Dina D Ayala & Sara Paganoni

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1 TRA PREVENZIONE E CURA: LA PROTEZIONE DEL PATRIMONIO EDILIZIO DAL RISCHIO SISMICO SPERIMENTAZIONE E PROTOCOLLO DI PROGETTAZIONE PER DISPOSITIVI DISSIPATIVI PER PREVENIRE IL FUORI PIANO IN MURATURE STORICHE

2 PREAMBOLO Effetto delle connessioni sulla risposta globale di edifici storici in eventi sismici. Osservazioni da L Aquila Connessioni non rinforzate Meccanismi di danno associati a una povera ammorsatura tra elementi murari Connessioni rinforzate Se non deteriorate prevengono il fuoripiano ma non il danno locale Timber tie Punching of end plate of cross-tie

3 PREAMBOLO Connessioni rinforzate con metodi moderni Problemi dovuti alle rigidezze relative ed all incremento di massa RM ring-beam Gli orizzontamenti ed il tetto devono avere adeguate rigidezza nel piano ed una connessione efficace alle strutture verticali (EN :2004) La connessione tra gli orizzontamenti ed i muri verticali deve essere garantita da catene in acciaio o da cordoli in cement armato (EN :2004) Specificatamente nel caso di strutture in muratura: soprafinestra non duttili devono essere sostituiti, connessioni inadeguate tra muri ed orizzontamenti devono essere migliorate, spinte orizzontali fuori-piano sui muri devono essere eliminate (EN :2005) RC ring-beam and roof structure

4 PREAMBOLO Per la scelta del tipo, tecnica, estensione e urgenza dell intervento [..] si devono considerare i seguenti obiettivi: [..] d) L incremento della duttilita locale dove necessario; e) L incremento di capacita laterale dovuto all intervento non deve ridurre la duttilita globale disponibile (EN :2005) SMA dampers Foligno cathedral, Italy Energy absorbers (Benedetti, 2007)

5 OBIETTIVI DELLA RICERCA Problema: Prevenire il danno generato dal fuoripiano Obiettivi della ricerca: Sviluppo di un sistema di ancoraggio che: Controlli gli spostamenti relativi Riduca gli effetti inerziali alla connessione Riduca la concentrazione di sollecitazioni CINTEC s anchoring technology L Aquila, Italy, May 09

6 1) Dispositivo isteretico Elementi a sezione ridotta: Area della sezione Resistenza del materiale SVILUPPO DEI PROTOTIPI Sollecitazioni cicliche pseudo-statiche

7 SVILUPPO DEI PROTOTIPI Risultati di prove su campioni soggetti ad una prova dinamica che simula lo spostamento relativo tra due pareti ortogonali causato dal danno di fuoripiano. Registrazione sismica dell evento di L Aquila( :32:39). Stazione di L Aquila - Valle Aterno - Centro Valle (AQV).

8 2) Dispositivo ad attrito Attrito Coulombiano: SVILUPPO DEI PROTOTIPI F // =n Φ F

9 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Apparecchiatura di prova Obbiettivo: caratterizzare il comportamento dell ancoraggio inserito in una muratura povera, in caso di acoraggio convenzionle e in serie con unelemento dissipativo Recycled Victorian bricks Mortar, NHL 5, mix 1:2 Masonry, double bond f c f fl f c f m f b,w 27.3 MPa 0.3 MPa 1.0 MPa 6.7 MPa 0.67 MPa

10 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Osservazioni e danno atteso: Ancoraggio convenzionale Grout/masonry bond failure is prevalent 1b 1b+3 1b+3

11 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Load [kn] Ancoraggi convenzionali: Resistenza allo sfilamento e punti significativi A Failure type 1b + 3 (f) B C Envelop Total displacement Brickwork relative displacement Grout relative displacement Displacement [mm] D Anchor Calculated pull-out A B C D E No capacity kn mm kn mm kn mm kn mm kn mm a b 61.5 kn c d 40.5 kn e kn f Average CoV (%)

12 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Dispositivo isteretico attrito B C Dispositivo ad E C A Anchor Pull-out capacity Pull-out capacity Device Measured No calculated from f vk,0 calculated from f vk activation A B C [kn] [kn] point [kn] kn mm kn mm kn mm y y y y Average CoV (%) Anchor No f1 f2 Pull-out capacity calculated from f vk,0 [kn] 21 Pull-out capacity calculated from f vk [kn] 24.3 F [kn] F// [kn] Measured E C kn mm kn mm f f

13 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Confronto tra ancoraggi convenzionali ed ancoraggi con dissipatori

14 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE CICLICHE Apparecchiatura di prova Obiettivo: caratterizzare la connessione tra due muri ortogonali rinforzata con ancoraggi tradizionali e con dissipatori Bricks recycled hand-cut solid Mortar NHL 5, mix 1:2 Masonry, double bond f c f fl f c f m f b,w 12.8 MPa 0.2 MPa 0.4 MPa 3.1 MPa 0.33 MPa

15 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Confronto danno osservato e danno atteso Sfilamento della carota di malta iniettata dal for avviene per valori relativamente modesti della forza applicata e coinvolge i giunti di malta Lo scivolamento per taglio su giunto orizzontale avviene in assenza di ricarico verticale 1b+4 1b+1c

16 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Dispositivi isteretici attrito Dispositivi ad 1b+3 0+1b+3

17 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Ancoraggi Convenzionali: Nonostante il miglioramento della risposta della connessione, la prestazione di questi ancoraggi varia in funzione della qualità dell adesione tra materiale iniettato e la muratura. L effetto di ingranaggio rappresenta un ulteriore capacità di resistenza MA è molto variabile Ancoraggi isteretici: il comportamento è più omogeneo MA ci sono limiti inferiori di sfilamento nel caso di murature molto povere come quelle di prova Cyclic load [kn] Strengthened - Wall No 1-15 Unstrengthened -20 Displacement at wall top level [mm] Ancoraggi ad attrito: è possibile attivare lo scorrimento del dispositivo per valori inferiori al limite di sfilamento dell ancoraggio; il dispositivo ha una buona prestazione anche in termini di limiti di spostamento e controlla l apertura della lesione

18 VALIDAZIONE SPERIMENTALE: PROVE DI SFILAMENTO Confronto Ancoraggi Convenzionali: Superamento della capacita adesiva tra malta di iniezione e muratura e scorrimento del corso di malta inferiore al carotaggio Out-of-plane displacement [mm] Level [mm] Level [mm] Dispositivo ad attrito: Scorrimento del dispositivo e sfilamento per spostamenti superiori al limite di progetto Out-of-plane displacement [mm] 30 35

19 PROCEDURA DI PROGETTO DA RISULTATI SPERIMENTALI Il sistema di rinforzo è diviso in componenti associati ad uno specifico tipo di rottura controllato da un solo parametro; Ogni parametro è correlato ad un modello analitico che consente di calcolare il limite di prestazione ultimo che innesca il modo di rottura; Il sistema di ancoraggio è quindi progettato secondo una sequenza gerarchica di rottura dei componenti che consente di controllare il comportamento di insieme Ancoraggi convenzionali iniettati o con piastra Verifica della capacità a trazione della barra di ancoraggio: 2 πd F1 = am γ 1 f y n = F 4 Verifica della capacità di adesione dell interfaccia malta di iniezione muratura: F b = = 2 γ π 2 d2lf F3 Verifica della capacità di punzonamento ( l + d2 ) τ 3 F 2 2l = k F γ 3 2

20 PROCEDURA DI PROGETTO DA RISULTATI SPERIMENTALI Quindi per un sistema di ancoraggi in serie con dispositivi dissipativi: F D =M i a i M i : massa della struttura trattenuta dalla iesima catena; a i : accelerazione orizzontale da applicarsi ad M i, calcolata sulla base dell amplificazione strutturale e dei tre stati limite definiti in EN :2004 in relazione al performance target dei componenti: F DNC : collasso incipiente (2% superamento in 50 anni); F DSD : danno significativo (10% superamento in 50 anni); Min (F steel, F a/b bond, F b/p bond, F masonry )>F DU > F dispositivo F DDL : limitazione del danno (20% superamento in 50 anni).

21 PROCEDURA DI PROGETTO DA RISULTATI SPERIMENTALI Il dispositivo si attiva per lo stato limite di limitazione del danno: F yield >=F D =M a i or F // >=F D =M a i Performance parameters Achievable range Expected range 1a) F yield : yielding capacity of hysteretic dissipative device [kn] 1b) F // : slip-load of frictional dissipative device [kn] F yield =33 kn (for hysteretic device of size suitable to coupling with M16 threaded bar) Considering: F : initial value imposed on devices. Variations recorded during tests are not considered; Slip load is given as range of values between maximum and minimum recorded values at constant level of F. F yield =27.8 kn; calculated as: F yield =f y,yield A yield with f y,yielding yielding strength of steel of hysteretic element and A yield net cross sectional area of hysteretic element (EN :2005) Calculated as: F // =ΦnF with Φ coefficient expressing the ratio between F and F //, n=2 number of frictional surfaces and F applied perpendicular pressure. F [kn] F // min [kn] F // Max [kn] F [kn] F // (Φ=0.15) F // (Φ=0.55) Limite di spostamento (OPCM 2011) d r =Δ f =10 mm < h/v=0.003 (3000 mm)/0.4=22.5 mm

22 PROCEDURA DI PROGETTO SU RISULTATI SPERIMENTALI Gli altri componenti sono progettati per il limite ultimo di Collasso incipiente Min(F steel, F a/b bond, F b/p bond, F masonry )>F DU 2) F steel : tensile capacity of metallic bar at yielding [kn] F steel =71 kn (for M16 threaded bar - values stated by producer) F steel =71 kn; calculated as: F steel =f y A with f y yielding strength of steel and A net cross sectional area of metallic profile (EN :2005) 3) f b a/b : bond strength anchor/binder [MPa] calculated on cylindrical surface of embedded bar Calculated as: f b a/b =F s/b bond /A steel with F s/b bond recorded load at failure and A steel cylindrical lateral surface calculated as: A steel =πld pitch with l embedment length and d pitch pitch diameter of steel bar. For pull-out tests of M16 threaded bars from 550 mm long grouted socks: f b a/b =2.07 MPa (CoV 4%) f b a/b = 3.4 MPa design value suggested in BS for tested binder, bar diameter and type of bar 2 MPa design value suggested in EN :2005 for tested binder and type of application 4) f b b/p : bond strength binder/parent material [MPa] calculated on cylindrical surface of grouted socket Brick masonry, f c =6.7 MPa, f w =0.7 MPa Brick masonry f c =3.1 MPa, f w =0.33 MPa Calculated as: f b b/p =F b/p bond /A hole with F b/p bond recorded load at failure and A hole inner cylindrical surface of drilled hole of length l. For pull-out tests with vertical load on masonry specimens σ d : l [mm] σ d [MPa] Calculated as: f b b/p =f vk =f vk,0 +0.4σ d with f vk,0 initial shear strength (calculated through experimental results) and σ d vertical load (EN :2005). f b b/p [MPa] σ d [MPa] f b b/p [MPa] (CoV 8%) (CoV 18%) (CoV 34%)

23 CASO STUDIO DI S. GIUSEPPE DEI MINIMI, L AQUILA Oratorio di S. Giuseppe dei Minimi in L Aquila Danno di ribaltamento della facciata causato dal terremoto de L Aquila 2009 Dettagli della lesione interno- esterno

24 STRUMENTAZIONE DELL ANCORAGGIO CON DISPOSITIVO Existing damage Drilled hole Hysteretic device Accelerometer End plate Grouted section of anchor Side wall Stainless steel threaded bars Front wall 1-6 : Position of strain gauges bridges Istallazione dell ancoraggio strumentato posizionato tra la facciata e il muro laterale per registrare il movimento relative tra i due lembi della lesione causati da microtremors o dall evoluzione dell danno, per determinare il meccanismo di danno e fornire allertamento

25 ISTALLAZIONE DELL ANCORAGGIO Monitoring anchorage Posizione dell ancoraggio con dispositivo isteretico

26 RISULTATI PRELIMINARI DEL MONITORAGGIO Serraggio della catena alla piastra Possibilità di calibrazione della tesatura da monitoraggio con strain gauge assiali Variazione giornaliera dovuta alla temperatura Microtremori registrati dall accelerometro sulla piastra e dagli straingauge flessionali

27 CONCLUSIONI Gli ancoraggi con dispositivi dissipativi possono: Produrre prestazioni stabili e robuste per segnali ciclici e sismici di ampiezza frequenza e numero di cicli variabili; Prevenire o ritardare il danneggiamento del materiale di substrato e quindi assicurare la sicurezza degli utenti e la conservazione dei materiali originali; Ottemperare alle prescrizioni sui livelli di duttilità da considerare per gli interventi di rinforzo; Ottemperare ai criteri di progettazione sismica basata sulle prestazioni; Se strumentati sono anche in grado di raccogliere informazioni sul comportamento dell edificio e per il progetto definitive dell intervento di rinforzo..