Esperienze internazionali di rinforzo strutturale mediante FRP: test a collasso di un ponte in Missouri (USA) Introduzione

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1 Esperienze internazionali di rinforzo strutturale mediante FRP: test a collasso di un ponte in Missouri (USA) Tarek Alkhrdaji, Laura De Lorenzis, Antonio Nanni Introduzione Una delle sfide da affrontare per i Paesi avanzati alle soglie del nuovo millennio e il progressivo invecchiamento e la conseguente inadeguatezza di strutture e infrastrutture. In particolare, il sistema delle infrastrutture e un fattore essenziale nella vita sociale, politica ed economica di un Paese, e la sua efficienza ha immediate ripercussioni sullo sviluppo economico e sulla qualita della vita. E stato stimato dalla Federal Highway Administration (agosto 1994) che il 40% dei 575,000 ponti degli Stati Uniti sono ormai obsoleti strutturalmente e funzionalmente, soprattutto a causa del deterioramento di acciaio e calcestruzzo dovuto a effetti corrosivi, e necessiteranno di ripristino entro i prossimi vent anni per restare in uso. Il costo stimato per la riparazione di questi ponti ammonta a 130 miliardi di dollari. Si pone quindi la necessita di trovare soluzioni efficaci ed economiche per prolungare la vita utile di strutture esistenti o per renderle in grado di fronteggiare eventi sismici. Una soluzione di ormai riconosciuta efficacia e l uso di nuove tecnologie di rinforzo basate sull utilizzo di materiali compositi a matrice polimerica (Fiber Reinforced Polymers, FRP) in forma di nastri o barre. Queste tecnologie permettono un notevole miglioramento delle prestazioni di una struttura in breve tempo e senza necessita di interromperne l esercizio, e sembrano garantire protezione a lungo termine dal deterioramento. Gli FRP sono utilizzati come mezzo di rinforzo esterno per strutture in calcestruzzo con due scopi principali: incremento della resistenza (a volte anche della rigidezza) a flessione e/o a taglio e confinamento di elementi prevalentemente compressi. Testare a collasso una struttura reale: il ponte J857 Ormai numerosissime esperienze sperimentali sono state condotte nei laboratori di tutto il mondo per caratterizzare il comportamento di elementi strutturali rinforzati esternamente con FRP. Inoltre, un congruo numero di interventi di ripristino e rinforzo strutturale mediante FRP su strutture reali sono stati realizzati in America, Europa e Giappone ([1], [2], [3], [4]). 1

2 Tuttavia, i test di laboratorio sono effettuati generalmente su elementi strutturali di dimensioni relativamente ridotte, il che pone in alcuni casi (soprattutto per quanto riguarda i pilastri) il problema dell effetto scala; tali test, inoltre, non consentono di tener conto delle condizioni al contorno cui l elemento e soggetto nella struttura reale. D altra parte, gli interventi di rinforzo su strutture reali, se seguiti da prove di carico e programmi di monitoraggio, possono gettare luce sul comportamento della struttura reale nella sola fase di esercizio, mentre nessuna informazione se ne puo ottenere, per ovvi motivi, sul comportamento della struttura allo stato limite ultimo. La possibilita di effettuare il test fino a collasso di una struttura reale e da riguardarsi pertanto come una straordinaria opportunita di verificarne, oltre al comportamento in esercizio, le modalita di collasso e l effettiva entita dell incremento di resistenza conseguito mediante il rinforzo. Tutto cio non puo che andare a beneficio della progettazione. Il ponte J857, situato nella contea di Phelps in Missouri (USA), costruito nel 1932, ben rappresentava le condizioni di molti ponti nella zona centrale degli Stati Uniti. La struttura, che si presentava in buone condizioni, in assenza di corrosione delle armature e di spalling del copriferro, sarebbe dovuta essere demolita a causa di un riallineamento della strada. Le circostanze erano quindi ideali per testarla fino a collasso dopo averla rinforzata con FRP [5]. Il ponte consisteva di tre campate da 7.9 m l una, semplicemente appoggiate alle estremita, realizzate con solette in calcestruzzo di spessore 46 cm e larghezza 7.6 m. Il progetto originale indicava un armatura costituita da barre di acciaio di diametro 25 mm ad interasse 12.7 cm nella direzione longitudinale, e barre di diametro 13 mm ad interasse 45.7 cm nella direzione trasversale. I pilastri, a sezione quadrata di lato 60 cm, erano armati con quattro barre longitudinali di diametro 19 mm e staffe di diametro 6 mm ad interasse 45.7 cm. Tutti e quattro i pilastri, la cui altezza variava da un minimo di 1.8 m ad un massimo di 3.4 m, erano supportati da plinti di dimensioni 1.2x1.2x0.75 m. Dimensioni degli elementi strutturali, diametro e interasse delle armature e spessore del copriferro sono stati verificati mediante ispezione. L'interasse delle armature è stato misurato utilizzando un opportuno dispositivo localizzatore, mentre diametro delle barre e spessore del copriferro sono stati verificati rimuovendo il copriferro stesso in alcune zone. Nel periodo in cui il progetto di ricerca è stato intrapreso, il traffico sul ponte J857 era ancora regolare, non essendo ancora completa la costruzione della nuova strada. Pertanto, non è stato possibile ottenere provini di calcestruzzo e di armatura, il cui prelievo avrebbe comportato un 2

3 certo danneggiamento. La resistenza a compressione del calcestruzzo e la tensione di snervamento dell'acciaio assunte nei calcoli preliminari sono state, quindi, basate sui valori forniti dal database del Missouri Department of Transportation (MoDOT), che per i ponti costruiti negli anni '30 suggerisce 17.2 MPa e 227 MPa, rispettivamente. Dopo il completamento dei test, provini di calcestruzzo e di armatura sono stati prelevati e sottoposti a test in laboratorio per verificarne le proprieta meccaniche. Sia acciaio che calcestruzzo sono risultati più resistenti di quanto ipotizzato, il calcestruzzo con una resistenza a compressione di 56 MPa e l'acciaio con uno snervamento di 298 MPa. L obiettivo principale dei test e stato investigare gli effetti di varie tecniche di rinforzo sul comportamento strutturale, in particolare sulla rigidezza, sulla duttilita e sulla modalita di collasso di solette e pilastri. Il ponte e stato rinforzato in breve tempo e, come si è detto, senza alcuna interruzione del traffico. Le tecniche di rinforzo utilizzate sono state l incollaggio di nastri in FRP mediante il cosiddetto wet lay-up e l applicazione di barre in FRP montate vicino alla superficie. Nella tecnologia del wet lay-up, uno strato di resina saturante è applicato sul substrato di calcestruzzo, il tessuto in FRP è poi posizionato e impregnato con un altro strato di resina, mediante l'uso di appositi rulli. La seconda tecnica prevede l inserimento delle barre in scanalature praticate sulla superficie di calcestruzzo e riempite con una pasta a base epossidica (Figura 1). Tale tecnica, oltre a presentare i vantaggi caratteristici dell incollaggio di nastri, richiede rispetto a quest ultimo un minor lavoro di preparazione della superficie, che non necessita di preventiva sabbiatura, e un ancor minore tempo di installazione, e consente inoltre l ancoraggio del rinforzo negli elementi strutturali adiacenti. Le proprieta meccaniche di nastri e barre in FRP utilizzati sono presentate in Tab. 1. Scanalatura Barra in FRP Pasta epossidica Substrato di calcestruzzo 3

4 Figura 1 Schema di applicazione delle barre in FRP montate vicino alla superficie Tab. 1 Proprieta meccaniche di nastri e barre in FRP utilizzati per il rinforzo del ponte FRP Nastri in Glass FRP (GFRP)* Nastri in Carbon FRP (CFRP)* Barre in CFRP** Dimensione (mm) Spessore t f = Spessore t f = Tensione ultima di progetto (MPa) Deformazione ultima (mm/mm) Modulo elastico (GPa) Diametro D = 11 * Proprietà delle sole fibre ** Proprietà delle barre Rinforzo delle solette Due delle tre solette del ponte sono state rinforzate utilizzando nastri e barre in FRP; la quantita di rinforzo e stata calcolata in modo da conseguire in entrambe le solette lo stesso livello di capacita nominale (momento ultimo pari a kn-m), corrispondente ad un incremento di circa il 30% rispetto alla capacita nominale della soletta non rinforzata (momento ultimo pari a kn-m). Quest ultima era stata inizialmente valutata sulla base delle proprieta dei materiali indicate nel database del MoDOT. L incremento di capacita del 30% corrisponde all adeguamento delle solette al carico di esercizio HS20 modificato secondo le norme dell'american Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) (Fig. 2). 4

5 Fig. 2 Schema di carico HS20 secondo la normativa statunitense AASHTO [6] (1 kip = 4.44 kn, 1 in. = 25 mm, 1 ft. = 300 mm) La quantita di rinforzo e stata progettata utilizzando l approccio della teoria classica del calcestruzzo armato, basata sui principi di equilibrio e di congruenza, e mirando a conseguire una modalita di collasso rappresentata dalla rottura a trazione del rinforzo in FRP successiva allo snervamento dell acciaio. Il rinforzo posto in opera e consistito quindi, per una soletta, in otto strisce di nastro in CFRP di larghezza 50 cm applicate per l intera lunghezza della campata e spaziate uniformemente 37.5 cm l una dall altra; per l altra soletta, in 20 barre in CFRP spaziate a 37.5 cm. Le barre sono state inserite in scanalature lunghe 6.6 m, profonde 19 mm e larghe 14 mm, praticate all intradosso della soletta nella direzione longitudinale. Una pasta a base epossidica e stata inserita nelle scanalature fissando le barre in posizione. La configurazione delle tre solette e presentata in Fig. 3, mentre le Figg. 4 e 5 mostrano i due tipi di rinforzo posti in opera. La terza soletta non e stata rinforzata, per essere utilizzata come elemento di controllo. NSMR in CFRP Nastri in CFRP Soletta di controllo Fig. 3 Schema di rinforzo delle solette del ponte: due solette sono state rinforzate con materiali compositi, la terza è rimasta inalterata come termine di riferimento 5

6 Fig. 4 Soletta rinforzata con nastri in CFRP di larghezza 50 cm e interasse 37.5 cm per l'intera lunghezza della campata 6

7 Fig. 5 Installazione delle barre in CFRP nelle scanalature praticate sulla superficie di calcestruzzo e riempite con pasta epossidica Rinforzo dei pilastri Nel progetto del rinforzo dei pilastri, i carichi sismici di riferimento sono stati quelli previsti dalla corrente normativa AASHTO per i ponti nella contea di St. Louis in Missouri [6]. Un analisi preliminare ha indicato che i pilastri non rinforzati erano in grado di fronteggiare le sollecitazioni di taglio indotte da un sisma, mentre la resistenza a flessione e la duttilita necessitavano di essere incrementate. In particolare, il momento resistente richiesto risultava superiore del 157% rispetto a quello calcolato per i pilastri non rinforzati. Tre dei quattro pilastri del ponte sono stati rinforzati, mentre il quarto e rimasto inalterato per essere utilizzato come elemento di controllo. Un pilastro e stato fasciato esternamente mediante wet lay-up con sei strati di nastro in GFRP, per analizzare l effetto del confinamento del calcestruzzo sulla duttilita. Il nastro e stato applicato in strisce di 50 cm con le fibre perpendicolari all asse verticale e ha coperto l intera altezza del pilastro. Gli altri due pilastri sono stati rinforzati con barre in CFRP montate vicino alla superficie, per incrementarne la capacità flessionale. Il progetto del rinforzo a flessione si e basato sull approccio classico della teoria del calcestruzzo armato. Le barre sono state ancorate per una profondità di 38 cm alla fondazione in modo da garantire alla sezione di base del pilastro un momento resistente pari a quello della sezione rinforzata. La quantità di barre disposte nei due pilastri e stata pari a 6 in uno (3 per ciascuna faccia del pilastro), corrispondente a una modalità teorica di collasso per rottura a trazione delle barre e a un incremento teorico di resistenza flessionale del 102%, e pari a 14 nell altro (7 per ciascuna faccia del pilastro), corrispondente a una modalità teorica di collasso per rottura a compressione del calcestruzzo e a un incremento teorico di resistenza flessionale del 177%. I pilastri sono stati infine fasciati con quattro strati di nastro in CFRP, per migliorare la duttilità (Fig. 6). 7

8 Fig. 6 Pilastri del ponte fasciati con nastri in FRP Test distruttivi delle solette Ciascuna soletta e stata sottoposta a cicli di carico quasi-statico fino a collasso. Il carico e stato applicato mediante martinetti da 90 tonnellate, utilizzando come contrasto due grosse travi in acciaio a doppio T, reagenti a loro volta contro le travi trasversali (Fig. 7). Cap beam Deck W Steel Girder 13-1/2 Hydraulic Jack Pier 2C7 9.8 Footing 2W14 90 Spreader Fig. 7 Test statico delle solette. Il carico e stato applicato mediante martinetti da 90 tonnellate, utilizzando come contrasto due grosse travi in acciaio a doppio T, reagenti a loro volta contro le travi trasversali (1 in. = 25 mm, 1 ft. = 300 mm) 2-6 Il carico e stato incrementato in ogni ciclo, fino a collasso, registrando ad ogni ciclo freccia della soletta e deformazioni delle barre di acciaio, di quelle in CFRP e dei nastri in CFRP in varie posizioni. 8

9 Un analisi dei risultati dei test fa rilevare un comportamento soddisfacente delle solette rinforzate, che hanno presentato minori frecce a collasso e maggiore resistenza di quella non rinforzata. Il momento ultimo delle tre solette e la corrispondente modalita di collasso sono riportate in Tab. 2, mentre la Fig. 8 illustra gli inviluppi delle curve carico-freccia in mezzeria. L incremento nel momento ultimo nominale e stato pari al 17% nel caso del rinforzo con nastri e al 29% in quello con barre. E' da rilevare che il momento ultimo della soletta non rinforzata è risultato notevolmente maggiore di quello previsto teoricamente, e così anche quelli delle solette rinforzate. L'incremento percentuale di resistenza del 30%, desiderato per l'adeguamento al carico di esercizio HS20, è stato conseguito nel caso del rinforzo con barre, ma non in quello del rinforzo con nastri, a causa dell'insorgere di fenomeni di peeling (distacco dei nastri dalla superficie di calcestruzzo). Tab. 2 Momenti ultimi e modalita di collasso per le tre solette Tipo di rinforzo Nessuno Nastri in CFRP NSMR Momento ultimo (kn-m) Modalità di collasso Schiacciamento del calcestruzzo Peeling/rottura dei nastri in CFRP Rottura delle barre in CFRP Total Load (kips) NSM Rods CFRP Sheets None Deflection (in) Fig. 8 Curve carico-freccia delle tre solette (1 in.=25 mm, 1 kip=4.44 kn) 9

10 Test dei pilastri I pilastri sono stati testati fino a collasso applicando carichi laterali ciclici alle travi ad essi sovrastanti. A tale scopo, la parte centrale di tali travi e stata rimossa per consentire l inserimento di un martinetto idraulico; un altro martinetto e stato posizionato esternamente e fatto contrastare su una struttura esterna, come schematizzato in Fig. 9. I due martinetti sono stati caricati alternativamente per realizzare una condizione di carico ciclico. Above bridge deck Below bridge deck Hydraulic Jack Cut through bridge deck 25 Saw Cut 3-6 Pier Hydraulic Jack Dywidag Rod W14 90 Bent 1 Bent 2 Fig. 9 Test ciclico dei pilastri (1 in. = 25 mm, 1 ft. = 300 mm) Frecce e rotazioni dei pilastri, deformazioni dell armatura di acciaio e dei nastri in CFRP e GFRP sono stati registrati in varie posizioni. Come nel caso delle solette, i carichi di collasso dei pilastri si sono rivelati maggiori di quelli previsti teoricamente. L'incremento previsto della capacità flessionale è stato ottenuto, e nel caso del pilastro rinforzato con 3 barre per lato si è arrivati alla rottura delle barre stesse all'interfaccia plinto pilastro. La Fig. 10 mostra la rotazione misurata su due pilastri, di cui uno non rinforzato, durante l ultimo ciclo di carico. Il tratto orizzontale della curva per il pilastro non rinforzato corrisponde allo snervamento dell armatura di acciaio. 10

11 Pier 2 - Strengthened Pier 1 - No Strengthening Load (k) Unstrengthen INCL 1, INCL 2, 5 INCL 3, 6 INC 1 INC 2 INC 3 INC 4 INC 5 INC Rotation (deg) Fig. 10 Curve carico-rotazione di due pilastri (1 kip=4.44 kn) Conclusioni Lo sviluppo di metodi pratici e commercialmente vantaggiosi per la protezione in situ, il ripristino e il rinforzo delle strutture civili e oggi una necessita da cui non si puo prescindere. Le tecniche legate all uso di materiali compositi rappresentano una soluzione ormai ben piu che potenziale, come testimoniato dalla loro crescente diffusione in tutto il mondo. Una delle recenti esperienze internazionali di ricerca nel settore, condotta dalla University of Missouri-Rolla, ha riguardato il test a collasso di un ponte in Missouri, di cui solette e pilastri sono stati rinforzati esternamente con nastri e con barre montate vicino alla superficie. Entrambe le tecniche si sono rivelate efficaci nell incrementare resistenza e rigidezza degli elementi strutturali. Un analisi completa dei risultati dei test sperimentali consentira di approfondire la conoscenza di quale sia il comportamento del rinforzo esterno in una struttura reale. Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare lo University Transportation Center presso la University of Missouri Rolla (USA) e il Missouri Department of Transportation (MoDOT). 11

12 Bibliografia [1] Proceedings of the First International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures (FRPRCS-1), American Concrete Institute SP- 138, [2] Proceedings of the Second International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures (FRPRCS-2), E.&F.N. Spon., London, UK, [3] Proceedings of the Third International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures (FRPRCS-3), Japan Concrete Institute, Sapporo, Japan, [4] Proceedings of the Fourth International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures (FRPRCS-4), American Concrete Institute SP- 188, [5] Alkhrdaji, T.; Nanni, A.; Chen, G.; and Barker, M., Destructive and non-destructive testing of bridge J857, CIES Report 99-16, University of Missouri Rolla, [6] AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges (1996), 16 th Edition, 760 pp. 12