Interventi con FRP-rafforzamento locale di nodi d angolo

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1 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a Pro. Felice C. Ponzo Scuola di Ingegneria, Università di Basilicata Interventi con FRP-raorzamento locale di nodi d angolo Ing. Gianluca AULETTA S.I, Università di Basilicata gianluca.auletta@tiscali.it

2 Normative di rierimento - Norme tecniche per le costruzioni NTC 2008 e circolare 2009; - Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004; - Linee guida per la Progettazione, l Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinorzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante FRP; LL.PP 24/07/2009; - Linee guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni;

3 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Caratteristiche dei compositi e dei loro componenti. I materiali compositi presentano le seguenti caratteristiche: - sono costituiti da due o più materiali (asi) di natura diversa e macroscopicamente distinguibili; - almeno due delle asi presentano proprietà isiche e meccaniche suicientemente diverse tra loro, in modo da impartire al composito proprietà dierenti da quelle dei costituenti. I compositi ibrorinorzati a matrice polimerica soddisano entrambe le suddette caratteristiche: essi sono inatti costituiti da una matrice polimerica di natura organica e da ibre di rinorzo Un composito è un continuo non omogeneo e, nella maggior parte dei casi, anisotropo.

4 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004

5 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Principali ibre per compositi.

6 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Principali ibre per compositi. Fibre di vetro GFRP. Fibre di carbonio CFRP. Fibre arammidiche AFRP.

7 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Proprietà meccaniche dei sistemi di rinorzo. Nei compositi ibrorinorzati le ibre svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza, mentre la matrice, oltre a proteggere le ibre, unge da elemento di traserimento degli sorzi tra le ibre ed eventualmente tra queste ultime e l elemento strutturale a cui il composito è stato applicato. La maggior parte dei compositi è costituita da ibre che posseggono una elevata resistenza e rigidezza, mentre la loro deormazione a rottura è ineriore a quella della matrice.

8 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Proprietà dei materiali e dei prodotti. I valori delle proprietà dei materiali o dei prodotti usati nel rinorzo devono essere stati determinati mediante prove normalizzate di laboratorio. Per la generica proprietà di resistenza o di deormazione di un materiale o di un prodotto usato nel rinorzo, il valore di calcolo, X d, può essere espresso in orma generale: X d X m è il coeiciente parziale del materiale o del prodotto, che tiene conto del tipo di applicazione; Il attore di conversione si ottiene come prodotto del attore di conversione ambientale a, per il attore di conversione relativo ad eetti di lunga durata, 1. k m

9 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Capacità di calcolo. 1 R d R X ; d, i a d, i Rd Rd è un coeiciente parziale che tiene conto delle incertezze insite del modello meccanico considerato (ad esempio quello per la lessione, il taglio, l ancoraggio, ecc.)

10 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Coeicienti parziali m per i materiali ed i prodotti. Si deiniscono applicazioni di tipo A sistemi completi di rinorzo di cui sono certiicati sia i materiali che il sistema completo applicato ad un substrato deinito, mentre si deiniscono applicazioni di tipo B sistemi in cui sono certiicati solo i materiali.

11 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Azioni ambientali e attori di conversione ambientale a. Le proprietà meccaniche (per esempio la resistenza a trazione, la deormazione ultima ed il modulo di elasticità normale) di alcuni sistemi di FRP degradano in presenza di determinate condizioni ambientali quali: ambiente alcalino, umidità (acqua e soluzioni saline), temperature estreme, cicli termici, cicli di gelo e disgelo, radiazioni ultraviolette (UV).

12 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Modalità di carico e attore di conversione per eetti di lunga durata a. Le proprietà meccaniche di alcuni sistemi a base di FRP degradano per l eetto della viscosità, del rilassamento e della atica. Per evitare la rottura del rinorzo di FRP sotto tensioni prolungate nel tempo, ovvero in condizioni di carico ciclico, è possibile introdurre opportuni attori di conversione, η l, nelle veriiche agli stati limite di esercizio.

13 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Meccanismi di rottura per delaminazione. Nel rinorzo di elementi di c.a. mediante lamine o tessuti di materiale composito, il ruolo dell aderenza tra calcestruzzo e composito assume grande importanza in quanto il meccanismo di rottura per delaminazione (perdita di aderenza) è di tipo ragile. la delaminazione può prodursi all interno dell adesivo, tra calcestruzzo ed adesivo, nel calcestruzzo o all interno del rinorzo Nel caso di rinorzi posti correttamente in opera, poiché la resistenza dell adesivo è in genere molto più elevata di quella a trazione del calcestruzzo, la delaminazione avviene sempre all interno di quest ultimo con l asportazione di uno strato di materiale, il cui spessore può variare da pochi millimetri ino ad interessare l intero coprierro delle barre di armatura.

14 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Meccanismi di rottura per delaminazione. Modalità 1 (Delaminazione di estremità); Modalità 2 (Delaminazione intermedia, causata da essure per lessione nella trave); Modalità 3 (Delaminazione causata da essure diagonali da taglio); Modalità 4 (Delaminazione causata da irregolarità e rugosità della supericie di calcestruzzo).

15 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Meccanismi di rottura per delaminazione. l e E 2 t ctm Il valore ultimo della orza sopportabile dal rinorzo di FRP, prima che subentri la delaminazione, dipende, a parità di tutte le altre condizioni, dalla lunghezza, l b, della zona incollata. Tale valore cresce con l b ino ad attingere un massimo corrispondente ad una ben deinita lunghezza, l e : ulteriori allungamenti della zona di incollaggio non comportano incrementi della orza trasmessa.

16 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Rinorzo a lessione. conservazione della planeità delle sezioni rette ino a rottura, in modo che il diagramma delle deormazioni normali sia lineare; peretta aderenza tra i materiali componenti (acciaio-calcestruzzo, FRP-calcestruzzo); incapacità del calcestruzzo di resistere a sorzi di trazione; legami costitutivi del calcestruzzo e dell acciaio conormi alla Normativa vigente; legame costitutivo del composito ibrorinorzato elastico lineare ino a rottura.

17 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Rinorzo a lessione. Si ipotizza che la rottura per lessione si maniesti quando si veriica una delle seguenti condizioni: raggiungimento della massima deormazione plastica nel calcestruzzo compresso, cu, come deinita dalla Normativa vigente; raggiungimento di una deormazione massima nel rinorzo di FRP, d, calcolata come: k d min a, dd dove k è la deormazione caratteristica a rottura del rinorzo, e a sono i coeicienti di sicurezza, dd è la deormazione massima per delaminazione intermedia come deinita al 4.1.4

18 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Rinorzo a Taglio. Conigurazioni per il rinorzo a taglio

19 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinorzati; CNR_DT200_2004 RINFORZO DI STRUTTURE IN C.A. Rinorzo a Taglio. V Rd Resistenza di progetto a taglio min V Rd, ct VRd, s VRd, V Rd max Nel caso di disposizione ad U o in avvolgimento su una sezione rettangolare, il contributo del rinorzo di FRP, V Rd è dato da: V Rd, 1 Rd 0.9 d ed 2t w ctg ctg p

20 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati 1) incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all azione di taglio esercitata dalla tamponatura.

21 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati L azione orizzontale, H 0, che corrisponde alla crisi della tamponatura (rottura diagonale per trazione ovvero rottura per schiacciamento locale degli spigoli) rappresenta la massima azione addizionale che può gravare sul pilastro e può essere calcolata come: vk 0 l t k 2 Ec 3 H 0 min ;0.8 cos 4 I ht 0.6 Em

22 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati

23 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati Tessuto metallico inclinato Connettori metallici

24 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati Incremento di resistenza a taglio del pannello di nodo.

25 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati Coninamento delle estremità dei pilastri.

26 Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Criteri per il progetto del raorzamento locale di nodi non coninati Incremento di resistenza a taglio delle travi.

27 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni trave 5Φ16 longitudinali Nodo non staato Pilastro 4Φ12 longitudinali

28 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Per quanto concerne le resistenze dei materiali pre-esistenti, i valori di progetto X d si ottengono a partire dai valori medi X m (determinati, in relazione al livello di conoscenza, come valori usuali per la pratica costruttiva dell epoca, ovvero da speciiche o certiicati originali oppure da prove in-situ) come: X d X m FC m γ m, è unitario per il calcolo delle capacità di elementi duttili (veriiche lessionali) ed è pari al valore di normativa per il materiale in esame per elementi ragili (veriiche a taglio). Si ipotizza che nel caso in esame si abbia un livello di conoscenza 1 (LC1, conoscenza limitata), utilizzando quindi un attore di conidenza FC = 1,35.

29 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Si ipotizzano i seguenti valori medi delle caratteristiche dei materiali: - Calcestruzzo cm =15 MPa - Acciaio ad aderenza migliorata ym = 480 MPa cm ck E ctm cm ck 2 3 ck eq del D.M. 14/01/08 eq a del D.M. 14/01/08 eq del D.M. 14/01/08

30 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Dimensionamento del rinorzo per assorbire l azione esercitata dalla tamponatura. La componente orizzontale della orza di compressione sviluppabile dalla tamponatura in corrispondenza della crisi viene valutata come: vk 0 l t k 2 Ec 3 H 0 min ;0.8 cos 4 I ht 0.6 Em Per il caso in esame si assume di avere laterizi orati con resistenza caratteristica a compressione dell elemento bk =7.5 MPa e malta di classe M5, per uno spessore totale di 20 cm. Dalla Tabella VII del D.M. 14/01/08 si ottiene la resistenza caratteristica a taglio della muratura in assenza di tensioni normali vko pari a 0.2 MPa e una resistenza caratteristica a compressione della muratura (Tabella V del D.M. 14/01/08 per i blocchi artiiciali semipeni) k pari a 4.1 MPa.

31 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni H min ;0.8 cos min ; KN N 0.2b h 200 KN cd Sorzo normale nel pilastro H0 209 H0 max ; H0 0.4 N max ; KN 2 2 L inclinazione delle ibre rispetto all asse della trave si progetta a 30 Si calcola dunque la orza in direzione delle ibre per assorbire l azione H o H o /cos kn caratteristiche meccaniche tessuto in ibra metallica : - resistenza di progetto pari a 1,700 MPa, modulo elastico pari a 195 GPa e deormazione ultima pari a 0.87%. Per assorbire la orza calcolata, è necessaria un area di almeno 149,000/1,700 = 88 mm 2 (corrispondente ad una larghezza di circa 24 cm)

32 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo. L'incremento di resistenza a taglio del pannello di nodo è conseguito mediante disposizione di tessuto quadriassiale in carbonio. Si a rierimento alle veriiche di resistenza dei nodi trave-pilastro (paragrao del D.M. 14/01/08), in cui la resistenza del nodo a seguito della essurazione diagonale, può essere garantita integralmente da stae orizzontali. A Sh A 10. 8v ywd Rd s2 in cui il termine A sh ywd va sostituito con lo sorzo in direzione orizzontale dovuto al tessuto quadriassiale. La deormazione di progetto del composito in accordo alle CNR DT-200 è data da: yd d d k min ; a

33 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo.

34 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo. Le ibre sono ancorate grazie alle asciature successive poste su travi e pilastri e quindi si può ar rierimento ad una crisi per rottura e non per delaminazione, da cui γ = 1.10 Deormazione caratteristica di rottura a trazione ε k = 1.4% e modulo elastico E = 230 GPa. d min 0.85 ; min 0.011; %

35 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo. Quindi come ben noto per i compositi, elastici lineari ino a rottura, si ha una resistenza di progetto d d E MPa Si assuma inoltre di adoperare due strati di tessuto quadriassiale con spessore secco in ogni direzione pari a mm e quindi lo spessore del tessuto di calcolo è t = mm = mm.

36 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo. In direzione orizzontale si ha l azione delle ibre disposte orizzontalmente più le componenti orizzontali delle ibre disposte nelle due direzioni ±45. A t h 2t h cos 45 sh ywd trave d trave d cos KN Al secondo termine della disuguaglianza (eq ) risulta A s2 = 402 mm 2, area dell armatura ineriore della trave composta da 2Φ16. A sh ywd Rd As 2 yd KN 1 0.8v d

37 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Il coninamento delle estremità dei pilastri viene realizzato mediante asciatura continua in tessuto in carbonio unidirezionale. Capacità deormativa del calcestruzzo: d, rid k a 0. 6 k ccu Tessuto di carbonio unidirezionale con deormazione caratteristica di rottura a trazione ε k = 1.4% e modulo elastico E = 230 GPa, spessore del tessuto secco t = mm (grammatura di 300 g/m 2 ). Deormazione ridotta di calcolo: d 0.014, rid l, e cd

38 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri.

39 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Percentuale geometrica di rinorzo per asciatura continua: b d t bd La pressione di coninamento è quindi valutata come: l 1 2 E d 1, rid MPa Il coeiciente di eicienza orizzontale vale invece: '2 '2 2 2 b d K K H e KH KV K A g

40 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. La pressione eicace di coninamento è pertanto pari a: l, e Ke l MPa La deormazione ultima di progetto, ε ccu, del calcestruzzo coninato è quindi: ccu l, e cd %

41 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Incremento di resistenza a taglio del pilastro Si procede assumendo una inclinazione costante delle bielle di calcestruzzo pari a θ=45. V Rd, 1 Rd 0.9 d ed 2t ctg ctg w p Nel caso di disposizione in avvolgimento su una sezione rettangolare, la resistenza eicace di calcolo del rinorzo è ornita dalla relazione: ed dd l min e sin 0.9 d; h w 1 2 R d dd 1 le sin min 0.9 d; h w

42 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Incremento di resistenza a taglio del pilastro La d è la resistenza di progetto a rottura del rinorzo di FRP, da valutarsi a partire dalle proprietà del composito unidirezionale, come: d a k E MPa rc 20 rc 20 R b 300 b 300 w w

43 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Incremento di resistenza a taglio del pilastro Resistenza di progetto alla delaminazione: dd 0.24, d c E k b t ck cm MPa La lunghezza ottimale di ancoraggio può essere calcolata come: l e E 2 t cm mm

44 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento di duttilità del calcestruzzo e della resistenza a taglio dei pilastri. Incremento di resistenza a taglio del pilastro La resistenza eicace di calcolo del rinorzo è quindi: ed MPa 6 min ;300 2 min ;300 Il contributo a taglio della asciatura vale: V Rd 1, KN

45 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi. Essa può essere realizzata mediante una asciatura ad U con tessuto in carbonio unidirezionale. La realizzazione di tale rinorzo a taglio unge anche da ancoraggio per il rinorzo con tessuto quadriassiale del pannello di nodo. Si opera ancora con il medesimo tessuto di carbonio unidirezionale con deormazione caratteristica di rottura a trazione ε k = 1.4% e modulo elastico E = 230 GPa, spessore del tessuto secco t = mm (grammatura di 300 g/m 2 ). Il contributo a taglio della asciatura in FRP sulla trave è valutato come: V Rd, 1 Rd 0.9 d ed 2t ctg ctg w p

46 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi. Nel caso di disposizione ad U su una sezione rettangolare, la resistenza eicace di calcolo del rinorzo è ornita dalla relazione: ed dd l min e sin 0.9 d; h Qui h w è dato da h trave - h sol e quindi assumendo un solaio di 200 mm si ha h w = 300 mm. w Resistenza di progetto alla delaminazione: dd 0.24, d c E k b t ck cm MPa

47 Allegato alle Linee Guida per la Riparazione e il Raorzamento di elementi strutturali, Tamponature e Partizioni Valutazione dell incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi. La lunghezza ottimale di ancoraggio può essere calcolata come: l e E 2 t cm mm La resistenza eicace di calcolo del rinorzo è quindi: ed min ; MPa Il contributo a taglio della asciatura vale: V Rd 1, KN