato nelle finestre antiscoppio e nei vetri antiproiettile. Tuttavia, in letteratura esistono pochi studi riguardanti la resistenza alla perforazione del vetro stratificato. In questo studio, lastre di vetro a doppia laminazione vengono colpite da proiettili perforanti (AP) da 7,62 mm e la loro velocità limite balistica e la loro curva sono determinate sia attraverso test sperimentali che simulazioni numeriche. Due diverse configurazioni, vale a dire una configurazione a lastra singola e una configurazione di due lastre impilate con un traferro in mezzo, vengono testate a velocità di impatto comprese tra 375 e 700 m/s.

Le prove sperimentali hanno dimostrato che l'entità della fessurazione può essere suddivisa in tre zone distinte e che l'entità di queste zone dipende dalla velocità d'impatto. Nello studio numerico, vengono utilizzate simulazioni di elementi finiti che impiegano elementi di ordine superiore e suddivisione dei nodi 3D per prevedere la storia velocità-tempo dei proiettili durante l'impatto. Le simulazioni utilizzano modelli semplificati di materiali e fratture per vetro e PVB. Anche così, le previsioni numeriche risultano essere in eccellente accordo con i dati sperimentali, e sia la velocità limite residua che quella balistica sono determinate con precisione.

A causa della natura fragile del vetro, le finestre in vetro float ricotto offrono una protezione limitata contro gli impatti balistici. Tuttavia, le vetrate configurate con più strati di vetro e polimero possono essere resistenti ai proiettili [1]. Gli strati di vetro e polimero vengono uniti insieme a un laminato attraverso un processo che comprende calore e pressione in un'autoclave. Quando il vetro laminato viene colpito da un proiettile, il polimero manterrà uniti gli strati e impedirà l'espulsione di frammenti di grandi dimensioni trattenendo il vetro frantumato sullo strato intermedio.

Le proprietà meccaniche del vetro float sono dominate da un comportamento alla frattura fragile con una resistenza alla frattura probabilistica che dipende dalla geometria, dalla situazione di carico e dalle condizioni al contorno della lastra di vetro [2]. La resistenza alla frattura probabilistica del vetro è dovuta alla presenza di microscopici difetti superficiali dove tipicamente inizia la frattura. I difetti causano anche il cedimento delle lastre di vetro principalmente in tensione poiché la propagazione della fessura è generalmente indotta dal carico di modo I (cioè l'apertura di un difetto) [3]. Pertanto, la resistenza alla trazione del vetro è tipicamente molto inferiore alla resistenza alla compressione. Se i microscopici difetti superficiali vengono rimossi o ridotti (ad esempio, mediante incisione chimica della superficie del vetro), la resistenza alla frattura può essere notevolmente aumentata.

In uno studio di Nie et al. [4], gli autori sono riusciti a migliorare la resistenza alla flessione del vetro borosilicato di circa un ordine di grandezza attraverso l'attacco con acido fluoridrico. Altri metodi per migliorare la resistenza alla frattura del vetro possono essere trovati ad esempio in Donald [5]. La resistenza alla frattura del vetro dipende anche dalla velocità di carico. Questa dipendenza dalla velocità è stata dimostrata in diversi studi e si applica al carico sia in tensione [4,[6], [7], [8]] che in compressione [7,9,10]. Nello studio di Nie et al. [4], la resistenza alla flessione media per i campioni acidati è aumentata di circa il 200% quando il tasso di sollecitazione è stato aumentato da 0,7×10⁶ MPa/s a 4×10⁶ MPa/s. I campioni levigati con carta vetrata hanno ottenuto un aumento del 90% per gli stessi tassi di sollecitazione. Si è ritenuto che diverse forme di difetti fossero la causa della differenza nella dipendenza dalla velocità tra i campioni mordenzati con acido e quelli macinati con carta vetrata.

In condizioni di carico altamente localizzato, come un impatto balistico, potrebbero essere presenti meccanismi di cedimento diversi dal cedimento dovuto alla tensione. Quando viene colpita da un proiettile, il lato d'impatto della lastra di vetro subisce un carico di compressione e taglio a velocità di deformazione elevate, che provocano la frattura e la polverizzazione del materiale di vetro. Il lato posteriore della piastra impattata potrebbe cedere a causa della tensione indotta dalla flessione [11]. La rottura per trazione sotto carico balistico si verifica tipicamente nelle lamiere sottili, e quindi la resistenza alla frattura è governata dalla presenza di microscopici difetti superficiali sul lato posteriore. Per le lastre spesse, tuttavia, la resistenza alla trazione del vetro è considerata meno cruciale per le prestazioni balistiche [12].