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X Congresso Nazionale Lingegneria Sismica in Italia, Potenza-Matera 9-13 settembre 2001

1 INTRODUZIONE

In molti casi le strutture in muratura presentano carenze dal punto di vista dei carichi che devono assorbire e della funzionalit che devono garantire. I numerosi cambiamenti dal punto di vista della destinazione duso, lazione dilavanate dellacqua su alcuni materiali che

Alcune Sperimentazioni su Collegamenti tra Barre e Nastri in CFRP per Interventi di Miglioramento Sismico su Edifici in Muratura

A. Borri e M. Corradi Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale, Universit degli Studi di Perugia, Perugia, Italy

E. Agneloni e G. Celestini Tec-Inn s.r.l., Perugia, Italy

SOMMARIO: Il presente lavoro presenta i risultati di una serie di sperimentazioni realizzate in laboratorio utilizzando provini in materiale composito a base di fibre di carbonio (CFRP) costituite da barre e da nastri di filamenti unidirezionali. La prima parte della sperimentazione ha riguardato il collegamento su un piano tra barre e nastri in composito. Una serie di prove di trazione sono state allestite al fine di realizzare un sistema di collegamento in grado di trasferire uno sforzo pari a quello di crisi a trazione di uno dei due materiali congiunti. La seconda parte delle sperimentazione ha riguardato il collegamento tra barre in CFRP e pannelli in muratura ortogonali alla direzione assiale della barra al fine di prevederne un possibile utilizzo nei collegamenti tra i paramenti costituenti i muri a sacco. Infine stato sperimentato un sistema di ancoraggio di tiranti costituiti da barre in CFRP su murature. A tal fine sono state utilizzate piastre in acciaio collegate alle barre in composito tramite manicotti in acciaio saldati alle piastre e in cui sono state inserite ed incollate le barre in CFRP tramite resine epossidiche.

ABSTRACT: The results of experiments carried out on carbon FRP specimens are presented in order to investigate on the connection problems between different FRP shapes. The main investigation consists of three parts. The first part relates to the connection of carbon FRP sheets and bars. Several tensile tests were carried out on specimens made of FRP sheets and bars differently connected. The purpose of these experimentations is to verify the effectiveness of the connection. The second part of the experimental work relates to the connection of carbon FRP bars to masonry panels. The writers aimed to provide a seismic upgrading technique in order to connect multi leaf walls. The third part relates to the use of ties made of carbon fiber-based bars constituted by unidirectional filaments in place of the metal ones. The connection of the composite ties to the masonry structure was realized using a metal hollow cylinder. A CFRP bar was bonded using different epoxy resins into the metal cylinder welded to a metal plate that it is necessary in order to distribute the stress. The experiments carried out allowed the authors to obtain interesting indications for the evaluation of the failure mechanisms and of the adhesion strength.


costituiscono la muratura, i frequenti errori di progettazione unitamente allesposizione ad eventi di tipo sismico sono tutti fattori che possono determinare gravi conseguenze. Lutilizzo di materiali compositi negli interventi di miglioramento sismico di edifici in muratura pu rappresentare una soluzione interessante per alcune problematiche che richiedano non-invasivit e reversibilit. Questi materiali sono caratterizzati da alta resistenza a trazione e alla corrosione che rende possibile il loro utilizzo come rinforzo strutturale. Tuttavia mentre nel caso delle strutture in cemento armato sono stati introdotti metodi di dimensionamento e di calcolo e numerosi sono gli esempi applicativi, nel caso delle murature il loro utilizzo ancora in una fase di ricerca e di sperimentazione. Il recente terremoto che ha colpito le regioni centrali italiane nel 1997-98 ha determinato una serie di esigenze che possono trovare soluzione con lutilizzo di materiali compositi fibrosi (FRP). Tra gli apetti pi significativi che caratterizza un intervento di miglioramento sismico attraverso lutilizzo di CFRP, vi il problema dei collegamenti tra muratura e composito e tra composito e composito. I materiali compositi che sono stati utilizzati nella presente sperimentazione sono costituiti da nastri di fibra unidirezionale e bidirezionale di carbonio e da barre pultruse a base di filamenti unidirezionali in fibra di carbonio legati insieme da resine epossidiche bicomponenti. Tabella 1 Caratteristiche della resina epossidica n.1 Resina n.1

Aderenza al calcestruzzo, (ASTM D4541) [MPa] > 3.5

Aderenza allacciaio [MPa] > 3.5

Resistenza a compressione [MPa] 65

Resistenza a flessione [MPa] 32

Rapporti di miscelazione in volume72% A; 28% B

Peso specifico[kg dm-3] 1.80 0.05 Indurimento completo a 20C [h] 164

Punto di infiammabilit [C] > 62

Tabella 2 Caratteristiche della resina epossidica n. 2 Resina n.2

Resistenza a trazione diretta (ASTM 638) [MPa] idem a per flessione (ASTM D790) [MPa]

> 50 > 120

Modulo elasticoa trazione (ASTM D638) [MPa] idem per flessione (ASTM D790) [MPa]

> 3000 > 3500

Allungamento a trazione (ASTM D638) [%] 2.5

Resistenza a compressione (ASTM D695) [MPa] > 80

Rapporto di miscelazione in volume 75% A; 25% B

Peso specifico [kg dm-3] Componenti A e B

A: 1.04 +- 0.024 B: 0.98 +- 0.024

Indurimento completo 7 giorni a 20C

Le barre in CFRP si presentano con un avvolgimento elicoidale in fibra di carbonio il cui fine quello di deformare la barre e unire insieme i filamenti longitudinali. Queste deformazioni consentono al momento dello sfilamento di mobilitare una maggiore resistenza e indurre un fenomeno di confinamento sulle barre stesse (Cosenza e altri, 1997) (Katz, 1999) (Nanni e altri, 1999).

Laderenza con lesterno inoltre incrementata grazie al rivestimento con grani di sabbia spruzzati insieme a resine epossidiche sulla superficie laterale delle barre. Le particelle di sabbia una volta maturata la resina epossidica rimangono incollate sulla superficie della barra


determinando fenomeni di ingranamento e di aumento di aderenza con il supporto al momento della loro sollecitazione. I nastri in CFRP giungono in cantiere in condizioni solo parzialmente combinate con la matrice che invece deve essere disposta in cantiere ed costituita da una resina epossidica bicomponente. Il collegamento tra nastri e muratura pu essere garantito dalla matrice o preferibilmente da unaltra resina epossidica che funge da adesivo. Nelle Tabelle 1,2 e 3 sono state riportate alcune caratteristiche meccaniche delle resine epossidiche utilizzate nella sperimentazione cos come sono state ricavate dalla scheda tecnica del produttore.

Tabella 3 Caratteristiche della resina epossidica n. 3 e 4. Resina n.3 Resina n.4

Adesione al calcestruzzo [MPa] - 3 (rottura del cls)

Resistenza a compressione [MPa] 6070 - Resistenza a flessotrazione [MPa] 3040 - Resistenza a trazione diretta [MPa] 20 30

Resistenza a trazione al calcestruzzo [MPa] 3 (rottura del cls) -

Resistenza a trazione sullacciaio [MPa] 1520 - Modulo elastico [MPa] 4300 (a 10 gg) -

Peso specifico [kg dm-3] 1.65 (A+B) 1.31

Temperature di applicazione[C] da +5 a +40 +5 +30

I tessuti sono stati invece caratterizzati meccanicamente eseguendo 10 prove al fine di

determinare la resistenza e il modulo di elasticit a trazione secondo la normativa ASTM D 3039 e D 638-95. Al fine di eliminare linfluenza delle operazioni di realizzazione, i 10 provini sono stati confezionati in due tempi realizzando due lotti. Nella Tabella 4 sono riportati i valori dei risultati per il modulo elastico a trazione ottenuti facendo riferimento sia allo spessore effettivo misurato (variabile in funzione della quantit di resina applicata dalloperatore e quindi molto dispersi) sia allo spessore equivalente di tessuto secco (definito dal rapporto in peso di un m3 su m2 di tessuto). Le prove, realizzate in controllo di spostamento hanno evidenziato il comportamento elastico lineare del materiale fino al raggiungimento della crisi. Tabella 4: Risultati delle prove di caratterizzazione dei nastri in CFRP Materiale n. Lotto Spessore

[mm] Tensione crisi [MPa]

Modulo elastico [MPa]

Tensione crisi (spessore eq. 0.165 mm) MPa]

Modulo elastico (spessore eq. 0.165 mm) [MPa]

Nastri CFRP Lotto 1 0.57 997 118910 3416 408852 Nastri CFRP Lotto 2 0.60 926 116800 3307 424945

Anche i 2 diversi tipi di barre in composito sono stati caratterizzati meccanicamente. Questi

risultati sono stati in parte ricavati dallindagine sperimentale riportata nella sezione 4 di questa memoria. La caratterizzazione delle barre in CFRP stata realizzata in controllo di carico con gradiente di 30 MPa sec-1. Anche in questo caso sono stati realizzati pi lotti di provini presso due diversi laboratori (S.G.M. di Perugia e RITAM di Terni).

Per la barra di tipo 2 i risultati sono simili per entrambi i lotti costituiti il primo da 3 provini ed il secondo da 6 provini. La resistenza a rottura media risultata pari a 46,8 kN mentre per il modulo elastico a trazione stato misurato il valore medio di 151030 MPa (Tab.5). Il comportamento elastico lineare fino al raggiungimento della crisi che si manifesta in modo fragile.


Tabella 5: Risultati delle prove di caratterizzazione a trazione delle barre in CFRP al fine di determinare la resistenza e la rigidezza. Materiale n. Lotto N.

provini Diametro teorico [mm]

Tensione crisi [MPa]

Modulo elastico [MPa]

Sforzo di crisi [kN]

Barra tipo 1 CFRP Lotto 1 7 7.5 1434 - 63.1 Barre tipo 2 CFRP Lotto 1 3 7.5 1077 - 47.6 Barre tipo 2 CFRP Lotto 2 6 7.5 1041 151030 46.0

2 IL COLLEGAMENTO TRA COMPOSITI IN CANTIERE: IL CASO BARRE-NASTRI

Il rinforzo di strutture in muratura tramite lutilizzo di nastri in materiale composito pu risultare di interesse per alcune problematiche come, ad esempio, quelle riguardanti il rinforzo estradossale di strutture voltate (Figs. 1 e 2) (Borri e altri, 2000). Tuttavia per questi interventi non consigliabile fare affidamento esclusivamente sui dispositivi di ancoraggio per adesione tra nastro e muratura. Il fenomeno del peeling, soprattutto per superfici curvilinee, pu determinare il distacco del rinforzo e la compromissione dellintervento. In questi casi la realizzazione di perfori in composito in modo opportuno collegati ai nastri pu bloccare il fenomeno del distacco progressivo tipico del peeling. Una indagine sperimentale stata progettata al fine di analizzare un sistema di collegamento tra barre (di tipo 1) e nastri in composito su un piano con lo scopo di mettere a punto un dipositivo in grado di poter trasferire uno sforzo di trazione pari almeno al minore degli sforzi di crisi per trazione dei due materiali congiunti.

Figura 1-2 Un possibile utilizzo dellancoraggio tra barre e nastri in CFRP In base ai risultati delle prove di caratterizzazione per la resistenza a trazione dei materiali compositi stato possibile dimensionare la larghezza del nastro in CFRP in modo da essere equivalente a quella delle barre utilizzate. Per le barre di tipo 1, questa larghezza di circa 125 mm.

Le prove sono state realizzate in controllo di carico con un gradiente costante di 5 MPa sec-1 fino al raggiungimento della crisi utilizzando una macchina universale Controls 70-C810/B con sistema di afferraggio idraulico. Lafferraggio del tessuto stato realizzato tramite la disposizione di tabs in vetroresina su entrambi i lati di altezza pari a 30 mm e larghezza eguale alla larghezza del nastro (125 mm). Per quanto riguarda la barra in composito, lafferraggio stato realizzato tramite un manicotto di acciaio filattato internamente su cui stata inserita la barra per una lughezza di 250 mm incolla ta al manicotto tramite resine epossidiche. In nessun caso nel corso delle prove stato osservato lo sfilamento della barra.


Lincollaggio stato realizzato secondo diversi schemi progressivamente pi efficaci in base ai risultati che la sperimentazione forniva. Il primo schema, la cui semplicit ben si adattava alle problematiche tipiche di un cantiere in ambito edilizio, si rivelato sostanzialmente inefficace. Questo prevedeva il semplice incollaggio della barra sulla superficie del nastro in CFRP per una lunghezza di 150 mm e un rinforzo localizzato sulla superficie di aderenza tra i due materiali costituito da un nastro unidirezionale delle dimensioni di 100x280 mm disposto secondo la direzione individuata dalla barra in composito da collegare con il nastro (Fig. 3). Per i 4 provini cos realizzati si verificato il seguente meccanismo di rottura caratterizzato da sforzi di crisi di 14.6 kN (Tab. 6): il tessuto di rinforzo locale aderente alla barra si lesionato (Fig. 4) ai lati di questultima, con una lesione longitudinale , parallela alla direzione delle fibre. La barra, con la piccola striscia di tessuto che la ricopriva, si staccata dal supporto sottostante, vincendo ladesione della resina. Il rivestimento esterno della barra (sabbia e spirale), nella parte a contatto con la lastra inferiore, rimasto aderente alla resina e si separato dalla barra. La barra risulta quindi priva di rivestimento nella parte inferiore e ricoperta ancora dalla resina e dal tessuto ai lati e superiormente.

Barra con tenditore

Striscia di tessuto monodirezionale

Resina

Lastra di tessuto

Figura 3

LESIONELESIONE

Figura 4 Modalit di rottura del nastro di rinforzo locale e distacco della barra in CFRP

Al fine di ottenere una migliore distribuzione dello sforzo trasferito dalla barra al nastro sono

stati realizzati 2 provini in cui la barra stata aperta a pennello a una temperatura di circa 60-70 C ed incollati i filamenti che la costituiscono sul nastro. Anche in questo caso un rinforzo localizzato, costituito da un nastro unidirezionale in composito, stato disposto sopra la superficie di aderenza. La rottura dei provini avvenuta allinizio della fase di carico, per valori della forza applicata bassi pari a 9.1 kN. I filamenti del nucleo della barra hanno raggiunto il carico di crisi in corrispondenza della sezione in cui la barra iniziava ad aprirsi. La porzione di barra inserita tra i tessuti non si sfilata, il tessuto non si fessurato: la crisi ha interessato praticamente soltanto il nucleo della barra (Fig. 5).

Figura 5

125

500

150


Inoltre in due provini stato eliminato manualmente lo strato di sabbia e la spirale esterna di rivestimento, (scartavetrando la superficie esterna) per valutare se un eventuale distacco di questo supporto corticale, certamente pi aderente alla resina, potesse influire sulla crisi dellancoraggio. Il comportamento di questi provini risultato analogo a quello dei provini con barre integre. Il tessuto si lesionato longitudinalmente alla base della barra, rimanendo superiormente aderente ad essa. La crisi si verificata al momento del distacco della barra dalla lastra sottostante con sforzi di crisi di 19.2 kN.

In base alle modalit di rottura osservate nelle precedenti prove, come rinforzo locale in prossimit della supercie di aderenza stato utilizzato un nastro di tessuto bidirezionale delle dimensioni di 280x100mm le cui fibre risultano inclinate rispetto alla direzione della barra di 45. Il tessuto di tipo bilanciato, con trama e ordito intrecciati ortogonalmente in uguali proporzioni (dati ricavati dalla scheda tecnica del produttore: 50%in peso la trama, 50% in peso lordito, spessore equivalente di tessuto secco 0.66 mm, resistenza a trazione 4900 MPa, modulo elastico a trazione 230000 MPa) Il nastro bidirezionale stato successivamente incollato sulla superficie dellunidirezionale usando le stesse resine epossidiche. La disposizione del rinforzo locale a 45 ha permesso una migliore distribuzione dello sforzo dalla barra al nastro unidirezionale. I risultati delle prove di trazione hanno mostrato un forte incremento dei carichi che determinano il distacco con valori medi di 28.15 kN.

Inoltre al fine di incrementare tali valori, la lunghezza di sovrapposizione barra-nastro, stata aumentata fino a 240 mm (Fig. 6). I provini cos realizzati sono giunti alla crisi per sforzi medi di 40 kN (pari a circa 80% dello sforzo di crisi a trazione della barra o del nastro). La rottura si realizzata per distacco tra nastro unidirezionale da un lato e barra con bidirezionale dallaltro.

Lastra di monodirezionale

240

Barra con tenditore

Bidirezionale -45/+45

Figura 6 Figura 7 Tabella 6 Risultati delle prove di ancoraggio barre-nastri in CFRP

Dispositivo di collegamento barra-nastro CFRP

N. Provini

L. aderenza [mm]

Pmax [kN]

Modalit di crisi

Barra incollata su nastro unidirezionale rinforzata localmente con unidirezionale

4 150 14.60

Rottura rinforzo locale e distacco della barra dal nastro

Barra aperta a pennello incollata su nastro unidirezionale rinforzata localmente con unidirezionale

2 150 9.10

Rottura dei filamenti del pennello e distacco della barra dal nastro

Barra senza rivestimento in sabbia e filamenti elicoidali incollata su nastro unidirezionale rinforzata localmente con unidirezionale

2 150 19.20

Rottura rinforzo locale e distacco della barra dal nastro

Barra rinforzata localmente con bidirezionale a 45 ed incollato sullunidirezionale.

2 150 28.15

Rottura del rinforzo locale bidirezionale e distacco della barra dal nastro

Barra rinforzata localmente con bidirezionale a 45 ed incollato sullunidirezionale.

2 240 40.00

Distacco del rinforzo locale bidirezionale e della barra dal nastro

Barra rinforzata localmente con bidirezionale a 45 ed incollato sullunidirezionale. Disposizione di fascia trasversale

3 240 51.04

Rottura a trazione della barra o del nastro unidirezionale

Barra con tenditore

240

Lastra di monodirezionale Bidirezionale -45/+45

Fascia di monodirezionale


Al fine di evitare questi meccanismi di crisi per peeling stata disposta una fascia trasversale in tessuto unidirezionale (Fig. 7). Le successive prove di trazione hanno mostrato lefficacia del dispositivo di incollaggio essendosi la rottura realizzata per tutti i provini non per separazione lungo la superficie di aderenza, ma per crisi a trazione di uno dei due materiali collegati (la barra o il nastro in unidirezionale).

3 IL COLLEGAMENTO NELLE MURATURE A PI PARAMENTI

Il rinforzo a taglio di strutture in muratura tramite la realizzazione di un graticcio di nastri in fibra di carbonio pu rappresentare una soluzione interessante nel caso di interventi di miglioramento sismico. Alcuni ricercatori (Borri e altri, 2000) hanno realizzato una indagione sperimentale su pannelli murari ricavati in situ da strutture in muratura sottoposti a prove di compressione diagonale e di taglio-compressione. Questi pannelli dopo essere stati rinforzati con tecniche tradizionali ed innovative sono stati sottoposti a prova evidenziando che nel caso del rinforzo con nastri in CFRP le problematiche che determinano lefficacia del rinforzo sono :

1) Le caratteristiche meccaniche di adesione dei nastri in CFRP al pannello. Le prove realizzate hanno mostrato che, al fine di rendere piana la superficie dei pannelli necessario prevedere uno strato di malta a base di stucco epossidico. Lutilizzo di malte ad alto grado cementizio non in grado di garantire una adeguata adesione composito-muratura.

2) Il collegamento trasversale tra i paramenti che costituiscono i muri. E noto che la maggior parte dei maschi murari delledilizia storica comune dellItalia centro-meridionale sono costituiti da pietrame appena sbozzato a due paramenti o a sacco. Al fine di ottenere un miglioramento del comportamento sotto sisma di strutture costituite da tale tessitura muraria necessario realizzare oltre al rinforzo a taglio sulla superficie dei pannelli, un collegamento trasversale tra i paramenti che prevenga meccanismi di danno fuori dal piano per presso-flessione (Figs. 8-9).

Figura 8- Un possible utilizzo delle barre in CFRP per il collegamento di muri a pi paramenti

Figura 9 Una tecnica di rinforzo a taglio di strutture in muratura

Mentre il problema dellefficacia delladesione ai pannelli stato risolto tramite lutilizzo di stucchi epossidici necessari per rendere piane ed uniformi le superfici murarie e permettere lincollaggio delle fibre in CFRP, il secondo aspetto alla base delle motivazioni che hanno determinato la progettazione di questa parte della sperimentazione. Prevedendo infatti lutilizzo di barre in CFRP per il collegamento trasversale opportunatamente collegate ai nastri in CFRP disposti per il rinforzo a taglio possibile realizzare un sistema resistente nei confronti sia dei meccanismi di danno nel piano sia rispetto a quelli di secondo modo.

La prova stata realizzata utilizzando due pannelli in mattoni a due teste delle dimensioni di 150x90 cm. Il pannello stato collegato inferiormente tramite stucco epossidico su una base in calcestruzzo armato. Inotre i pannelli sono stati sollecitati da un carico verticale uniforme di 0.3


MPa costante per lintera durata delle prove. Due profilati C100 saldati a una distanza di 10 cm sono stati disposti sopra il pannello murario e quindi collegati a due tiranti tesi da bulloni fino al raggiungimento della sopra riportata tensione di compressione verticale.

Un tirante in acciaio stato inoltre disposto in sommit al pannello al fine di evitarne meccanismi di crisi per flessione o il ribaltamento durante la prova di sfilamento della barra (Fig. 10)

Una serie di strisce di nastri in CFRP stata incollata tramite resine epossidiche da un lato sulla barra e dallaltro sulla superficie dei pannelli. Il collegamento barra-nastro in CFRP stato dimensionato:

1. in base al valore della resistenza a trazione dei due elementi (barra e nastri) da collegare riportato nelle schede tecniche del produttore. E stata utilizzata una quantit di nastro la cui resistenza a trazione uguale a quello della barra in CFRP.

2. in base alla tensione tangenziale di crisi valutata nella sezione 4.0 di questa memoria in circa 10-15 MPa. La lunghezza di sovrapposizione del tessuto alla barra calcolata supponendo che la crisi relativa a tale collegamento sia per sfilamento del nucleo della barra rispetto al proprio rivestimento.

Sono stati realizzati in totale quattro provini. Per la preparazione di ciascun provino stato precedentemente realizzato lincollaggio del tessuto allestremit della barra; sei strisce sono state quindi applicate singolarmente in direzione longitudinale. Ogni striscia stata posizionata sopra quella precedente; la loro larghezza quindi crescente poich, dopo ogni sovrapposizione, il diametro sul quale sono applicate, risulta maggiore. Il risultato finale di questa operazione consiste in un tirante in fibra di carbonio e in alcune strisce di tessuto che per una parte sono incollate ad una estremit della barra e per laltra parte rimangono pulite in attesa di essere applicate alla superficie del pannello (Fig. 11-12).

Figura 10 Schema della prova

Su ogni pannello in muratura sono stati realizzati 2 fori del diametro di 5 cm per lalloggimento delle barre in CFRP e successivamente stata eseguita la preparazione della superficie mediante sabbiatura e arrotondamento degli spigoli con particolare attenzione a regolarizzare il percorso del tessuto alluscita dal foro.

Nellapplicazione dei provini sul pannello sono stati adottati due differenti schemi. Il primo schema prevede che la barra non abbia alcun collegamento diretto con il pannello, rimanendo libera di scorrere dentro ad un tubo in PVC. Il secondo schema, viceversa, prevede una riprofilatura del foro realizzata con stucco epossidico; in questo modo si realizza il completo contatto sia della barra, sia del tessuto al pannello murario, il cui collegamento viene completato con limmissione in pressione di una resina pi fluida. I due schemi rappresentano i due casi limite di posa in opera del tirante.


Figura 11 Un possibile utilizzo del sistema di ancoraggio Fig. 12 Particolare del collegamento barra-

strisce in CFRP La forza sulla barra in CFRP stata applicata in controllo di carico mediante un martinetto

oleodinamico con incrementi di 1.6 kN ogni 20 secondi in corrispondenza dei quali stata effettuata la lettura relativa alle deformazioni degli estensimetri disposti sulle strisce esterne (Figs 12-13). La crisi del collegamento si manifestata con modalit differenti per i differenti schemi di applicazione adottati.

Per i primi 2 provini, applicati secondo lo schema 1, la crisi del meccanismo avvenuta per rottura a trazione delle strisce nel tratto compreso tra lestremit della barra e la muratura, per valori del carico applicato pari a 22.8 e 24.3 kN significativamente inferiori ai valori di crisi a trazione dei due materiali collegati.

Per gli altri provini, applicati secondo lo schema 2, la crisi avvenuta per rottura a trazione della barra in CFRP in corrispondenza di carichi applicati pari a 58.1 e 66.0 kN. Questo ha testimoniato lefficacia del collegamento realizzato secondo lo schema 2 con il quale si potuto mobilitare in pieno tutta la resistenza della barra in composito. Tuttavia in questo ultimo caso il trasferimento dello sforzo dalla barra alla muratura realizzato non soltanto grazie alla presenza dei nastri in composito ma anche grazie al collegamento diretto tra barra,resina e muratura, non di facile realizzazione per muri a sacco e a due paramenti debolmente ammorsati per le difficolt legate alle operazioni di riempimento con resine del foro.

Figura 13: Particolare del collegamento barre-nastri e della disposizione degli estensimetri

Figura 12


4 IL COLLEGAMENTO BARRE-MURATURE

E noto che linserimento di tirantature rappresenta una tecnica molto efficace al fine di diminuire la vulnerabilit sismica di strutture in muratura e limpiego di barre in composito al posto delle usuali barre di acciaio pu essere di interesse per applicazioni nelle quali si vogliano effettuare interventi poco invasivi sia dal punto di vista dimensionale (fori pi piccoli) che dal punto di vista della compatibilit chimico-fisica.

Una serie di prove di trazione sono state eseguite su provini costituiti da barre in CFRP. Il collegamento tra barra e muratura stato realizzato attraverso la predisposizione di un manicotto in acciaio forato internamente che pu essere eventualmente saldato ad una piastra metallica per la ripartizione dello sforzo su una porzione di muratura. Il manicotto, realizzato in acciaio C40, ha un diametro esterno di 24 mm mentre il foro interno ha un diametro di 14 mm. Per tutti i provini tranne che per quattro, la superficie interna dei manicotti stata filettata internamente per lintera profondit del foro ad un passo di 2 mm, con un diametro del nocciolo di 11.55 mm e un profilo netto 1.23 mm al fine di incrementare le tensioni di aderenza. Le barre in CFRP sono state inserite nei manicotti ed fissate tramite resine epossidiche. Scopo di questa sperimentazione quello di individuare le lunghezze di ancoraggio della barra nel manicotto necessarie al fine di trasferire uno sforzo uguale a quello di crisi a trazione della barra. Considerando che il diametro medio delle barre in composito di 7.5 mm, la sezione a forma di corona circolare riempita con resine epossidiche ha un diametro esterno di 14 mm ed interno di 7.5 mm.

Figura 14 Schema della prova per lunghezze di ancoraggio di 24f , 32f , 40f.

Le prove sono state realizzate sollecitando le barre con un carico monotonicamente crescente fino al raggiungimento della crisi con un gradiente di carico di 30 MPa sec-1 utilizzando per i provini costituiti da una lunghezza di ancoraggio di 16f (f = diametro della barra in CFRP pari a 7.5 mm, 16f=120 mm) mm una macchina universale Controls 70-C810/B. Per i rimanenti provini stato predisposto un apposito banco prova che ha consentito di lasciare invariata la luce libera tra i due manicotti agli estremi della barra e di realizzare un meccanismo antidissassamento tra direzione dello sforzo e direzione assiale della barra. Agli estremi di ogni barra sono stati disposti due manicotti di cui uno, sempre filettato, con una lunghezza di aderenza di 50 f necessario per lafferraggio e laltro con lunghezze di aderenza variabili tra 16 f e 40 f (120 e 300 mm) per la misurazione delle tensioni di sfilamento (Fig. 14).

TENDITORE

DISPOSITIVO ANTIDISASSAMENTO1000

760

TENDITORE

PIASTRA D'APPOGGIO


Nella prima parte della sperimentazione sono state utilizzate cinque diverse resine epossidiche che nelle successive prove hanno determinato, in alcuni casi, bassi sforzi di sfilamento. Tuttavia alla luce dei risultati ottenuti per questi primi 5 provini si osservato che i valori maggiori delle tensioni medie di aderenza sono stati raggiunti per la resina epossidica n.2 che quindi stata utilizzata per la realizzazione di tutti i rimanenti provini. Inoltre la successiva analisi delle sezioni longitudinali dei manicotti ha inoltre mostrato la bassa percentuale di vuoti formatisi nel caso dellutilizzo di questa resina. Tabella 7 Risultati delle prove di sfilamento su manicotti filettati Provino Resina n. Lung. aderenza Carico [kN] Tipo crisi Tipo Barra tmax

[MPa] Provino n.1 4 16 f (120 mm) 28,4 Sfilamento 2 5,38 Provino n.2 3 16 f (120 mm) 39,8 Sfilamento 2 7,54 Provino n.3 2 16 f (120 mm) 43,9 Sfilamento 2 8,32 Provino n.4 2 16 f (120 mm) 41,7 Sfilamento 2 7,90 Provino n.5 1 16 f (120 mm) 40,8 Sfilamento 2 7,73 Provino n.6 2 24 f (180 mm) 62,1 Rottura barra 1 7,84 Provino n.7 2 24 f (180 mm) 62,9 Rottura barra 1 7,95 Provino n.8 2 32 f (240 mm) 48,7 Rottura barra 2 4,61 Provino n.9 2 32 f (240 mm) 48,7 Rottura barra 2 4,61 Provino n.10 2 32 f (240 mm) 45,5 Rottura barra 2 4,31 Provino n.11 2 32 f (240 mm) 62,0 Rottura barra 1 5,87 Provino n.12 2 32 f (240 mm) 61,3 Rottura barra 1 5,81 Provino n.13 2 40 f (300 mm) 62,8 Rottura barra 1 4,76 Provino n.14 2 40 f (300 mm) 66,0 Rottura barra 1 5,00 Provino n.15 2 40 f (300 mm) 64,5 Rottura barra 1 4,89

Tabella 8 Risultati delle prove su manicotti lisci Provino Resina n. Lung. aderenza

[mm] Carico [kN] Tipo crisi Tipo Barra tmax

[MPa] Provino n.16 2 17 f (240 mm) 54,2 Sfilamento 1 5,14 Provino n.17 2 17 f (240 mm) 59,7 Sfilamento 1 5,66 Provino n.18 2 21 f (300 mm) 59,7 Sfilamento 1 4,52 Provino n.19 2 21 f (300 mm) 43,2 Sfilamento 1 3,27

I risultati delle prove hanno mostrato per la lunghezza di aderenza di 16 f con filettatura

interna, lo sfilamento della barra dal manicotto. Le successive prove realizzate con lunghezze di ancoraggio superiori ed uguali a 24 f con filettatura interna hanno sempre evidenziato la rottura a trazione della barra (Tab. 7).. I risultati delle prove su manicotti lisci hanno mostrato in tutti i casi lo sfilamento della barra e della resina epossidica dal manicotto in acciaio con tensioni di crisi notevolmente pi basse rispetto al caso dei manicotti filettati (Tab. 8). In questo caso i risultati delle tensioni tangenziali massime sono stati riportati in funzione del diametro esterno (14 mm) della sezione a corona circolare di resina.

5 CONCLUSIONI

La presente sperimentazione ha permesso di mettere a punto alcuni sistemi di collegamento con materiali composti nellambito degli interventi di miglioramento sismico di strutture in muratura.


Il collegamento tra barre e nastri in CFRP non di facile realizzazione considerando la forma dei due elementi da collegare e le esigenze di cantiere che non consentono un accurato controllo in fase di realizzazione. Tuttavia le numerose sperimentazioni eseguite hanno evidenziato la fattibilit di un tale collegamento con la possibilit di trasferire sforzi equivalenti a quelli di crisi di uno dei due materiali da collegare. La disposizione di un rinforzo localizzato risultata fondamentale al fine di garantire il trasferimento dello sforzo dalla barra al nastro. Questo rinforzo stato realizzato in corrispondenza della superficie di aderanza con un tessuto bidirezionale disposto a 45 rispetto alla direzione dello sforzo di trazione. Il collegamento dei paramenti in muri a sacco necessario al fine di prevenire meccanismi di danno sia di primo che di secondo modo. Il rinforzo a taglio di strutture murarie rappresenta una soluzione interessante che, tuttavia, per avere maggiore efficacia non pu prescindere dal collegamento trasversale dei paramenti. La tecnica di collegamento sperimentata, composta da strisce di nastri in CFRP che collegano le barre in CFRP di collegamento dei paramenti ed i nastri del rinforzo a taglio, non risultata in grado di trasferire sforzi equivalenti quelli di crisi a trazione delle barre. Tuttavia questo collegamento ha assorbito circa il 35% dello sforzo di crisi a trazione delle barre (23 kN) mentre il resto dello sforzo stato assorbito dalla muratura attraverso laderenza con la barra. Infine lultimo sistema di collegamento tra muratura e barre in CFRP composto da un manicotto in acciaio al cui interno stata incollata tramite resine epossidiche una barra in CFRP. Le prove hanno mostrato per i manicotti utilizzati che una lunghezza di ancoraggio di 30 f della barra in CFRP sufficiente per trasferire uno sforzo uguale a quello di crisi a trazione della barra. Questo risultato funzione di numerosi fattori quali il gradiente di carico, le dimensioni del manicotto ed , in modo particolare, la presenza di filettatura interna al manicotto. Per le prove realizzate senza filettatura interna stato osservato lo sfilamento della barra dal manicotto. Altre sperimentazioni sono in corso di progettazione al fine di determinare linfluenza di questi fattori tra cui la non assialit tra asse del manicotto e direzione dello sforzo. Ringraziamenti Si ringrazia per la collaborazione la Tec-Inn S.r.l. e la S.G.M. S.r.l. di Perugia. Si ringraziano inoltre gli ingegneri Rosita Barbarelli e Marco De Paolis che hanno partecipato allindagine sperimentale e alle successive elaborazioni. Bibliografia ASTM D 638-95 (1995) Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics Book of ASTM

standards, pp. 45-56. ASTM D 790-95a (1995) Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced

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