Sperimentazione su pilastri in muratura confinati con FRP

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1 Materiali ed Approcci Innovativi per il Progetto in Zona Sismica e la Mitigazione della Vulnerabilità delle Strutture Fisciano, febbraio 2007 Sperimentazione su pilastri in muratura confinati con FRP C.Faella, M.A.Aiello, E.Nigro, E.Martinelli, F.Micelli, S.Paciello, L.Valente -1-

2 Introduzione: Si presenta una estesa campagna sperimentale condotta presso i laboratori delle Università di Lecce e Salerno su pilastrini in muratura rinforzati con FRP. Obiettivo principale è quello di presentare i risultati e le osservazioni scaturite nel corso della sperimentazione. Si mostrano i confronti tra i risultati sperimentali e quelli analitici calcolati con la formula predittiva per la resistenza della muratura confinata proposta nel recente documento normativo CNR DT-200/

3 Descrizione della campagna sperimentale: La campagna sperimentale consta di 54 prove di compressione centrata su pilastrini di varia dimensione (in altezza e sezione), tessitura e natura dei blocchi. Per controllare l efficacia del confinamento sono stati preparati campioni con differenti raggi di curvatura degli spigoli. Ulteriore elemento di varietà è rappresentato dall utilizzo di compositi sia a base di fibre di carbonio che di vetro. Sono state effettuate sia prove su elementi non rinforzati che su pilastrini fasciati con un numero variabile di strati di composito. Pietra Leccese Laterizio Tufo e Laterizio -3-

4 Descrizione della campagna sperimentale: Sono stati effettuati test di compressione sul materiale base: Pietra Leccese, Tufo Giallo, Tufo Grigio. Prove di compressione su campioni cubici di tufo giallo Prove di compressione su campioni cilindrici di tufo grigio Prove di compressione su campioni cubici di pietra leccese Provino Tensione (Mpa) Provino Dimensioni [d, h] (mm) Tensione (Mpa) Provino Tensione (Mpa) , , , , , , Media , Media 14, Media 4.06 La resistenza a compressione del laterizio è del ordine di f m =15 20 MPa, maggiore di quella riscontrata per il tufo e simile ai valori di resistenza della pietra leccese. -4-

5 Descrizione della campagna sperimentale: La malta di allettamento è di tipo M4 (D.M. 20/11/1987). Composizione della Malta Classe Tipo Cemento Calce Calce Idraulica Sabbia Pozzolana M4 Pozzolanica Sono state condotte prove di flessione e di schiacciamento su campioni di malta al fine di valutarne la resistenza a trazione e a compressione, rispettivamente. Esse hanno fatto registrare un valore medio della resistenza a compressione f m,c =1.027 MPa e di quella a trazione per flessione f m,t =0.372 MPa; in entrambi i casi la dispersione è caratterizzata da un valore del coefficiente di variazione di circa

6 Descrizione della campagna sperimentale: I sistemi di rinforzo sono in fibra di vetro ed in fibra di carbonio. Tipo di Rinforzo Fibra di Carbonio (C) Fibra di Vetro (G A ) Fibra di Vetro (G B ) Denominaz.ione Commerciale RUREDIL - Replark30 DEGUSSA - MBT Mbrace MAPEI Mapewrap G uni-ax Sp.essore equivale nte [mm] Modulo elastico [MPa] Resistenza a trazione caratteristica [MPa] Deformazione ultima

7 Descrizione della campagna sperimentale: Preparazione dei campioni: -7-

8 Descrizione della campagna sperimentale: Test Dimensioni B D h TIPO Densità Rinforzo Raggio Media Fibra nl teq rc # Codice [Pietra leccese [mm] [mm] [mm] Tufo/Laterizio] (Kg/m3 ) [C/G] [mm] [mm] 1 L01UR Pietra lecc L02UR Pietra lecc L03UR Pietra lecc L04G Pietra lecc GA 1 0, L05G Pietra lecc GA 1 0, L06G Pietra lecc GA 1 0, L07G Pietra lecc GA 1 0, L08G Pietra lecc GA 2 0, B19UR Laterizio B20UR Laterizio B21G Laterizio 1700 GA 1 0, B22UR Laterizio B23UR Laterizio B24UR Laterizio B25G Laterizio 1700 GA 1 0, B26G Laterizio 1700 GA 1 0, B27G Laterizio 1700 GA 2 0, B28G Laterizio 1700 GA 2 0, T01UR Tufo Grigio T02UR Tufo Grigio T03UR Tufo Grigio T04C Tufo Grigio 1250 C T05C Tufo Grigio 1250 C T06C Tufo Grigio 1250 C T07C Tufo Grigio 1250 C T08C Tufo Grigio 1250 C T09C Tufo Grigio 1250 C Test Dimensioni B D h TIPO Densità Rinforzo Raggio Media Fibra nl teq rc # Codice [Pietra leccese [mm] [mm] [mm] Tufo/Laterizio] (Kg/m3 ) [C/G] [mm] [mm] 28 T10UR Tufo Giallo T11UR Tufo Giallo T12UR Tufo Giallo T13G Tufo Giallo 1250 GB T14G Tufo Giallo 1250 GB T15G Tufo Giallo 1250 GB T16G Tufo Giallo 1250 GB T17G Tufo Giallo 1250 GB T18G Tufo Giallo 1250 GB B01UR Laterizio B02UR Laterizio B03UR Laterizio B04G Laterizio 1650 GB B05G Laterizio 1650 GB B06G Laterizio 1650 GB B07G Laterizio 1650 GB B08G Laterizio 1650 GB B09G Laterizio 1650 GB B10UR Laterizio B11UR Laterizio B12UR Laterizio B13G Laterizio 1650 GB B14G Laterizio 1650 GB B15G Laterizio 1650 GB B16G Laterizio 1650 GB B17G Laterizio 1650 GB B18G Laterizio 1650 GB

9 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in pietra leccese. B=25 cm, rinforzo in fibra di vetro F S-F1-R2-b S-F1-R2-a S-C2 S-C1 S-F2-R2-b Carico (kn) F NR Spostamento (mm) -9-

10 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in laterizio. B=25 cm, rinforzo in fibra di vetro. Carico (kn) 1F NR 2F Spostam ento (m m ) L-C25-1 L-C50-1 L-F1-25-R1-1 L-F2-25-R1-1 L-F1-50-R1-10-

11 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in laterizio. B=25 cm, rinforzo in fibra di vetro σ NR 1F 2F S#01 NR S#02 NR S#03 NR S#01 1R S#02 1R S#03 1R S#01 DR S#02 DR S#03 DR ε

12 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in laterizio. B=40 cm, rinforzo in fibra di vetro σ B#01 NR B#02 NR B#03 NR B#01 1R B#02 1R B#03 1R B#01 DR B#02 DR B#03 DR NR 1F 2F ε

13 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in tufo giallo. B=40 cm, rinforzo in fibra di vetro. σ NR 1F 2F T#01 NR T#02 NR T#03 NR T#01 1R -10 T#02 1R T#03 1R T#01 DR T#02 DR T#03 DR ε

14 Risultati della sperimentazione: Confronto tra i campioni a sezione quadrata in tufo grigio. B=40 cm, rinforzo in fibra di carbonio. NR 1F 2F -14-

15 Risultati della sperimentazione: La rottura si attinge a prezzo di elevatissime deformazioni Tufo Grigio B = 40 Carbonio 1 Strato Tufo Grigio B = 40 Carbonio 2 Strati -15-

16 Risultati della sperimentazione: Area efficacemente confinata Laterizio B=25 cm Laterizio B=40 cm Tufo giallo B=40 cm -16-

17 Risultati della sperimentazione: Influenza del raggio di curvatura degli spigoli: 800 R= 20mm S-F1-R2-b S-F1-R2-a S-F1-R1-a Carico (kn) S-F1-R1-b Pietra Leccese R= 10mm Spostamento (mm) -17-

18 Risultati della sperimentazione: La Tabella riassume i principali risultati desunti dalle prove di schiacciamento e permette di valutare il rapporto f mc /f m tra la resistenza f mc riscontrata sui provini fasciati rispetto al valor medio f m della resistenza dei corrispondenti provini di riferimento. I valori assunti dal rapporto f mc /f m mostrano come esso vari generalmente tra un minimo di 1.23 ed un massimo di 3.94, confermando che esso tende ad essere tanto maggiore quanto minore è la resistenza f m del materiale base quanto maggiore è la pressione di confinamento. Test Resistenza Fu fu Deformaz. Ultima fl.eff fm fmc/fm # Codice [KN] [Mpa] ε υ.μ [MPa] [MPa] 1 L01UR L02UR L03UR L04G L05G L06G L07G L08G B19UR B20UR B21G B22UR B23UR B24UR B25G B26G B27G B28G T01UR T02UR T03UR T04C T05C T06C T07C T08C T09C Test Resistenza Deformaz. Fu fu Ultima # Codice [KN] [Mpa] ε υ.μ [MPa] [MPa] 28 T10UR T11UR T12UR T13G fl.eff fm fmc/fm 32 T14G T15G T16G T17G T18G B01UR B02UR B03UR B04G B05G B06G B07G B08G B09G B10UR B11UR B12UR B13G B14G B15G B16G B17G B18G

19 Confronto con la proposta normativa: Una recente proposta che mira a determinare le proprietà meccaniche di colonne in muratura tenendo conto sia di quelle del sistema confinante che del materiale di base, è contenuta nel CNR-DT200/2004 nel quale il valore di progetto f mcd della resistenza ultima della muratura confinata si determina in funzione di quello f md della muratura non confinata e della pressione efficace di confinamento f l,eff secondo la seguente relazione lineare: f mcd = fmd + k' fl, eff Il coefficiente k rappresenta il fattore di proporzionalità tra incremento di resistenza nella muratura e pressione laterale di confinamento e viene denominato fattore di efficacia del confinamento. Tale fattore dipende direttamente dalle caratteristiche della muratura. -19-

20 Confronto con la proposta normativa: Poiché si ritiene che l effetto di confinamento sia tanto più apprezzabile quanto più la muratura sia organizzata e priva di vuoti, è stata proposta la seguente espressione: g k ' = m 1000 dove g m rappresenta proprio la densità di massa (in kg/m 3 ) della muratura; la formula proposta nel DT è stata calibrata a partire da considerazioni basate sul valore che per tale coefficiente si adotta nel caso del calcestruzzo confinato con FRP. L espressione adottata per la pressione efficace di confinamento è la seguente: fl, eff = kh kv fl dove il coefficiente di efficienza orizzontale k H corrisponde al rapporto tra la sezione confinata e quella globale e può essere espresso come segue: k H = 1 b' 2 + d' 3 A m 2-20-

21 Confronto con la proposta normativa: Il coefficiente di efficienza verticale k V tiene conto dell eventuale effetto di diffusione delle pressioni di confinamento sul volume dell elemento quando questo non risulta fasciato con continuità lungo il suo asse; nel caso di fasciatura continua il coefficiente k V assume valore unitario. Il valore f l,eff della pressione efficace di confinamento è stato calcolato assumendo per ε f,rid il valore determinato in accordo con il DT-200/2004 secondo le formule seguenti: 1 2 f l = ρ f E f ε f, rid ε f, rid ηa ε = γ in cui: η a è il cosiddetto fattore di conversione ambientale. Nella presente campagna si è adottato un valore unitario. ε f,k è il valore caratteristico della deformazione ultima per il quale si assumono forniti dai produttori; γ f è coefficiente parziale di sicurezza che per i sistemi di rinforzo non certificati vale f f, k -21-

22 Confronto con la proposta normativa: Confronto tra i valori sperimentali della resistenza della muratura confinata in funzione della pressione laterale efficace di confinamento e la proposta normativa f mc /f m0 Tufo Pietra Leccese f Laterizio l /f m La proposta del documento CNR risulta nella maggior parte dei casi cautelativa. Appaiono sottostimati i valori di resistenza della muratura confinata nel caso del laterizio. Nel caso della pietra naturale, invece, la relazione CNR fornisce solo in pochi casi valori a svantaggio di sicurezza. -22-

23 Conclusioni: I risultati della campagna sperimentale condotta su colonne in muratura in pietra naturale (tufo giallo e grigio, pietra leccese) o in blocchi artificiali (laterizi pieni) hanno mostrato che la tecnica del confinamento incrementa le prestazioni dell elemento confinato. Questo risultato è in alcuni casi raggiunto a prezzo di deformazioni elevatissime, non compatibili con la pratica tecnica. La proposta contenuta nel CNR-DT200/2004 fornisce generalmente una stima della resistenza dal lato della sicurezza di elementi in muratura confinati con materiali compositi, soprattutto nel caso di pilastri in laterizio. Si prevede di ricalibrare la formulazione normativa sulla base delle prove della presente campagna sperimentale e di altre eventualmente disponibili al fine di migliorarne l affidabilità. Modelli meccanici per la valutazione dell effetto del confinamento di elementi in muratura con FRP che tengano conto delle specificità derivanti da tessitura e qualità della muratura stessa non sono stati ancora messi a punto; nel futuro della ricerca si intende investigare anche con riferimento a questo obiettivo. -23-

24 RINGRAZIAMENTI: La ricerca presentata è parzialmente finanziata dal Progetto DPC-ReLUIS, nell ambito della Linea 8 Task 3 (Valutazione dell effetto di Confinamento) FINE -24-