Rinforzi di murature con laminati di FRP

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1 Maria Rosa Valluzzi, Davide Tinazzi, Claudio Modena Ricerca Rinforzi di murature con laminati di FRP Una ricerca sperimentale realizzata recentemente presso il Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell Università di Padova ha messo in luce i principali aspetti del comportamento a taglio di pannelli murari in mattoni pieni di laterizio rinforzati con laminati di FRP, considerando diverse disposizioni di applicazione (a griglia e diagonale, su uno o entrambi i lati) e vari materiali fibrosi (carbonio, vetro e polivinilalcool). Le prove sperimentali sono state condotte secondo la procedura di compressione diagonale su un totale di 33 pannelli di mattoni pieni ad una testa, in condizioni rinforzate ed originarie. I risultati hanno permesso di mettere a confronto recenti formulazioni proposte da vari autori per la valutazione della resistenza a taglio della muratura rinforzata L impiego di FRP (Fiber Reinforced Polymer) viene sempre più considerato per il rinforzo e la riparazione di elementi murari portanti (muri, volte, pilastri) in edifici esistenti. Numerosi casi applicativi sono presenti in letteratura, così come ormai numerosi sono gli studi sperimentali volti a caratterizzare, dal punto di vista strutturale, le prestazioni della muratura nelle nuove condizioni di esercizio. L intervento si basa sull incollaggio di tessuti costituiti da materiali fibrosi ad elevata resistenza meccanica, applicati sul supporto murario mediante resine di varia natura. La facilità esecutiva della tecnica e l efficacia del tipo di rinforzo nel sopperire alla carente resistenza a trazione della muratura consentono di realizzare sistemi caratterizzati da limiti di resistenza molto più elevati della muratura tradizionale e da un comportamento a rottura meno fragile. La presenza del rinforzo permette, infatti, di mantenere legati gli elementi resistenti, finanche nella situazione di collasso. In tal senso, la fragilità intrinseca al materiale di rinforzo, dovuta all elevato modulo elastico, diviene un fattore secondario, compensato da valori di resistenza a trazione praticamente non raggiungibili in esercizio dalla muratura. Dal punto di vista strutturale, la tecnica si presta quindi molto bene al miglioramento del comportamento a flessione o a taglio, anche in ambito sismico. Altri vantaggi tipici dei materiali fibrorinforzati sono le ottime proprietà chimico-fisiche, quali la bassa densità, l elevata resistenza alla corrosione, la bassa conduttività, ecc., peraltro non sempre comuni alle numerose tipologie riscontrabili sul mercato (barre e laminati realizzati con fibre di carbonio, vetro, polivinilalcool, aramide, ecc.). Dal punto di vista del calcolo non esistono delle formulazioni univoche. A livello internazionale si fa tuttora riferimento ai modelli teorici adottati per le strutture di cemento armato,calibrati in base ai risultati di prove sperimentali effettuate sulla muratura. Le ricerche sono tese ad individuare i meccanismi di collasso modificati dalla presenza del rinforzo ed a fornire schemi per la definizione dei relativi contributi resistenti. Ne deriva che, nel contesto applicativo, il progetto degli interventi è realizzato in assenza di metodi più o meno rigorosi, non essendo ancora disponibile una normativa specifica; ciò concerne la scelta del tipo di materiali (sistemi fibra-resina), il dimensionamento del rinforzo in termini di larghezza e spessore (numero di strati di fibra eventualmente sovrapposti) e la distribuzione dello stesso sulla superficie muraria, a seconda delle prestazioni strutturali richieste. La tecnica d intervento Il sistema proposto consiste nell applicazione di strisce di FRP di determinata larghezza mediante apposite resine (nella fattispecie di tipo epossidico),con diverse finalità (regolarizzazione della superficie del supporto, adesione e protezione del fibrorinforzato). I materiali componenti il rinforzo vengono disposti per strati successivi, previa livellatura e pulitura superficiale della muratura nell area di applicazione; l efficacia dell intervento è, infatti, strettamente legata all adesione del sistema muratura-fibra, al fine di consentire l attivazione del contributo del rinforzo solidalmente alla muratura. In situ, è pertanto spesso necessario rimuovere gli strati ricoprenti non portanti (malte e intonaci) ed eliminare le irregolarità superficiali fino a scarti preferibilmente non superiori al millimetro.tali operazioni possono essere effettuate sia con mezzi meccanici (sabbiatura per la pulitura delle superfici e utilizzo di flessibile per la livellatura) che manuali (impiego di spazzole abrasive e di scalfittura, rispettivamente per 64 CIL 88

2 le due operazioni citate). Sulle superfici così preparate viene disposto inizialmente uno strato di prodotto impregnante (anche in più strati, a seconda della porosità della muratura), applicato mediante pennello o rullo, con lo scopo di favorire l aggrappo degli strati successivi al supporto; ad avvenuta asciugatura del prodotto (che può richiedere oltre le 12 ore), viene disposto un successivo strato di stucco epossidico, applicato a mano mediante frattazzo, che consente di uniformare la superficie di applicazione delle fibre, avendo cura di stendere il materiale con sufficiente regolarità e limitatezza di spessore. Su tale superficie, dopo circa 30 minuti dall applicazione,è possibile procedere alla stesura del primo strato di adesivo, sul quale vengono disposte le strisce di fibra. Queste vengono fatte aderire alla resina mediante pressione manuale e successivo passaggio con rullo dentato,il quale permette di eliminare le bolle d aria eventualmente inglobate tra le fibre e lo strato di resina, impregnando le fibre stesse con l adesivo. Con modalità analoghe alla stesura della prima mano di adesivo, viene disposto un successivo strato dello stesso al di sopra delle fibre, al fine di permearle completamente di resina. Nel caso si necessiti di ulteriori strati di rinforzo, questi vengono applicati in successione al di sopra degli strati precedenti, avendo cura di non dislocare le fibre sottostanti e rispettando i tempi necessari a rendere pronta la superficie di adesione. Infine, ove necessario, il sistema può essere completato da uno strato protettivo superficiale alle radiazioni ultraviolette (fibre aramidiche o poliestere). a) b) c) d) 1. Fasi esecutive della tecnica di rinforzo: applicazione dell impregnante (a), dello strato di rasatura (b), disposizione degli strati successivi di fibra di vetro (c) e dell ultimo strato di adesivo (d). Programma sperimentale e materiali adottati Il comportamento a taglio della muratura rinforzata è stato indagato mediante prove di compressione diagonale eseguite su 9 pannelli originari di riferimento e 24 pannelli rinforzati, aventi dimensioni nominali di 51x51x12 cm. La muratura dei provini è costituita da mattoni pieni (5,5x25x12 cm) e malta a base cementizia, disposta in giunti di circa 1 cm di spessore. I parametri indagati nello studio sono: l utilizzo di tre diversi materiali fibrosi: carbonio (CFRP), vetro (GFRP) e polivinilalcool (PVAFRP); l applicazione del rinforzo su un solo lato o su entrambi i lati; la disposizione dei laminati secondo una griglia ortogonale o con strisce in diagonale. Le diverse caratteristiche di resistenza e rigidezza delle fibre adottate, riportate nella tabella 1, comportano, per le diverse modalità applicative considerate, un diverso dimensionamento del rinforzo, in termini di larghezza e spessore del laminato. Al fine di ottenere risultati comparabili si è imposto il medesimo incremento di resistenza, pari a circa il 50% rispetto alla muratura originaria, determinato secondo il criterio della limitazione delle tensioni principali di trazione (teoria di Frocht [1] ) sulla sezione omogeneizzata, per tutte le modalità di rinforzo considerate. In particolare, sono stati realizzati 9 pannelli con strisce di carbonio, 10 con strisce di vetro e 5 con strisce di PVA. Per una corretta esecuzione della prova di compressione diagonale, si è proceduto al taglio preventivo dei due spigoli opposti di ciascun provino in modo da consentire una opportuna distribuzione del carico verticale, applicato mediante una normale pressa idraulica. Nella effettiva configurazione di prova, la disposizione a griglia fornisce laminati posizionati a 45 rispetto al piano di rottura (coincidente con la diagonale compressa del pannello), mentre la disposizione in diagonale si identifica con la posizione delle fibre ortogonali al piano di rottura, ossia direttamente contrastante l apertura del pannello. Le caratteristiche meccaniche della muratura a compressione e le proprietà dei sui costituenti di base (malta e mattoni) sono state indagate mediante prove sperimentali in laboratorio [2], estese anche alla valutazione delle caratteristiche di interfaccia FRP-muratura, sia per carichi paralleli (prove di adesione) che perpendicolari al rinforzo (prove a strappo o di pull-off). In entrambi i casi si è potuto rilevare come il sistema fallisca non per distacco della fibra ma per debolezza locale dei mattoni (rottura per trazione nella prova di adesione e delaminazione dello strato superficiale in quella a strappo). I dati medi ottenuti sono riportati nella tabella 2. A completamento delle prove di interazione locale sono state eseguite prove di scorrimento malta-laterizio su elementi a tre mattoni e due giunti (triplette) in presenza di diversi livelli di compressione trasversale (0.05, 0.10, 0.30 e 0.50 MPa), mantenuta costante durante la prova. L interpolazione dei dati sperimentali secondo la legge attritiva lineare di Mohr-Coulomb (equazione 2) ha permesso di estrapolare i valori della coesione e del coefficiente di attrito, utilizzati nelle elaborazioni dei risultati sulle prove a taglio. 65 RICERCA

3 CARBONIO VETRO PVA CARBONIO VETRO fasce da 2.4 cm fasce da 3 cm fasce da 7,5 cm fasce da 1.7 cm fasce da 2.8 cm 1 strato 4 strati 6 strati 2 strati 6 strati a) PR 1 Carb 1 F PR 1 Vetro 1F PR 1 PVA 1F PRD 1 Carb 1F PRD 1 Vetro 1F PR 2 Carb 1 F PR 2 Vetro 1F PR 2 PVA 2F PRD 2 Carb 1F PRD 2 Vetro 1F PR 3 Vetro 1F CARBONIO VETRO PVA CARBONIO VETRO fasce da 1.2 cm fasce da 3 cm fasce da 5,5 cm fasce da 1.7 cm fasce da 2.8 cm 1 strato 2 strati 4 strati 1 strato 3 strati b) PR 1 Carb 2 F PR 1 Vetro 2F PR 1 PVA 2F PRD 1 Carb 2F PRD 1 Vetro 2F PR 2 Carb 2 F PR 2 Vetro 2F PR 2 PVA 2F PRD 2 Carb 2F PRD 2 Vetro 2F PR 3 Carb 2F PR 3 Vetro 2F PR 3 PVA 2F 2. Rinforzo dei pannelli su una faccia (a) e su entrambi i lati (b), secondo la disposizione a griglia e diagonale, con indicazione delle sigle dei campioni realizzati. 1 Caratteristiche fisiche e meccaniche delle fibre adottate nella ricerca densità spessore modulo di elasticità resistenza caratteristica deformazione tipo di laminato (kg/m 3 ) (mm) a trazione (GPa) a trazione (MPa) ultima (%) Carbonio (C1-30) , ,5 Vetro (EG-30) , ,8 Polivinilalcool (PVA) , ,0 2 Proprietà meccaniche dei materiali costituenti la muratura e della loro interazione locale materiale proprietà meccanica valore unità di misura Mattone resistenza a compressione 8,60 MPa resistenza a trazione 0,83 MPa Malta resistenza a flessione 1,48 MPa resistenza a compressione 6,03 MPa Muratura resistenza a compressione 5,56 MPa modulo elastico a compressione 1400 MPa coefficiente di Poisson 0,03 - Aderenza FRP-muratura resistenza per carico parallelo alle fibre 3,00 MPa resistenza per carico perpendicolare alle fibre 0,44 MPa Aderenza malta-mattone resistenza per compressione nulla 0,66 - coefficiente di attrito 1,36-66 CIL 88

4 Risultati delle prove a taglio I provini sono stati sottoposti a prove di compressione diagonale per simulare in laboratorio l azione tagliante agente nel piano di setti murari, con rilevamento delle deformazioni lungo le due diagonali in entrambe le facce dei campioni. L andamento medio sforzi-deformazioni dei pannelli rinforzati per ciascuna delle due tipologie di disposizione delle fibre (a griglia e diagonale), in confronto con quello dei muri non rinforzati (PNR), è riportato nelle figg.3 e 4 (le curve mostrano le registrazioni fino alla rimozione della strumentazione, avvenuta a circa l 80% del carico di rottura).le resistenze indicate si riferiscono alle tensioni tangenziali nominali di collasso, ottenute dalla distribuzione del carico massimo raggiunto sull area diagonale del pannello. I massimi valori ottenuti dalle prove,insieme all indicazione del meccanismo che ha causato il collasso, sono riportati sinteticamente in fig. 5, mentre i rispettivi moduli elastici tangenziali (valore secante calcolato fino al 40% del carico ultimo) sono indicati in fig. 6. Le medesime grandezze, mediate per tipologia di pannello, sono infine riassunte nella tabella 3. Di seguito è descritto il comportamento dei pannelli osservato durante le prove di carico per le diverse tipologie di pannelli. Pannelli non rinforzati Come prevedibile dalle caratteristiche meccaniche della malta e dei mattoni, nonchè dai parametri ricavati dalle prove sulle triplette,la rottura dei nove provini non rinforzati è avvenuta in maniera fragile, per fenditura netta (splitting) lungo la diagonale caricata (fig. 8). Il relativo valore medio del carico di rottura, pari a 100,7 kn è stato usato come dato di riferimento per i casi con rinforzo. Pannelli rinforzati su una sola faccia Nel caso dei pannelli rinforzati su una sola faccia, il meccanismo di rottura è ancora quello di splitting con netta fenditura lungo la diagonale compressa. Il carico ultimo è risultato, in molti casi, perfino inferiore al valore di riferimento. Ciò è avvenuto a causa dell eccessiva asimmetria nella disposizione del rinforzo, in relazione al tipo di test adottato. Durante le fasi di carico, infatti, i pannelli hanno evidenziato una marcata deformazione flessionale lungo la diagonale non caricata, a ragione della notevole differenza di rigidezza sulle due facce opposte (le massime differenze nel modulo elastico tra la faccia rinforzata e quella priva di FRP, nel caso di disposizione a griglia di fibre di carbonio, hanno raggiunto valori fino al 57% a favore del lato rinforzato).come conseguenza è stata anticipata la formazione della fessurazione diagonale che ha portato alla fenditura netta di collasso) (fig. 9). Nella realtà costruttiva, ogni setto murario risulta in condizioni di vincolo tali da rendere ininfluente il fenomeno dello svergolamento fuori del piano rispetto alla fessurazione diagonale dovuta alla sola azione del taglio. La validità dei risultati ottenuti è dunque da considerare in termini relativi fino al riscontro ottenuto con test a taglio di diverso tipo (ad esem- 3. Relazione tensioni-deformazioni tangenziali dei pannelli rinforzati su una o entrambe le facce, con disposizione a reticolo delle strisce. 4. Relazione tensioni-deformazioni tangenziali dei pannelli rinforzati su una o entrambe le facce, con disposizione diagonale delle strisce. 5. Tensioni tangenziali ultime e meccanismi di rottura riscontrati. 6. Modulo tangenziale riferito al 40% del carico ultimo. 67 RICERCA

5 3 Prestazioni medie per tipologia dipannello con variazione percentuale sul riferimento (pannello non rinforzato) tensioni tangenziali variazione modulo elastico variazione tipo di pannello nominali di rottura resistenza di taglio modulo elastico (MPa) (%) (MPa) (%) Non rinforzato 1, PR CARB 1F 1,05-9, ,0 PR VETRO 1F 1,11-4, ,3 PR PVA 1F 1,17 +0, ,5 PRD CARB 1F 1,34 +15, ,9 PRD VETRO 1F 1,29 +11, ,7 PR CARB 2F 1,20 +3, ,4 PR VETRO 2F 1,33 +14, ,2 PR PVA 2F 1,71 +47, ,7 PRD CARB 2F 1,69 +45, ,3 PRD VETRO 2F 2,02 +74, ,2 7. Prova a compressione diagonale. 8. Rottura di un pannello non rinforzato. pio di compressione costante e taglio crescente). Il confronto tra le prestazioni della configurazione con rinforzo lungo una diagonale del provino e con rinforzo disposto a griglia ha confermato la minore efficacia relativa di quest ultima. Nel caso di rinforzo a reticolo, infatti, l uso di FRP a base di fibre meno rigide appare più vantaggioso sia in termini di rigidezza che di resistenza ultima; ciò avviene a causa della maggiore area di muratura coinvolta dal rinforzo di caratteristiche meccaniche inferiori. Pannelli rinforzati su entrambe le facce Nel caso di pannelli rinforzati su entrambi i lati si è verificata la rottura per perdita improvvisa della collaborazione tra il rinforzo e la muratura; in particolare si sono osservati due tipi di fenomeni: la delaminazione (peeling) della parte superficiale del supporto (fig. 10a) e la rottura della fibra (fig. 10b). Il quadro fessurativo è di tipo diffuso nel caso di geometria a reticolo, e ancora con fenditura principale netta nel caso di rinforzo diagonale. L incremento della resistenza ultima è stato cospicuo in quasi tutti i casi, fatta eccezione per il rinforzo con CFRP, che è risultato eccessivamente penalizzato dal fenomeno di delaminazione. Valutazioni sulla resistenza I risultati sperimentali ottenuti sono stati elaborati considerando alcuni modelli analitici, disponibili in letteratura, per il calcolo della resistenza a taglio (V Rd ) della muratura rinforzata.essi si basano sul principio di sovrapposizione degli effetti, reso efficace dall implicita assunzione della ridistribuzione tensionale; sebbene tale ipotesi sia impropriamente introdotta in presenza di materiali elasto-fragili come gli FRP, allo stato attuale non sono disponibili modelli più adatti. La resistenza al taglio è data dalla somma dei contributi della resistenza della muratura originale e del rinforzo, quest ultimo opportunamente ridotto al fine di considerare l influenza degli effetti locali ad essi legati sul comportamento a rottura della muratura. 9. Rottura di un pannello rinforzato diagonalmente su una faccia con CFRP. a) b) V Rd = f vk t d ρ frp f tk t (1) con: f vk = f v k0 + µ σ 0 (2) V Rd = (0.9 t l f vk0 / σ 0/f vk0 ) +0.4 A r f tk (3) V Rd = f vk t d d ρ frp E frp r ε frp,u t (4) dove r (fattore di efficienza) è legato alla deformazione effettiva (ε frp, e ) dalla relazione: r ε frp,u = ε frp,e = (ρ frp E frp ) (ρ frp E frp ) 2 (5) 10. Rottura di pannelli rinforzati a griglia su entrambe le facce: (a) delaminazione (caso con CFRP) e (b) rottura a trazione delle fibre (caso con PVA). Le formulazioni (1) e (3) (proposte dall Eurocodice 6 [3] e da Tomazevic et al. [4], rispettivamente) rifetite a muratura 68 CIL 88

6 rinforzata con barre di acciaio, mentre la formulazione (4) (ditriantafillou [2] ) è introdotta specificamente per rinforzo in FRP. La simbologia adottata concerne la resistenza caratteristica della muratura f vk (f vk0 è la resistenza a taglio in condizioni di compressione nulla,µ è il coefficiente di attrito malta-mattone e σ 0 la tensione di compressione agente) e le caratteristiche geometrico-meccaniche del pannello (t è lo spessore, l la lunghezza, d = 0,8 l la lunghezza effettiva) e del rinforzo (ρ frp è la percentuale di rinforzo computata sulla sezione,a r è l area del rinforzo, f tk la resistenza caratteristica e ε frp,u la deformazione ultima). Si noti che la f vk0 è riferita a prove di scorrimento su triplette per la relazione (1) ed alla prova di compressione diagonale per la (2). Il fattore di efficienza r dipende dal meccanismo di collasso modificato dalla presenza del rinforzo, ossia dalla rottura per trazione o per distacco del laminato. L espressione di r, data dall equazione (5), è stata determinata dallo stesso Triantafillou per membrature in calcestruzzo [5]. La fig. 11 mette a confronto i risultati sperimentali su muri rinforzati con i valori di resistenza predetti dai modelli adottati. Si sono considerati, in particolare, i casi comparabili per disposizione a griglia e diagonale, in condizioni di rinforzo simmetrico. Si nota come l applicazione della (4), secondo la (5), sottostimi in modo rilevante la resistenza a taglio, da cui la necessità di calibrare il fattore r anche per la muratura. Nota la deformazione effettiva dell FRP, misurata dalle prove sperimentali, è quindi possibile rideterminare i coefficienti polinomiali della (5) per ciascun tipo di composito. Inoltre, è possibile osservare come, nonostante il rapporto ρe sia stato mantenuto costante per le due disposizioni di rinforzo, si siano ottenute variazioni di resistenza sensibili (superiori al 40%) tra le due configurazioni (diagonale e a griglia). Ciò conferma l influenza della disposizione del rinforzo sull efficacia dello stesso e pertanto, nel processo di ricalibrazione del parametro r si deve tenere conto anche di tale parametro. Conclusioni La ricerca ha evidenziato che il collasso improvviso della muratura non rinforzata può essere efficacemente corretto con l introduzione di laminati di FRP, specie se il rinforzo è applicato simmetricamente (su entrambi i lati) e con strisce di adeguata larghezza. La configurazione con strisce di rinforzo lungo la diagonale non compressa risulta più efficace in termini di resistenza ultima rispetto alla distribuzione a reticolo a maglie quadrate; quest ultima, per contro, offre una migliore diffusione delle tensioni, che conduce ad una distribuzione più omogenea delle fessure e ad una rottura meno improvvisa. In generale, comunque, le deformazioni aumentano in prossimità della rottura per i casi rinforzati, rendendo il Tipo di pannello 11. Confronto tra valori teorici e sperimentali della resistenza a taglio. comportamento complessivo sensibilmente meno fragile. Le rigidezze dei provini sono risultate generalmente decrescenti all aumentare del modulo elastico dell FRP usato. Tale apparente contraddizione è chiaramente legata al criterio usato per dimensionare il rinforzo, il quale ha portato a superfici di ricoprimento maggiori per i materiali con minore modulo elastico. È evidente quindi che, in termini sia di resistenza che di rigidezza, l estensione di superficie coinvolta direttamente dal materiale di rinforzo può costituire un fattore di maggiore rilevanza rispetto a parametri quali la quantità o la rigidezza del materiale FRP applicato. Il tipo di prova e le dimensioni dei pannelli utilizzati sembrano costituire un sistema attendibile e di semplice realizzazione per i test di elementari configurazioni di rinforzo a taglio di muratura tramite FRP. I parametri coinvolti possono essere agevolmente isolati con una gamma di provini sufficientemente ampia. La presente indagine può trovare ulteriori sviluppi, inserendo nuove casistiche sperimentali nello studio dell influenza della superficie di adesione e di sistemi per impedire la delaminazione del composito. Riferimenti bibliografici [1] Yokel F.Y. and Fattal G.S.: Failure hypothesis for masonry shear walls, Journal of the Structural Division, [2] Valluzzi M.R., Modena C. and Marchetti M.: Shear strengthening of masonry panels using FRP, 12th IB2MaC, Madrid, Spain, June [3] ENV Eurocode 6: Design of masonry structures, [4] Tomazevic M., Lutman M., Pertrovic L. In plane behavior of reinforced masonry walls subjected to cyclic lateral loads, Report to the Ministry of Science and Technology of Republic of Slovenia, Part 1 and 2, Liubljana, Slovenia, [5] Triantafillou T.C.: Strengthening of masonry structures using epoxybonded FRP laminates, Journal of Composites for Construction, ASCE, RICERCA