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