Rinforzo di strutture murarie mediante compositi FRP

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI LECCE FACOLTÀ DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INNOVAZIONE Ferrara, 04 Aprile 2003 Rinforzo di strutture murarie mediante compositi FRP Prof. Antonio La Tegola

2 Rinforzo delle Murature NASTRI Rafforzo di strutture curve, volte o archi, accessibili solo dall estradosso o dall intradosso Rafforzo a taglio di pannelli murari BARRE Realizzazione di tiranti per incatenamenti pretesi (l utilizzo di compositi a basso modulo riduce le cadute di tensione per deformazioni differite nelle murature) La combinazione di nastri e barre è utilizzabile per il confinamento di murature a corpi multipli

3 Nastri Lamine 0/90 Dry Pre-preg (preimpregnati) Curate industrialmente

4 Nastri Lamine 0 -fibreunidirezionali

5 Schema componenti Topcoat 2 nd Resin Coat Fiber Reinforcement 1 st Resin Coat Putty Primer

6 Specifiche tipiche di nastri in carbonio tipo MM HM resistenza a trazione (N/mm 2 ) modulo elastico (N/mm 2 ) 2.3x x x x10 5 sezione (cm 2 /m) quantita' di fibre (g/m 2 ) larghezza nastri (cm) 25 33

7 Barre

8 Barre

9 Caratteristiche di alcune barre commerciali in FRP Barra/cavo Tipo Diam. nominale (mm) Area (mm 2 ) Modulo Young (GPa) Carico ultimo (kn) Dilataz. ultima (%) Peso specifico (g/cm 3 ) Coeff. di Poisson Arapree f Arapree f FIBRA FA Carbon piatto 17.5x N/D N/D Stress 5 Carbon circolare N/D N/D Stress Leadline dentellata N/D Technora avvolto a spirale CFCC 1x N/D Lightline dritto N/D N/D Parafil tipo G N/A

10 Caratteristiche di alcune barre commerciali in FRP Ponti 30% Gallerie 3% Edifici 42% Ciminiere 8% Altre 17%

11 Il Rinforzo di Archi in Muratura Si ipotizza una curva delle pressioni passante per gli estremi di nocciolo di tre sezioni caratteristiche: sezione in chiave e due sezioni alle reni (30 ) 30 30

12 Il Rinforzo di Archi in Muratura (cont.) Il manifestarsi di lesioni per trazione evidenzia pertanto che la curva delle pressioni non corrisponde a quella ideale di calcolo 30 30

13 Calcolo del carico di collasso globale dell arco Il carico di collasso dell arco rinforzato con FRP viene valutato ricorrendo ai teoremi dell analisi limite, una volta definiti i domini d interazione della sezione.

14 Legami d interazione N-M m o q n

15 Al fine di mettere in conto il meccanismo di collasso locale relativo alla crisi In corrispondenza dell'interfaccia rinforzomuratura viene introdotta la seguente relazione fra tensione radiale e tensione assiale: σ f r r k 1 + τ τ r k 2 1 in cui k 1 e k 2 sono parametri da calibrare sperimentalmente.

16 Determinata la resistenza di pull-off del rinforzo, f r, la tensione massima di aderenza, τ r e la tensione tangenziale in corrispondenza del rinforzo, τ, risulta possibile valutare la tensione radiale e, di conseguenza la massima tensione normale nel rinforzo: 1 k k 2 Rf r τ σ l = 1 s τ r Pertanto i domini d interazione M-N possono essere opportunamente modificati per mettere in conto il collasso di tipo locale introducendo come resistenza del rinforzo il valore: f fu =min (σ l, f f )

17 Meccanismi di collasso locale: crisi prematura all interfaccia Quando il nastro è incollato all intradosso, l aderenza viene compromessa dalla presenza di tensioni radiali, che sono legate a quelle normali dalla relazione: σ = Dove: s = spessore del rinforzo; R = raggio di curvatura; s R l σ r σ l = tensione normale nel rinforzo.

18 Indagine sperimentale

19 Proprietà geometriche dei campioni testati Zona non incollata R

20 Campioni testati CAMPIONE BASE (cm) ALTEZZA (cm) RAGGIO DI CURVATURA (cm) A A A A A A A A A A

21 Disposizione degli estensimetri Zona non incollata (50 mm) Zona incollata (200 mm) 12, ,

22 Andamento delle deformazioni longitudinali x x(mm) Provino Dritto

23 Andamento delle deformazioni longitudinali x x x(mm) x(mm) Raggio dicurvatura 50 cm Raggio dicurvatura 100 cm

24 Diagramma t-s all estremo di nastro caricato (MPa) ,2 0,4 0,6 s(mm) Provino Dritto (MPa) 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0,000 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 s(mm) Raggio dicurvatura 50 cm

25 Indagine sperimentale In tutti i casi la crisi è sopraggiunta per peeling. Il carico ultimo ha subito una riduzione di circa il 43% ed il 51% per i campioni con raggio di curvatura R=100 cm ed R=50 cm rispetto al provino rettilineo

26 Osservazioni La presenza della curvatura influenza in modo rilevante la resistenza all interfaccia e la modalità di crisi, causando una riduzione della resistenza medesima; Il modello proposto, ancora in fase di elaborazione, consente di valutare il carico di collasso globale di un arco mettendo in conto mediante semplici relazioni la resistenza in corrispondenza dell interfaccia rinforzomuratura

27 Chiesa di S. Giorgio (XVII sec.) Spongano (Le) Consolidamento e rinforzo delle strutture murarie con l utilizzo di FRP Qualificazione dei materiali Soluzioni progettuali Nastri in CFRP Barre piatte in AFRP

28 QUALIFICAZIONE DEI MATERIALI Provini utilizzati per verificare l efficacia dell incollaggio Barre in fibra aramidica R= 120 kn E= N/mmq

29 CHIESA MADRE "SAN GIORGIO - SPONGANO (LE) Struttura a volte e ad arco lesionata a causa del cedimento dei piedritti

30 POSIZIONAMENTO DEI TIRANTI LONGITUDINALI B' B A' A

31 POSIZIONAMENTO DEI TIRANTI TRASVERSALI ED OBLIQUI H' G' F' E' D' D' H C C G F E

32 PROSPETTO FRONTALE D A B Piastre di contrasto in acciaio Inox AISI 30

33 MESSA IN OPERA DELLE LAMINE IN CFRP

34 LA STRUTTURA DOPO L INTERVENTO

35 Palazzo dei Celestini (XVI sec.) - Lecce Rinforzo di un pilastro in muratura Soluzioni progettuali Nastri in CFRP Barre piatte in AFRP

36 Fessurazione da carichi verticali

37 Inserimento delle barre in AFRP

38 Applicazione dei nastri in CFRP

39 Aspetto del pilastro dopo l intervento

40 Il confinamento nelle strutture in muratura compresse Il confinamento di sezioni non circolari mediante fasciatura esterna non risulta efficace su tutta la superficie della sezione. La porzione di area NON confinata aumenta all aumentare del rapporti b/h per sezioni rettangolari. A eff A eff

41 Il confinamento nelle strutture in muratura compresse E stato sviluppato un modello teorico per il calcolo della capacità e della deformazione ultima di elementi in muratura confinati con nastri e barre in FRP. σ m f *cm f cm * f cm = f cm + k 1 ( σ 2 + σ 3 2 ) ε 0 ε u ε m

42 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne a secco non rinforzate teorico sperimentale 150 Carico (kn) Spostamento (mm)

43 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne con malta non rinforzate Carico (kn) Spostamento (mm)

44 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne confinate mediante fasciatura esterna con nastri in CFRP teorico sperimentale Carico (kn) Spostamento (mm)

45 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne confinate mediante cucitura interna con barre in GFRP

46 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne a secco confinate mediante cucitura interna con 2 barre in GFRP per corso di mattoni Teorico sperimentale Carico (kn) Spostamento (mm)

47 Confronto Teorico-Sperimentale 450 Colonne a secco confinate mediante cucitura interna con 3 barre in GFRP per corso di mattoni Teorico Sperimentale 300 Carico (kn) Spostamento (mm)

48 Confronto Teorico-Sperimentale 500 Colonne con malta confinate mediante cucitura interna con 2 barre in GFRP per corso di mattoni teorico sperimentale Carico (kn) Spostamento (mm)

49 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne con malta confinate mediante cucitura interna con 3 barre in GFRP per corso di mattoni 600 sperimentale 500 teorico Carico (kn) Spostamento (mm)

50 Confronto Teorico-Sperimentale Colonne a secco confinate mediante cucitura interna con barre in AFRP e fasciatura esterna mediante CFRP Carico (kn) Spostamento (mm)

51 Confronto Teorico-Sperimentale 4 3,5 3 carico normalizzato 2,5 2 1,5 1 0,5 pilastro non rinforzato barre nastri nastri e barre abbassamento [mm]

52 Edifici in Muratura Out-of-Plane Failure In-Plane Failure

53 Studio delle Condizioni di Vincolo Effetto arco decresce al crescere del fattore di snellezza h/t L effetto arco e tracurabile per h/t>20 F V F H Out-of-Plane F R Load

54 Model s Validation: Malcolm Bliss Hospital (St. Louis, Missouri USA) Muri di tamponamento costruiti con laterizi Tipologia usata tra gli anni 1940 e 1960 Outer Wall Inner Wall Pannelli Murari a due Strati Dimensioni: 2.5x2.5 m, t=33 cm.

55 Schema di Rinforzo GFRP Laminate

56 Confronto Teorico-Sperimentale Variabili Murinon Rinforzati Valore Teorico Valore Sperimentale MuriRinforzati Valore Teorico Valore Sperimentale P total kn kn kn kn D o 4.72 mm 4.3 mm 7.21 mm 6.1 mm q o 0.18 o o 0.35 o

57 Muro non Rinforzato Out-of-Plane Load (kn) Mid-height Deflection (mm)

58 Muro Rinforzato Out-of-Plane Load (kn) Mid-height Deflection (mm)

59 Grazie Domande?

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