Tecniche di rinforzo con materiali innovativi

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1 Interventi di recupero del patrimonio edilizio, Roma, Tecniche di rinforzo con materiali innovativi Zila Rinaldi Università di Roma Tor Vergata Dip. di Ingegneria Civile

2 Introduzione Perchè si rinforza una struttura? Recupero di strutture ammalorate durabilità Variazione di carichi Errori di progettazione e/o realizzazione Variazione di normativa Adeguamento o miglioramento sismico

3 Introduzione NT 2008 (8.4) L Adeguamento Sismico richiede interventi mirati a portare la struttura ai livelli di sicurezza previsti per le strutture nuove. a) Sopraelevare o ampliare b) Apportare variazioni di destinazione che comportino incremento dei carichi (perm. + var.) al singolo piano >20% c) Effettuare interventi strutturali [...] che portino ad un organismo edilizio diverso dal precedente d) Effettuare interventi strutturali [...] che implichino sostanziali alterazioni del comportamento globale dell edificio Il Miglioramento Sismico implica interventi volti a diminuire la vulnerabilità sismica di una struttura, senza elevare la sicurezza ai livelli previsti per le strutture nuove.

4 Comportamento non lineare delle strutture F s F o Rigidezza (K) Resistenza (F o ) K Δ y Δ u Δ Esempio di comportamento al sisma: Duttilità (Δ u / Δ y ) terremoti piccola intensità: sufficiente rigidezza (minimizzati i danni non strutturali) terremoti di media intensità: sufficiente resistenza (campo elastico: minimizzati i danni strutturali e non) terremoti di elevata intensità: sufficiente duttilità (elevati spostamenti e non collasso)

5 Duttilità perché? Capacità di resistere ad azioni locali impreviste senza collasso Avvertimento di incipiente collasso attraverso lo sviluppo di grandi deformazioni Possibilità di ridistribuzione di momenti (voluti o accidentali)

6 Duttilità perché? Fondamentale in zona sismica per dissipare energia attraverso la formazione e successiva rotazione di cerniere plastiche Meccanismo di piano Meccanismo globale

7 Tipologia di intervento per c.a. forza AUMENTO DELLA RESISTENZA duttilità invariata C f2 C f1 domanda C f1 = Capacità resistente prima dell intervento C f2 = Capacità resistente dopo l intervento spostamento

8 Tipologia di intervento per c.a. forza AUMENTO DELLA DUTTILITA resistenza invariata domanda C d1 = Capacità deformante prima dell intervento C d2 = Capacità deformante dopo l intervento C d1 C d2 spostamento

9 Tipologia di intervento per c.a. forza AUMENTO DELLA RIGIDEZZA Resistenza e duttilità invariata domanda C d1 = Capacità deformante prima dell intervento C d2 = Capacità deformante dopo l intervento C d2 C d1 spostamento

10 Tecnologie di intervento tradizionali per c.a. Beton plaquè Camicie in c.a. Camicie in acciaio Precompressione esterna

11 Tecnologie di intervento innovative per c.a. HPFRC: high performance fiber reinforced concrete Travi Pilastri Pareti

12 Tecnologie di intervento innovative per c.a. FRP: Fiber reinforced polymers

13 Tipo di intervento Intervento locale su componenti strutturali Intervento globale sul sistema strutturale pareti controventi isolamento

14 Composito: Fibre + Resina Il materiale FRP

15 Il materiale FRP Lamine Tessuto

16 Messa in opera

17 Il materiale FRP Legame costitutivo a trazione σ [MPa] Carbonio HM Carbonio HS Carbonio VHM aramide Vetro ε [%] Acciaio da c.a. No resistenza in compressione!!

18 Rinforzo a flessione

19 Meccanismi di collasso

20 Meccanismi di collasso Delaminazione Rottura a trazione FRP

21 Analisi della sezione CNR DT200/2004: Incremento di resistenza non superiore al 60% (eccetto azioni sismiche ed eccezionali)

22 Comportamento a flessione Zarnic et al., 1999

23 Duttilità resistenza t r = 0.6 mm t r = 0.4 mm t r = 0.2 mm M u, ad t r =0 Notevole incremento di resistenza Duttilità locale-spessore FRP t r [mm] N u, ad Δρ mu duttilità N ad 0 t r = 0.4 mm t r = 0.6 mm riduzione di ρ mu quasi independente dallo spessore di FRP t r = 0.2 mm t r =0 riduzione di ρ mu 0.06 ρ mu,ad M u,ad =M u /σ cu bd 2 N u,ad =N u /σ cu bd ρ mu,ad = ρ mu d elevati valori di forza assiale: trascurabile effetto dell FRP su ρ mu

24 Duttilità: Confinamento

25 Duttilità: Confinamento acciaio FRP

26 Confinamento Sezione circolare - confinamento continuo Pressione di confinamento compressione Tensione di trazione per espansione laterale Effetto del confinamento sul comportamento del calcestruzzo

27 Confinamento Sezione circolare fasciatura continua f l Valutazione della pressione di confinamento (f l ) Acciaio = 1 2 k e FRP ρ st f y ρ Percentuale geometrica di staffe st 4A = sd st s k e coefficiente per effetto arco (0.8) s passo delle staffe d s diametro nucleo confinato A st area staffe tensione di snervamento dell acciaio f y 1 ρ 2 ε f l = f E f fd, rid ρ Percentuale geometrica di FRP f = 4 t f D E f t r modulo elastico dell FRP spessore FRP D diametro nucleo confinato ε fd,rid deformazione ultima FRP

28 CONFINAMENTO Sezione circolare confinata con FRP fasciatura discontinua t f p f spessore FRP passo FRP 1 2 f l = ρ f Erε fd, rid ρ f t f b = 4 D p f f D diametro sezione ε = min { η ε / γ ;0.004} fd, rid a fk f η a fattore di conversione ambientale ( ) γ f coefficiente parziale ( )

29 CONFINAMENTO Sezione rettangolare o quadrata FRP No effetto di confinamento per b/d>2 o max{b,d}>900mm r c 20 mm 1 2 f l = ρ f E f ε fd, rid efficienza orizzontale f l, eff = k eff f l k eff = k H k V k α Inclinazione fibre efficienza verticale

30 CONFINAMENTO Sezione rettangolare o quadrata k =1 fasciatura continua k < 1 V V fasciatura discontinua k H 2 b' + d' = 1 3 A g 2 k α 1 = α f Inclinazione fibre se disposte ad elica ( 1+ tanα ) 2 f ρ f = 2 t f ( b + d) b b d p f f t f spessore FRP p f passo FRP A g area sezione

31 CONFINAMENTO Effetto sul calcestruzzo Valutazione della resistenza ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004) f f ccd cd = f l, eff f cd 2 3 f cd f l,eff resistenza cls non confinato pressione di confinamento Valutazione della deformazione ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004) f l, eff εccu = f l,eff valutata con: fcd ε = η ε / γ 0. 6 ε fd, rid a fk f fk

32 CONFINAMENTO resistenza ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004) ε ccu / ε cu f cd = 25 MPa f cd = 15 MPa 20 MPa h/b f ccd /f cd f cd = 25 MPa f cd = 15 MPa 20 MPa h/b deformazione ultima deformazione ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)

33 INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP Strategie di intervento ( CNR DT 200/2004) In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a: eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; Taglio

34 INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP Strategie di intervento ( CNR DT 200/2004) In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a: eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; Meccanismi di nodo

35 INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di piano ( piano soffice ); miglioramento della capacità deformativa globale della struttura conseguibile in uno dei seguenti modi: Incrementando la duttilità delle potenziali cerniere plastiche senza variarne la posizione; rilocalizzando le potenziali cerniere plastiche nel rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze.

36 INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP Criteri per la scelta dell intervento con FRP ( CNR DT 200/2004) 4(P) In zona sismica il rinforzo con FRP di elementi in c.a. è finalizzato principalmente al conseguimento degli obiettivi: Incrementare la resistenza a flessione mediante l applicazione di compositi con fibre disposte nella direzione dell asse dell elemento; Incrementare la resistenza a taglio di elementi mediante applicazione di FRP con le fibre disposte ortogonalmente all asse dell elemento; Incrementare la duttilità delle sezioni terminali di travi e/o pilastri mediante fasciatura con FRP; migliorare l efficienza delle giunzioni per sovrapposizione mediante fasciatura con FRP; Impedire lo svergolamento delle barre longitudinali soggette a compressione mediante fasciatura con FRP; Incrementare la resistenza a trazione dei pannelli di nodo trave-pilastro mediante applicazione di fasce di FRP con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione.

37 CONCLUSIONI

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