Legami di aderenza in strutture composte acciaiocalcestruzzo

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1 Legami di aderenza in strutture composte acciaiocalcestruzzo sotto azioni cicliche L. Di Sarno 1 e M.R. Pecce 2 ABSTRACT: The structural performance of composite steel and concrete members and connections in framed systems is significantly affected by the bond at the interface between bare structural steel and concrete, either encasing or filling. Design rules for bond resistance have been recently introduced in codes of practice. However, the formulated rules tend to be inadequate to assess the bond mechanism generated between steel and concrete. The reliability of the proposed design rules suffers of the paucity of experimental data. In addition, the differences in the protocol of the experimental tests may influence remarkably the values of bond resistance for the interface between steel and concrete. Moreover, the bond resistance depends on a number of technological features that should be accounted for in assessing the interface behaviour. Monotonic and cyclic tests are in progress in the laboratory of the University of Sannio, in Benevento on coupon specimens of composite columns partially encased with and without longitudinal and transverse reinforcement. These tests are aimed at providing a protocol to perform bond tests on composite members and at further investigating the effectiveness of bond mechanism in composite column base connections. 1 INTRODUZIONE L aderenza che si genera all interfaccia tra acciaio e calcestruzzo viene generalmente ritenuta trascurabile nelle colonne composte e quindi si suggerisce l introduzione di sistemi di connessione meccanici tra il profilo di acciaio e il calcestruzzo (Cosenza e Pecce, 2001). In effetti l efficacia del meccanismi di aderenza è dovuta alla notevole estensione della superficie di interfaccia, che pur assumendo valori modesti della tensione di aderenza, consente l interazione totale dei due materiali e il raggiungimento della resistenza plastica della sezione. Tuttavia il fenomeno di trasferimento di tensioni tangenziali per aderenza tra le superfici di interfaccia tra acciaio e calcestruzzo è piuttosto articolato (Cosenza e Zandonini, 1997). Esso, infatti, dipende in modo complesso dal tipo di sezione composta considerata (parzialmente, interamente rivestita ovvero riempita con calcestruzzo), dalla modalità di applicazione del carico (sola parte in calcestruzzo, sola parte metallica ovvero ad entrambi le componenti), dal tipo di sollecitazione agente (compressione, trazione, flessione, azioni alternate). La qualità del getto, il tipo di calcestruzzo e quindi un eccessivo ritiro sono fattori che possono ridurre il 1 Ricercatore, Dipartimento di Ingegneria, Università del Sannio, Benevento 2 Professore Ordinario, Dipartimento di Ingegneria, Università del Sannio, Benevento

2 valore della massima tensione tangenziale che si genera tra acciaio e calcestruzzo nelle membrature composte. Alcune normative, tra le quali le CNR (1999) e l Eurocodice 4 (2004), forniscono delle indicazioni in merito ai valori di tensioni tangenziali di aderenza da assumere nel calcolo. Detti valori sono stati ricavati da un numero piuttosto esiguo di prove sperimentali, condotte peraltro solo in regime di carico monotono (per esempio, Khalil, 1993; Hunaiti, 1994; Kilpatrick e Rangan, 1999; Johansson e Gylltoft, 2002). In campo sismico, il legame di aderenza deve necessariamente tener conto della ciclicità dell azione applicata. A tale scopo sono in corso di svolgimento delle prove di aderenza su provini composti acciaio-calcestruzzo presso il laboratorio LAMAS dell Università degli Studi del Sannio, a Benevento. I provini sono costituiti da profilati parzialmente rivestiti con e senza armature trasversali e longitudinali. Per effettuare un esteso confronto della risposta meccanica si sono anche realizzati alcuni provini con le superfici dell anima e delle flangie impregnate di olio. Nel presente lavoro si introducono le indicazioni normative e i fattori che influenzano l aderenza acciaio-calcestruzzo nelle colonne, sulla base dell analisi delle prove sperimentali disponibili in letteratura. Successivamente si illustra il programma sperimentale proposto dagli autori e si discutono i primi risultati. 2 INDICAZIONI NORMATIVE La resistenza allo scorrimento fra profili in acciaio e calcestruzzo è dovuta alle tensioni di aderenza ed all attrito all interfaccia acciaio-calcestruzzo nonché al collegamento meccanico; la resistenza deve essere tale da evitare scorrimenti rilevanti che possano inficiare i modelli di calcolo considerati. Secondo la CNR (1999) si può assumere una tensione tangenziale di progetto dovuta all aderenza ed all attrito fino ai seguenti limiti: - per sezioni completamente rivestite 0,6 N/mm² - per sezioni riempite di calcestruzzo 0,4 N/mm² - per le ali delle sezioni parzialmente rivestite 0,2 N/mm² - per l anima delle sezioni parzialmente rivestite zero. Se tali limiti vengono superati, l intero sforzo deve essere trasmesso mediante collegamenti meccanici. In alternativa si può dimostrare sperimentalmente che l ipotesi di perfetta aderenza è valida fino alla crisi dell elemento, o tenere adeguatamente in conto nel calcolo gli scorrimenti fra le parti. Il trasferimento di sforzi fra acciaio e calcestruzzo può avvenire tanto in presenza di taglio trasversale quanto a causa delle modalità di collegamento fra la colonna e gli altri elementi strutturali. Nel secondo caso la lunghezza di trasferimento degli sforzi non deve essere elevata, e comunque non deve superare il doppio della dimensione maggiore della sezione trasversale. Qualora, nel trasferimento degli sforzi, si faccia affidamento sulla resistenza dovuta all aderenza ed all attrito, il valore puntuale della tensione tangenziale può calcolarsi mediante un analisi elastica non fessurata. Il valore puntuale massimo non deve superare le tensioni tangenziali indicate precedentemente. Se invece si realizza un collegamento meccanico, utilizzando connettori duttili, si può effettuare una valutazione in campo plastico degli sforzi trasferiti, ripartendoli in modo uniforme fra i connettori. Nelle sezioni parzialmente rivestite con profili a doppio T, il calcestruzzo tra le ali deve essere collegato all anima mediante staffe individuando un chiaro meccanismo di trasferimento tra il calcestruzzo e l anima ; in particolare le staffe devono essere passanti o saldate, oppure si devono inserire connettori. Secondo le indicazioni dell Eurocodice 4 (2004), il trasferimento degli sforzi deve essere garantito in un altezza non superiore al doppio della dimensione minima della sezione. Inoltre nello stesso documento normativo vengono riportati gli stessi valori limiti stabiliti dalla CNR (1999).

3 3 FATTORI CHE INFLUENZANO IL LEGAME DI ADERENZA Le tensioni di aderenza che si generano all interfaccia tra acciaio e calcestruzzo nelle sezioni di colonne composte dipende da diversi fattori fisico-meccanici che possono riassumersi come di seguito riportato (Virdi e Bowling, 1980; Hamdan e Hunaiti, 1991; Hunaiti, 1994): Forma e dimensione della sezione trasversale; Dimensioni del provino; Tipo di calcestruzzo; Età del calcestruzzo; Ritiro del calcestruzzo; Modalità di indurimento del calcestruzzo; Temperatura di stagionatura del calcestruzzo. Nei paragrafi che seguono sono esaminati criticamente i suddetti fattori facendo riferimento alle prove sperimentali di diversi autori. 3.1 Forma e dimensioni della sezione trasversale La geometria della sezione trasversale influenza significativamente il meccanismo di aderenza che si genera tra acciaio e calcestruzzo nelle sezioni composte, siano essere rivestite ovvero riempite. I dati sperimentali disponibili confermano che, per le membrature composte riempite, le sezioni circolari risultano caratterizzate da una forza di aderenza maggiore di circa l 80% rispetto a quella delle sezioni rettangolari. Nel caso si impregnino le superfici con olio, l incremento di forza di aderenza passa dal valore di circa 80% a 60%. Questo differente comportamento tra sezioni circolari e rettangolari è dovuto al fatto che il tubo circolare resiste allo scorrimento su tutto il perimetro, mentre la sezione rettangolare è efficace soltanto nelle vicinanze degli angoli, essendo la parte in prossimità degli angoli del profilo molto più rigida. La maggiore forza di aderenza che si sviluppa nei profili circolari cavi può anche essere dovuta alle variazioni del diametro interno della sezione e ad alcune imperfezioni del profilo circolare. I risultati sperimentali dimostrano inoltre che i provini asciutti offrono una forza di aderenza che è circa il doppio di quella dei provini oleati, sia per i provini rettangolari che circolari così come riportato anche nei grafici tensione-scorrimento di Figura 1. Nei grafici è riportata anche l indicazione del valore della tensione tangenziale massima indicata dalla CNR10016, che risulta conservativa nella maggior parte dei casi tranne che in presenza di superfici oleate. I risultati sperimentali indicano che la resistenza di aderenza delle sezioni di acciaio riempite con calcestruzzo è piuttosto sensibile alla scabrezza dell interfaccia acciaio-calcestruzzo; essa è inoltre funzione delle irregolarità della forma delle sezioni in acciaio. Questi fattori influenzano le micro-resistenze e le macroresistenze della sezione. E utile sottolineare che la forza di aderenza infatti, è una funzione sia del microlocking che del macrolocking tra il calcestruzzo e la superficie di acciaio. Il primo dipende dalla rugosità della superficie della sezione di acciaio, mentre il secondo è relativo alla resistenza per attrito dovuto al movimento lungo l interfaccia acciaio-calcestruzzo ed è dipendente dalle irregolarità della forma della sezione. 3.2 Dimensioni del provino Un ulteriore fattore da tenere in considerazione è la dimensione trasversale del provino che influenza il ritiro ed il confinamento del calcestruzzo. Un esame critico condotto su una serie di provini realizzati in modo da avere differenti valori della superficie di contatto e del rapporto volume-superficie ha evidenziato una riduzione della forza di aderenza variabile in funzione dell età dei provini e del rapporto acqua-cemento. In particolare è stato dimostrato che la forza di aderenza cresce al ridursi delle dimensioni del provino. Per esempio, per provini cavi riempiti con forma rettangolare, la forza di aderenza media pari a 0,44 N/mm 2 ottenuta per le sezioni 150x150x5 è pari a circa la metà del valore di 0,83 N/mm 2 ottenuto per i provini realizzati con tubo di acciaio del tipo 120x80x5.

4 Tensione di aderenza (N/mmq) Tensione di aderenza (N/mmq) mm 450mm 250mm Profilo cavo quadrato h/t=30 CNR mm 450mm 250mm Profilo cavo circolare CNR d/t=33, Tensione di aderenza (N/mmq) Tensione di aderenza (N/mmq) mm 450mm 250mm Profilo cavo quadrato oleato h/t=30 CNR mm 450mm 250mm Profilo cavo circolare oleato CNR d/t=33, Figura 1. Curve tensione-scorrimento per diversi profili cavi e per diverse condizioni di trattamento superficiali (prove eseguite da Khalil, 1993). Note: Le lunghezze dei provini testati sono 250mm, 450mm e 650mm. h e d indicano il lato ed il diametro dei profili, t lo spessore. 3.3 Tipo di calcestruzzo Il legame di aderenza risulta dipendente dal tipo di calcestruzzo utilizzato per realizzare le sezioni composte rivestite (parzialmente o completamente) ovvero riempite. In particolare, un estesa sperimentazione eseguita su provini di colonne cave riempite, ha dimostrato che la forza di aderenza all interfaccia tra calcestruzzo con aggregati leggeri ed il profilato metallico risulta essere più alta rispetto a quella che si genera quando si utilizza un calcestruzzo ordinario. Questo risultato è stato ottenuto indipendentemente dall età del calcestruzzo (stagionatura a 28 ovvero 90 giorni) e dalla geometria della sezione trasversale (quadrata ovvero circolare). Nelle sezioni quadrate, la forza di aderenza relativa al calcestruzzo alleggerito risulta essere pari al 206% ovvero 250% di quella corrispondente al calcestruzzo ordinario. Nelle sezioni circolari la forza di aderenza risulta essere maggiore rispettivamente del 127% e 143%. Questa diversa risposta meccanica è ascrivibile alle diverse deformazioni da ritiro esibite dai due tipi di calcestruzzo. Infatti nel calcestruzzo con inerti leggeri il grande contenuto di aggregati tende a ridurre gli effetti del ritiro e di conseguenza genera una minore riduzione della forza di aderenza. Nel caso si utilizzi un calcestruzzo di tipo additivato si ottiene una forza di aderenza che risulta essere circa il 40% di quella dei provini confezionati con calcestruzzo normale. Questo può essere dovuto tanto al grande quantitativo di materiali fini che porta ad un ritiro maggiore e quindi ad una forza di aderenza più bassa, quanto all alto contenuto di vuoti (bolle d aria) che riducendo la superficie di contatto riducono maggiormente la forza di aderenza. 3.4 Età del calcestruzzo Un altro fattore che incide notevolmente sulla riduzione della forza di aderenza è l età del calcestruzzo. A tal uopo sono state eseguite varie prove su campioni di uguali dimensioni e differenti età, variabili tra 21 giorni e 256 giorni. I risultati hanno mostrato che c è una riduzione di aderenza funzione dell età del calcestruzzo. Quest ultima è pari a

5 circa il 66 % tra 14 e 360 giorni. La forza di aderenza in sezioni composte acciaiocalcestruzzo ad un anno dal getto è approssimativamente il 30% di quella misurata dopo tre settimane. La forza di aderenza dopo cinque anni dal getto è più che due volte quella misurata dopo 360 giorni. Il calcestruzzo è sottoposto durante la sua vita a cambiamenti chimico-fisici. L'aderenza tra acciaio e calcestruzzo in sezioni composte è influenzata presumibilmente da questi cambiamenti e poiché tale argomento è ancora poco noto è necessario affidarsi ai risultati delle prove sperimentali per prevedere la forza di aderenza in sezioni composte caratterizzate da un elevato invecchiamento del calcestruzzo. I risultati di prove condotte su campioni di colonne calastrellate mostrano che la forza di aderenza dopo i 5 anni è circa due volte e mezzo di quella corrispondente ad un anno Questo risultato sperimentale è principalmente dovuto all ossidazione dell acciaio sulla superficie di contatto con il calcestruzzo che aumenta l ingranamento meccanico dovuto alle micro-irregolarità, migliorando di conseguenza l aderenza tra i due materiali. L ingranamento meccanico del calcestruzzo con le irregolarità della sezione di acciaio è decisamente uno dei più importante fattori che influenzano la forza di aderenza nelle sezioni composte. La ruggine formatasi sulla superficie di acciaio aumenta significativamente le micro-irregolarità che determinano la rugosità della superficie, e di conseguenza aumenta l ingranamento meccanico del calcestruzzo. Inoltre, l'ossidazione produce composti che occupano più volume, dando luogo ad una forza di confinamento sul calcestruzzo e quindi una migliore aderenza. 3.5 Ritiro del calcestruzzo Il ritiro del calcestruzzo, relativamente maggiore nelle sezioni di dimensioni più grandi, può provocare una maggiore riduzione della forza di aderenza, quando confrontato con le sezioni più piccole. 3.6 Modalità di indurimento del calcestruzzo Anche la modalità di indurimento del calcestruzzo incide significativamente sulla forza di aderenza all interfaccia acciaio-calcetruzzo. In particolare una riduzione del 46 % è stata rilevata sperimentalmente per i provini con un rapporto volume-superficie pari a 6, mentre i provini con un rapporto volume-superficie di 7,03 hanno mostrato solo il 14% di riduzione della forza di aderenza. 3.7 Temperatura di stagionatura del calcestruzzo Per quanto riguarda l influenza della temperatura sulla tensione di aderenza si è visto sperimentalmente che all aumentare di questo parametro si riducono i meccanismi di aderenza e tale riduzione è significativamente alta per temperature notevoli. In particolare prove eseguite su provini testati a differenti temperature, variabili tra i 50 e 600 C, hanno evidenziato una significativa perdita della forza di aderenza dovuta al calore. Ad esempio, i provini di età 155 giorni, testati a 180 C, hanno mostrato una perdita di aderenza del 67% quando confrontati con i campioni testati a temperatura ambiente. Inoltre la perdita della forza di aderenza è significativamente più alta per i provini testati alle alte temperature, come i provini testati a 600 C, che hanno mostrato una perdita di circa l 83% quando confrontati con i provini testati a 100 C alla stessa età di 160 giorni. 4 DESCRIZIONE PROVE SPERIMENTALI E in fase di esecuzione presso il laboratorio LAMAS dell Università degli Studi del Sannio, un programma di prove sperimentali su campioni di colonne composte parzialmente rivestite costituite da profilati metallici tipo HEB 180 di lunghezza pari a 63cm; l acciaio utilizzato è un S275 (Fe430). In Tabella 1 sono elencate le prove progettate che comprendono provini con e senza armature aggiuntiva longitudinale e trasversale così co-

6 me riportato in Foto 1, e prove con carichi ciclici compressione-trazione mediante un apposito sistema di tirafondi annegati nella parte in calcestruzzo per applicare la trazione (Foto 1). PROVA CARICO ARMATURA LONGITUDINALE TIPO SOLLECITAZIONE 1 monotono compressione 2 monotono trazione 3 monotono * compressione 4 monotono trazione 5 monotono compressione 6 ciclico compressione 7 ciclico trazione 8 ciclico compressione 9 ciclico trazione Tabella 1. Prove di aderenza eseguite su campioni di colonne HEB180. Nota: * E stato applicato olio lungo le flangie e l anima del campione prima del getto di calcestruzzo. La campitura in grigio indica le prove completate. (a) (b) (c) Foto 1. Provini: (a) provino per compressione, (b) provino con olio per compressione, (c) provino per trazione, (d) provino per trazione con armatura. Il carico viene sempre applicato alla parte in calcestruzzo che allo scopo viene realizzata di maggiore lunghezza da un lato e di minore lunghezza dall altro rispetto al profilo metallico. Gli strumenti di misura utilizzati sono estensimetri e trasduttori. Sono stati utilizzati in totale n.3 trasduttori, in particolare due sono stati applicati asimmetricamente lungo la direzione ortogonale all applicazione del carico sui due lati esterni dell ala del profilato HEB 180, con lo scopo di valutare le eventuali rotazioni della colonna di acciaio, mentre l altro trasduttore è stato disposto sull anima del profilato, per misurare eventuali spostamenti del profilo metallico rispetto al calcestruzzo durante la fase di carico. Per quanto attiene agli estensimetri ne sono installati un totale di 13 per ogni provino. In Figura 2 si riportano le posizioni ed i numeri degli estensimetri corrispondenti. (d)

7 Ali: lati esterni - Dx Ali: lati esterni - Sx Anima: lato interno - Anteriore Anima: lato interno - Posteriore Figura 2. Posizionamento e numerazione estensimetri utilizzati per i dati presentati nelle analisi. 5 RISULTATI PROVE SPERIMENTALI Fino ad oggi sono state realizzate n.2 prove, evidenziate dalla campitura grigia in Tabella 1. Una prima prova pilota è stata eseguita senza l uso di additivo antirito per il calcestruzzo. I risultati globali ottenuti in termini di carico-scorrimento sono riportati in Figura 3 per i provini da soggetti a forze monotone di compressione con e senza superfici oleate; i due provini non contengono armature longitudinali. Si osserva che il legame di aderenza si riduce drasticamente quando le superfici sono oleate, ma comunque le forze all interfaccia sono non nulle anche per valori elevati dello scorrimento. La strumentazione utilizzata durante la prova ha consentito anche di valutare le tensioni tangenziali di aderenza per diversi valori del carico applicato. Tenuto conto della disposizione geometrica degli estensimetri è stato possibile determinare la distribuzione delle tensioni di aderenza lungo l anima e le ali dei provini delle colonne facendo la differenza tra le tensioni nell acciaio in due punti successivi, che rappresenta proprio lo sforzo trasferito e quindi la tensione di aderenza media per la superficie di contatto; le tensioni nell acciaio sono calcolate moltiplicando la deformazione misurata dagli estensimetri per il modulo elastico. In particolare, i risultati sperimentali ottenuti per le prove di compressione sui campioni con e senza armatura dimostrano che i valori delle tensioni tangenziali riportati nelle normative nazionali (CNR 10016, 1999) ed internazionali (EC4, 2004) sono molto conservativi. I valori massimi delle tensioni tangenziali di a- derenza misurati lungo l anima e le ali dei profili esaminati sono pari rispettivamente a 0.14 N/mmq e 0.41 N/mmq. I valori riportati nella CNR10016 (1999) sembrano, peraltro, essere molto prossimi a quelli registrati per le prove di compressione su campioni con le superfici oleate pari a 0.06 N/mmq e 0.22 N/mmq per l anima e le ali delle sezioni parzialmente rivestite. Nella fattispecie, per le sezioni composte parzialmente rivestite il valore della tensione tangenziale che si attiva lungo l anima è tale da non potersi trascurare completamente mentre sia le CNR che l EC4 propongono un valore nullo di detta tensione di aderenza Trasduttore 3 Trasduttore Trasduttore 3 Trasduttore 4 Load [KN] Forza (kn) Figura 3. - Relazione carico scorrimento per il provino soggetto a prova di compressione: senza (sinistra) e con superfici oleate (destra).

8 6 CONCLUSIONI Anche se i risultati sperimentali disponibili in letteratura sono limitati è ormai chiaro che l aderenza tra profilo metallico e calcestruzzo nelle colonne composte dipende da numerosi fattori fisico-chimico e meccanici, ed in particolar modo dalla tipologia di sezione trasversale. Nell ambito dei diversi studi teorici e sperimentali su strutture composte con colonne di tipo parzialmente rivestito per l applicazione in zona sismica si sta svolgendo presso l Università degli Studi del Sannio un programma di prove sperimentali per analizzare i fattori più significativi che condizionano l aderenza tra acciaio e calcestruzzo. Il programma è ancora in corso ma i primi risultati mostrano già chiaramente che per carichi monotoni le indicazioni delle normative europee attualmente disponibili sono conservativi, tuttavia tale risultato deve essere verificato invece in presenza di azioni di tipo ciclico. 7 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI CNR (1999). Strutture composte di acciaio e calcestruzzo istruzioni per l impiego nelle costruzioni, CNR Bollettino Ufficiale n. 194 Norme tecniche, parte IV, Roma Cosenza, E. e Zandonini R. (1997). Composite Construction. in Handbook of Structural Engineering W.F. Chen Ed., CRC. Boca Raton, Florida. Cosenza, E. e Pecce, M.R. (2001). Le colonne composte acciaio-calcestruzzo: Analisi sperimentali, modelli di calcolo, indicazioni normative. Costruzioni Metalliche, 10(2), Eurocode 4 (2004). Design of composite steel and concrete structures - Part 1.1: General rules and rules for buildings. European Committe for Standardization. Brussels, Belgium. Hamdam, H. and Hunaiti, Y. (1991). Factors affecting bond strength in composite columns. Proceedings of the 3rd International Conference on Steel-Concrete Composite Structures, Fukuoka, Japan, Hunaiti, Y.M. (1994). Aging effect on bond strength in composite sections. Journal of Materials in Civil Engineering, 6 (4), Johansson, M. e Gylltoft, K. (2002). Mechanical Behavior of Circular Steel Concrete Composite Stub Columns. Journal of Structural Engineering, 128(8), Khalil, H.S. (1993). Push-out strength of concrete-filled steel hollow sections. The Structural Engineer, 71(13), Kilpatrick, A. E., e Rangan, B. V. (1999). Influence of interfacial shear transfer on behavior of concrete-filled steel tubular columns. ACI Structural Journal, 96(S72), Virdi, K.S. and Dowling, P.J. (1980). Bond strength in concrete filled steel tubes. Proceeding of the IABSE Periodica,