Università degli Studi della Calabria

Transcript

1 Università degli Studi della Calabria FACOLTA DI INGEGNERIA Dipartimento di Strutture Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Edile TESI DI LAUREA Calcestruzzo confinato con compositi a matrice cementizia (PBO-FRCM): modellazione e sperimentazione RELATORE Prof. Ing. L. Ombres CANDIDATO Fabio Barbuto Matricola: Anno accademico

2 Introduzione La necessità di rinforzare le strutture di edifici in calcestruzzo armato o in muratura danneggiate dai terremoti e di recuperare edifici per nuove esigenze (es. variazione della destinazione d uso, presenza di azione non previste nella progettazione originale), ha portato a studiare e a sperimentare diverse tipologie di rinforzo strutturale. A partire dalla metà del 900, grazie alla scoperta e all utilizzo di nuovi materiali, si sono venute a creare diverse tecniche di rinforzo strutturale basate sull utilizzo di materiali compositi artificiali. La prima metodologia usata è stata il sistema FRP (Fiber Reinforced Polymers), che ad una matrice organica unisce fibre di carbonio; successivamente sono stati usati diversi materiali con diverse caratteristiche meccaniche per creare fibre come l aramide e le fibre di vetro. I materiali compositi artificiali, al contrario di come si possa pensare, hanno una lunga storia; i primi materiali compositi inventati dall uomo sono stati i mattoni costituiti da paglia e fango combinati insieme. Successivamente sono stati messi a punto altri materiali compositi, tra cui il compensato, il calcestruzzo, e il calcestruzzo armato, nonché il tristemente famoso fibrocemento rinforzato con le fibre di amianto. I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti, e a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice o rinforzo. L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime (a questo scopo fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e massa volumica

3 decisamente bassa 1 : per questo motivo i compositi sono largamente usati nelle applicazioni dove la leggerezza è molto importante, come negli edifici in campo sismico (dove è fondamentale non inserire nuove masse sismiche). La matrice è costituita da una fase continua omogenea, che ha il compito di: racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale composito (e degli eventuali strati di cui esso è composto, nel caso di composito laminato); garantire che le particelle o le fibre di rinforzo presentino la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione. Nella maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perché garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno però il difetto di calare drasticamente le prestazioni al crescere della temperatura. Nei materiali compositi a matrice polimerica si possono utilizzare come matrice ad esempio le resine epossidiche (le stesse usate in alcuni adesivi e poliesteri). 2 Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa, che viene appunto dispersa in varie modalità all'interno della matrice e ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. A seconda del tipo di rinforzo, i materiali compositi si suddividono in: compositi particellari; compositi rinforzati con fibre; 1 wikipedia.org 2 wikipedia.org 2

4 compositi strutturati (ad esempio pannelli a sandwich e materiali compositi laminati). Nei compositii particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche, ovvero il rapporto tra diametro e lunghezza di ogni particella è circa unitario (mentre le fibre sono più sviluppate in lunghezza). Le proprietà chimico-fisiche dei materiali compositi particellari dipendono dalla geometria del sistema particellare, ovvero: dimensioni e forma delle particelle; concentrazione, distribuzione e orientamento delle particelle all'interno della fase dispersa. I compositi rinforzati con fibre si possono suddividere in tre tipologie a seconda dei differenti tipi di fibra: compositi a fibre continue (o lunghe); compositi a fibre discontinue (o corte) allineate tra loro; compositi a fibre discontinue (o corte) disposte in maniera casuale. 3 Figura 1: tipologie di fibre per il materiale composito 3 Wikipedia.org 3

5 I materiali compositi con fase dispersa fibrosa, invece, presentano una spiccata anisotropia. Questa anisotropia non si riscontra (o per lo meno è molto minore) nei compositi particellari, nella misura in cui dette particelle sono equiassiche. L'anisotropia, se controllata, può costituire un vantaggio: il materiale viene rinforzato in quelle direzioni dove si sa verrà caricato e dunque le prestazioni vengono ottimizzate (come nel caso dei compositi a fibre continue). Se, invece, è dovuta a fenomeni più difficilmente controllabili (ad esempio flusso plastico del materiale in uno stampo, come nel caso dei compositi a fibre corte) diviene problematica perché l'orientazione delle direzioni di massimo rinforzo difficilmente coincide con quella desiderata. 4 In questo lavoro di tesi sono stati usati compositi rinforzati con fibre continue di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) e un nuovo sistema di rinforzo strutturale (FRCM, Fiber Reinforced Cementitious Matrix) basato sull utilizzo di una matrice inorganica a base cementizia su provini cilindrici in calcestruzzo; in particolare si vogliono determinare i benefici che tale confinamento (PBO-FRCM) apporta. Inizialmente sono stati studiati diversi modelli di confinamento esistenti, che sono stati di riferimento per la sperimentazione effettuata; sono stati successivamente confezionati provini cilindrici in calcestruzzo di dimensioni 150 mm di diametro e 300 mm di altezza i quali, dopo una maturazione di 28 giorni, sono stati fasciati con diversi strati di rinforzo in PBO (da uno a quattro) a diverse angolazioni (90, 45 e 30 ) rispetto alla verticale del provino e sottoposti ad una prova di compressione statica fino a rottura. Dai dati ottenuti da tali prove di compressione si sono ricavati i diagrammi carico-spostamento e tensione-deformazione (assiale e radiale), i 4 wikipedia.org 4

6 quali sono stati inizialmente confrontati fra di loro e successivamente confrontati con diversi modelli per la valutazione delle prestazioni di elementi strutturali cilindrici sottoposti a compressione e confinati con materiali compositi. E stato inoltre costruito un modello ex novo, complessivamente attendibile, per la valutazione delle prestazioni di elementi cilindrici sottoposti a compressione e confinati con il sistema PBO-FRCM tarando opportuni coefficienti. Programma di sperimentazione Nei recenti anni sono stati innumerevoli gli studi sui sistemi rinforzanti di strutture in cemento armato basati sull indagine costi benefici. Valide soluzioni per il miglioramento strutturale hanno catturato l interesse delle comunità di ricerca e, alla luce del nuovo codice sismico, sono stati rivisti e modificati i metodi tradizionali e sviluppati nuovi metodi, basati sull uso di materiali avanzati come l FRP (Fiber Reinforced Polymers). L utilizzo del composito FRP, applicato esternamente alla struttura da rinforzare, ha aumentato enormemente la possibilità di riparazione delle strutture in cemento armato inadeguate. Gli elementi strutturali che più avrebbero bisogno di essere rinforzati sono le colonne in calcestruzzo armato, per questo motivo sono stati condotti diversi studi sulle colonne confinate e rinforzate con FRP sia con carico centrato, sia con carico eccentrico. L obiettivo della sperimentazione svolta è quello di analizzare il comportamento del calcestruzzo confinato sotto un carico centrato di compressione. Sono stati realizzati, quindi, provini cilindrici in calcestruzzo rivestiti con la tecnica FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). Il sistema FRCM è un modello innovativo di confinamento in quanto utilizza 5

7 una matrice a base cementizia e non organica con fibre in PBO, caratterizzate da elevato modulo elastico, da notevole tenacità e resistenza a trazione. I vantaggi principali del sistema FRCM rispetto al sistema FRP sono: Applicabilità nel caso di superfici bagnate; Bassi costi per la matrice a base cementizia; Non vi sono rischi per i lavoratori, in quanto la matrice non contiene solventi (presenti invece nelle resine epossidiche). Il sistema PBO-FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) è un sistema composito costituito da una rete di fibre di Poliparafenilenbenzobisoxazolo (PBO) e da una matrice inorganica stabilizzata studiata per rendere solidale la rete al supporto di calcestruzzo, che consente di trasmettere le sollecitazioni dalla struttura alla fibra. Grazie alle proprietà meccaniche delle fibre utilizzate per realizzare il composito (PBO), è possibile utilizzare questo sistema per ridurre le deformazioni ed aumentare la resistenza delle strutture ed inoltre per assorbire gli sforzi generati dai sovraccarichi e dagli eventi eccezionali (come ad esempio i terremoti). Il sistema FRCM viene impiegato per il rinforzo sia delle strutture in calcestruzzo armato, sia per le strutture in calcestruzzo armato precompresso, comprese quelle soggette all azione del fuoco o ad alte temperature. Le principali applicazioni sono per il: rinforzo a flessione; rinforzo a taglio; rinforzo a torsione; confinamento di pilastri presso inflessi con piccola eccentricità; confinamento e rinforzo longitudinale di pilastri pressoinflessi con grande eccentricità. 6

8 adatto per: Per quanto riguarda gli interventi in zona sismica, il sistema FRCM è incrementare la resistenza a flessione semplice o a pressoflessione di pilastri e travi; incrementare la resistenza a taglio di travi e pilastri; incrementare la duttilità di travi e pilastri; incrementare la resistenza a trazione dei pannelli dei nodi travepilastro con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione. Per potere applicare il rinforzo sugli elementi strutturali, con il sistema FRCM, bisogna preparare il sottofondo, eliminando polvere e parti incoerenti, procedendo, quindi, ad una sabbiatura meccanica o con idropulitrice fino ad una totale eliminazione dello strato millimetrico della boiacca cementizia. Particolare attenzione deve essere rivolta ai residui lasciati dai trattamenti superficiali, quali pitture, disarmanti, isolanti ecc. Dopo questa operazione bisogna assicurarsi che la superficie risulti planare, se così non fosse, qualora sulla superficie fossero presenti difetti macroscopici, bisogna regolarizzare la superficie con malta, lasciando smussati gli spigoli da fasciare. Una volta predisposta la superficie dell elemento da fasciare, bagnata con acqua fino a saturazione, bisogna preparare la matrice a base cementizia (nel nostro caso una matrice RUREDIL XMESH M750) evitando la formazione di grumi. Prima di venire applicato, l impasto dovrà riposare per circa 2-3 minuti, quindi rimescolato ed applicato; l applicazione della malta, dello spessore di 3-4 mm, può essere effettuata con frattazzo metallico liscio anche da manovalanza non specializzata. Dopo l applicazione del primo strato di malta si annega la rete di fibre in PBO e si ricopre con un secondo strato di malta di circa 3-4 mm. 7

9 L innovazione del sistema FRCM è data dall uso di matrici inorganiche a base cementizia (prodotti di recentissima immissione nel campo dei materiali compositi con fibre). Le matrici sono costituite da un legante idraulico pozzolanico e da additivi specifici che favoriscono lo sviluppo di caratteristiche meccaniche e fisiche differenti da quelle tipiche degli FRP con matrici organiche a base polimerica, tra cui le più utilizzate sono le resine epossidiche. Le differenze principali tra la matrice a base cementizia e le resine epossidiche (matrice organica a base polimerica) sono: Il modulo elastico: La matrice a base cementizia ha un valore di 6 GPa, mentre la resina epossidica ha un valore tra 2.7 e 3.6 GPa; La resistenza a trazione: la matrice cementizia ha un valore di 3.5 MPa dopo una stagionatura di 28 giorni e la resina epossidica ha un valore di MPa; Resistenza alle alte temperature: La matrice inorganica ha una resistenza identica a quella del supporto in calcestruzzo, mentre la resina epossidica perde la propria caratteristica strutturale e di adesione con temperature maggiori ad 80 C; L idoneità all umidità del supporto: l umidità favorisce l adesione della matrice cementizia perché a base inorganica, mentre non permette l applicazione delle resine epossidiche; La lavorabilità: La matrice cementizia ha un range di temperatura molto ampio, tra i 5 C e i 40 C, nel quale non vi sono grandi differenze di lavorabilità, mentre le resine epossidiche hanno un pot life in funzione della temperatura e, conseguentemente, limitano l applicazione degli FRP quando le condizioni termo igrometriche sono sfavorevoli; 8

10 La tossicità: Nulla nella matrice a base cementizia e alta nelle resine epossidiche (sono infatti pericolose sia per contatto e sia per inalazione); Il comportamento a rottura: duttile per la matrice cementizia e fragile per le resine epossidiche; La viscosità: alta allo stato fluido per la matrice cementizia, che quindi corrisponde ad una difficile impregnazione delle fibre, bassa allo stato fluido per le resine epossidiche che permettono una ficile impregnazione delle fibre; La modalità di pulizia degli attrezzi utilizzati per la posa: con sola acqua per gli attrezzi utilizzati per la matrice cementizia e con solventi o acetone per quelli usati per le resine epossidiche. La resistenza al fuoco: Le proprietà meccaniche del rinforzo del sistema FCRM non sono influenzate dalle alte temperature e dal fuoco, essendo la matrice legante di natura inorganica, mentre le resine epossidiche ed il sistema FRP devono avere un adeguata protezione al fuoco (come indicato nel CNR DT 200/2004). Come si evince, l utilizzo di una matrice a base cementizia rispetto alle resine epossidiche è più conveniente, più sicuro e di più facile realizzazione (tranne per la difficoltà di impregnazione delle fibre una volta applicato il primo strato di matrice cementizia). La convenienza è data da un costo minore per la realizzazione e la sicurezza è data dall ottimo comportamento dell elemento strutturale rinforzato ad alte temperature; Infatti la resistenza a flessione del calcestruzzo decade in modo drastico a temperature superiori a +130 C, mentre i tradizionali sistemi FRP perdono completamente le proprie prestazioni meccaniche dopo 1 ora a +80 C, a causa della resina che da rigida diventa gommosa. Essa perde inoltre le sue 9

11 proprietà di trasferire gli sforzi dal calcestruzzo alla fibra di carbonio a partire da +45 C. 30 T = +80 C U.R. = 100% Carico Massiomo (kn) Cls non rinforzato C-FRP FRCM 0 28 Giorni 60 Giorni Figura 2:Confronto prestazionale tra diversi provini in condizioni termo igrometriche di + 80 C e U.R. =100% durante un test accelerato In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. è riportato un test accelerato alle condizioni termo igrometriche di + 80 C con una umidità relativa U.R. pari al 100%; questo test mette a confronto un provino di calcestruzzo, uno di calcestruzzo rinforzato con C-FRP ed un altro rinforzato con il sistema FRCM, come si può notare il provino di calcestruzzo confinato con il sistema FRCM ha un comportamento migliore in quanto il rinforzo PBO-FRCM non subisce alcuna alterazione (chimica o meccanica), mentre il C-FRP perde il 100% della sua efficacia. Le fibre di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) sono l ultimissimo ritrovato nel campo dei rinforzi strutturali (cfr. Figura 5). Il PBO è un polimero cristallino isotropo ad asta rigida ad alte prestazioni sviluppato da TOYOBO (Giappone) con il nome di PBO Zylon, che ha sia un'elevata resistenza alla trazione e sia un alta resistenza termica. La fibra di PBO, di 10

12 gran lunga superiore alle altre fibre aramidiche, mostra ottime prestazioni in proprietà quali: il creep, la resistenza chimica, la resistenza all abrasione e la resistenza ad alte temperature. Tutte queste eccezionali caratteristiche meccaniche e fisiche si arricchiscono ancora di più per il fatto che la fibra in PBO possiede una ottima stabilità ed un bassissimo assorbimento in ambiente umido (0.6%) e una discreta flessibilità (le caratteristiche del PBO sono riportate in Figura 3). Il PBO Zylon è stato inventato e sviluppato negli anni 80 ed è stato usato per diverse applicazioni che necessitavano una alta resistenza del materiale con una alta stabilità termica, quali: racchette da tennis, funi e corde per la nautica, ecc. Successivamente, negli anni 90, le fibre di Zylon sono state introdotte nel campo militare come vestiario antiproiettile, ma solo negli ultimi anni è iniziata la sperimentazione nel campo dell ingegneria per sostituire la fibra di carbonio. Figura 3: Caratteristiche PBO Da un confronto tra diverse tipologie di fibre (carbonio, vetro, aramidiche e PBO), cfr. Figura 4, si può notare, come già sottolineato precedentemente, che le caratteristiche meccaniche delle fibre in PBO sono superiori a quelle delle altre fibre, infatti le fibre in PBO hanno un elevato valore di carico a rottura con una discreta duttilità. 11

13 PBO 5000 Tensione (MPa) Carbonio Aramide H-M Aramide Vetro - S Carbonio H-M 2000 Vetro -E 1000 Acciaio Deformazione % Figura 4: Confronto tensione-deformazione tra le fibre di: carbonio, vetro, aramide e PBO Figura 5: Fibre di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) 12

14 I maggiori obiettivi del programma di sperimentazione svolto presso il Laboratorio Prove Materiali e Strutture del Dipartimento di Strutture dell Università della Calabria sono: Investigare l efficacia del confinamento delle fibre di PBO impregnate con malta a base cementizia (FRCM) su provini cilindrici (con diametro pari a 150 mm e altezza pari a 300 mm) al variare della loro inclinazione a 90, 45 e 30 rispetto alla verticale; Confrontare le prestazioni (in termini di tensione e di deformazioni assiali) del confinamento con fibre in PBO con diversa angolazione (α= 90, 45 e 30 ); Confrontare le prestazioni (in termini di picco della forza e incrementi di deformazioni assiali ultime) dei provini cilindrici con diverso valore della resistenza a compressione del calcestruzzo, Rck, e con diversa angolazione (α= 90, 45 e 30 ), confinati usando il sistema FRCM. Le diverse fasi che hanno caratterizzato il programma di sperimentazione si possono sintetizzare come segue: Realizzazione di provini cilindrici in calcestruzzo (con Rck=20 N/mm 2 ed Rck=35 N/mm 2 ); Applicazione del confinamento in FRCM, con diverse angolazioni, sui provini cilindrici; Prove di compressione su provini cilindrici di controllo non confinati per determinare le caratteristiche meccaniche; Prove di compressione su provini cilindrici confinati per l aumento delle caratteristiche meccaniche rispetto ai provini di controllo non confinati; Elaborazione dei risultati; 13

15 Confronto dei risultati tra provini con medesimo Rck, ma con angolazione delle fibre in PBO differente; Confronto dei risultati tra i diversi provini cilindrici con Rck differente e con angolazione delle fibre in PBO differente. 14