Potenzialità di materiali avanzati per il miglioramento sismico di strutture in c.a. Andrea Prota

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1 Potenzialità di materiali avanzati per il miglioramento sismico di strutture in c.a. Andrea Prota Ricercatore di Tecnica delle Costruzioni Dipartimento di Ingegneria Strutturale Università degli Studi di Napoli Federico II Messina - 26 Novembre, 2008

2 Interventi di rinforzo sismico con FRP Strategie di intervento ( del CNR DT 200/2004) In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata ai seguenti principi: eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; 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 della gerarchia delle resistenze.

3 Interventi di rinforzo sismico con FRP Strategie di intervento ( del CNR DT 200/2004) In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata ai seguenti principi: eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; 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 della gerarchia delle resistenze.

4 La Struttura SPEAR Edificio di tre piani progettato per soli carichi verticali Progettato secondo le indicazioni della Normativa Greca utilizzata dal 1954 al 1995 Struttura regolare in elevazione ma doppiamente non simmetrica in pianta Telai a 2 campate con luci da 3 a 6 m

5 La Struttura SPEAR C5 C1 C2 B1 B2 B11 B9 B C9 B3 X C3 Y CR 1.3 e x CM e y B4 C4 B12 B10 B8 B5 C6 B6 C7 C8

6 Risultati Sperimentali Struttura As-built Danni modesti durante test con PGA= 0.15g I maggiori danni sono stati riscontrati (durante il test con PGA = 0.20g) sui pilastri: Struttura progettata per soli carichi verticali nessuna attenzione alla gerarchia delle resistenze Pilastri con dimensioni ridotte e armatura insufficiente a sopportare sforzo normale e flessione biassiale Meccanismo di trave forte pilastro fragile con formazione di cerniere plastiche nelle colonne La mancanza di infittimento della staffatura nei nodi aumenta il rischio di fenomeni locali di collasso fragile: rottura del calcestruzzo, istabilità delle barre di acciaio longitudinali sfilamento delle barre

7 Rinforzo in FRP: Confinamento ε cu, necessaria = Incrementi di deformazione ultima mediante: Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densità 900 g/m 2 Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densità 300 g/m 2 Section type Spessore FRP %Geometrica rinforzo Deformazione ultima tf (mm) ρ f ε ccu (% 0 ) Non rinforzata strato GFRP strati GFRP strati GFRP strato CFRP strati CFRP strati CFRP

8 Rinforzo in FRP: Rinforzo a taglio nodi Il metodo di Antonoupoulos&Triantafillou(2002) consente di determinare l inclinazione delle tensioni principali di trazione e I corrispondenti valori di tensioni di taglio nel nodo all incrementarsi delle sollecitazioni esterne sino all attingimento dei valori di rottura a taglio. La rottura si attinge per compressione del calcestruzzo GFRP QUADRI-AX 1140 g/m 2 1 Strato 2 Strati 3 Strati Tensione di rottura Nodo non Rinforzato Tensione di rottura di progetto Nodo Rinforzato

9 Rinforzo in FRP: Rinforzo a taglio pilastro rettangolare OBIETTIVO: Impedire la formazione di meccanismi di C5 C1 C2 B1 B2 rottura di tipo fragile B11 B9 B7 La resistenza di progetto a taglio di un elemento rinforzato si valuta come: { } V = min V + V + V, V Rd Rd, ct Rd, s Rd, f Rd,max Disposizione di rinforzo prescelta (2 strati quadriassiale): C8 C9 B12 Y X B3 B5 C3 B10 C6 B4 B6 B8 C4 C7 +46% laterale ad U in avvolgimento

10 Analisi Statica Non Lineare: Verifiche Verifica allo S.L.D.S. Capacity Spectrum Method (N2, Fajfar 1999)

11 Rinforzo in FRP: Verifiche Metodo N2 Verifica allo S.L.D.S. Capacity Spectrum Method (N2, Fajfar 1999)

12 Comportamento globale Massimi Interstorey drifts TEST/STOREY STOREY 1 STOREY 2 STOREY 3 AS BUILT 0.20g PGA X DIR. (mm) Y DIR. (mm) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) 4.3 θ ROT. (mrad) 10.0 θ ROT. (mrad) 7.3 FRP RETROFIT 0.20g PGA X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) FRP RETROFIT 0.30g PGA X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad)

13 Comportamento globale Massimi di Taglio e Torsione di Piano TEST/STOREY AS BUILT 0.20g PGA STOREY 1 X DIR. (kn) Y DIR. (kn) STOREY 2 X DIR. (kn) Y DIR. (kn) STOREY 3 X DIR. (kn) 110 Y DIR. (kn) 166 θ ROT. (knm) 955 θ ROT. (knm) 728 θ ROT. (knm) 709 FRP RETROFIT 0.20g PGA X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm) X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm) X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm) FRP RETROFIT 0.30g PGA X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm) X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm) X DIR. (kn) Y DIR. (kn) θ ROT. (knm)

14 Interventi di rinforzo sismico con FRP Strategie di intervento ( del CNR DT 200/2004) In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata ai seguenti principi: eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; 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 della gerarchia delle resistenze.

15 Interventi di rinforzo sismico con FRP Pressoflessione ( del CNR DT 200) (3) Quando si incrementi la resistenza flessionale, la trasmissione dell azione del rinforzo alle zone nodali deve essere assicurata attraverso l adozione di soluzioni costruttive idonee. (4) Le fibre longitudinali impiegate per il rinforzo a pressoflessione devono essere adeguatamente confinate al fine di evitare, sotto azioni cicliche, il distacco delle stesse e l espulsione del materiale di supporto.

16 Rinforzo sismico di colonne in c.a 0.03 Staffe 8 / 5 '' (3 + 3) 12 longitudinali SET UP DI PROVA A 0.60 A L = 2.20 m Staffe 8 / 10 '' L = 1.36 m La prova prevede due step successivi: (3 + 3) 12 longitudinali Applicazione del carico assiale, che resta costante per l intera prova (controllo di forza); Applicazione del carico laterale monotono crescente in controllo di spostamento.

17 Rinforzo sismico di colonne in c.a SCHEMA DI RINFORZO Le colonne sono state rinforzate con due diversi materiali al fine di ottenere un incremento di duttilità e di resistenza: 2 fogli di GFRP UNI-AX 900/60; 4 fiocchi di SRP tipo Z-3x2-Zinc. D B - D A - C A - C A C B 2 fogli di GFRP 2 fogli di GFRP fori φ18 mm fori φ18 mm SRP Z-3x2-Zinc

18 FASI DI REALIZZAZIONE DEL RINFORZO

19 FASI DI REALIZZAZIONE DEL RINFORZO 7. Applicazione dell adesivo 8. Impregnazione del primo foglio di GFRP 9. Inserimento del secondo foglio di GFRP 10. Applicazione dell ultimo strato di adesivo

20 Rinforzo sismico di colonne in c.a N [kn] dominio OnlySTAFFE Solo staffe stirrups dominio Stirrups+GFRP+S Confin. STAFFE+FRP+SRP + fiocchi dominio Stirrups+GFRP Confin. STAFFE+FRP kn ν= kn ν=0.1 M [knm]

21 Rinforzo sismico di colonne in c.a P=540 kn, ν=0.2

22 Rinforzo sismico di colonne in c.a Shear Taglio, (kn) F [kn] C540A C540-U 60 C270-U C270A Spostamento, [mm] Displacement (mm) Taglio, F [kn] Shear (kn) 80 C540B C540-R C270B C270-R Displacement Spostamento, (mm) [mm]

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28 INTERVENTO DI RINFORZO: PILE VIADOTTO Fori su trave Inserimento Stucco epossidico nei fori Inserimento fiocchi Adesivo Fasciatura in carbonio Strato finale di adesivo

29 Interventi di rinforzo edifici in muratura: Modello 2 Assenza del cordolo in cemento armato

30 Rinforzo Modello 2 Rinforzo con griglia in GFRP

31 Le fibre di basalto sono prodotte con la stessa tecnologia adottata per E-glass o AR-glass ma il processo produttivo richiede meno energia. Elevata resistenza e durabilità Costi ridotti Buona resistenza in condizioni di temperatura elevata Elevata disponibilità σ [MPa] FIBRE DI BASALTO Basalt Fiber Reinforced Polymers (BFRP): Proprieta Meccaniche BFRP Basalto Vetro GFRP 0 0 0,5 1 1,5 ε [%] 2 GFRP vs. BFRP: σ u (MPa) E [GPa] ε u [-] GFRP , BFRP ,0 0.02

32 CAMPAGNA SPERIMENTALE Obiettivi Valutare l efficacia del confinamento con fibre di basalto Comparare l efficacia di tecniche di confinamento basate sull utilizzo di matrici in resina o in malta cementizia con fibre di vetro o basalto Campagna Sperimentale - 23 cilindri Preparazione dei provini: Tessuto bidirezionale in basalto (pre-impregnato con resina) e matrice in malta cementizia: BRM+Resin H=300 mm Basalt fibres 1 st layer mortar (4 mm) Resin preimpregnatio n Basalt sheet application 2 nd layer mortar (4mm) D=150 mm f co 18 MPa W/C=0,7

33 La Campagna sperimentale - pilastri in muratura di tufo a sacco Serie U Serie GRM Serie RM Serie C Serie G As built GFRP grid e malta cementizia Fascaitura con malta cementizia Fasciatura in CFRP Fasciatura in GFRP 50cm 22cm 22cm

34 La Campagna sperimentale - pilastri in laterizio Serie U Serie GRM Serie RM Serie B Serie G As built GFRP grid e malta cementizia Fascaitura con malta cementizia Fasciatura in BFRP Fasciatura in GFRP 56cm 25cm 25cm

35 Confronto tra le diverse tipologie di rinforzo 12 σ [MPa] 10 BFRP RM (CARICO ASSIALE) 8 GFRP GRM 6 U (NON CONFINATO) 4 2 εa [-] 0 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 Serie U Gr Br GRM RM Serie U Gr Br GRM RM Resistenza a compressione Media f mcd COV SD (%) 6,4 1,4 22 Incremento (%) - 9,9 1, ,1 0, ,9 1, ,3 0, Deformazione assiale ultima Media ε mcu COV Incremento SD (%) (%) 0,005 0, ,016 0, ,023 0, ,003 0, ,003 0,

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