Instabilità delle barre longitudinali al piede delle colonne

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1 Operazione "Impariamo a ricostruire" rif. PA /RER MATERIALI E TECNOLOGIE: IL CALCESTRUZZO STRUTTURE IN C.A. INTERVENTI SUI NODI CON ESEMPI APPLICATIVI Parte 1: LE STRUTTURE IN C.A. IN OPERA Prof. Ing. Fabio MINGHINI fabio.minghini@unife.it Collegio Provinciale Geometri e Geometri Laureati di Ferrara 19/05/2014 Instabilità delle barre longitudinali al piede delle colonne

2 Instabilità delle barre longitudinali al piede delle colonne Instabilità delle barre longitudinali delle colonne in prossimità dei nodi con le travi Terremoto dell Aquila, 2006 (Iervolino, Prota, Ricci, Verderame)

3 Instabilità delle barre longitudinali delle colonne in prossimità dei nodi con le travi Terremoto di Kobe, 1995 Danni causati dai tamponamenti Terremoto dell Aquila, 2006 (Iervolino, Prota, Ricci, Verderame)

4 Danni causati dai tamponamenti Terremoto dell Aquila, 2006 (Iervolino, Prota, Ricci, Verderame) Danni causati dai tamponamenti Terremoto dell Aquila, 2006 (Iervolino, Prota, Ricci, Verderame)

5 Managua, Nicaragua earthquake, Dec. 23, 1972 M = 6.19 Nei pilastri tozzi, tali a causa dei tamponamenti, prevale il taglio S4923 Danni all edificio limitati al piano terra S4924 Nodi e collegamenti strutturali

6 Nodi trave-pilastro interamente confinati Piano intermedio Copertura D.M. 14/01/2008, Nodi trave-pilastro non interamente confinati Nel caso di nodi non confinati, la norma impone la disposizione di staffe tali che: dove: n st A st i b j numero di bracci area singolo braccio interasse staffe larghezza utile nodo f ck f yk resistenza caratteristica a compressione del conglomerato resistenza caratteristica a snervamento delle staffe

7 Tipologie di collasso dei nodi trave-pilastro Crisi nella trave Crisi nel pilastro Espulsione del copriferro nel nodo Crisi dell aderenza delle barre della trave Crisi per taglio del pannello nodale Collasso nei nodi interni Carico monotono Carico ciclico

8 Collasso nei nodi esterni Carico monotono Carico ciclico Collasso nei nodi d angolo Carico monotono Carico ciclico

9 Caracas, Venezuela earthquake, July 29, 1967, M = 7.5 Residence Petunia n. 2 Nodo non confinato S3393 Izmit, Turkey earthquake, Aug. 17, 1999, M = 7.4 Danno in nodo interno NON internamente confinato Le travi non coprono almeno i 3/4 del lato del pilastro IZT-158

10 Chi-Chi, Taiwan earthquake, Sept. 21, 1999, M = 7.6 Scuola Elementare: collasso dei nodi TAI-309 Non esistono armature trasversali nei nodi TAI-310 Nodi trave-pilastro D.M. 14/01/2008, Cap. 7 (edifici nuovi) Gerarchia delle resistenze

11 Gerarchia delle resistenze - pilastro forte/trave debole Meccanismo di piano debole Meccanismo globale Managua, Nicaragua earthquake, Dec. 23, 1972, M = 6.19 Commercial Building "Casa Micasa S.A." Piano debole al primo piano (pilotis) J71

12 Calcolo delle azioni sui nodi Direzione sisma Deformata tipica del telaio Calcolo delle azioni sui nodi Deformata tipica del telaio Diagramma dei momenti

13 Calcolo delle azioni sui nodi Diagramma dei momenti Diagramma dei momenti in travi e pilastri convergenti in un nodo Forze sulla colonna Calcolo delle azioni sui nodi Momento Taglio Quadro fessurativo Sforzi di trazione nella colonna Compressione nella trave Trazione nella trave Elevato gradiente

14 Meccanismi di trasferimento degli sforzi nei nodi Puntone inclinato di conglomerato (nodo non staffato) Campo di compressioni inclinate (nodo staffato) Meccanismi resistenti nei nodi Campo di compressioni e trazioni inclinate Staffatura del nodo Con armature disposte secondo due direzioni ortogonali, il nodo riesce a farsi carico di sforzi diagonali di trazione Armatura longitudinale del pilastro

15 Comportamento biassiale del calcestruzzo Trazione -Compressione Stati trazione - compressione. Un piccolo valore di trazione fa diminuire rapidamente la resistenza a compressione in direzione ortogonale. Prove presso UNIBG su nodi non confinati Armatura costituita da barre lisce ripiegate a uncino. Nodo non staffato

16 Prove presso UNIBG su nodi non confinati Drift = +0.5% Drift = -1.0% Drift = +2.0% Diagramma di carico ciclico Drift = -3.0% Riva e Beschi 2012 Nodi non confinati armati con barre lisce Braga et al. 2001

17 Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche EC8-1: 2004 Classe di duttilità alta (DCH) Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche EC8-1: 2004

18 Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche EC8-1: 2004 Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche EC8-1: 2004

21 Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche EC8-1: 2004 Prescrizioni sui nodi per le zone sismiche NTC 2008

22 Armatura nodo d angolo Effetti legati ai tamponamenti

23 Effetti legati ai tamponamenti Modello a puntone equivalente Effetti legati ai tamponamenti 1 2 Rigidezza pilastro 1: K1 Rigidezza pilastro 2: K2 K1 = 64 K2 I pilastri tozzi sono sede di elevati sforzi di taglio

24 Documenti tecnici Linee guida sul rinforzo strutturale CNR DT 200 R1/2012 Linee Guida ReLUIS (2012) Criteri per il rafforzamento locale di nodi non confinati 1) Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura 2) Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo 3) Confinamento delle estremità dei pilastri 4) Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi

25 Tecniche di rinforzo dei nodi 1) Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura 2) Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo 3) Confinamento delle estremità dei pilastri 4) Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi

26 Placcaggio con tessuti Placcaggio con tessuti (a) (b)

27 Placcaggio con tessuti Placcaggio con fibra d acciaio e resina epossidica

28 Placcaggio con tessuto in carbonio e resina epossidica N.B.: Tutti gli interventi di placcaggio devono essere preceduti, ove necessario, da: protezione delle armature contro la corrosione, riparazione di lesioni strutturali e ricostruzione volumetrica del c.a. 1) Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura 2) Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo 3) Confinamento delle estremità dei pilastri 4) Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi

29 Placcaggio con tessuto in CRP o GRP e resina epossidica (a) (b) Prove su tavola vibrante presso UNINA di struttura irregolare con nodi placcati Di Ludovico 2005 Tessuti in fibra di vetro Se l armatura a taglio delle colonne è insufficiente occorre estendere il placcaggio su tutta l altezza Struttura non rinforzata: collasso con PGA = 0.2g, massimo spostamento interpiano 57.1 mm Struttura rinforzata: collasso con PGA = 0.3g, massimo spostamento interpiano mm

30 Incamiciatura in acciaio Incamiciatura in acciaio Sistema CAM

31 Incamiciatura in acciaio Sistema CAM Incamiciatura in acciaio Sistema CAM

32 Incamiciatura in acciaio Sistema CAM Incamiciatura in acciaio Sistema CAM

33 Incamiciatura in acciaio Sistema CAM N.B.: Anche in questo caso, prima dell intervento, occorre riparare il supporto, se si presenta ammalorato o danneggiato. Al termine della tesatura dei nastri in acciaio zincato i fori devono essere chiusi per una profondità di almeno 10 cm mediante malta ad alta resistenza a ritiro compensato o mediante schiuma poliuretanica. Infine si procede con la stesa di uno strato di malta cementizia protettiva per l aggrappaggio dell intonaco di finitura. Rinforzo con sistema Gordiano UNIBG

34 Rinforzo con sistema Gordiano UNIBG Fasi del rinforzo con sistema Gordiano UNIBG

35 Fasi del rinforzo con sistema Gordiano UNIBG Fasi del rinforzo con sistema Gordiano UNIBG

36 Fasi del rinforzo con sistema Gordiano UNIBG Incamiciatura mediante calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (HPFRC) Fibre corte d acciaio con disposizione casuale Riva e Beschi 2012

37 Incamiciatura mediante calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (HPFRC) L incamiciatura con HPFRC incrementa sia la duttilità sia la resistenza Riva e Beschi 2012 Incamiciatura mediante calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (HPFRC) Nodo non rinforzato Nodo rinforzato Riva e Beschi 2012

38 1) Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura 2) Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo 3) Confinamento delle estremità dei pilastri 4) Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi Importanza del confinamento nelle zone critiche Spirali Il confinamento avviene grazie a sistemi resistenti ad arco dati dal calcestruzzo compresso tra l armatura trasversale e la sua efficienza migliora al diminuire del passo delle staffe. Staffe rettangolari e ganci Staffe sovrapposte

39 Confinamento mediante tessuto unidirezionale in CRP (a) (b) Confinamento mediante calastrellatura metallica

40 Confinamento mediante calastrellatura metallica Viste in sezione: (a) sezione C-C di cui alla figura precedente; (b) particolare della saldatura a completa penetrazione Confinamento mediante calastrellatura metallica Viste in sezione: (a) sezione C-C; (b) particolare della saldatura con cordone d angolo

41 Confinamento mediante sistema CAM Confinamento mediante sistema CAM

42 Confinamento mediante sistema CAM 1) Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura 2) Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo 3) Confinamento delle estremità dei pilastri 4) Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi

43 Rinforzo mediante placcaggio in CRP o GRP Rinforzo mediante incamiciatura metallica

44 Meccanismi di rottura del tamponamento Dipendono dall estensione della zona di contatto Estensione del contatto h 2λh λh = h 4 l θ = tan 1 (h/l) Deriva dalla soluzione della trave su suolo elastico F Meccanismi di rottura del tamponamento evidenziati sperimentalmente Scorrimento orizzontale F Fessurazione diagonale F F F Schiacciamento locale Circolare Ministeriale 10/04/1997 F

45 Meccanismi di rottura del tamponamento evidenziati sperimentalmente Rottura per fessurazione diagonale Resistenza del pannello Rottura per compressione agli spigoli λh Modellazione in campo non lineare

46 Modellazione in campo non lineare Modello semplificato θ = tan 1 (h/l) h l

47 Meccanismo di trasferimento degli sforzi Forza nei puntoni Forza nel tirante Modo di collasso per fessurazione diagonale Resistenza a trazione della muratura Resistenza a fessurazione diagonale Forza orizzontale trasmessa dal pannello al telaio

48 Modo di collasso per schiacciamento nelle zone di contatto Valori massimi della tensione di compressione A rottura coincidono con la resistenza a compressione f c ridotta per la presenza di compressione biassiale Forza orizzontale trasmessa dal pannello al telaio Forza trasmessa dal pannello al nodo Circolare Ministeriale 10/04/1997 φ = 1 per verifiche SLU Rigidezza flessionale del pilastro Aderenza tamponatura-telaio 0.5 h/l 2 h/t 20 (per escludere l instabilità prematura dei puntoni) Assenza di aperture (oppure presenza di aperture adeguatamente cerchiate)

49 Influenza delle aperture Influenza delle aperture Telaio tamponato Telaio nudo Panagiotis et al. 2011

50 Esempio: rinforzo di nodi con materiali compositi Nodo non confinato non staffato Pannello di tamponamento t = 0.2 m Trave 5 16 long. Pilastro 4 12 long. Linee Guida ReLUIS (Dolce et al. 2012) Esempio: rinforzo di nodi con materiali compositi Proprietà dei materiali (c.a.) f cm = 15 MPa f ym = 480 MPa Livello di conoscenza LC1 FC = 1.35 calcestruzzo acciaio a.m. Pilastro 4 12 long. Trave 5 16 long.

51 Esempio: rinforzo di nodi con materiali compositi Proprietà dei materiali (tamponamenti) f bk = 7.5 MPa resistenza a compressione blocchi artificiali semipieni MALTA M5 f vk0 = 0.2 MPa (Tab VII di NTC 2008) f k = 4.1 MPa (Tab V di NTC 2008) E m = 1000f k = 4.1 GPa NB: Utilizzo delle proprietà medie o di progetto a seconda dei casi Esempio: rinforzo di nodi con materiali compositi 1) Progetto di adeguamento Per il progetto di rinforzo si usa la forza: Eq di NTC 2008 o Eq di EC per nodi esterni incrementata della forza trasmessa dal pannello di tamponamento + controlli di duttilità (e eventuale incremento resistenza travi e pilastri) 2) Progetto di miglioramento Per il progetto di rinforzo si usa, ad esempio, la forza trasmessa dal tamponamento: eventualmente incremento di duttilità e resistenza travi e pilastri

52 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento Momento d inerzia della sezione del pilastro mm 4 Forza trasmessa dal tamponamento Forza di progetto con N ottenuto dal calcolo strutturale o, in alternativa, dalla relazione: Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento A) Rinforzo del nodo con materiali SRP (Steel Reinfoced Polymer Tessuto in fibra metallica e resina epossidica) (ma si potrebbe usare CFRP o GFRP) Inclinazione delle fibre rispetto all asse della trave: 30 (tessuto unidirezionale) f fd = 1700 MPa resistenza a trazione di progetto E f = 195 GPa modulo elastico ε fu = f fd /E f = 0.87% deformazione ultima Forza di progetto nella direzione delle fibre: F f = 129/cos(30 ) = 149 kn A f,req = /1700 = 88 mm 2 Area di fibre richiesta

53 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio Utilizzo di tessuto quadriassiale in CFRP/resina epossidica Deve essere garantito dalle Occorre soddisfare la relazione: fibre 0.2 Armatura inf. della trave = 402 mm 2 (2 16) 355 MPa CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio CNR DT 200 R1/2012 Deformazione di progetto del composito

54 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio CNR DT 200 R1/2012

55 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio

56 Esempio: rinforzo di nodi Adeguamento B) Incremento della resistenza del nodo a taglio Si ottiene: Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012

57 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica Prevale questa condizione Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012

58 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica Si ottiene:

59 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012

60 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012 Per sezioni rettangolari con fasciatura continua e fibre ortogonali all asse dell elemento si ha: k V = k α = 1

61 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012 N.B.: N.B.: Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento C) Incremento di duttilità del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica Nel nostro caso si ottiene:

62 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento D) Incremento della resistenza a taglio del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica (N.B.: è lo stesso usato per il confinamento, ma se serve un rinforzo a taglio questo va effettuato su tutto il pilastro e non solo alle estremità) CNR DT 200 R1/2012 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento D) Incremento della resistenza a taglio del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica CNR DT 200 R1/2012 Resistenza efficace del rinforzo Si ottiene: Da considerare solo se > 0 A delaminazione

63 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento D) Incremento della resistenza a taglio del pilastro Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica N.B.: nel CNR DT 200 R1/2012: Lunghezza ottimale di ancoraggio per L.G. CSLLPP 2009 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento D) Incremento della resistenza a taglio del pilastro Ottengo l adeguamento se il taglio sollecitante è inferiore a cot θ = 1 cot β = 0

64 Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento E) Incremento della resistenza a taglio della trave Utilizzo di tessuto unidirezionale in CFRP/resina epossidica (dello stesso tipo di quello adottato per il pilastro) Si ottiene: Esempio: rinforzo di nodi Miglioramento/Adeguamento Configurazione finale Trave ortogonale emergente Trave ortogonale in spessore