Di Ludovico

CriteriCriteri progettualiprogettuali didi interventointervento in in zonazonasismicasismica per per ilil rinforzorinforzo didi strutturestrutture in in cementocemento

armatoarmato attraversoattraverso materialimateriali compositicompositi

PhPh.D. .D. StudentStudentMarco Di LudovicoMarco Di Ludovico

Seminario di studio sul Documento CNR-DT 200/2004

10 Giugno 2005

Universit di Napoli Federico IIUniversit di Napoli Federico II

La La StrutturaStruttura

EdificioEdificio didi tretre pianipianiprogettatoprogettato per per solisolicarichicarichi verticaliverticali ProgettatoProgettato secondosecondo le le

indicazioniindicazioni delladellaNormativaNormativa GrecaGrecautilizzatautilizzata daldal 1954 al 1954 al 1995 1995 StrutturaStruttura regolareregolare in in

elevazioneelevazione ma ma doppiamentedoppiamente non non simmetricasimmetrica in in piantapianta TelaiTelai a 2 a 2 campatecampate concon

luciluci dada 3 a 6 m3 a 6 m

DescrizioneDescrizione delladella StrutturaStruttura StrutturaStruttura regolareregolare in in elevazioneelevazioneTraviTravi e e colonnecolonne didi ciascunciascun piano piano sonosono armatearmate alloallo stessostesso modomodo Il Il centrocentro didi rigidezzarigidezza (CR) (CR) presentapresenta ununeccentriciteccentricit paripari a 1.3 m a 1.3 m nellanelladirezionedirezione X (~13% X (~13% delladella dimensionedimensione in in piantapianta) e 1.0 m ) e 1.0 m nellanella direzionedirezione Y Y (~9.5% (~9.5% delladella dimensionedimensione in in piantapianta) ) rispettorispetto al al centrocentro didi massamassa (CM)(CM)

Test SetTest Set--upup TreTre gradigradi didi libertlibert per piano: due per piano: due traslazionitraslazioni e e unauna rotazionerotazione attornoattornoallallasseasse verticaleverticale Quattro Quattro attuatoriattuatori ((deidei qualiquali tretre strettamentestrettamente necessarinecessari) ) applicatiapplicati allaallastrutturastruttura per per ciascunciascun pianopiano

RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali StrutturaStruttura non non rinforzatarinforzata

I maggiori danni sono stati riscontrati sullecolonne:La struttura stata progettata per soli carichi verticali nessuna attenzione alla gerarchia delle resistenzeLe colonne hanno dimensioni ridotte e armaturainsufficiente a sopportare sforzo normale e flessionebiassialeMeccanismo di trave forte pilastro fragile con formazione di cerniere plastiche nellecolonneLa mancanza di infittimento della staffatura nei nodiaumenta il rischio di fenomeni locali di collasso fragile: rottura del calcestruzzo, istabilit delle barre di acciaiolongitudinali, sfilamento delle barre

ProgettazioneProgettazione InterventoIntervento didi RinforzoRinforzo

OBIETTIVI :Incrementare la duttilit globale della struttura migliorandola sua capacit di dissipare energia

Prevenire meccanismi di rottura locale al fine di ottenere un soddisfacente comportamento sismico strutturale

Intervento di rinforzo con materiali compositi:

-Consente di incrementare la duttilit-Facile e rapido da realizzare-Non incrementa la massa della struttura-Non modifica la geometria della struttura

ProgettazioneProgettazione InterventoIntervento didi RinforzoRinforzo

Tre tipologie di intervento adottate al fine diincrementare:

1) Confinamento delle colonne

2) Capacit di resistenza a taglio colonna rettangolare C6

3) Capacit di resistenza a taglio nodi dangolo

ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne

Il confinamento mediante FRP consente, di incrementare il valore della deformazione convenzioanle ultima di progetto del calcestruzzo, cu, ad un valore ccu

ccu0

0.2

0.6

11.2

0 0.001 0.002 0.003 0.004

/fcd

cu

OBIETTIVO: Incremento duttilit cerniere plastiche (nessuna modifica gerarchia resistenze)

ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonneIl valore della deformazione ultima di progetto, ccu fornito dalla relazione:

,0.0035 0.015 l effccu

cd

ff

= +fl,eff. : pressione efficace di confinamento = f (f ;f ; fd,rid ; pf ) fcd : resistenza di progetto calcestruzzo non confinato

Progettazione con riferimento alla colonna centrale C3 (massimo sforzo assiale P=403 kN). Calcolo incrementodeformazione ultima mediante utilizzo di fibre di vetro e carbonio


,0.0035 0.015 l effccu

cd

ff

= +

, . ,

1( ) ( )2l eff eff l H V f f fd rid

f k f k k k E = = 0.83 0.85

1.6ck

cd

Rf =

ConfinamentoConfinamento delledelle colonne colonne Incrementi di deformazione ultima mediante:Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densit 900 g/m2Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densit 300 g/m2

12.1012.100.007970.007970.4980.4983 strati CFRP3 strati CFRP10.5210.520.005310.005310.3320.3322 strati CFRP2 strati CFRP8.478.470.002660.002660.1660.1661 strato CFRP1 strato CFRP12.5212.520.023040.023041.4401.4403 strati GFRP3 strati GFRP10.8710.870.015360.015360.9600.9602 strati GFRP2 strati GFRP8.718.710.007680.007680.4800.4801 strato GFRP1 strato GFRP3.53.5----Non rinforzataNon rinforzata

ccuccu (%(%00))fftftf (mm)(mm)

Deformazione Deformazione ultimaultima

%Geometrica%Geometricarinforzorinforzo

SpessoreSpessoreFRPFRP

Section typeSection type

ConfinamentoConfinamento delledelle colonne colonne Incrementi di deformazione ultima mediante:Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densit 900 g/m2Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densit 300 g/m2

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Curvature (rad/mmx105)

M

o

m

e

n

t

(

k

N

m

)

3STRATI 1 STRATO2 STRATI

CFRP UNI-AX 300 g/mq.

1 STRATO 2 STRATI 3 STRATI

GFRP UNI-AX 900 g/mq.

ORIGINAL ORIGINAL

210 8 6 4


Applicazione di tipo interno: no problemi di durabilit

Rinforzo mediante 2 Strati di fibre di Vetro

Le fibre di vetro consentono un risparmio in termini economici di circa il 30%

Entrambe le tipologie analizzate risultano efficacida un punto di vista strutturale

Scelta del tipo di fibre da utilizzare

FATTORE ECONOMICO DISCRIMINANTE NELLA SCELTA

ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne8 Colonne quadrate:2 strati GFRP uniassiale

1 Piano: Testa: h= 60 cmPiede: h=77cm

(60+20cm sovrapposizione: 3 cm)C8 h=97cm (70+20cm sovrapposizione 3 cm)

2 e 3 Piano : Testa: h= 60 cmPiede h=60cm

C8 h=77cm (60+20cm sovrapposizione: 3 cm)

970mm

400mm

600mm

970mm

400mm

600mm 770mm

600mm

200mm

770mm600mm

200mm

1st ply 2nd plie

1st ply 2nd ply

RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolare

La resistenza di progetto a taglio di un elemento rinforzato si valuta come:

OBIETTIVO: Impedire la formazione di meccanismi di rottura di tipo fragile

{ }, , , ,maxmin ,Rd Rd ct Rd s Rd f RdV V V V V= + +Disposizione di rinforzo prescelta:

laterale ad U in avvolgimento

Non consentito in zona sismica


,

1 0.9 2 (cot cot ) 90.3fRd f fed fRd f

wV d f t kN

p = + =

Utilizzando tessuto quadriassiale in fibra di vetro in avvolgimento continuo, il contributo del rinforzo in FRP, VRd,f vale:

,123.5

Rd ctV contributocls kN= =

,72.5

Rd sV ContributoStaffe kN= =

,286 ( 46%)

Rd fV kN= +

,3196

RdV kN=


{ } { }

,

1 0.9 2 (cot cot )

1.2 ( )

1 sin 1 sin1 ( ) 16 min 0.9 , 2 min 0.9 ,

f

Rd f fed f

Rd f

Rd

e efed ffd R fd fdd

w w

wV d f t

pTaglio

l lf f f fd h d h

= + =

= +

23

2

0.27

21

1.2 . "

f f

e

ctm

ctm ck

f fd

ffd

ffd c

fd

E tl

f

f R

Ef

t

Applic tipo

=

= =

= "A

1.6

0.03

2

1400

c

fd b ck ctm

f

bf

k f f

bbk b

= =

=

+sin( )min(0.9 , )

sinf wb d h

+=

RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolareRinforzo colonna C6:Fasciatura a tutta altezza, 2 strati di tessuto quadriassialecon sovrapposizione tra le fasce di 3 cm

2 strati di QUADRI-AX 1140/48


Rinforzo colonna C6 Nodo:

2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm

1 Strato fasce ad U rinforzo a taglio per la trave

1 fase 2 fase

ESTERNO

20

20

50255025

20

20

RinforzoRinforzo strutturastrutturaRinforzo colonna C6 Nodo:

2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm

1 Strato fasce ad U rinforzo a taglio per la trave

15

25

35

205020 20

50 20

35

25

15

INTERNO

1 fase 2 fase

fasciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato)

fasciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato)

n2 strati di QUADRI-AX 1140/48

INTERNO

RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloOBIETTIVO: Impedire la formazione di meccanismi di

rottura di tipo fragileSollecitazioni di taglio comparabili con quelle di rottura a taglio dei pannelli di nodo calcolate secondo quanto prescritto nellOrdinanza 3274:

Ordinanza 3274: Limitazioni tensionali Ordinanza 3274: Limitazioni tensionali diagonalediagonale tesatesa e e diagonale diagonale compressa compressa ::

c

2

g

n

2

ggnc f5.0A

VA2N

A2N

+

+=

c

2

g

n

2

ggnc f3.0A

VA2N

A2N

+

=

N

Rinforzo dei pannelli di nodo con tessuto di vetro quadriassialedi vetro secondo il modello di calcolo proposto da

Antonoupoulos&Triantafillou(2002)

RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloIl metodo di Antonoupoulos&Triantafillou(2002) consente dideterminare linclinazione delle tensioni principali di trazione e I corrispondenti valori di tensioni di taglio nel nodo allincrementarsidelle sollecitazioni esterne sino allattingimento dei valori di rottura a taglio. La rottura si attinge per compressione del calcestruzzo

1 Strato

Tensione di rottura

Nodo non Rinforzato

2 Strati 3 Strati

GFRP QUADRI-AX 1140 g/m2

Tensione di rottura di progetto

Nodo Rinforzato

RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloRinforzo nodi di vertice C2 C5 C7 C8:2 strati di tessuto

Quadriassiale + U-wrap unidirezionale (rinforzoa taglio trave)

a) Rinforzo del nodo b) Pannello di nodo c) U-wrap trave

StrutturaStruttura RinforzataRinforzata

RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali

7.47.4 ROT. (ROT. (mradmrad))13.413.4 ROT. (ROT. (mradmrad))7.87.8 ROT. (ROT. (mradmrad))50.750.7Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)55.955.9Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)42.342.3Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)

63.563.5X DIR. (mm)X DIR. (mm)106.0X DIR. (mm)X DIR. (mm)59.5X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.30g PGA 0.30g PGA

FRPFRP


34.334.3X DIR. (mm)X DIR. (mm)55.4X DIR. (mm)X DIR. (mm)32.1X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.20g PGA 0.20g PGA

FRPFRP


35.835.8X DIR. (mm)X DIR. (mm)57.1X DIR. (mm)X DIR. (mm)24.6X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.20g PGA 0.20g PGA NON NON

RINFORZATRINFORZATAA

PIANO 3PIANO 3PIANO 2PIANO 2PIANO 1PIANO 1PIANOPIANO/TEST/TEST

Massimi spostamenti di inrterpiano

RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali

631631 ROT. (ROT. (kNmkNm))801801 ROT. (ROT. (kNmkNm))10001000 ROT. (ROT. (kNmkNm))

102102Y DIR. (Y DIR. (kNkN))276276Y DIR. (Y DIR. (kNkN))277277Y DIR. (Y DIR. (kNkN))

122122X DIR. (X DIR. (kNkN))168X DIR. (X DIR. (kNkN))190X DIR. (X DIR. (kNkN))0.30g PGA 0.30g PGA

FRPFRP




FRPFRP




NON NON RINFORZATARINFORZATA

PIANO 3PIANO 3PIANO 2PIANO 2PIANO 1PIANO 1TEST/PIANOTEST/PIANO

Massimi taglianti di piano

ConclusioniConclusioniLintervento con materialicompositi ha consentito un notevole miglioramentodella capacit deformativaglobale della strutturaincrementando la duttilitdelle cerniere plastiche e prevenendo la formazionedi meccanismi di collassofragile

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