UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA (CLASSE DELLE LAUREE SPECIALISTICHE IN INGEGNERIA CIVILE, CLASSE N. 28/S) DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L INGEGNERIA E L ARCHITETTURA ABSTRACT PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI IN CALCESTRUZZO ARMATO RINFORZATE CON LAMINE DI FRP MEDIANTE LE TECNICHE EBR ED NSM RELATORE Ch.mo Prof. Ing. Emidio Nigro CORRELATORE Ing. Antonio Bilotta CANDIDATO Sandro Mautone Matr. M56/34 ANNO ACCADEMICO 11/12

2 Nel presente Lavoro di Tesi si è trattato il tema del rinforzo a flessione di travi in calcestruzzo armato rinforzate con lamine (materialicompositi fibrorinforzati- FRP) mendiante le tecniche di rinforzo ExternallybondedReinforcement (EBR) e NearSurfaceMounted (NSM). NelCapitolo 1 si fornisce una panoramica introduttiva sui materiali FRP, che hanno progressivamente sostituito le convenzionali tecniche di rinforzo delle strutture in calcestruzzo armato. Infatti, nonostante le fibre e resine costituenti materiali FRP risultino relativamente costose, se confrontate con i tradizionali materiali da rinforzo strutturale quali calcestruzzo e acciaio, il crescente interesse riguardante questo innovativo sistema di rinforzo può essere attribuito a diversi fattori, quali: costi di istallazione, manodopera ed attrezzature utilizzate, facilità di utilizzo in aree non facilmente accessibili, basso peso specifico, procedura di messa in opera semplice, elevata durabilità e resistenza a trazione, permeabilità elettromagnetica, resistenza alla corrosione, praticamente illimitata disponibilità in termini di geometria e dimensioni. La ricerca bibliografica effettuata nell ambito del Lavoro di Tesi (Capitolo 2) ha messo in luce la necessità di investigare l influenza della tipologia di carico applicata sulla trave (distribuito o concentrato) sul fenomeno di delaminazione. Infatti l efficacia del rinforzo applicato mediante le tecniche dipende fortemente dal meccanismo di aderenza che siinstaura all interfaccia con il supporto, soprattutto in assenza di dispositivi di ancoraggio.la perdita di aderenza porta alla rottura per delaminazione del rinforzo, estremamentepericolosa in quanto avviene in maniera fragile ed in corrispondenza di stati tensionali nelcomposito notevolmente piu bassi di quelli a rottura registrati attraverso prove ditrazione su coupon in composito. Per i sistemi EBR alcuni studi di letteratura hanno mostrato che il fenomeno del distacco del rinforzo quando il carico è applicato in maniera distribuita potrebbe avvenire per valori di deformazione e quindi tensione nel rinforzo maggiori di quelli per i quali avviene quando il carico è applicato in maniera concentrata. Per quanto concerne la tecnica NSM non sono stati trovati risultati di prove sperimentali o indagini numeriche che tenessero conto dell influenza della tipologia di carico sul fenomeno del distacco del rinforzo.

3 Sulla base di tali considerazioni, al fine di studiare il comportamento di travi in calcestruzzo armato (c.a.), rinforzate con lamine in fibra di carbonio e resina epossidica, applicate all intradosso delle travi stesse, mediante adesivo epossidico, secondo le due tecniche NSM ed EBR, è stata condotta una campagna sperimentale. NelCapitolo 3 si mostra il programma delle prove eseguite. In particolare sono state testate 11 travi in c.a. caricate a flessione con schema statico di appoggio-appoggio all interassedi 2.1 m. STIRRUPS 6 / mm 19 FRP (EBR or NSM) STEEL REBARS a) 1 23 (5x15) 3 (5x15) 1.4x4 (b) 23 (1.4x) (1.4x13.3) 3 (1.4x) (1.4x13.3) (c) (d) Figura 1: geometria delle travi e del rinforzo: a) sezione longitudinale; b) sezione trasversale delle travi con EBR; c) sezione trasversale delle travi con NSM, d) strisce NSM nelle scanalature Con l obiettivo di valutare l effettiva influenza dello schema di carico sul distacco del rinforzo, il carico è stato applicato secondo due differenti schemi: - Schema a flessione con due forze concentrate a distanza di circa 25 cm dalla mezzeria. - Schema a flessione con carico uniformemente distribuito applicato mediante otto coltelli di carico a distanza di 25cm lungo l asse della trave.

4 F FRP Figura 2: schema statico di un provino testato con carico concentrato Figura 3: test set-up: 4 punti di applicazione del carico F FRP Figura 4: schema statico di un provino testato con carico uniformemente distribuito Figura 5: test set-up: carico uniformemente distribuito

5 Inoltre al fine di consentire un accurata interpretazione del comportamento dei provini sono stati applicati su di essi numerosi straingauges, per la registrazione delle deformazioni lungo le lamine all intradosso e del calcestruzzo nella zona compressa di mezzeria, e trasduttori di spostamento (LVDT) per monitorare gli abbassamenti della trave. I risultati mostrati nelcapitolo 4consentono di: - Valutare la resistenza a flessione e la rigidezza delle travi non rinforzate. - Valutare l incremento di resistenza e rigidezza, ottenuto con la tecnica EBR ed NSM - Confrontare il comportamento delle travi rinforzate mediante le due tecniche - Confrontare il comportamento delle travi rinforzate con ciascuna tipologia di tecnica, al variare della condizione di carico (i.e. concentrato e distribuito). In particolare dal confronto (Figura 6) tra la curve sperimentali relative alla tipologia non rinforzata e rinforzata con EBR (con carico concentrato) si è notato un miglioramento delle caratteristiche di resistenza e di rigidezza dell elemento. L incremento di resistenza che comporta l utilizzo della tipologia EBR_CONC_1.4x4_1 rispetto alla NUDA_CONC_1 è del75%. Per quanto riguarda il confronto tra la EBR_CONC_1.4x4_2 e la NUDA_CONC_2, si nota un incremento di resistenza del 81%. I risultati, molto simili se si pensa alla fragilità che caratterizza la modalità di rottura (delaminazione), testimoniano la bontà della preparazione dei provini e dell esecuzione delle prove. Si è osservato, inoltre, che entrambi provini rinforzati, con la tecnica EBR, hanno mostrato un incremento di rigidezza. Dal confronto (Figura 7) tra la curva sperimentale relativa alla tipologia non rinforzata e rinforzata con EBR (con carico distribuito) si è registrato un incremento di resistenza In particolare in un caso si è ottenuto un incremento pari al 63% nell altro del 41%. Ciò ha indicato una dispersione dei dati sperimentali probabilmente legata alla maggiore interazione tra il taglio e il momento nel caso di applicazione del carico distribuito. In ogni caso entrambe le travi rinforzate hanno mostrato un incremento di rigidezza.

6 CONFRONTI NUDA-EBR (CONC) NUDA_CONC_1.4x4_2 NUDA_CONC_1.4x4_1 EBR_CONC_1.4x4_2 EBR_CONC_1.4x4_ CONFRONTI NUDA-EBR (DIST) NUDA_DIST EBR DIST_1.4x4_1 EBR_DIST_1.4x4_ Figura 6: Confronto sperimentale tra la tipologia NUDA_CONC ed EBR_CONC Figura 7: Confronto sperimentale tra la tipologia NUDA_DIST ed EBR_DIST Dal confronto (Figura 8) tra le curve sperimentali relative alle tipologie rinforzate con tecnica NSM con le travi non rinforzate (carico concentrato) si riscontra un incremento di resistenza di circa il 55% nonostante le due travi avessero quantitativi di rinforzo differente. Inoltre, rispetto alla tecnica EBR, l incremento di resistenza è leggermente più basso, ma l efficienza è chiaramente più elevata, se si fa riferimento, ad esempio, alle due strip, caratterizzate da un area complessiva pari alla metà dell area della lamina. (28mm 2 vs 56 mm 2 ). Infine si è osservato che l incremento di rigidezza, ottenuto con la tecnica NSM è minore di quello ottenuto con la tecnica EBR, non solo per i minori quantitativi di rinforzo in FRP, ma anche a causa della maggiore deformabilità del sistema di rinforzo, causata dagli spessori di adesivo più elevati. Dal confronto (Figura 9) tra le curve sperimentali relative alle tipologie rinforzate con tecnica NSM con le travi non rinforzate (carico distribuito) si nota un incremento del 55% per due strip e del 47% per tre strip. Tale differenza (55 kn vs 47 kn) è giustificata dalla differente modalità di rottura (debonding vs taglio) che ha caratterizzato le due prove. Infatti, avere inserito una strip in più, può aver ridotto la resistenza a taglio del travetto. In ogni caso, le differenze di carico sono piccole e

7 rientrano nei livelli di incertezza dei meccanismi di crisi fragili. Infine, per quanto riguarda la rigidezza, si osserva che con due strip non si è ottenuto alcun incremento di rigidezza e questo sembrerebbe indicare una scarsa efficienza della tecnica NSM, in termini di rigidezza. Inoltre, con tre strip, l incremento di rigidezza è piuttosto basso rispetto a quello mostrato dalle travi rinforzate con le lamine esterne (EBR), nonostante i quantitativi di rinforzo siano simili (42mm 2 vs 56mm 2 ). Ciò sembra confermare che con la tecnica NSM si raggiunge un incremento di rigidezza minore rispetto a quello che si raggiunge con la tecnica EBR, probabilmente a causa dei maggiori spessori di adesivo utilizzati per riempire le scanalature CONFRONTI NSM-NUDA (CONC) NSM_CONC_2x1.4x_1 NSM_CONC_3x1.4x_1 NUDA_CONC_1 NUDA_CONC_ CONFRONTI NUDA-EBR (DIST) NUDA_DIST NSM_DIST_2x1.4x_1 NSM_DIST_3x1.4x_ Figura 8: Confronto sperimentale tra la tipologia NUDA_CONC ed NSM_CONC Figura 9: Confronto sperimentale tra la tipologia NUDA_DIST ed NSM_DIST Infine nelcapitolo 5 sono mostrati i confronti di alcune letture sperimentali, eseguite durante le prove (relative allo spostamento in mezzeria, registrato attraverso l utilizzo di LVDT e alle deformazioni del rinforzo, registrate mediante gli straingauges), con le previsioni di alcuni modelli teorici semplici. Tali confronti hanno mostrato la necessità di tener conto delle non linearità dei

8 materiali che i modelli semplificati utilizzati non considerano al fine di effettuare interpretazioni accurate confronto curve P-s (EBR_CONC_1.4x4_2) 35 P[kN] confronti curve P-s (NSM_CONC_2x1.4x_1) curva P-s (exp)) curva P-s (teor) curva P-s (exp) curva P-s (teor) Figura : curve P-s per la trave EBR_CONC_1.4x4_2 Figura 11: curve P-s per la trave NSM_CONC_2x1.4x_1.7 e CURVA e-z (EBR_CONC_1.4x4_1) 9% % % % 14.9 % 7.5 Navier (%) Navier (4%) Navier (6%) Navier (8%) SG9 SG8 SG7 SG6 SG5 SG4 SG3 SG2 SG z FiguraErrore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..12:confronto teorico-sperimentale delle deformazioni per la trave EBR_CONC_1.4x4_1

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