IL CNR DT-200/2004 Progettazione di rinforzi con FRP

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1 IL CNR DT-200/2004 Progettazione di rinforzi con FRP Una introduzione Giorgio Monti Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

2 IL RINFORZO DELLE STRUTTURE CON FRP Giorgio Monti ( giorgio.monti@uniroma1.it it ) Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica 2

3 Testo di riferimento Documento CNR-DT 200/2004 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinforzati Materiali, strutture in c.a. ed in c.a.p., strutture murarie Disponibile sul sito del CNR: 3

4 COMPORTAMENTO STRUTTURALE INADEGUATO Taglio nelle travi Taglio nei pilastri Aderenza nei pilastri Sisma di Michoacán, 1985 Taglio nei pilastri

5 COMPORTAMENTO STRUTTURALE INADEGUATO Collasso per taglio dei pilastri Edificio i della Facoltà di Ingegneria dell Università i di Tohoku Sisma di Miyagi-oki, 1968 Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K.

6 STUDIO SPERIMENTALE (pilastri corti) Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K. Laboratorio dell Università di Oita, Giappone Modello estratto da un edificio con propensione al collasso per taglio dei pilastri

7 STUDIO SPERIMENTALE (pilastri corti) Rinforzo mediante incamiciature metalliche Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K.

8 STUDIO SPERIMENTALE (pilastri corti)

9 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Foto: cortesia del Prof. Yoshimura H.

10 PROCEDURA DI RINFORZO Incamiciatura in c.a.: bassi costi?

11 PROCEDURA DI RINFORZO Incamiciatura in acciaio: efficiente?, pratica? Carga Lateral, t C-99 C Articulación plástica Articulación plástica Vc +Vs Vc + Vs C66 C-66 Distorsión de entrepiso, % Distorsión de entrepiso, % C-66* C-66-R 80 Articulación plástica Articulación plástica Vc + Vs +Vjacket Vc + Vs Vc + Vs 0 0 Carga Lateral, t Carga Lateral, t Distorsión de entrepiso, % C66R Carga Lateral, t Carga Lateral, t Distorsión de entrepiso, % Distorsión de entrepiso, %

12 CONTROVENTAMENTI IN ACCIAIO

15 STUDI SPERIMENTALI

16 STUDIO SPERIMENTALE (pilastri) Effetti di diverse strategie di rinforzo di pilastri osservati in vari lavori sperimentali (da: Design and Construction Guideline of Continuos Fiber Reinforced Concrete) Taglio Spostamento relativo (1/100 rad)

17 STUDIO SPERIMENTALE (pilastri) cls FRP per rinforzo a flessione FRP per rinforzo a taglio Intonaco e protezione MODELLO DI PROVA

18 STUDIO SPERIMENTALE CON FRP COMPORTAMENTO DI PILASTRI SOTTO CARICO CICLICO LATERALE CON E SENZA RINFORZO A TAGLIO IN FRP FOR RZA (KN) SCARSA CAPACITÀ DI DEFORMAZIONE PLASTICA ZA (KN) FOR ELEVATA CAPACITÀ DI DEFORMAZIONE PLASTICA SPOSTAMENTO (mm) SPOSTAMENTO (mm) PILASTRO NON RINFORZATO (PROGETTATO CON NORME VECCHIE) PILASTRO CON RINFORZO IN FRP

19 VALUTAZIONE DELLA CAPACITÀ DEFORMATIVA Resistenza a taglio Resistenza a flessione

20 IL MATERIALE FRP 20

21 COSTRUZIONI : Crescita ~ 300% $45 MLD in USA nel 2003 (21% nel rinforzo) m 2 in Cina nel 2003 Consumo annuo ton nel

22 Crescita del mercato 22

23 In Giappone BUILDING RESEARCH INSTITUTE di app plicazio oni mero Nu Building Bridge pier Smokestack Tunnel Others Kobe ) moto di K n ) Terrem ( Gen Anno 23

24 STATO ATTUALE DELL USO DI FRP IN GIAPPONE NUMERO DI INTERVENTI ALTRI CIMINIERE PONTI EDIFICI TUNNEL

25 Il materiale FRP L FRP è un materiale composito E formato da due fasi: Matrice(solitamente una resina) Rinforzo (sempre in fibre. Es: di vetro, di carbonio) Fibre Matrice 25

26 Il materiale FRP L FRP LFRP è un materiale composito E formato da due fasi: Matrice (solitamente una resina) Rinforzo (sempre in fibre. Es: di vetro, di carbonio) Microscopicamente: due fasi distinguibili Macroscopicamente: è un materiale omogeneo Si ottiene impregnando i rinforzi i nella matrice ed attendendo l essiccazione (polimerizzazione) Consente una progettazione multiscala l 26

27 Progettazione multiscala metri

28 Sezione trasversale di un tessuto impregnato TRAMA ORDITO 28

29 Dimensioni dei compositi 29

30 Proprietà delle fibre di rinforzo, delle matrici più comuni e dell acciaio da costruzione (valori indicativi) Modulo elastico E Resistenza Deformazione a rottura Coefficiente di dilatazione termica Densità [GPa] [MPa] [%] [10-6 C -1 ] [g/cm 3 ] fibre di vetro E fibre di vetro S fibre di carbonio (alto modulo) fibre di carbonio (alta resistenza) fibre aramidiche matrice polimerica acciaio da costruzione (snervamento) (rottura)

31 Tipologie di filati 31

32 Tipologie di filati 32

33 I tessuti Si ottengono intrecciando le fibre 33

34 I tessuti Vetro Vetro / Aramide Carbonio Aramide 34

35 Le barre in FRP Preformati precured systems ottenibili mediante pultrusione forma e sezione variabile applicazione mediante adesivi. 35

36 Le barre in FRP 36

37 Tecniche di produzione La pultrusione 37

38 Tecniche di produzione La pultrusione 38

39 Proprietà meccaniche degli FRP Caratteristiche dei componenti Caratteristiche degli FRP ACCIAIO 39

40 Modulo e resistenza Tipi di FRP A base di: Carbonio, Aramide, Vetro 6 σ (GPa) CFRP 4 AFRP GFRP 2 Acciaio FeB44k ε 40

41 Proprietà degli FRP 41

42 Modulo e resistenza Preformati FRP vs. fibre Sistemi preformati CFRP Modulo di Resistenza a Deformazione elasticità [GPa] rottura [MPa] a rottura [%] FRP Fibre FRP Fibre FRP Fibre E f E fib f f f fib ε fu ε fib,u Basso modulo Alto modulo Valori FRP inferiori a fibre Valori comparabili 42

43 Modulo e resistenza Regola delle miscele (preformati) Modulo: E f =V fib EE fib + (1-VV fib ) EE m Resistenza: f f V fib ff fib + (1-V fib) ) ff m V fib èl la frazione volumetrica ti = Volume fibre / Volume composito Stima sufficientemente accurata per FRP unidirezionali i n Modulo elastico 43

44 Modulo e resistenza Frazione di volume Per stimare modulo e resistenza si applica la regola delle miscele con: V fib = % Si ignorano: aderenza fibra-matrice ti presenza difetti interni (vuoti, ecc.) distribuzione fibre non omogenea imperfezioni orientamento fibre Prove sperimentali eseguite dal produttore 44

45 Sistemi di rinforzo 45

46 Materiali base per il rinforzo Lamine in CFRP Lamine a L in CFRP Tessuti monodirezionali Tessuti multidirezionali 46

47 Classificazione dei rinforzi in FRP 1) Tipo di Resina 2) Tipo di Rinforzo (fibre) 3) Tipo di geometria del rinforzo Vetro Carbonio Epossidiche Poliestere Aramidiche Vinilestere (Inorganiche) 47

48 48

49 IL CNR DT-200/2004 Progettazione di rinforzi con FRP Esempi di applicazioni Giorgio Monti Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

50 Materiali e tecniche di rinforzo Tecniche di base Rinforzo a flessione di travi Rinforzo a taglio di travi Rinforzo di un impalcato da ponte con lamine 50

51 Materiali e tecniche di rinforzo Tecniche di base Confinamento di pilastri 51

52 Metodi di posa in opera Impregnazione manuale della resina WET LAY-UP Disposizione del composito Eliminazione dell eccesso di resina 52

53 Metodi posa in opera Wet Lay-Up 53

54 Metodi posa in opera Wet Lay-Up di tessuti 54

55 Metodi posa in opera Lamine Lamina pultrusa Taglio in opera di lamine prefabbricate Lamine prefabbricate poste in opera 55

56 Messa in opera di un rinforzo in FRP Protettivo Adesivo FRP Adesivo Rasatura Primer Calcestruzzo 56

57 57

58 58

59 Materiali e tecniche di rinforzo Tecniche speciali Elementi speciali prefabbricati 59

60 resina Avvolgimento automatico Piastra di contrasto Jack Ancoraggi Pretensione CLS TECNICHE SPECIALI Sensore di temperatura FRP Corrente elettrica Heater Power Maturazione accelerata Rinforzi NSM 60

61 Rinforzi NSM 61

62 Materiali e tecniche di rinforzo Tecniche speciali Strisce a L per il rinforzo a taglio 62

63 63

64 Pretensione 64

65 65

66 66

67 Rinforzo di elementi con FRP preteso

68 68

69 69

70 70

71 Rinforzo per impatto 71

72 Adeguamento sismico del Χ.Α.Ν.Θ. Building Salonicco, Grecia 72

73 Situazione pre-intervento 73

74 74

75 75

76 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Rinforzo di opere civili

79 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Rinforzo di elementi strutturali

80 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Rinforzo di elementi strutturali

81 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Rinforzo di elementi con FRP preteso

82 APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI Rinforzo combinato (globale e locale) Barre di acciaio per collegare le pareti di taglio in c.a. L FRP è impiegato per far fronte all incremento di domanda di taglio nel pilastro a seguito dell inserimento delle pareti in c.a.

83 Un ponte sul Piave Costruito nel 1950 Lunghezza 105 m Larghezza 8.70 m Luce centrale 55 m giorgio.monti@uniroma1.it

84 Rinforzo con FRP

85 CARBOSTRU C-System M+ N+ OSPEDALE DI MILANO

86 CARBOSTRU C-System M+ N+ N+ D+

87 380 KN 100 KN CARBOSTRU C-System M+ N+ 100 KN C11 S-A3 70 cm KN C3 S SALERNO UNIV.

88 FIERA DI LATINA

89 Peso ridotto Immunità alla corrosione Nessuna limitazione di lunghezza Facilità e velocità nell applicazione Resistenza elevata Nessun cambiamento di dimensioni Aumento di resistenza e deformabilità senza aumento di rigidezza Costi elevati (non necessariamente i totali!) Scarsa duttilità (ma elevata deformabilità!) Sensibilità alle alte temperature e ai raggi UV Mancanza di educazione (vd. esempi poco edificanti) 89

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91

92 Tipologie di rinforzo Rinforzo a flessione Rinforzo a taglio Rinforzo per confinamento 92

93 Strategie di rinforzo Car rico Resistenza Elevato rinforzo in FRP Moderato rinforzo in FRP Basso rinforzo in FRP Duttilita` Trave non rinforzata Deformazione Μ Rd 93

94 RINFORZO A FLESSIONE Travi - solette Pilastri 94

95 Rinforzi a flessione Foglio di FRP ε c ε s2 A s2 A s1 εs1 s1 ε 0 ε f 95

96 L ancoraggio nella flessione Meccanismi di collasso F F Rottura a compressione del CLS Rottura a trazione delle barre di armatura Rottura a trazione del rinforzo in FRP! 96

97 Rottura a trazione dell FRP 97

98 L ancoraggio nella flessione Meccanismi di collasso F F Rottura a compressione del CLS Rottura a trazione delle barre di armatura Peeling! Rottura a trazione del rinforzo in FRP Delaminazione in zona fessurata 98

99 Il peeling 99

100 Il peeling 100

101 MECCANISMI DI COLLASSO AZIONE COMPOSITA DELAMINAZIONE 1 Schiacciamento CLS Acciaio snervato 4 Rottura dell ancoraggio 2 Acciaio snervato 5 Delaminazione su fessure intermedie Rottura FRP 3 Schiacciamento CLS Acciaio non snervato 6 Delaminazione su fessure inclinate Rottura di estremità per taglio ROTTURA DI 7 ESTREMITA PER TAGLIO 101

102 ANALISI DI SEZIONE ALLO STATO LIMITE ULTIMO h b A s2 d d 2 ε c o ε s 2 ε c x A s2 E s ε s2 ψ0.85f 085f c d δ G x A s1 t f εs1 A s1 f yd ε f ε fli f,lim ο =min(ε fud d, ε fbd) ) A f ε A f E f ε f rottura debonding Μ Rd (A f ) 102

103 Rinforzo a taglio e torsione Configurazioni di rinforzo S : Side bonding Strisce U : U-jacketing Fogli continui W:Wrapping Wrapping 103

104 RINFORZO A TAGLIO V Dopo il rinforzo V f Prima del rinforzo δ 104

105 105

106 Una prova a taglio 106

107 RINFORZO DEI NODI TRAVE-PILASTRO 107

108 Antonopoulos 2001 (Tesi di PhD) 108

109 109

110 P, δ Attuatore idraulico trave cerniera pilastro zanche martinetto Carico assiale (46 kn) elastomero cerniera 110

111 Prova sperimentale 111

112 Confinamento 112

113 Confinamento Comportamento del cls confinato con FRP Camicia in FRP σ f pf l f p l σ f f l = 1 2 k e ρ Acciaio st f y ρ st = 4 A s d st s Fibre tessute orizzontalmente f l = 2 1 ρ j E FRP j ε j ρ j = 4t d j j 113

114 Prove sperimentali 114

115 Prove sperimentali 115

116 Confinamento Comportamento del cls confinato con FRP LIZZATA TE ENSIONE ASS SIALE NORMA CFRP GFRP ACCIAIO NON CONFINATO TE ENSIONE LATE ERALE NORMA ALIZZATA DEFORMAZIONE ASSIALE NORMALIZZATA CFRP GFRP ACCIAIO DEFORMAZIONE ASSIALE NORMALIZZATA Più resistenza Più duttilità 116

117 Confinamento Incremento della capacità portante Effetto di arrotondamento degli spigoli Confinamento con strisce Influenza della forma della sezione Influenza dell orientamento t delle fibre. 117

118 Confinamento Riduzione dell efficacia efficacia del confinamento k e = k e1 k e2 k e3 1 r c d' d b f d s f / 2 s f α f k e1 = A A e g b' b = 1 3A b g 2 + d 2 A s 1 A g k e2 = d s 1 1 f 2d A s 1 A g 2 Confined concrete k e 3 = ( tan α ) 2 f 118

119 INCREMENTO DUTTILITA IN SPOSTAMENTO 119

120 250 Load v Deflection C2X Control Load v Deflection C2X Control 250 C4_XB Load v Deflection C4_XB Load v Deflection N Load k Load kn Deflection mm C5X Load V Deflection PROVINO DI RIF Deflection mm G6X Load v Deflection STRATI DI CFRP STESSA RIGIDEZZA (n x Ε f x t f ) G6X Load v Deflection Load kn C5X Load V Deflection Load kn Deflection mm 5STRATI DI CFRP Deflection mm 5STRATI DI GFRP Bousias/Triantafillou/Fardis/Spathis/O Regan (2002) 120

121 121

122 Confinamento Zone di sovrapposizione l s 122

123 Confinamento Svergolamento delle armature t f = 0.45nf 4E ds 2 s E k f d e 10nd E k f e n = numero totale di barre d = dimensione della sezione parallela al piano di inflessione E ds = 4E s E ( ) E + E 2 s E i i Doppio modulo di elasticità 123

124 Dettagli costruttivi Flessione > cover < min ( 0.2l, 0.5h, 0.4l c ) max N di strati 1 m 124

125 Dettagli costruttivi Taglio min 20 mm (10 for aramid) min 200 mm Anchorage in compression zone 125

126 Dettagli costruttivi Confinamento Max. possible radius min 200 mm Gap ~15 mm First jacket layer Resin-filled hole FRP-based special anchorage system Concrete Final jacket layer 126

127 Esecuzione e controllo di qualità SURFACE PREPARATION Concrete Remove weak concrete and contaminations, roughen surface, round corners and make dust free Tecniche Requisiti generali Regole di esecuzione Riparazione Preparazione superfici Applicazione FRP Finitura Quality control: strength by pull-off, unevenness, flaws, corrosion, humidity, etc. Repair if needed Externally bonded FRP reinforcement (FRP EBR) If not provided 'application ready' and protected by a peel ply: sandpaper if needed and clean surface Cut to size and check for flaws FRP EXTERNALLY BONDED REINFORCEMENT APPLICATION Type "PREFAB" or "PRE-CURED" Resin (thixotropic) application on the concrete Resin application on the FRP (dome shape) FRP application (squeezing out extra adhesive) Type "WET LAY-UP" or "CURED IN SITU" Primer and putty application (almost no unevenness allowed) (optional) Resin (low viscosity) it application (UNDERCOATING) FRP application FRP impregnation (OVERCOATING) QUALITY CONTROL (BEFORE, DURING AND AFTER APPLICATION) On the supplied materials (standard testing FRP and adhesive/resin) On the application conditions (concrete soundness, unevenness, environmental conditions, etc.) During/at finishing of the application (fibre direction, position, size, unevenness, bond, voids, etc.) FINISHING (OPTIONAL) Painting, shotcrete, etc. (for e.g. aesthetics, U.V. and fire protection) 127

128 Esecuzione e controllo di qualità Controllo di qualità Dei materiali Delle maestranze Dell esecuzione esecuzione Qualità dell aderenza dopo l esecuzione Ispezione e manutenzione Specifiche di applicazione 128

129 Esecuzione e controllo di qualità 1 Bonifica 5 Riparazione 2 Controllo dell aderenza Trattamento superfici 3 4 Applicazione 129