PROVE DI ADERENZA IN COLONNE COMPOSTE PARTIALLY … · 2010. 2. 8. · costituite da profilati...

VII WORKSHOP ITALIANO SULLE STRUTTURE COMPOSTE

Benevento , 23-24 Ottobre 2008 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO

FACOLTÀ DI INGEGNERIA - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

PROVE DI ADERENZA IN COLONNE COMPOSTE PARTIALLY

ENCASED

Francesca CERONI1 Marisa PECCE

1

1 Department of Engineering, University of Sannio, Italy

Keywords: Colonne composte, strutture acciaio-calcestruzzo, aderenza.

ABSTRACT

This paper deals with bond behaviour at the steel-concrete interface of partially encased

composite columns. The topic is especially interesting to determine the stress transfer between the two materials at sections where composite structural elements are connected, such as in a beam-column joint, and to ensure a short transfer length to attain the strength of the composite section. The few experimental tests in the technical literature usually concern other types of composite columns. The Authors therefore designed and carried out experimental bond tests to investigate the transfer mechanism and ascertain the reliability of some code provisions (Eurocode 4, 2004; New Italian Code, 2008) concerning the design value of bond strength for partially encased columns. A suitable test set-up was designed to measure the shear stresses transferred to the steel profile and the slip between the two materials, allowing compression or tension to be applied to concrete according to monotonic or cyclic load history. The test results give interesting information about the bond stress-slip relationship and bond strength; the cyclic tests highlight the effect of seismic action and indicate considerable degradation of strength and stiffness.

1 INTRODUZIONE

Il comportamento degli elementi composti acciaio-calcestruzzo è basato sull’interazione dei due materiali componenti e pertanto la modalità di trasferimento degli sforzi all’interfaccia profilo-calcestruzzo assume un ruolo centrale nella definizione delle prestazioni strutturali. Nell’ambito di tale problematica l’aderenza tra profilo metallico e calcestruzzo viene completamente trascurata nel caso delle travi composte costituite da un elemento in acciaio e dalla soletta in calcestruzzo, in quanto il trasferimento degli sforzi è completamente affidato ad appositi connettori. Viceversa, si può tenere conto dell’aderenza negli elementi colonna dove l’estensione della superficie di contatto è maggiore ed il calcestruzzo si trova tutto o in parte all’interno della sezione metallica e beneficia pertanto di un positivo effetto di confinamento. Il valore della tensione all’interfaccia in tali casi è comunque piuttosto modesto, anche se, essendo distribuito su una superficie rilevante, può consentire l’interazione totale dei due materiali ed il raggiungimento della resistenza plastica della sezione composta, soprattutto nel caso di sezioni in cui il baricentro della parte metallica coincide con quello della parte in c.a. (Cosenza e Pecce, 2001). Il meccanismo di trasferimento di tensioni tangenziali per aderenza tra le superfici di interfaccia di acciaio e calcestruzzo risulta comunque piuttosto articolato. Esso, infatti, dipende in modo complesso da molti parametri (Virdi e Bowling, 1980; Hamdan e Hunaiti, 1991; Hunaiti, 1994), quali: tipo di sezione composta (parzialmente, interamente rivestita o riempita con calcestruzzo), modalità di applicazione del carico (sulla sola parte in calcestruzzo, sulla sola parte metallica o su entrambi i componenti), tipo di sollecitazione agente (compressione, trazione, flessione, azioni alternate), proprietà del calcestruzzo (tipo, età, ritiro, modalità di indurimento, temperatura di stagionatura). Già da alcuni anni l’ Eurocodice 4 (EC4, 2004), le istruzioni italiane CNR 10016 (1999) e la normativa americana AISC (2005) forniscono alcune indicazioni in merito ai valori di tensione tangenziale di aderenza da assumere nel calcolo; le nuove Norme Tecniche Italiane per le Costruzioni

VII WORKSHOP ITALIANO SULLE STRUTTURE COMPOSTE Benevento, 23-24 Ottobre 2008

(NTC, DM 14/01/2008) confermano i valori indicati nell’EC4 (2004). In effetti l’importanza della capacità di trasferimento degli sforzi tra il componente metallico e la parte in calcestruzzo non riguarda la sezione trasversale corrente dell’elemento, ma le zone di collegamento tra diversi elementi. Infatti i nodi composti possono essere realizzati in vari modi, ma è importante che le sollecitazioni vengano trasferite da un elemento all’altro coinvolgendo entrambi i materiali. Pertanto le lunghezze di trasferimento delle tensioni di aderenza tra acciaio e calcestruzzo devono essere molto ridotte e questo risultato si può ottenere o raggiungendo adeguati valori della tensione di aderenza oppure inserendo nelle zone di collegamento dei sistemi di connessione meccanica. I valori della tensione di aderenza suggeriti dai codici sono stati ricavati in base ad un numero piuttosto esiguo di prove sperimentali, condotte peraltro solo in regime di carico monotono e per profili riempiti (Khalil, 1993; Hunaiti, 1994; Kilpatrick e Rangan, 1999; Johansson e Gylltoft, 2002; Mouli e Khelafi, 2007). Inoltre per applicazioni in zona sismica, dove la resistenza e la rigidezza dei nodi hanno un ruolo fondamentale per lo sviluppo dei meccanismi dissipativi, il legame di aderenza deve necessariamente tener conto della ciclicità dell’azione applicata che può causarne il degrado in termini sia di rigidezza che di resistenza. Al fine di valutare l’aderenza in elementi composti acciaio-calcestruzzo sono state svolte prove di aderenza su colonne ‘partially encased’ presso il laboratorio LAMAS dell’Università degli Studi del Sannio (Benevento, Italy). I provini sono costituiti da profilati HEB parzialmente rivestiti con e senza armature trasversali e longitudinali. Per valutare l’effetto di ulteriori parametri sulla risposta meccanica, in alcuni casi le superfici dell’anima e delle ali dei provini sono state rivestite con olio prima del getto e alcune prove sono state condotte in regime di carico ciclico. Nel seguito si illustrano i risultati delle prove e si effettuano confronti con le indicazioni normative e con i risultati sperimentali di altri autori, anche se riferiti a profili riempiti.

2 PROVE SPERIMENTALI

Le prove sperimentali sono state effettuate su campioni di colonne composte parzialmente rivestite costituite da profilati metallici tipo HEB 180 (spessore ali tf = 14 mm, spessore anima tw = 8.5 mm, larghezza ed altezza della sezione H = B = 180 mm) di altezza 630 mm e lunghezza aderente di 450 mm. Il profilo è stato scelto in modo da avere un provino di dimensioni compatibili con l’attrezzatura di carico. Il programma di prove comprende provini con e senza armatura aggiuntiva longitudinale e trasversale, eventuale trattamento con olio della superficie di contatto acciaio-calcestruzzo prima del getto, carichi applicati in modo monotono e ciclico in regime di compressione e trazione.

In Tabella 1 sono elencati i provini realizzati indicando il tipo e le modalità di applicazione del carico, la presenza di armatura e di olio lungo le superfici interne del profilo, la resistenza del calcestruzzo, Rcm, valutata come media dei risultati di prove di compressione su tre cubi (lato 150 mm) estratti da ciascun getto. L’acciaio utilizzato è tipo S275 per il profilo e Fe 430 (corrispondente al B450C della NTC 2008) per le barre di armatura; per questo tipo di prove la caratterizzazione dell’acciaio non si è ritenuta necessaria in quanto le sollecitazioni a cui sono sottoposti il profilo e le armature sono molto modeste e sicuramente inferiori alle tensioni di snervamento.

Per consentire il trasferimento degli sforzi tra i due materiali, il provino è stato realizzato in modo che la parte in calcestruzzo fosse sfalsata longitudinalmente rispetto al profilo di 50 mm ad entrambe le estremità (Fig. 1a). Le prove sono state realizzate inserendo i provini in una macchina universale elettromeccanica da 300 kN. Il provino è ancorato ad una piastra di base rigida mediante appositi angolari (Fig. 1a), mentre una piastra superiore, anch’essa molto rigida, permette di applicare compressione direttamente sul calcestruzzo o trazione afferrando le barre di acciaio opportunamente annegate nel calcestruzzo (Fig. 1b). Per le prove in regime di compressione solo in un caso (provino C5) il carico è stato applicato sull’acciaio ribaltando il provino in maniera che la parte sporgente sottoposta al carico fosse quella del profilo.

In tutte le prove si è analizzato l’andamento delle deformazioni nell’acciaio, in quanto lungo l’interfaccia acciaio – calcestruzzo e sul lato esterno del profilo sono stati applicati 13 estensimetri elettrici (Figure 2 e 3). In Figura 2a e 2b sono riportati i provini tipo per le prove di compressione con e senza olio prima del getto, mentre in Figura 2c e 2d si vedono i provini utilizzati per le prove di trazione con e senza armatura trasversale. I provini sono stati strumentati anche con 4 trasduttori induttivi di spostamento: due sono posizionati in direzione ortogonale all’applicazione del carico sui due lati esterni dell’ala del profilo per valutare le eventuali rotazioni della colonna, mentre altri due sono applicati in verticale (sui due lati opposti dell’anima) sul calcestruzzo e sulla piastra a cui è ancorato il profilo per misurare gli scorrimenti relativi tra i due (Fig. 1a).


Tabella 1 Dati prove di aderenza

Prova Sollecitazione Carico Armatura Olio Rcm [MPa]

C1 Compressione Monotono - - 22




C5 Compressione (sull’acciaio)

Monotono - - 35

Ca1 Compressione Monotono Si - 22

Co1 Compressione Monotono - Si 22

T1 Trazione Monotono - - 22

T2 Trazione Monotono - - 22

Ta1 Trazione Monotono Si - 22

To1 Trazione Monotono - Si 22

CYC1 Compressione-

Trazione Ciclico - - 35

CYCa1 Trazione-

Compressione Ciclico Si - 35

CYCo1 Trazione-

Compressione Ciclico - Si 35

a)

b)

Fig. 1 Apparecchiatura per prove di aderenza su elementi composti: a) Piastra di base e trasduttori; b) Piastra superiore e barre per prove di trazione.

a)

c)

b)

d)

Fig. 2 a) Profilo tipo prima del getto; b) Profilo con olio; c) Provino con armatura e barre per prove di

trazione; d) Provino con barre per prove di trazione.


14 15

Ali: lati esterni - Dx

12 13

5

42

6

10 11

Anima: lato interno

- AnterioreAli: lati esterni - Sx

31

Anima: lato interno

- Posteriore

7

98

Fig. 3 Posizione e numerazione degli estensimetri sui lati interni ed esterni dei profili

3 RISULTATI SPERIMENTALI 3.1 Prove di compressione

Nelle Figure 4a-b si riportano le curve carico - scorrimento per tutte le prove di compressione eseguite in regime monotono; in tutti i casi lo scorrimento è la media delle misure direttamente fornite dai trasduttori posti in verticale.

I provini C1-C4 sono caratterizzati da due valori diversi di resistenza del calcestruzzo in funzione del getto (22 MPa per il getto 1 e 35 MPa per il getto 2), mentre il provino C5 (getto 2) è caratterizzato dall’applicazione del carico direttamente sul profilo invece che sul calcestruzzo.

Le curve carico-scorrimento dei provini C1 e C2 (getto 1, Fig. 4a) presentano un tratto iniziale con scorrimenti praticamente nulli per effetto dell’adesione chimica e dell’attrito tra calcestruzzo ed acciaio fino ad un valore di picco, cui segue un tratto discendente molto ripido con degrado della resistenza che si attesta su un carico residuo costante anche per scorrimenti elevati e pari circa al 40% della resistenza massima.

Le curve dei provini C3 e C4 (getto 2, Fig. 4a) hanno una forma diversa caratterizzata fin dall’inizio da scorrimenti, anche se piccoli, e dall’assenza di un picco ben definito, in quanto il valore massimo del carico si mantiene pressocchè costante (valore medio = 50 kN) ed è maggiore della resistenza residua dei provini C1 e C2 (valore medio = 38 kN), mediamente del 24%. Analogamente, quando il carico di compressione è applicato direttamente sul profilo di acciaio (provino C5, Fig. 4a), non si manifestano fenomeni adesivi ed attritivi iniziali e la resistenza si attesta sul valore residuo delle prove precedenti dello stesso getto (50 kN). Le differenze rilevate tra i diversi getti sono dovuti alla qualità del calcestruzzo, che nel getto 1 aveva una resistenza minore ed una miscela con additivo antiritiro, ottenendo così una maggiore adesione iniziale, ma una minore resistenza residua sicuramente legata alla resistenza meccanica del calcestruzzo. Inoltre il getto 2 è stato effettuato in un periodo dell’anno caratterizzato da temperature ambientali maggiori che hanno amplificato il ritiro del calcestruzzo.

In Figura 4b si riportano le curve sperimentali relative ai provini Co1 e Ca1 caratterizzati rispettivamente dalla presenza di olio lungo le superfici di contatto e dall’armatura traversale; essendo entrambi realizzati con lo stesso getto 1 sono confrontati con il provino C1 appartenente allo stesso getto. Si nota che la presenza dell’olio elimina il contributo dell’adesione iniziale, il valore massimo resta costante senza degrado ed è circa pari al 25% della tensione residua dei provini senza olio.

L’effetto dell’armatura sembra influenzare soprattutto il valore di picco che risulta molto ridotto rispetto al caso di assenza di armatura a parità di getto di calcestruzzo, mentre il valore del carico residuo è di poco inferiore (-15%). Questo risultato si può attribuire ad una peggiore qualità del calcestruzzo all’interfaccia causata dalla presenza della gabbia di armatura che, lasciando uno spazio piccolo tra barre e profilo, impedisce una buona penetrazione e vibrazione del getto.

Complessivamente si può concludere che la presenza del picco è legata a fenomeni attritivi molto sensibili agli effetti del ritiro, legati alla miscela ed alla stagionatura del calcestruzzo, nonché alla qualità ed omogeneità del getto soprattutto nella zona di interfaccia. Pertanto si può ritenere che l’effettiva resistenza tangenziale sia rappresentata dal valore costante che si attinge sul tratto orizzontale post-picco. Tale valore dipende dalla resistenza del calcestruzzo in modo meno che proporzionale (ad un incremento di resistenza a compressione del 50% corrisponde un incremento della resistenza residua di aderenza del solo 24%), ma è anche funzione della scabrezza della superficie di contatto in quanto si riduce a meno del 50% trattando le superfici con olio.


0

30

60

90

120

150

0 10 20 30 40Scorrimento [mm]

Carico [

kN

]

getto 1

getto 2

C1

C2

C5C3

C4

a)

0

30

60

90

120


Carico [kN

]

getto 1

Co1

C1

Ca1

b)

Fig. 4 Relazione carico - scorrimento per provini soggetti a compressione: a) provini standard; b) provini con olio e con armatura.

3.2 Prove di trazione

I risultati sperimentali ottenuti applicando trazione al calcestruzzo sono illustrati in Figura 5a, in cui sono confrontati con le prove di compressione (C1, C2) relative alla stesso getto (getto 1). Le curve carico-scorrimento mostrano che i fenomeni di adesione ed attrito iniziali, osservati in caso di compressione, sono trascurabili per cui gli scorrimenti si presentano diversi da zero già per bassi valori dei carichi. Questa differenza probabilmente è legata all’influenza della dilatazione trasversale del calcestruzzo che nel caso di compressione migliora l’attrito lungo l’interfaccia. Dopo aver raggiunto il valore di picco, la resistenza degrada fino a raggiungere un valore residuo pari a circa il 40% di quello massimo e praticamente coincidente con quello ottenuto dalle prove di compressione.

In Figura 5b si riportano le curve sperimentali carico-scorrimento dei provini sottoposti a trazione con superfici trattate con olio e con presenza di armatura trasversale confrontate con il provino di riferimento (T1) appartenente allo stesso getto (getto 1). Si nota come, anche applicando trazione, l’olio annulla l’adesione iniziale, elimina la presenza del picco di resistenza e riduce l’attrito fornendo un carico di aderenza residuo pari a circa il 25% del caso di riferimento senza olio (T1).

L’introduzione dell’armatura conduce ad un valore massimo di resistenza pari a circa il 30% di quella dei provini senza armatura, elimina il picco e determina una resistenza residua pari a circa il 70% di quella residua dei provini senza armatura (Figura 5b). In conclusione anche nelle prove di trazione si conferma la forte influenza dell’attrito tra le superfici, che viene ridotto dalla presenza dell’olio, e l’effetto negativo dell’armatura, come già osservato per le prove di compressione.


0

30

60

90

120


Ca

rico [

kN

]

trazione

compressione

getto 1C2

C1

T1

T2

a)

0

40

80

120


Carico [kN

]

getto 1T1

Ta1

To1

b)

Fig. 5 Relazione carico scorrimento per provini soggetti a prova di trazione: a) provini standard in trazione e compressione appartenenti allo stesso getto; b) provini con armatura e con olio.

3.3 Prove cicliche

In regime di carico ciclico sono state svolte complessivamente 3 prove. La prima prova (CYC1, getto 2) è stata condotta applicando inizialmente un carico di compressione sul calcestruzzo, effettuando 5 cicli tra i carichi +20 kN e -20 kN, proseguendo in compressione fino ad uno scorrimento di 17 mm e poi invertendo il carico per riportarsi ad un valore di scorrimento nullo (Figura 6a).

Si osserva che durante i primi 5 cicli tra i valori di carico prefissati, pari a circa il 40% della resistenza rilevata dalle prove monotone in compressione (C3 e C4 dello stesso getto 2), all’annullarsi del carico non vi è recupero di scorrimento e per raggiungere nuovamente il carico massimo sono necessari scorrimenti elevati. Si tratta di un evidente fenomeno di pinching legato al fatto che il carico si recupera quando il blocco di calcestruzzo va in contrasto nelle zone in cui non è stata ancora superata la resistenza di tipo attritivo.

Confrontando la relazione ciclica con quella monotona di provini dello stesso getto (C3), si osserva che la resistenza residua dopo 5 cicli è circa il 50% di quella dei provini monotoni. Nel tratto residuo in trazione, invece, si osserva una maggiore riduzione della resistenza rispetto alla curva monotona di confronto, pur essendo quest’ultima relativa ad un provino proveniente da un getto di calcestruzzo con resistenza minore (getto 1 invece che getto 2 dei provini ciclici).

In Figura 6b si riportano i risultati della prova ciclica iniziata con applicazione del carico in trazione su un provino con armatura interna trasversale (CYCa1, getto 2). In questo caso i 5 cicli sono stati eseguiti tra i valori di carico -30 kN e +30 kN. Si osserva lo stesso fenomeno di pinching e la resistenza residua si riduce di circa il 18% rispetto all’analogo provino sottoposto a carichi monotoni di trazione con armatura, ma caratterizzato da resistenza a compressione del calcestruzzo inferiore (Ta1, getto 1).

In Figura 6c si riporta la curva carico-spostamento relativa alla terza prova ciclica eseguita su un


provino con superfici di contatto oleate (CYCo1). Anche in questo caso inizialmente il carico è stato applicato in trazione, ma sono stati effettuati 5 cicli tra i valori -5 kN e +5 kN. Successivamente è stato applicato un carico monotono di trazione fin quando non si è raggiunta la resistenza residua. Il confronto con la curva monotona dell’analogo provino, seppure realizzato con un calcestruzzo di resistenza inferiore (To1, getto 1), mostra che i carichi ciclici non hanno prodotto degrado, probabilmente perché la presenza dell’olio ha già eliminato la componente attritiva iniziale che è maggiormente soggetta al degrado ciclico.

-110

-70

-30

10

50

-8 0 8 16

Scorrimento [mm]

Carico [kN

]

getto 2

getto 1

C3

CYC1

T1

a)

-80

-50

-20

10

40

-10 -5 0

Scorrimento [mm]

Carico [kN

]

getto 1

getto 2

CYC_a1

Ta1

b)

-40

-20

0

-14 -10 -6 -2 2

Scorrimento [mm]

Ca

rico

[kN

]

getto 2

getto 1

To1

CYCo1

c) Fig. 6 Relazione carico scorrimento per provini soggetti a prova ciclica: a) provino con primo ciclo in

compressione; b) provino con primo ciclo di carico in trazione; c) provino ciclico con olio.


4 CONFRONTI SPERIMENTAZIONE- INDICAZIONI NORMATIVE 4.1 Indicazioni normative Nelle membrature composte la resistenza allo scorrimento fra profilo metallico e calcestruzzo è legata alle tensioni di aderenza che si generano all’interfaccia acciaio-calcestruzzo e al collegamento meccanico dovuto all’eventuale presenza di connettori. In particolare, secondo le indicazioni riportate nella NTC (2008), i valori massimi di tensione tangenziale dovuta all’aderenza che si possono assumere in fase di progetto sono:

- per sezioni completamente rivestite: 0.30 MPa - per sezioni circolari riempite di calcestruzzo: 0.55 MPa - per sezioni rettangolari riempite di calcestruzzo: 0.40 MPa - per le ali delle sezioni parzialmente rivestite: 0.20 MPa - per l’anima delle sezioni parzialmente rivestite: 0.00 MPa.

Se tali limiti vengono superati, l’intero sforzo deve essere trasmesso mediante collegamenti meccanici. Le stesse limitazioni delle NTC (2008) sono definite dall’Eurocodice 4 (2004), mentre valori non molto diversi si trovavano nella versione precedente dell’EC4 e nelle CNR 10016 (1999); in quest’ultime viene indicato anche che il trasferimento degli sforzi deve essere garantito lungo un’altezza non superiore al doppio della dimensione minima della sezione. La normativa americana (AISC, 2005) fornisce valori delle tensioni di aderenza analoghi per le colonne riempite (0.40 MPa) ed indicazioni sulle verifiche delle zone di trasferimento, mentre suggerisce di trascurare l’aderenza nelle colonne di tipo rivestito.

La normativa italiana (NTC 2008) per le strutture composte in zona sismica indica esplicitamente che (par. 7.6.5) “in tutti i casi in cui è insufficiente il trasferimento degli sforzi tangenziali per aderenza ed attrito, è richiesto l’uso di connettori a taglio per il trasferimento mediante interazione meccanica e il ripristino dell’azione composta”.

Nella normativa europea per le costruzioni in zona sismica (Eurocodice 8, 2003) non vi è un riferimento esplicito al trasferimento degli sforzi, ma sono necessari appositi dettagli costruttivi e limitazioni geometriche per poter considerare il contributo di entrambi i materiali nelle verifiche di resistenza e perché sia garantita la duttilità necessaria. Nelle sezioni parzialmente rivestite con profili a doppio T, il calcestruzzo tra le ali deve essere collegato all’anima mediante staffe o barre individuando un chiaro meccanismo di trasferimento tra il calcestruzzo e l’anima. 4.2 Valutazione sperimentale delle tensioni tangenziali

Dividendo il carico applicato (trazione o compressione) per l’intera superficie di contatto del profilo

(τ = N/Ap con Ap = 29.9 104 mm

2) sono stati calcolati i valori medi delle tensioni tangenziali

sperimentali. In Figura 7 si riportano gli andamenti delle tensioni tangenziali per le varie prove monotone in funzione degli scorrimenti misurati.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-40 -20 0 20 40Scorrimento [mm]

Te

nsio

ne d

i ad

ere

nza [M

Pa] senza olio

con olio

Fig. 7 Relazione tensione tangenziale - scorrimento per provini sottoposti a prove monotone.


Tuttavia, per effettuare un confronto coerente con le normative e tenere conto della capacità di trasferimento nulla attribuita dai codici alla superficie dell’anima, le tensioni tangenziali sono state calcolate anche considerando come superficie attiva di interazione profilo-calcestruzzo la sola

superficie delle ali (τ = N/Aali con Aali = 16.2 104 mm

2).

In Figura 8 si riportano gli andamenti delle tensioni tangenziali per le varie prove monotone svolte in funzione degli scorrimenti misurati. Tutte le prove di compressione, eccetto quella con superici rivestite di olio, hanno fornito una tensione residua maggiore di 0.20 MPa, che rappresenta il valore limite della normativa italiana ed europea per le ali, mentre le prove di trazione con olio e con armatura forniscono tensioni inferiori. In ogni caso i confronti con i limiti della normativa dovrebbero essere effettuati considerando anche un coefficiente riduttivo per definire un valore caratteristico della resistenza ed un coefficiente parziale di sicurezza per definire una resistenza di progetto. Ciò comporta che non si può concludere che le normative siano conservative.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-40 -20 0 20 40Scorrimento [mm]

Te

nsio

ne

di a

dere

nza

[M

Pa

]

senza olio

con olio

Fig. 8 Relazioni tensione tangenziale - scorrimento per provini sottoposti a prove monotone

considerando attiva la superficie delle sole ali.

La strumentazione utilizzata durante le prove ha consentito anche di calcolare i valori locali delle tensioni tangenziali di aderenza per diversi livelli del carico applicato. Tenuto conto della disposizione geometrica degli estensimetri è possibile, infatti, determinare la distribuzione delle tensioni di aderenza lungo l’anima e le ali dei profili. Calcolando la differenza tra le tensioni normali nell’acciaio in due punti successivi (ottenute come prodotto della deformazione puntuale misurata dall’estensimetro per il modulo elastico dell’acciaio, Es), e moltiplicando per l’area del profilo, si ottiene lo sforzo trasferito. E’ possibile valutare la tensione di aderenza media dividendo tale sforzo per la superficie di contatto, come esemplificato nel seguito nel caso delle ali:

iw

isf

x)tB(EBt)x(

∆⋅−

ε∆⋅⋅⋅=τ [1]

essendo tf e B spessore e larghezza dell’ala, tw lo spessore dell’anima, ∆xi la distanza tra due estensimetri successivi.

In Figura 9a si riporta un esempio di distribuzione di tensioni normali per il provino C1, da cui si evince un maggiore trasferimento sulle superficie delle ali tra 100 e 200 mm a partire dall’estremo caricato ed un incremento di tensione allontanandosi dal punto di applicazione del carico (x = 0 mm). In

Figura 9b il confronto tra i valori delle tensioni tangenziali sulle ali calcolati localmente (τ1 e τ2 nelle sezioni a distanza rispettivamente di 100 mm e 200 mm dall’estremo caricato) e quelli medi ottenuti in

base al carico applicato (τ = N/Ap, con Ap riferita alle sole ali) mostra un buon accordo. Nelle Figure 10a e 10b si riportano alcuni risultati sperimentali in termini di tensioni di aderenza –

scorrimento ottenuti da (Khalil, 1993) su profili cavi quadrati riempiti di lato ha = 150 mm e spessore t = 5 mm, con e senza oliatura delle superfici interne dei profili e per diverse lunghezze aderenti (250, 450, 650 mm); in tali prove il calcestruzzo ha una resistenza media a compressione pari a 50 MPa. Gli andamenti sperimentali mostrano che in assenza di olio i valori di picco e residui della tensione tangenziale superano il limite delle NTC 2008 per sezioni riempite rettangolari (0.40 MPa) solo nel caso di lunghezza 250 mm, mentre per lunghezze maggiori il valore medio è circa 0.30 MPa. In presenza di olio l’abbattimento della resistenza è rilevante (circa il 50%) ed indipendente dalla lunghezza aderente.


-8

-6

-4

-2

0

0 100 200 300 400

posizione estensimetri [mm]T

en

sio

ne

no

rma

le [

MP

a]

ali

anima

a)

0

30

60

90

120

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0Tensione di aderenza [MPa]

Caric

o [k

N]

τ1

τ2

τmedia

b)

Fig. 9 a) Andamento delle tensioni normali per il provino C1 lungo il profilo; b) confronto tra valori

medi e locali delle tensioni di aderenza sulle ali per il provino C1.

0.00

0.20

0.40

0.60

0 5 10 15 20 25 30 35Scorrimento [mm]

Ten

sio

ne

di a

de

ren

za [

MP

a] 650mm 450mm 250mm

NTC 2008

ha/t = 30Profilo RHS

a)

0.00

0.20

0.40

0 5 10 15 20 25 30 35Scorrimento [mm]

Te

nsio

ne d

i ad

ere

nza

[M

Pa] 650mm 450mm 250mm

ha/t = 30Profilo RHS oleato

NTC 2008

b)

Fig. 10 Relazioni tensioni tangenziali – scorrimento delle prove realizzate da (Khalil, 1993): a) profili quadrati riempiti; b) profili quadrati riempiti e con superfici oleate.

Nelle Figure 11a e 11b si illustra il confronto tra i risultati sperimentali delle prove presentate in

questo lavoro su profili parzialmente rivestiti e quelli derivanti dalle prove di (Khalil, 1993) sui profili quadrati già introdotti e di (Mouli e Khelafi, 2007) su profili rettangolari cavi di lunghezza aderente 450 mm e riempiti con calcestruzzo con resistenza a compressione media di 45 MPa. Anche in questo caso si considerano i risultati senza (Figura 11a) e con olio (Figura 11b) lungo la superficie di contatto.

Si osserva che le indicazioni della normativa italiana non sono conservative nè per i profili riempiti,


nè per quelli rivestiti, se si considera inoltre che i valori sperimentali dovrebbero essere corretti con dei coefficienti parziali di sicurezza per poter essere utilizzati nella progettazione. Nel caso di superfici trattate con olio l’aderenza residua assume valori notevolmente ridotti per entrambi i tipi di colonna, confermando che il fenomeno è caratterizzato da una rilevante componente attritiva.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 5 10 15 20 25 30Scorrimento [mm]

Te

nsio

ne d

i ad

ere

nza

[M

Pa] cavo rettangolare (150 mm x 100 mm)

cavo quadrato (150 mm)

NTC 2008parzialmente rivestite

Khalil, 1983

Mouli e Khelafi, 2007

NTC 2008riempite

parz. rivestite

a)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 5 10 15 20 25 30Scorrimento [mm]

Ten

sio

ne

di a

de

ren

za

[M

Pa]

cavo quadrato oleato (450 mm)

parz. rivestite con olio

NTC 2008

NTC 2008

Khalil, 1983

parzialmente rivestite

riempite

b)

Fig. 11 Confronto delle prove di (Khalil, 1993) e (Mouli e Khelafi, 2007) e delle prove su profili parzialmente riempiti: a) profili non oleati; b) profili oleati.

5 CONCLUSIONI

Le prove sperimentali progettate ed eseguite per caratterizzare l’aderenza acciaio-calcestruzzo nelle colonne composte parzialmente rivestite hanno evidenziato alcuni interessanti aspetti sui quali vi sono poche informazioni nella letteratura tecnica. La relazione aderenza-scorrimento è fortemente influenzata nella fase iniziale dall’adesione, che può condurre in alcuni casi alla presenza di un tratto iniziale molto rigido fino ad un valore di picco, da un tratto rapidamente discendente e da un tratto residuo costante, mentre in altri casi, dopo una prima fase rigida, si ha direttamente un tratto a tensione costante. Si deve ritenere pertanto che il valore di resistenza a cui fare riferimento corrisponda per tutte le prove alla tensione di aderenza su cui si attesta il tratto costante.

L’applicazione di un regime di carico di trazione o compressione sul calcestruzzo non modifica il valore della resistenza come prima definito; analogamente non sembra che il risultato sia influenzato dall’applicazione del carico all’acciaio invece che al calcestruzzo, anche se su questa problematica è stata svolta una sola prova di confronto.

La resistenza a compressione del calcestruzzo influenza la resistenza del legame di aderenza, intesa come tensione residua nel tratto costante, in modo meno che proporzionale; pertanto la resistenza del calcestruzzo non sembra un parametro importante per la definizione dell’aderenza, come confermato anche dalle indicazioni normative italiane (NTC 2008) ed europee (Eurocodice 4) in


cui l’unico parametro è il tipo di sezione trasversale. Il trattamento con olio delle superfici di contatto prima del getto mette in luce il ruolo fondamentale

dell’attrito nel definire la resistenza, che arriva a ridursi a meno del 50% del valore dei provini non oleati. Dai risultati ottenuti si osserva anche una riduzione della resistenza, tra il 10 ed il 20%, quando sono presenti barre e staffe di acciaio nel calcestruzzo, che possono influenzare la qualità del calcestruzzo all’interfaccia a causa della difficoltà di avere una miscela omogenea nello spazio ridotto tra il profilo e le barre.

I valori delle resistenze ottenuti dalle prove sono quasi sempre maggiori, anche se talvolta di poco, del limite indicato dalla normativa, se si considerano efficienti solo le ali, ma sono certamente dipendenti dal trattamento della superficie, cui le limitazioni suggerite dalle normative non fanno riferimento. In ogni caso i limiti normativi non appaiono conservativi considerando che dai valori sperimentali si dovrebbe individuare una resistenza caratteristica ed applicare un coefficiente parziale di sicurezza per definire una resistenza di progetto.

Il confronto con altre prove di letteratura, seppure relative alla tipologia di colonne riempite (concrete filled), conferma in generale la sovrastima di resistenza operata dalle normative ed evidenzia che per le colonne ‘partially encased’ la componente attritiva diventa più importante, come anche evidenziato dal trattamento con olio delle superfici di contatto che comporta sostanziali riduzioni della resistenza. Infine le prove cicliche, seppure eseguite in numero molto limitato e con procedure non standardizzate, sottolineano un rilevante degrado del legame di aderenza in termini di resistenza e rigidezza.

In conclusione appare chiara la necessità di ridurre il valore della resistenza di aderenza da assumere in progetto e considerare indispensabile l’introduzione di appositi sistemi di connessione per le applicazioni in zona sismica, dove resistenza e rigidezza devono essere garantite anche in presenza di azioni cicliche, come già indicato dall’Eurocodice 8.

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RINGRAZIAMENTI

Le prove sperimentali presentate in questo lavoro sono state svolte dall’unità di ricerca dell’Università del Sannio nell’ambito delle attività del progetto RELUIS – linea 5 finanziato dal Dipartimento di Protezione Civile per il triennio 2005-2008.

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