Conci fibrorinforzati senza armatura lenta per tunnel: studio con prove di carico (galleria del Brennero)

Transcript

1 Conci fibrorinforzati senza armatura lenta per tunnel: studio con prove di carico (galleria del Brennero)

2 PREMESSA Le prove di carico oggetto dell incarico sono state eseguite su conci prefabbricati per la realizzazione della Galleria di Base del Tunnel del Brennero. Le prove sono state commissionate al Laboratorio Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria Civile della Facoltà di Ingegneria dell Università di Roma Tor Vergata dalla Tecnochem Italiana S.p.A. e dalla Seli s.p.a. Responsabile delle prove è l Ing. Zila Rinaldi, ricercatrice del settore Tecnica delle Costruzioni. Sono state eseguite due tipologie di prova, così come descritto in seguito: una prova a flessione per verificare il comportamento fessurativo ed a rottura sotto azioni flettenti ed una prova con carico concentrato, applicato assialmente al concio, simulante l effetto del martinetto in fase di spinta della fresa Sono state eseguite prove su due tipologie di concio, di identica geometria, una in calcestruzzo armato tradizionale ed uno in calcestruzzo fibrorinforzato. 2

3 1. DESCRIZIONE DEI CONCI Le prove di carico statiche sono effettuate sui conci prefabbricati di chiave dell anello della galleria di base del Brennero. Gli elementi presentano spessore pari a 200 mm, una larghezza lungo la generatrice di circa 1500 mm ed una lunghezza, secondo lo sviluppo. di circa 3640 mm (Figure 1 e 2). Sono stati realizzati due tipi di concio di identica geometria: uno in calcestruzzo armato tradizionale ed uno in calcestruzzo rinforzato con fibre metalliche senza armatura tradizionale. Per quanto riguarda i conci in calcestruzzo armato tradizionale, l armatura è costituita da barre Ø8 mm a passo 150 mm. Sono inoltre presenti armature di frettaggio Il dettaglio delle armature è mostrato in Figura 3. Figura 1. Geometria dei conci. 3

4 Maglia 100 x 100 mm Figura 2. Superficie di intradosso. 4

5 Querschnitt A-A / Sezione A-A Figura 3. Dettaglio delle armature. 5

6 2. CARATTERIZZAZIONE DEL MATERIALE 2.1. Resistenza a compressione La resistenza a compressione è stata misurata su provini cubici di lato 150 mm. La prova è stata eseguita dai laboratori della Tecnochem Italiana S.p.A., ed ha fornito una resistenza cubica media pari a 75.9 MPa Resistenza a trazione La caratterizzazione del materiale a trazione è stata eseguita sulla base di prove indirette di flessione su travette di dimensioni 150 x 150 x 600 mm. Le prove sono state eseguite presso il Laboratorio Prove Materiali dell università di Brescia. In particolare, i tre campioni disponibili sono stati intagliati nella sezione di mezzeria, per una altezza pari a 45 mm, conformemente alle prescrizioni della UNI 11039, e soggette a flessione su 4 punti, con posizione dei punti di carico definiti secondo la UNI ed illustrati in Figura Figura 4. Geometria delle travette soggette a prova indiretta di trazione Figura 5. Schema della strumentazione 6

7 L ampiezza di fessura è misurata con due trasduttori di spostamento induttivo (LVDTs) posti sulle superfici laterali della travetta in corrispondenza dell apice dell intaglio (Fig. 5), al fine di misurare il parametro comunemente denominato CTOD (crack tip opening displacement). I risultati sperimentali relativi alle tre travette esaminate sono riportati, in termini di tensione nominale nella sezione intagliata (σn) CTOD medio (CTODm ottenuto dalla media delle due misure con LVDTs), nei successivi diagrammi (Figura 6). 8,00 7,00 6,00 Tensione nominale [MPa] 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 CTODm (mm) Figura 6. Diagramma tensione nominale CTODm. Appare opportuno evidenziare, che dalle prove di flessione su provini intagliati, in accordo alla CNR DT , può essere ricavata la resistenza di calcolo a trazione del materiale. In particolare, nella usuale ipotesi di utilizzare un legame a trazione di tipo rigido plastico, la resistenza di calcolo si basa sulla valutazione di una tensione media equivalente sperimentale(denominata feq2), nel tratto di ampiezza di fessura tra 0.6 e 3 mm. La resistenza di calcolo fftu si assume pari ad 1/3 di feq2 (Appendice A, CNR DT ). Nel caso in esame la resistenza equivalente media feq2 media ottenuta dalle tre prove è pari a 6.56 MPa 7

8 2. DESCRIZIONE DELLE PROCEDURE DI PROVA 2.1. Prove a flessione Con riferimento allo schema illustrato in Figura 7 sono state condotte prove su due conci, realizzati, rispettivamente, con calcestruzzo armato tradizionale e calcestruzzo fibrorinforzato senza armature. Le prove sono state eseguite in controllo di spostamento secondo le seguenti fasi successive, imponendo una velocità di avanzamento del pistone del martinetto di circa 10 μm/sec: 1. Posizionamento del concio sopra il sistema di vincolo; 2. Montaggio del sistema di ripartizione del carico, equivalente ad un carico di 8 kn; 3. Esecuzione di un primo ciclo di carico scarico tra 8 e 20 kn; 4. Esecuzione di un secondo ciclo di carico scarico tra 8 e 50 kn.; 5. Esecuzione di un terzo ciclo di carico scarico tra 8 e 70 kn; 6. Esecuzione di un carico fino a rottura dell elemento. Figura 7. Schema del banco di prova 8

9 Figura 8. Modalità di esecuzione della prova di flessione. 9

10 Il concio è stato appoggiato, secondo lo schema di Figura 7, su due cilindri metallici pieni a sezione circolare, con diametro pari a 100 mm, disposti lungo due generatrici, in posizione simmetrica rispetto alla sezione di mezzeria. L interasse tra i due appoggi in intradosso concio è pari a 2040 mm. Il carico è stato distribuito su quattro punti lungo la direttrice di sommità secondo lo schema illustrato nelle Figure 8 e 9, al fine di garantire una corretta diffusione delle azioni. F 10 Figura 9. Sistema di ripartizione del carico Le piastre di contatto hanno dimensioni in pianta pari a 130x220 mm e spessore uguale a 50 mm. Le prove sono state eseguite utilizzando un telaio di contrasto da 4000 kn ed un martinetto elettromeccanico a spostamento controllato da 1000 kn. Durante le prove sono state misurate con continuità le seguenti grandezze:

11 - Carico complessivo F applicato con il sistema di carico; la misura del carico è effettuata con una cella da 1000 kn (± 1 %), i cui valori letti sono stati sommati al peso del sistema di ripartizione del carico (8 kn), Figura 9; - Freccia dell elemento strutturale, misurata mediante tre trasduttori di spostamento a filo potenziometrici posti lungo la generatrice di mezzeria, uno in corrispondenza dell asse centrale e gli altri due in corrispondenza dei bordi (Figura 10); - Allungamento delle fibre tese, misurato mediante due trasduttori di spostamento induttivi (LVDT) posti a 50 cm di interasse lungo la generatrice interna mediana del concio; la base di misura è di 250 mm, la precisione dei trasduttori è di mm (Figura 10); - Rilievo delle lesioni sulle superfici di intradosso ed estradosso del concio e descrizione della loro evoluzione in funzione del carico F applicato. 2 LVDTs Trasduttore sx: 3 Trasduttore centrale: 1 Trasduttore dx: 2 Figura 10. Strumentazione di misura. 11

12 2.2 Prove a compressione Le prove a compressione sono state eseguite su due conci, uno in calcestruzzo armato tradizionale ed uno in calcestruzzo fibrorinforzato senza armatura, secondo lo schema di Figura 11. SPINTA PIASTRA CONCIO H=150cm. Figura 11. Schema di prova a compressione 12

13 783 mm 783 mm 300 mm Ri = 2920 mm 300 mm Ri = 2920 mm F PIASTRA DI CONTATTO TACCHETTO DI NEOPRENE Figura 12. Geometria della piastra di ripartizione del carico Il carico, applicato utilizzando un martinetto idraulico da 4000kN ed un telaio di contrasto da 4000kN, è stato ripartito sull elemento attraverso una piastra di acciaio con area di impronta che riproduce esattamente la condizione di carico fornita dei martinetti della fresa, (Figura 12) e di peso pari a 3 kn. Le prove sono state condotte in controllo di forza incrementando la stessa fino a collasso. Durante la prova sono state misurate con continuità le seguenti grandezze: - Carico F applicato dal martinetto ; - Abbassamento della piastra di carico misurato attraverso tre trasduttori potenziometrici a filo - Deformazione trasversali delle fibre all intradosso del concio misurate con due trasduttori induttivi (LVDT) posti a 200 mm dalla piastra di carico; - Rilievo delle lesioni sulle superfici di intradosso ed estradosso del concio e descrizione della loro evoluzione in funzione del carico F applicato. 13

14 Figura 13. Prova a compressione: sistema di ripartizione del carico e strumentazione di misura 14

15 3. RISULTATI PROVE A FLESSIONE 3.1 Prova sul concio in c.a. Si illustrano i risultati delle due prove di flessione. In Figura 14 è riportato il diagramma carico abbassamento relativo al concio in c.a. tradizionale. L abbassamento è misurato, come detto in precedenza, con tre strumenti. E da notare che gli strumenti posti in corrispondenza della generatrice di mezzeria hanno misurato valori di spostamento praticamente coincidenti, evidenziando un omogeneo comportamento del concio secondo tale direzione Forza [kn] kn spostamento [mm] Figura 14. Concio in c.a.: Diagramma carico spostamento Il massimo livello di carico è pari a circa 170 kn mentre la prima fessura si è formata per un valore di carico dell ordine di 70 kn. In corrispondenza di un carico pari a 130 kn inizia lo snervamento delle armature. Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 75 kn è riportato in Figura 15. Si può notare la presenza di una fessura principale che si sviluppa lungo l intera sezione trasversale del concio ad una distanza pari a circa 20 cm a sinistra della sezione di 15

16 mezzeria, ed un fessura secondaria in corrispondenza della mezzeria. Tali fessure si estendono fino alla superficie laterale sinistra. Figura 15. Concio in c.a.: Quadro fessurativo a 75 kn Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 100 kn è riportato in Figura 16. Appare una ulteriore fessura parallela alle precedenti e si nota la formazione di una fessura in mezzeria in corrispondenza di un lato del concio. La distanza media tra le fessure è di circa 20 cm, equivalente al passo tra le armature. 16

17 Figura 16. Concio in c.a.: Quadro fessurativo a 100 kn 17

18 Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 125 kn è riportato in Figura 17. Si può notare l ampia diffusione della fessurazione sia sulla superficie di intradosso che su quelle laterali. Figura 17. Concio in c.a.: Quadro fessurativo a 125 kn 18

19 Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 165 kn è riportato in Figura 18. Le immagini evidenziano l apertura delle fessure già presenti, con particolare riferimento a quelle più prossime alla mezzeria. Figura 18. Concio in c.a.: Quadro fessurativo a 165 kn 19

20 La valutazione delle ampiezze di fessure è effettuata sulla base della misura dei trasduttori di spostamento induttivo (LVDTs) posti all intradosso. In Figura 19 è riportato il diagramma carico ampiezza di fessura per il concio in c.a. I due strumenti misurano valori praticamente coincidenti di ampiezza di fessura. E da evidenziare che fino a circa 125 kn, una sola fessura è passante per entrambi gli strumenti, e quindi, fino al detto valore di carico, il diagramma fornisce l apertura di una sola fessura. Per valori di carico superiori, le fessure misurate dagli strumenti diventano 2 (cfr. Figure 17 e 18) e dunque le ampiezze lette sul diagramma di Figura 19, sono fornite da 2 fessure e non dalla singola. Il valore massimo di ampiezza, pari a 4.5 mm è quindi relativo alla somma delle ampiezze delle due fessure comprese nei 250 mm di lunghezza di misura dello strumento Forza [kn] kn 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 ampiezza [mm] Figura 19. Concio in c.a.: Diagramma Forza ampiezza di fessura 20

21 3.2 Prova sul concio fibrorinforzato In Figura 20 è riportato il diagramma carico abbassamento del concio fibrorinforzato, relativo ai tre trasduttori di spostamento. E da notare che gli strumenti posti in corrispondenza della generatrice di mezzeria hanno misurato valori di spostamento praticamente coincidenti, evidenziando un omogeneo comportamento del concio secondo tale direzione Forza [kn] kn spostamento [mm] Figura 20. Concio fibrorinforzato: Diagramma carico spostamento Il carico massimo è risultato pari a circa 140 kn. La prima fessura si è formata per un valore di carico di circa 100 kn. Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 110 kn è riportato in Figura 21. Appare una fessura all intradosso in corrispondenza della mezzeria del concio di ampiezza molto limitata e discontinua, che si estende verso la superficie laterale. Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 125 kn è riportato in Figura 22. Per tale livello di carico la fessura discontinua già formatasi tende ad unificarsi ed a svilupparsi in modo quasi continuo lungo la mezzeria. Si evidenzia, inoltre, la formazione di due piccole fessure in corrispondenza delle estremità del concio che si allungano verso le superfici laterali. 21

22 Figura 21. Concio fibrorinforzato: quadro fessurativo a 110 kn Figura 22. Concio fibrorinforzato: Quadro fessurativo a 125 kn 22

23 Il quadro fessurativo relativo al livello di carico di 130 kn è riportato in Figura 23. Si può notare un aumento dell ampiezza delle fessure già esistenti e la formazione di una ulteriore sottile fessura all esterno della zona monitorata dagli LVDTs. Figura 23. Concio fibrorinforzato: Quadro fessurativo a 130 kn 23

24 In fase post picco, per livelli di spostamento dell ordine di 12 mm si verifica una ulteriore allargamento delle fessure, i cui lembi appaiono cuciti dalle fibre (Fig. 24), fino a valori di circa 2 mm (Fig. 24). Figura 24. Concio fibrorinforzato: Quadro fessurativo a rottura La valutazione delle ampiezze di fessure è effettuata sulla base della misura degli LVDTs posti all intradosso. In Figura 25 è riportato il diagramma carico ampiezza di fessura per il concio fibrorinforzato. 24

25 LVDT dx Forza [kn] LVDT sx kn 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ampiezza [mm] Figura 25. Concio fibrorinforzato: Diagramma Forza ampiezza di fessura I due strumenti misurano valori confrontabili fino ad ampiezze di fessura i circa 0.7 mm. E da evidenziare che una sola fessura è passante per entrambi gli strumenti e, quindi, il diagramma fornisce l apertura di una sola fessura Confronti tra prove a flessione Il confronto tra i risultati ottenuti dalle due prove di flessione è eseguito in relazione ai diagrammi forza spostamento e forza apertura di fessura. I diagrammi di Figura 26 e Figura 27 evidenziano l efficacia delle fibre nel garantire rigidezza e nel ritardare la fessurazione dell elemento strutturale. In particolare si evidenzia che per livelli di sollecitazione tali da generare snervamento dell acciaio (M 60 knm) i conci realizzati con calcestruzzo fibrorinforzato, in assenza di armatura tradizionale, presentano ancora un comportamento elastico da primo stadio, ossia in assenza di fessurazione. 25

26

27 4. RISULTATI PROVE A SCHIACCIAMENTO Le prove eseguite sia sul concio in c.a. ordinario che quello in calcestruzzo fibrorinforzato non hanno mostrato lo sviluppo di fessure fino al raggiungimento del carico massimo di 4000 kn. In Figura 28 sono poste a confronto le curve carico abbassamento per i due conci in esame. Il comportamento dei due elementi, fino al suddetto valore di carico, notevolmente superiore a quello previsto di progetto pari a 1447 kn, appare assolutamente confrontabile Forza [kn] fibrorinforzo armatura tradizionale spostamento [mm] Figura 28. Diagramma Forza spostamento della piastra di carico: confronto tra i due conci 5. CONCLUSIONI Il presente rapporto illustra i risultati di 2 prove di flessione e 2 prove di schiacciamento eseguite su conci prefabbricati della galleria del Brennero: per ogni situazione è stato analizzato un concio realizzato in c.a. tradizionale ed uno in calcestruzzo fibrorinforzato. Le prove sono state eseguite presso il Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Civile dell Università di Roma Tor Vergata. I risultati ottenuti hanno evidenziato l efficacia dell utilizzo di fibre nel garantire ai conci una adeguata rigidezza e controllo della fessurazione. In particolare nel rapporto sono riassunti i diagrammi carico spostamento, carico ampiezza di fessura, l evoluzione del quadro fessurativo e sono riportate immagini fotografiche relative alle singole prove effettuate. 27

28

29