REALIZZAZIONE DI OPERE IN CEMENTO ARMATO CON TUBI IN GFRP TIPO ROCKWORM

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1 REALIZZAZIONE DI OPERE IN CEMENTO ARMATO CON TUBI IN GFRP TIPO ROCKWORM 1

2 1. Premessa La presente relazione ha per oggetto lo studio delle strutture in cemento armato in cui il rinforzo interno, anzichè essere costituito da acciaio, è realizzato con i compositi. Detto tipo di struttura viene usato con successo tutte le volte ci sia la necessità di realizzare opere provvisionali che dovranno poi essere in parte demolite per consentire l attraversamento della struttura stessa. Il vantaggio dell impiego dei compositi combinato con il cls risiede proprio nella caratteristica, peculiare dei compositi, di essere estremamente resistenti nella direzione delle fibre ed estremamente facili da tagliare nella direzione ad esse ortogonale. Nell ambito dell ingegneria dei trasporti l uso di tali strutture appare particolarmente vantaggioso ogni qual volta si devono realizzare pareti in C.A. interessate da successivi attraversamenti di tunnel pedonali stradali o ferroviari. In definitiva dette strutture possono essere utilizzate per realizzare intere paratie a carattere provvisionale e Soft-Eye nell ambito di pareti in C.A., di tipo tradizionale, utilizzate per il contenimento dei terreni che, armate con FRP al posto dell acciaio, permettono un rapido avanzamento della TBM (Tunnel Boring Machine) ed un risparmio economico nella realizzazione dello scavo. Attualmente la ATP produce, tondini, gabbie circolari e pali in vetroresina che consentono di realizzare paratie di pali a sezione circolare e diaframmi a sezione rettangolare. 2

3 1. Comportamento statico dei pali armati con Vetroresina I pali di medio e grande diametro (30cm-120cm) possono essere costituiti da gabbie (barre longitudinali e staffa a spirale) in vetroresina e cls di buona qualità (Rck>=250kg/cm 2 ) In un palo siffatto il cls gioca un ruolo essenziale rispetto alle caratteristiche di resistenza globale del palo in quanto: - Le barre di vetroresina, che si trovano in zona compressa, grazie al confinamento esterno dato dalla spirale e a quello interno dato dal cls, non sono soggette al fenomeno della instabilità e quindi accrescono il risultante della zona compressa - Il trasferimento della forza di scorrimento tra la zona tesa e quella compressa, può avvenire anche grazie alle bielle compresse di cls (che si formano nel cls a fessurazione avvenuta) ed alle bielle tese costituite dalla staffa a spirale in vetro resina (Traliccio di Morsch) Il comportamento statico di un palo di medio e grande diametro armato con gabbie in vetroresina è del tutto simile a quello di palo tradizionale armato con gabbie in acciaio. I pali di piccolo diametro (12cm-22cm) possono essere costituiti da tubolari (con fibre unidirezionali o bidirezionali) in vetroresina e cls di buona qualità (Rck>=250kg/cm 2 ) Il palo con tubolare armato con fibre unidirezionali (0 ) presenta un basso rendimento statico perchè la parte di esso compressa, essendo priva di confinamento esterno, e soggetta al fenomeno della instabilità flesso-torsionale per cui non contribuisce 3

4 all accrescimento della risultante della zona compressa. Inoltre il trasferimento della forza di scorrimento tra la zona tesa e quella compressa è interamente affidata al cls perchè l assenza di bielle tese non consente la formazione del traliccio di Morsch e pertanto il max (cls) deve essere sempre e comunque minore di c0 (cls) il chè rappresenta un grosso limite allo utilizzo di questo tipo di palo. Il palo con tubolare armato con fibre bidirezionali (0 /90 ) presenta innanzitutto i vantaggi della gabbia in vetroresina (infatti le fibre longitudinali sostituiscono le barre longitudinali e le fibre trasversali sostituiscono la staffa a spirale) e quindi tutto quanto detto per la gabbia vale integralmente per il tubolare armato con fibre bidirezionali. Questo tipo di tubolare, inoltre, analogamente al tubolare in acciaio presenta una propria autonomia statica ripetto al cls di completamento per cui al cls può essere affidata una funzione statica secondaria ossia di semplice riempimento del tubolare e demandare al tubolare il compito di assorbire integralmente le sollecitazioni flesso-taglianti agenti sulla paratia. Il comportamento statico di un palo di piccolo diametro armato con tubolari in vetroresina è fortemente influenzato dalla deformabilità del manufatto in vetroresina per cui si consiglia l utilizzo di questi ultimi per realizzare paratie provvisionali. In questi manufatti si ammette che la deformazione della struttura sia poco importante e che le sollecitazioni agenti nei pali siano essenzialmente di tipo flesso-tagliante, mentre lo sforzo normale dovrà essere di entità trascurabile affinchè si possano escludere effetti del secondo ordine (P-) tali da portare al collasso la struttura. 4

5 2. Comportamento statico delle pareti a sezione rettangolare armati con barre di vetoresina I diaframmi o pareti a sezione rettangolare possono essere costituiti totalmente o parzialmente (Soft-Eye) da barre longitudinali e staffe in vetroresina e cls di buona qualità (Rck>=250kg/cm 2 ) In particolare l armatura in vetroresina da disporre nei Soft-Eye può essere ottimizzata qual ora si realizza all interno della parete un telai piano di orlatura al contorno del Soft-Eye che consente di enucleare quest ultimo e dimensionarlo solo rispetto allo stato limite ultimo senza tener conto dello stato limite di servizio ( rottura dell FRP dovuta al creep). In tal caso si perviene ad individuare un quantitativo minimo di armatura in FRP ottimizzando il costo stesso dell intervento. Il comportamento di una parete a sezione rettangolare armato con barre in vetroresina è del tutto simile a quello di una parete armata con barre in acciaio. 3. Normativa di Riferimento La progettazione con i compositi, attualmente, può essere basata sulla normativa americana edita dall ACI(American Concrete Institute) che costituisce l unico documento oggi disponibile che affronta in maniera esaustiva le problematiche delle strutture in cemento armato il cui rinforzo interno, anziché essere costituito da acciaio, è realizzato con i compositi. Si segnala che di recente, 13 luglio 2004, in Italia è stato pubblicato dal CNR-Commissione incaricata di formulare pareri in materia di 5

6 normativa tecnica relativa alle costruzioni le linee guide CNR-DT 200/2004 (Istruzioni per la progettazione, l esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l utilizzo di compositi fibrorinforzati) che risulta essere articolato nelle seguenti parti: - Materiali - Concetti basilari del rinforzo con FRP e problematiche speciali - Rinforzo di strutture in C.A. e in C.A.P. - Rinforzo di strutture murarie - Rinforzo di strutture metalliche - Rinforzo di strutture in legno - Nuove costruzioni con l impiego di FRP Le prime quattro parti sono state pubblicate a luglio 2004, la pubblicazione delle rimanenti altre è invece prevista per il prossimo autunno. Da una prima lettura delle istruzioni CNR-DT 200/2004 emerge una sostanziale congruenza ed analogia con le corrispondenti norme americane per cui ogni dimensionamento fatto sulla base delle norme americane: - ACI 440.1R-03, ACI 440.3R-04, ACI ,1999 rimane sostanzialmente valido anche nell ambito delle recenti istruzioni pubblicate in italia CNR-DT 200/

7 4. Metodo di Calcolo In conformità a quanto indicato nel documento ACI 440.1R-03 le strutture CLS-FRP devono essere verificate con il metodo agli stati limiti. Esso prevede la verifica della seguente disuguaglianza: *R n >S u Avendo indicato con R n la resistenza nominale che una sezione in cemento armato è in grado di offrire, con il fattore di riduzione di tale resistenza e con S u la corrispondente sollecitazione ultima (di calcolo) dovuta ai carichi agenti sulla struttura. La sollecitazione S u è ottenuta effettuando l analisi strutturale e amplificando i carichi permanenti ed accidentali attraverso opportuni coefficienti presi pari a 1.4 per i carichi permanenti e 1.7 per quelli accidentali. La riduzione sulla resistenza non viene effettuata (come in Italia) dividendo le resistenze caratteristiche dei materiali per i corrispondenti coefficienti parziali bensìeffettuando la riduzione direttamente sulla capacità nominale della sezione (R n ) mediante il richiamato coefficiente I meccanismi resistenti secondo i quali valutare le resistenze nominali R n sono gli stessi previsti dalle normative europee, ma le resistenze dei materiali da utilizzare sono i valori caratteristici, Più precisamente la verifica di sicurezza allo stato limite ultimo di strutture soggette a flessione prevede le seguenti modalità di rottura: - Schiacciamento del calcestruzzo compresso prima dello snervamento dell acciaio teso o rottura del FRP teso - Snervamento dell acciaio in trazione o rottura del FRP teso prima dello schiacciamento del calcestruzzo 7

8 - Rottura bilanciata ossia schiacciamento del calcestruzzo compresso e contemporaneo snervamento dell acciaio in trazione o rottura del FRP teso Formalmente la struttura armata con FRP viene verificata allo stesso modo di quella armata con acciaio l unica differenza è rappresentata dal fattore della resistenza che nelle sezioni armate con FRP vale: 0,50 se f fb f se bf f 1,4 fb 2 fb 0,70 se f 1,4fb in cui f rappresenta la percentuale geometrica di armatura mentre fb è la percentuale geometrica di armatura che produce rottura bilanciata, in effetti si ammette che in una sezione a bassa duttilita si mantiene lo stesso livello di sicurezza se ci si riserva una maggiore resistenza. Mentre nelle sezioni armate con acciaio 0,90 se s 0,005 0,20 s sy 0,70 se sy s 0,005 0,005 sy 0,70 se s sy in cui s rappresenta la deformazone della armatura metallica mentre sy è la deformazione di snervamento dell armatura metallica. 8

9 Mentre la verifica di sicurezza allo stato limite di servizio di strutture soggette a flessione prevede il controllo su: - Aperture di fessure - Spostamenti di lungo termine - Tensioni dovute a fenomeni di creep e fatica Tensioni ammissibili sotto l azione di carichi quasi permanenti e ciclici nel FRP Tipo di fibra GFRP AFRP CFRP 0,20f fu 0,30f fu 0,55f fu - Limiti sulle massime tensioni del cls (0,45*f c ) - Limiti sulle massime tensioni dell acciaio (0,80*f y ) Nel caso le verifiche si riferiscono a strutture provvisionali destinate a rimenere in vita per un periodo molto limitato di tempo (meno di un anno) allora le verifiche allo stato limite di servizio possono essere trascurate in quanto: - eventuali inestetismi dovuti all ampiezza del quadro fessurativo e/o a eccessiva deformazione non hanno importanza - stesso discorso vale per eventuali escursioni in campo anelastico del cls o dello acciaio - I rapporti tra la tensione all atto della rottura per creep nei FRP, dopo 50 anni, e la resistenza ultima a trazione iniziale di barre in GFRP, AFRP E CFRP calcolati per estrapolazione valgono rispettivamente 0.3, 0.47 e Inoltre le prove sperimentali hanno evidenziato che esiste una relazione lineare tra la resistenza a rottura per creep ed il logaritmo del tempo a tutti i livelli di carico investigati. In definitiva si può affermare che la tensione di rottura per creep dopo un intervallo di tempo molto limitato (1-anno) è di poco minore di quello della resistenza ultima iniziale. 9

10 Micropali in GFRP Gabbie per paratie di pali a sezione circolare con barre tipo Rockworm RWB Gabbie per paratie di pali a sezione rettangolare con barre tipo Rockworm RWB 10

11 Nell ambito delle applicazioni geotecniche i tubolari in acciaio di uso ricorrente hanno diametri di (120,140,160) mm ai fini di un confronto con il tubo in GFRP di 200 mm di diametro e 10mm di spessore considereremo tubolari in acciaio Fe430 di 10 mm di spessore. In ambito geotecnico i suddetti tubolari vengono utilizzati per realizzare paratie alla Berlinese dove si ricorre a tiranti orizzontali per realizzare vincoli (appoggi che impediscono la traslazione orizzontale, appoggi ad interasse che varia tra i (2.00 e i 3.00) m). Uno schema riassuntivo di situazioni tipiche, in termini di caratteristiche geometriche, meccaniche e di sollecitazione, per micropali in acciaio Fe 430 (Modulo kg/cmq) può essere il seguente Tipologi a N est mm Spessore mm A tubo cm 2 W e cm 3 J e cm 4 amm (kg/cm 2 ) Inter.Tir. mt M max Kgcm Q med Kg/m T max kg max (kg/cm 2 ) CARATTERISTICHE GEOMETRICHE E MECCANICHE DEL TUBO IN GFRP CON INDIVIDUAZIONE DELLE MASSIME CARATTERISTICHE DELLA SOLLECITAZIONE DA ESSO REGISTRATI SE UTILIZZATO PER SOSTITUIRE I TUBI IN ACCIAIO SUINDICATI Caratteristiche geometriche del tubo in GFRP est mm Spessore mm A tubo cm 2 W e cm 3 J e cm 4 E (kg/cm 2 ) Analisi tenso-deformativa del tubo in GFRP utilizzato in sostituzione a quelli in acciaio Tipologi a N M max kgcm T max kg max (kg/cm 2 ) max (kg/cm 2 ) GFRP / acc GFRP / acc rapporto tra i parametri di deformazione della linea elastica del tubo in GFRP e quello in acciaio. 11

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