INFLUENZA DEL SISTEMA DI RINFORZO SU COMPORTAMENTO MECCANICO DI TRAVI IN C.A. RINFORZATE CON NASTRI FRP (FIBER REINFORCED POLYMERS)

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1 Estratto dagli atti del 15 Congresso C.T.E. Bari, novembre 2004 INFLUENZA DEL SISTEMA DI RINFORZO SU COMPORTAMENTO MECCANICO DI TRAVI IN C.A. RINFORZATE CON NASTRI FRP (FIBER REINFORCED POLYMERS) MARIA ANTONIETTA AIELLO, Università di Lecce MARIANOVELLA LEONE, Università di Lecce LUCIANO OMBRES, Università della Calabria SUMMARY The behaviour of reinforced concrete beams reinforced with externally bonded fiber reinforced composite materials is analysed in the paper. Two different bonding techniques are considered in the analysis: the traditional FRP system in which unidirectional carbon fibres sheets are bonded to the concrete by resins, generally epoxy resin, and the Fibre- Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) system in which an overlay of carbon fiber meshs embedded into an inorganic stabilized cementitious matrix is bonded to the concrete. An experimental investigation is made to evaluate the influence of the bonding technique on the structural performances of beams both at the ultimate and at the serviceability conditions. Obtained results are presented and discussed. 1. INTRODUZIONE L utilizzo di rinforzi in FRP (Fiber Reinforced Polymers) costituisce un efficace soluzione per il rinforzo strutturale di elementi in calcestruzzo armato. La tecnica di rinforzo è basata sull applicazione, mediante incollaggio sulle superfici esterne, di nastri e/o lamine in FRP (in genere nastri e/o lamine in carbonio, CFRP). Il comportamento meccanico delle strutture rinforzate è fortemente condizionato dal sistema di rinforzo adoperato e dalla sua efficacia; uno dei problemi più rilevanti riscontrato nelle strutture rinforzate con FRP é, infatti, legato ai possibili fenomeni di collasso prematuro quali lo scollamento delle lamine in FRP dal calcestruzzo ed il distacco dello strato di calcestruzzo costituente il ricoprimento delle armature metalliche interne, la cui origine é direttamente legata alle azioni d interfaccia FRP-calcestruzzo. L analisi dello stato tensionale e deformativo all interfaccia rinforzo-calcestruzzo diventa, pertanto essenziale sia per evitare fenomeni di collasso prematuro sia per definire adeguate modellazioni per l analisi strutturale degli elementi rinforzati. Poiché il comportamento all interfaccia rinforzo-calcestruzzo dipende dal sistema di rinforzo adottato, è utile indagare sull influenza esercitata dal tipo di sistema di rinforzo sulle prestazioni meccaniche degli elementi strutturali in c.a. rinforzati con FRP. Sulla base di queste considerazioni, nel presente lavoro vengono descritti i risultati di un indagine teorico-sperimentale sul comportamento meccanico di travi in c.a. rinforzate con nastri in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) incollati con due sistemi tecnologici diversi: il tradizionale rinforzo con matrice organica costituita da resine epossidiche o poliestere ed il sistema, di recente commercializzazione, basato sull impiego di una matrice inorganica costituita da un legante idraulico pozzolanico. L analisi consente di valutare l influenza del sistema di rinforzo sulla risposta strutturale delle travi rinforzate sia in condizioni di esercizio (fessurazione, frecce) sia al collasso. 2. INDAGINE SPERIMENTALE Per la valutazione del comportamento meccanico di travi in calcestruzzo armato e rinforzate con FRP, è stata programmata ed in parte eseguita una campagna sperimentale. In particolare, sono state sottoposte a prova di flessione travi in calcestruzzo armate con barre metalliche e rinforzate con CFRP incollati sulla superficie delle travi, in corrispondenza della sola zona sottoposta a trazione. Sono stati utilizzati due sistemi tecnologici: il tradizionale rinforzo con matrice organica, costituita da resina epossidica, ed il sistema basato sull impiego di una matrice inorganica, costituita da un legante idraulico pozzolanico. Nel seguito sono descritte le prove eseguite: - 1 -

2 i) travi rinforzate con nastri in CFRP e resina epossidica (tipo A) Sono state sottoposte a prova cinque travi di lunghezza 2960 mm e con sezione rettangolare di base 145 mm ed altezza 250 mm, armate con barre longitudinali 2Φ16 a trazione, 2Φ 8 in compressione e con staffe Φ8 poste ad interasse 140 mm. Due delle travi sono state rinforzate in zona tesa con uno strato di CFRP unidirezionale (sigle B1UCFS e B2UCFS) due sono state rinforzate con una rete 0 /90 di CFRP (sigle B1CFMRP e B2CFMRP) mentre una trave (sigla CB) è stata usata come trave di controllo non rinforzata. Il rinforzo in FRP è stato incollato su tutta la lunghezza della trave. ii) travi rinforzate con reti in CFRP e matrice cementizia (tipo B) Tale fase dell indagine sperimentale ha riguardato due travi aventi la stessa geometria delle precedenti e con la stessa armatura in acciaio longitudinale e trasversale. Le travi sono state rinforzate con sistema costituito da rete in carbonio bidirezionale (fibre disposte a 0 ed a 90 ) e matrice cementizia (CFMRM) (sigle B1CFMRM e B2CFMRM). Il rinforzo è stato esteso per tutta la lunghezza delle travi compresa tra i due appoggi MATERIALI La resistenza a compressione del calcestruzzo utilizzato per realizzare le due serie di travi è stata determinata sperimentalmente, attraverso prove standard di compressione su cubetti di lato pari a 150 mm. I valori medi ottenuti sono stati f c =22,30 MPa per il calcestruzzo adoperato per le travi tipo A e f c =50,59 MPa per le travi tipo B. La resistenza a trazione di entrambi i conglomerati è stata determinata tramite prove di splitting su cilindri di diametro pari a 150 mm ed altezza pari a 300 mm; i valori medi ottenuti sono stati f ct =2,58 MPa e f ct =4,90 MPa per il calcestruzzo delle travi tipo A e B, rispettivamente. Le prove di trazione sulle barre metalliche utilizzate hanno fornito resistenza allo snervamento di MPa e MPa per le barre Φ16 e Φ8, rispettivamente. La resistenza a flessione media della malta utilizzata per realizzare la matrice cementizia, determinata mediante prove di flessione su tre punti, è risultata pari a 5.05 MPa. Le caratteristiche meccaniche del rinforzo fibroso sia unidirezionale (UCFS) sia con rete 0 /90 (CFM), sono state determinate sottoponendo a prova almeno 5 provini ed utilizzando la resina come legante. La lunghezza totale dei provini è stata di 250 mm; per evitare rotture premature in corrispondenza degli afferragli sono state incollate lamine in acciaio alle parti terminali dei provini. I risultati ottenuti sono riportati nella Tabella 1. FRP Resistenza a trazione (MPa) CFM 2800 (COV 8.7 %) UCFS 2546 (COV 14%) Modulo elastico (GPa) 227 (COV 4%) 162 (COV 13%) Tabella 1: Proprietà meccaniche degli FRP 2.2. SET-UP DELLA PROVA Lo schema di prova utilizzato è quello su quattro punti con luce netta di 2700 mm e distanza tra la sezione di applicazione del carico e l appoggio pari a 900 mm. Figura 1. Test set-up - 2 -

3 Gli spostamenti verticali sono stati misurati mediante trasduttori disposti nella sezione di mezzeria ed in corrispondenza dei punti di carico Le deformazioni nel calcestruzzo e nel rinforzo esterno in FRP sono state misurate mediante strain gauges, in particolare, due strain gauges sono stati incollati sul calcestruzzo del bordo compresso della trave mentre 14 strain gauges sono stati incollati sul rinforzo in FRP in differenti posizioni (Fig. 1). Le ampiezze delle fessure sono state misurate mediante lenti graduate. 3. RISULTATI SPERIMENTALI E DISCUSSIONE Nel seguito sono descritti i principali risultati ottenuti dalle prove sperimentali condotte. i) travi rinforzate con nastri in CFRP e resina epossidica (tipo A) Le modalità di rottura delle travi sono risultate differenti a seconda del tipo di rinforzo utilizzato: le travi rinforzate con la rete in CFRP sono collassate per rottura del rinforzo a cui ha fatto seguito la rottura del ricoprimento di calcestruzzo (Fig.2). Le travi rinforzate con fibre unidirezionali hanno subito un collasso prematuro per peeling del nastro con successivo distacco del ricoprimento a livello dell armatura longitudinale. (Fig. 3). La trave di controllo, infine ha ceduto per snervamento delle barre metalliche. I valori medi dei carichi di collasso per le varie travi sono riportati nella Tab. 2 nella quale sono indicati anche i valori percentuali dell incremento associato al rinforzo. Travi Carico ultimo (kn) Incremento di capacità (%) CB BCFM 94 8 BUCFS Tabella 2. Carico ultimo delle travi Figura 2. Rottura travi BCFM - 3 -

4 Figura 3. Rottura travi BUCFS Il modesto incremento di capacità portante osservato nelle travi rinforzate con rete di CFRP è legato al basso valore dell area di rinforzo utilizzata. Lo spessore della rete in carbonio è, infatti, pari a mm, come indicato dal produttore, mentre lo spessore del nastro con fibre unidirezionali è pari a 0.20 mm. E pertanto evidente che per ottenere un maggiore incremento della capacità resistente delle travi è necessario disporre più strati di rete di CFRP. Nella Fig. 4 sono riportate le curve caricofreccia in mezzeria per tutte le travi sperimentate; i risultati sono diagrammati fino al 70% del carico ultimo per le travi CB, B2CFM, B1UCFS, B2UCFS e fino al 97% del carico ultimo per la trave B1CFM. Figura 4. Curve carico-freccia in mezzeria Come si può osservare tutte le travi rinforzate con CFRP, indipendentemente dal tipo di rinforzo, presentano, prima del raggiungimento dello snervamento nelle armature metalliche, un incremento di rigidezza flessionale rispetto al valore relativo alla trave di controllo. Misurando la rigidezza attraverso il rapporto k=f/δ, in cui F è il carico applicato e δ il corrispondente spostamento, tale incremento di rigidezza è risultato pari a circa il 20%. Questo risultato conferma quanto riportato in [1] ossia che incrementi di rigidezza inferiore al 20% nella capacità ultima delle travi non dipendono dal rapporto di rigidezza del rinforzo in FRP definito come (E f A f )/(E s A s ), essendo A f ed A s l area della sezione trasversale del rinforzo in FRP e delle armature metalliche, mentre E f ed E s sono i moduli - 4 -

5 elastici del rinforzo in composito e dell acciaio. Il fenomeno fessurativo osservato in tutte le travi sperimentate ha evidenziato il beneficio offerto dal rinforzo in FRP. Nelle travi rinforzate, infatti, l ampiezza media delle fessure è diminuita in maniera sensibile mentre il numero delle fessure è aumentato rispetto a quanto rilevato nella trave non rinforzata. Nelle Figure 5 e 6 sono riportati i diagrammi carico-ampiezza media delle fessure e carico-numero di fessure per tutte le travi sperimentate. Al raggiungimento dello snervamento nelle armature l ampiezza massima delle fessure nelle travi rinforzate è risultata circa 0.22 mm mentre nella trave di controllo il valore misurato è stato di 0.90 mm. Nelle Figure 7 ed 8 è riportato l andamento delle deformazioni lungo il rinforzo in FRP per due delle travi testate; l origine dell asse x corrisponde alla mezzeria delle travi. Figura 5. Curve carico-ampiezza media delle fessure Figura 6. Curve carico-numero di fessure Analizzando i risultati ottenuti è possibile osservare che nelle travi con rinforzo unidirezionale (BUCFS), le deformazioni sono massime nella zona centrale delle travi in cui il momento è costante; l andamento delle deformazioni appare uniforme per ogni livello di carico tranne che per i valori prossimi al collasso a causa della presenza di fenomeni di - 5 -

6 scollamento del rinforzo. Per le travi rinforzate con reti di CFRP l andamento delle deformazioni è irregolare per qualsiasi livello di carico. Ciò è probabilmente dovuto alla presenza delle fessure in corrispondenza delle quali si ha una brusca diminuzione della deformazione nel nastro. La lunghezza di trasferimento sembra in questo caso poco efficace anche se l andamento globale può ritenersi ancora costante nella zona centrale delle travi. Figura 7. Andamento delle deformazioni lungo il rinforzo in FRP. Trave B1CFMR Figura 8. Andamento delle deformazioni lungo il rinforzo in FRP. Trave B2UCFS ii) travi rinforzate con reti in CFRP e matrice cementizia (tipo B) Nel caso delle travi rinforzate con CFMRM, il collasso è sopraggiunto per schiacciamento del conglomerato compresso (Fig. 9). I campioni di controllo hanno avuto una rottura per flessione dovuta allo snervamento delle barre in acciaio, seguito dallo schiacciamento del conglomerato

7 Figura 9. Modalità di rottura per la trave B1CFMRM Il tipo di rottura manifestatosi evidenzia l assenza nelle travi rinforzate con CFMRM di fenomeni di rottura prematura tipici delle travi rinforzati con resina epossidica. Questo risultato già ottenuto in [2], evidenzia una maggiore duttilità nelle travi rinforzate con il sistema CFMRM rispetto a quelle rinforzate con il sistema resina-fibra. I diagrammi carico-freccia in mezzeria relativi alle due travi sperimentate sono riportati nella Figura 10; il momento ultimo, ottenuto come media dei valori sui campioni simili, è risultato pari a 51,10 knm. 4. ANALISI TEORICA La modellazione teorica del comportamento strutturale di travi in calcestruzzo armato rinforzate esternamente con FRP deve essere basata su procedure che tengano in conto le grandezze meccaniche che caratterizzano il comportamento meccanico delle travi in base al sistema di rinforzo adottato. E pertanto evidente che nell analisi strutturale delle travi rinforzate con il sistema resina epossidica-nastri in FRP, in cui i fenomeni di collasso prematuro sono molto frequenti, la messa in conto dello scorrimento rinforzo calcestruzzo è fondamentale per una corretta analisi strutturale soprattutto in condizioni di esercizio. Figura 10. Diagrammi carico-freccia in mezzeria per le travi BCFMRM - 7 -

8 Al contrario nel caso delle travi rinforzate con il sistema malta cementizia-rete in FRP, l assenza di fenomeni di rottura prematura, può consentire di trascurare gli effetti associati agli scorrimenti rinforzo-calcestruzzo. Gli scorrimenti fibra-matrice avvengono, infatti, molto lentamente e non influiscono significativamente sull aderenza tra la malta del sistema di rinforzo ed il calcestruzzo. Ne consegue che l analisi strutturale di travi rinforzate con il sistema resina epossidica-frp necessità di un modello basato sulla legge aderenza-scorrimento tra rinforzo e calcestruzzo mentre per l analisi strutturale di travi rinforzate con il sistema CFMRM, può utilizzarsi una modellazione basata sulla perfetta aderenza tra rinforzo e calcestruzzo. A tal fine per l analisi del comportamento meccanico delle travi rinforzate con il sistema resina-frp, viene utilizzato un modello non lineare che mette in conto lo scorrimento fra armatura e conglomerato, rimuovendo l ipotesi di conservazione della sezione piana. Il modello, riportato e descritto in dettaglio in [3], [4] e [5], è basato sulla legge analitica aderenza-scorrimento tra nastro in FRP e calcestruzzo; tale legge è fortemente condizionata dalle proprietà dell adesivo, dalle proprietà fisicomeccaniche del substrato e dalla sua preparazione superficiale, nonché le condizioni ambientali [6]. All analisi dell aderenza calcestruzzo-frp sono state dedicate numerose indagini sperimentali i cui risultati sono disponibili in letteratura [7], [8]. La relazione analitica più rappresentativa del legame aderenza-scorrimento è quella di tipo bilineare [9] caratterizzata dai valori della tensione massima d aderenza τfl, dal modulo di scorrimento E b e dallo scorrimento ultimo s u. Tuttavia, come riportato in [10] i parametri della legge che più influenzano il comportamento statico delle strutture rinforzate sono τ fl, ed E b ; ciò consente, soprattutto per l analisi delle condizioni di esercizio (fessurazione, deformazione) di poter utilizzare un legame aderenza-scorrimento lineare definito in base ai suddetti parametri. Con riferimento alle travi sperimentate nel seguito si riportano i confronti tra le previsioni teoriche ottenute considerando il legame aderenza-scorrimento ed i risultati sperimentali. Il confronto è eseguito anche con le previsioni teoriche ottenute nell ipotesi di assenza di scorrimento tra rinforzo e calcestruzzo ovvero secondo la teoria classica delle strutture in calcestruzzo armato, che assume la perfetta aderenza tra calcestruzzo ed armatura. Figura 11. Confronto teorico-sperimentale travi BCFM Le Figure 11 e 12 riportano il confronto suddetto in termini di diagrammi momentocurvatura relativi alla sezione di mezzeria delle travi; le previsioni teoriche sono determinate adottando una legge aderenza-scorrimento lineare con valori τ fl =7MPa ed E b =211N/mm 3 ; tali valori sono stati determinati sperimentalmente su provini in calcestruzzo rinforzati con lo stesso sistema adoperato per il rinforzo delle travi analizzate [8 ]

9 Figura 12. Confronto teorico-sperimentale travi BUCFS I risultati ottenuti evidenziano l ottima corrispondenza tra le previsioni teoriche del modello basato sulla legge aderenza-scorrimento per tutti i livelli di carico soprattutto per le travi BUCFS, mentre le previsioni del modello classico risultano poco adeguati ad interpretare il comportamento delle travi soprattutto per valori dei carichi corrispondenti alle condizioni di esercizio. Figura 13. Confronto teorico-sperimentale travi BCFMRM Nella Figura 13 è riportato il confronto teorico-sperimentale in termini di diagrammi carico-freccia in mezzeria per la trave B2CFMRM. Il modello teorico utilizzato è quello classico basato sulla perfetta aderenza tra rinforzo e calcestruzzo. I risultati del confronto evidenziano che le previsioni teoriche sono in buon accordo con i risultati della sperimentazione e confermano che l influenza degli scorrimenti rinforzo-malta è del tutto trascurabile. 5. CONCLUSIONI - 9 -

10 Nel lavoro è stata analizzata l influenza del sistema di rinforzo sul comportamento meccanico di travi in calcestruzzo armato rinforzate con nastri in materiale composito (FRP). I risultati ottenuti attraverso un indagine teorico-sperimentale consentono di trarre le seguenti considerazioni: la modalità con cui il rinforzo fibroso viene applicato alle travi in calcestruzzo armato rinforzate con FRP deve essere considerata come uno dei parametri che ne governa il comportamento meccanico. L utilizzazione di un sistema di incollaggio con resina e fibra unidirezionale o rete consente un notevole incremento di capacità resistente se, con opportuni interventi vengono eliminati i fenomeni di rottura prematura dovuti allo scollamento del rinforzo. L utilizzazione di un sistema di rinforzo con matrice cementizia e fibra di rinforzo in FRP, garantisce modalità di collasso simili a quelle delle travi in calcestruzzo armato non rinforzate anche se l incremento in termini di capacità resistente è meno rilevante di quello ottenuto con il sistema di incollaggio resina FRP. L analisi strutturale di travi rinforzate con resina e fibra deve essere basata su modelli che mettano in conto il legame aderenzascorrimento; l ipotesi di perfetta aderenza tra rinforzo e calcestruzzo non fornisce, infatti, previsioni corrette soprattutto in corrispondenza della fase di esercizio. Quest ultima ipotesi è invece corretta e fornisce previsioni in accordo con i risultati sperimentali nell analisi di travi rinforzate con il sistema matrice cementizia- fibra. Benché sia ancora necessario approfondire la tematica in esame, sia dal punto di vista sperimentale sia dal punto di vista teorico, emerge in modo chiaro la necessità di affrontare la progettazione di travi in calcestruzzo armato rinforzate con FRP con metodologie e procedure di analisi che non possono prescindere dalle modalità e dalla tipologia del sistema di rinforzo adottato. 6. BIBLIOGRAFIA [01] JOH O., WANG Z. AND IBE H., Reinforcing effects of CFRPO and AFRP Sheets with respect to flexural behavior of RC Beams, Proc. of the Sixth International Symposium on FRP Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-6), Ed. Kiang Hwee Tan, Publ. World Scientific Publishing, Singapore, Vol. 1, 2003, pp [02] DI TOMMASO A., FOCACCI F., MANTEGAZZA G., Rinforzo a flessione di travi in calcestruzzo armato con rete di carbonio e matrice cementizia Atti Convegno AICAP, [03] AIELLO M.A., OMBRES L., Load deflection analysis of FRP reinforced concrete flexural members, Journal of Composites for Constructions, ASCE, Vol. 4, No 4, pp , [04] AIELLO M.A., OMBRES L., Cracking analysis of FRP (Fiber Reinforced Polymers) reinforced concrete flexural members, Mechanics of Composites Materials Journal, Vol. 36, No 5, pp , [05] AIELLO M.A., LEONE M., OMBRES L., Cracking analysis of FRP reinforced concrete tension members. Structures and Building, ICE London, Vol. SB1, pp , 2004 [06] BLONTROCK H., TAERWE L., VANWALLEGHEM H., Bond Testing of externally glued FRP laminates at elevated temperatures Proceeding of Bond in Concrete from research to standard, Budapest, 2002, pp [07] NAKABA K., KANAKUBO T., FURUTA T., YOSHIZAWA H., "Bond behaviour between Fiber Reinforced Polymer laminate and Concrete ACI Structural Journal, May- June 2001, pp [08] AIELLO M.A., PECCE M., Prove sperimentali di aderenza tra calcestruzzo e fogli in FRP, Atti 13 Congresso CTE, Pisa, pp , [09] CEB-FIP Task Group 9.3., "Externally bonded FRP reinforcement for RC structures CEB Bullettin 14, 2001 [10] AIELLO M.A., LEONE M., OMBRES L., Analisi dell aderenza fra elementi in

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