Tecniche di rinforzo con materiali innovativiTecniche di rinforzo con materiali innovativi

Zila Rinaldi

Università di Roma “Tor Vergata”

Interventi di recupero del patrimonio edilizio, Roma, 29.1.09

Dip. di Ingegneria Civile

Introduzione

Perchè si rinforza una struttura?

Recupero di strutture ammalorate durabilità

Variazione di carichi

Errori di progettazione e/o realizzazione

Variazione di normativa

Adeguamento o miglioramento sismico

NT 2008 (8.4)

L’Adeguamento Sismico richiede interventi mirati a portare la struttura ai livelli di sicurezza previsti per le strutture nuove.

Introduzione

a) Sopraelevare o ampliareb) Apportare variazioni di destinazione che comportino incremento dei carichi (perm. + var.) al singolo piano >20%c) Effettuare interventi strutturali [...] che portino ad un organismo edilizio diverso dal precedented) Effettuare interventi strutturali [...] che implichino sostanziali alterazioni del comportamento globale dell’edificio

Il Miglioramento Sismico implica interventi volti a diminuire lavulnerabilità sismica di una struttura, senza elevare la sicurezza ai livelli previsti per le strutture nuove.

Comportamento non lineare delle strutture

Fo

K

Fs

ΔΔuΔy

Rigidezza (K)

Resistenza (Fo)

Duttilità (Δu/ Δy)

Esempio di comportamento al sisma:

terremoti piccola intensità: sufficiente rigidezza (minimizzati i danni non strutturali)

terremoti di media intensità: sufficiente resistenza (campo elastico: minimizzati i danni strutturali e non)

terremoti di elevata intensità: sufficiente duttilità (elevati spostamenti e non collasso)

Capacità di resistere ad azioni locali impreviste senza collasso

Avvertimento di incipiente collasso attraverso lo sviluppo di

grandi deformazioni

Possibilità di ridistribuzione di momenti (voluti o accidentali)

Duttilità perché?

Fondamentale in zona sismica per dissipare energia attraverso

la formazione e successiva rotazione di “cerniere plastiche”

Duttilità perché?

Meccanismo di piano

Meccanismo globale

forz

a

spostamento

dom

anda

AUMENTO DELLA RESISTENZA

Cf1

Cf2

Cf1 = Capacità resistenteprima dell’intervento

Cf2 = Capacità resistentedopo l’intervento

duttilità invariata

Tipologia di intervento per c.a.

forz

a

spostamento

dom

anda

AUMENTO DELLA DUTTILITA’

Cd1 Cd2

Cd1 = Capacità deformanteprima dell’intervento

Cd2 = Capacità deformantedopo l’intervento

resistenza invariata

Tipologia di intervento per c.a.

forz

a

spostamento

dom

anda

AUMENTO DELLA RIGIDEZZA

Cd1Cd2

Cd1 = Capacità deformanteprima dell’intervento

Cd2 = Capacità deformantedopo l’intervento

Resistenza e duttilità invariata

Tipologia di intervento per c.a.

Tecnologie di intervento tradizionali per c.a.

Beton plaquè

Camicie in c.a. Precompressione esternaCamicie in acciaio

Tecnologie di intervento innovative per c.a.

HPFRC: high performance fiberreinforced concrete

Travi

Pilastri Pareti

Tecnologie di intervento innovative per c.a.

FRP: Fiber reinforced polymers

Tipo di intervento

Intervento locale su componenti strutturali

Intervento globale sul sistema strutturalecontroventi isolamentopareti

Il materiale FRP

Composito: Fibre + Resina

Lamine Tessuto

Il materiale FRP

Messa in opera

Il materiale FRP

Legame costitutivo a trazione

0 0.5 1 1.5 2 2.5 ε [%]0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

σ[MPa]

Vetro

Carbonio HMCarbonio HS

Carbonio VHM aramide

Acciaio da c.a.

No resistenza in compressione!!

Rinforzo a flessione

Meccanismi di collasso

Delaminazione

Rottura a trazione FRP

Meccanismi di collasso

Analisi della sezione

CNR DT200/2004: Incremento di resistenza non superiore al 60% (eccetto azioni sismiche ed eccezionali)

Zarnic et al., 1999

Comportamento a flessione

riduzione di ρmu

elevati valori di forza assiale: trascurabile effetto dell’FRP su ρmu

Δρmu

-80

-60

-40

-20

00 0.5 1 tr [mm]

Duttilità locale-spessore FRP

riduzione di ρmu quasi independentendependente dallo spessoredi FRP

Duttilità

0

0.02

0.04

0.06

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nad

ρmu,ad

duttilità

tr=0tr= 0.2 mm

tr= 0.4 mm

tr= 0.6 mm

tr=0tr= 0.2 mm

tr= 0.4 mmtr= 0.6 mm

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Mu,ad

Nu,ad

resistenza

Mu,ad=Mu/σcu b d2

Nu,ad=Nu/σcu b dρmu,ad= ρmu d

Notevole incremento di resistenza

Duttilità: Confinamento

acciaio FRP

Duttilità: Confinamento

compressionePressione di confinamento

Tensione di trazione per espansione laterale

Sezione circolare - confinamento continuo

Effetto del confinamento sul comportamento del calcestruzzo

Confinamento

Sezione circolare fasciatura continuaValutazione della pressione di confinamento (fl)

Acciaio

ystel fkf ρ21

=s

stst sd

A4=ρ

ke coefficiente per effetto arco (0.8) s passo delle staffeds diametro nucleo confinatoAst area staffefy tensione di snervamento dell’acciaio

FRP

ridfdffl Ef ,21 ερ=

Dt f

f4

=ρ

Percentuale geometrica di staffe

Percentuale geometrica di FRP

Ef modulo elastico dell’FRP tr spessore FRPD diametro nucleo confinatoεfd,rid deformazione ultima FRP

Confinamento

fasciatura discontinua

ridfdrfl Ef ,21 ερ=

f

fff pD

bt⋅

⋅=

4ρ

tf spessore FRPpf passo FRP

D diametro sezione

{ }004.0;/min, ffkaridfd γεηε ⋅=

ηa fattore di conversioneambientale (0.5-0.95)

γf coefficiente parziale (1.10-1.25)

CONFINAMENTOCONFINAMENTO

Sezione circolare confinata con FRP

Sezione rettangolare o quadrata FRP

ridfdffl Ef ,21 ερ=

leffeffl fkf ⋅=, αkkkk VHeff ⋅⋅=

efficienza orizzontale

efficienza verticale

Inclinazione fibre

CONFINAMENTOCONFINAMENTO

No effetto di confinamento per b/d>2 o max{b,d}>900mm

rc≥ 20 mm

Sezione rettangolare o quadrata

gH A

dbk⋅+

−=3

''122

CONFINAMENTOCONFINAMENTO

( )2tan11

fk

αα

+= αf Inclinazione fibre se disposte ad elica

1=Vk fasciatura continua 1<Vk fasciatura discontinua

f

fff pdb

bdbt⋅⋅

⋅+⋅=

)(2ρ

tf spessore FRPpf passo FRP

Ag area sezione

CONFINAMENTOCONFINAMENTO

Effetto sul calcestruzzoValutazione della resistenza ultimaresistenza ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)

32

,6.21 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

cd

effl

cd

ccdf

fff

fcd resistenza cls non confinato fl,eff pressione di confinamento

Valutazione della deformazione ultimadeformazione ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)

cd

efflccu f

f ,015.00035.0 +=ε fl,eff valutata con:

fkffkaridfd εγεηε ⋅≤⋅= 6.0/,

11.051.1

1.151.2

1.251.3

1.351.4

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

fcd= 15 MPa

fccd/fcd

h/b

fcd= 25 MPa 20 MPa

1.51.61.71.81.9

22.12.22.3

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

εccu/ εcu

h/b

fcd= 15 MPa

20 MPafcd= 25 MPa

CONFINAMENTOCONFINAMENTO

resistenza ultimaresistenza ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)

deformazione ultimadeformazione ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)

INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPINTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPStrategie di intervento (4.7.2. CNR DT 200/2004)

In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a:

eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile;

Taglio

INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPINTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPStrategie di intervento (4.7.2. CNR DT 200/2004)

In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a:

eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile;

Meccanismi di nodo

eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di piano (“piano soffice”);

INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPINTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP

miglioramento della capacità deformativa globale della struttura conseguibile in uno dei seguenti modi:

Incrementando la duttilità delle potenziali cerniere plastiche senza variarne la posizione;

rilocalizzando le potenziali cerniere plastiche nel rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze.

INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRPINTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP

Criteri per la scelta dell’ intervento con FRP (4.7.1.2. CNR DT 200/2004)4(P) In zona sismica il rinforzo con FRP di elementi in c.a. è finalizzato principalmente al conseguimento degli obiettivi:

Incrementare la resistenza a flessione mediante l’applicazione di compositi con fibre disposte nella direzione dell’asse dell’elemento;

Incrementare la resistenza a taglio di elementi mediante applicazione di FRP con le fibre disposte ortogonalmente all’asse dell’elemento;

Incrementare la duttilità delle sezioni terminali di travi e/o pilastri mediante fasciatura con FRP;

migliorare l’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione mediante fasciatura con FRP;

Impedire lo svergolamento delle barre longitudinali soggette a compressione mediante fasciatura con FRP;

Incrementare la resistenza a trazione dei pannelli di nodo trave-pilastro mediante applicazione di fasce di FRP con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione.

CONCLUSIONICONCLUSIONI