Università di Napoli Federico II Criteri progettuali di intervento in zona sismica per il rinorzo di strutture in cemento armato attraverso materiali compositi Ph.D. Student Marco Di Ludovico Seminario di studio sul Documento CNR-DT 200/2004 10 Giugno 2005
La Struttura Ediicio 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
Descrizione della Struttura Struttura regolare in elevazione TraviTravi e colonne di ciascun piano piano sono armate allo stesso modo Il centro di rigidezza (CR) presenta un eccentricit eccentricità pari a 1.3 m nella direzione X (~13% della dimensione in pianta) ) e 1.0 m nella direzione Y (~9.5% della dimensione in pianta) rispetto al centro di massa (CM)
Test Set-up Tre gradi di libertà per piano: due traslazioni e una rotazione attorno all asse asse verticale Quattro attuatori (dei quali tre strettamente necessari) applicati alla struttura per ciascun piano
Risultati Sperimentali Struttura non rinorzata I maggiori danni sono stati riscontrati sulle colonne: La struttura è stata progettata per soli carichi verticali nessuna attenzione alla gerarchia delle resistenze Le colonne hanno dimensioni ridotte e armatura insuiciente a sopportare sorzo normale e lessione biassiale Meccanismo di trave orte pilastro ragile con ormazione di cerniere plastiche nelle colonne La mancanza di inittimento della staatura nei nodi aumenta il rischio di enomeni locali di collasso ragile: rottura del calcestruzzo, istabilità delle barre di acciaio longitudinali, silamento delle barre
Progettazione Intervento di Rinorzo OBIETTIVI : Incrementare la duttilità globale della struttura migliorando la sua capacità di dissipare energia Prevenire meccanismi di rottura locale al ine di ottenere un soddisacente comportamento sismico strutturale Intervento di rinorzo con materiali compositi: -Consente di incrementare la duttilità -Facile e rapido da realizzare -Non incrementa la massa della struttura -Non modiica la geometria della struttura
Progettazione Intervento di Rinorzo Tre tipologie di intervento adottate al ine di incrementare: 1) Coninamento delle colonne 2) Capacità di resistenza a taglio colonna rettangolare C6 3) Capacità di resistenza a taglio nodi d angolo
Coninamento delle colonne OBIETTIVO: Incremento duttilità cerniere plastiche (nessuna modiica gerarchia resistenze) Il coninamento mediante FRP consente, di incrementare il valore della deormazione convenzioanle ultima di progetto del calcestruzzo, ε cu, ad un valore ε ccu 1.2 σ 1 σ/ cd 0.6 0.2 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 ε ε cu ε ccu ε
Coninamento delle colonne Il valore della deormazione ultima di progetto, ε ccu è ornito dalla relazione: ε = 0.0035+ 0.015 ccu l,e. : pressione eicace di coninamento = (ρ ;Ε ; ε d,rid ; p ) cd : resistenza di progetto calcestruzzo non coninato Progettazione con rierimento alla colonna centrale C3 (massimo sorzo assiale P=403. Calcolo incremento deormazione ultima mediante utilizzo di ibre di vetro e carbonio l, e cd
Coninamento delle colonne ε = 0.0035+ 0.015 ccu l, e cd 1 = k = k k k E ( ) ( ρ ε ) α 2 l, e e. l H V d, rid cd 0.83 0.85 R = 1.6 ck
Coninamento delle colonne Incrementi di deormazione ultima mediante: Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densità 900 g/m 2 Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densità 300 g/m 2 Section type Non rinorzata 1 strato GFRP 2 strati GFRP 3 strati GFRP 1 strato CFRP 2 strati CFRP 3 strati CFRP Spessore FRP t (mm) - 0.480 0.960 1.440 0.166 0.332 0.498 %Geometrica rinorzo ρ - 0.00768 0.01536 0.02304 0.00266 0.00531 0.00797 Deormazione ultima ε ccu (% (% 0 ) 3.5 8.71 10.87 12.52 8.47 10.52 12.10
Coninamento delle colonne Incrementi di deormazione ultima mediante: Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densità 900 g/m 2 Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densità 300 g/m 2 40.00 ORIGINAL ORIGINAL 35.00 30.00 Moment (knm) 3STRATI 2 STRATI 1 STRATO CFRP UNI-AX 300 g/mq. 25.00 20.00 15.00 1 STRATO 2 STRATI 3 STRATI GFRP UNI-AX 900 g/mq. 10.00 5.00 10 8 6 4 2 0.00-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Curvature (rad/mmx10 5 )
Coninamento delle colonne Scelta del tipo di ibre da utilizzare Entrambe le tipologie analizzate risultano eicaci da un punto di vista strutturale Applicazione di tipo interno: no problemi di durabilità FATTORE ECONOMICO DISCRIMINANTE NELLA SCELTA Le ibre divetroconsentonoun risparmioin termini economici di circa il 30% Rinorzo mediante 2 Strati di ibre di Vetro
Coninamento delle colonne 8 Colonne quadrate: 2 strati GFRP uniassiale 1 Piano: Testa: h= 60 cm Piede: h=77cm (60+20cm sovrapposizione: 3 cm) C8 h=97cm (70+20cm sovrapposizione 3 cm) 2 e 3 Piano : Testa: h= 60 cm Piede h=60cm C8 h=77cm (60+20cm sovrapposizione: 3 cm) 1st ply 2nd ply 1st ply 2nd plie 200mm 400mm 600mm 600mm 770mm 600mm 200mm 770mm 600mm 970mm 400mm 970mm
Rinorzo a taglio colonna rettangolare OBIETTIVO: Impedire la ormazione di meccanismi di rottura di tipo ragile La resistenza di progetto a taglio di un elemento rinorzato si valuta come: { } V = min V + V + V, V Disposizione di rinorzo prescelta: Rd Rd, ct Rd, s Rd, Rd,max laterale ad U in avvolgimento Non consentito in zona sismica
Rinorzo a taglio colonna rettangolare V = contributo cls = 123.5 kn Rd, ct V = Contributo Stae= 72.5kN Rd, s V = 196 Rd,3 kn Utilizzando tessuto quadriassiale in ibra di vetro in avvolgimento continuo, il contributo del rinorzo in FRP, V Rd, vale: 1 w, 0.9 2 (cot cot ) V = d t ϑ+ β = Rd ed 90.3 kn γ p Rd VRd = 286 kn ( + 46%),
Rinorzo a taglio colonna rettangolare 1 w V = Rd, 0.9 d ed 2 t (cot ϑ+ cot β ) γ p γ Rd Rd = 1.2 ( Taglio) 1 l sinβ 1 l sinβ e e = 1 ( ) 1 ed d + Φ R d dd 6 min{ 0.9 dh, } 2 min{ 0.9 dh, w w} l e γ ctm d d = E 2 = 0.27 d t ctm 3 c R 1 2 E Γ = γ γ t ck = 1.2 Applic. tipo" A" 2 d γ = 1.6 c Γ = 0.03k k b d b ck ctm b 2 = b b 1+ 400 b sin( θ + β) = min(0.9 d, h ) w sinθ
Rinorzo a taglio colonna rettangolare Rinorzo colonna C6: Fasciatura a tutta altezza, 2 strati di tessuto quadriassiale con sovrapposizione tra le asce di 3 cm 2 strati di QUADRI-AX 1140/48
Rinorzo a taglio colonna rettangolare Rinorzo colonna C6 Nodo: 2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm 1 Strato asce ad U rinorzo a taglio per la trave ESTERNO 25 50 25 50 20 20 20 20 1 ase 2 ase
Rinorzo struttura Rinorzo colonna C6 Nodo: 2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm 1 Strato asce ad U rinorzo a taglio per la trave INTERNO INTERNO n 2 strati di QUADRI-AX 1140/48 asciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato) 20 50 20 15 20 50 20 15 35 asciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato) 35 25 25 1 ase 2 ase
Rinorzo a taglio nodi d angolo OBIETTIVO: Impedire la ormazione di meccanismi di rottura di tipo ragile Sollecitazioni di taglio comparabili con quelle di rottura a taglio dei pannelli di nodo calcolate secondo quanto prescritto nell Ordinanza 3274: N Ordinanza 3274: Limitazioni tensionali diagonale tesa e diagonale compressa : σ nc = N 2A g N 2A g 2 + V A n g 2 0.3 c σ nc = N 2A g + N 2A g 2 V + A n g 2 0.5 Rinorzo dei pannelli di nodo con tessuto di vetro quadriassiale di vetro secondo il modello di calcolo proposto da Antonoupoulos&Triantaillou(2002) c
Rinorzo a taglio nodi d angolo Il metodo di Antonoupoulos&Triantaillou(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 Rinorzato Tensione di rottura di progetto Nodo Rinorzato
Rinorzo a taglio nodi d angolo Rinorzo nodi di vertice C2 C5 C7 C8: 2 strati di tessuto Quadriassiale + U-wrap unidirezionale (rinorzo a taglio trave) a) Rinorzo del nodo b) Pannello di nodo c) U-wrap trave
Struttura Rinorzata
Risultati Sperimentali Massimi spostamenti di inrterpiano PIANO /TEST 0.20g PGA NON RINFORZAT A 0.20g PGA FRP PIANO 1 X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 24.6 30.6 4.3 32.1 39.7 PIANO 2 X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 57.1 47.2 10.0 55.4 47.6 PIANO 3 X DIR. (mm) Y DIR. (mm) θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 35.8 32.6 7.3 34.3 31.1 0.30g PGA FRP θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 7.1 59.5 42.3 θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 12.1 106.0 55.9 θ ROT. (mrad( mrad) X DIR. (mm) Y DIR. (mm) 7.8 63.5 50.7 θ ROT. (mrad( mrad) 7.8 θ ROT. (mrad( mrad) 13.4 θ ROT. (mrad( mrad) 7.4
Risultati Sperimentali Massimi taglianti di piano TEST/PIANO PIANO 1 PIANO 2 PIANO 3 0.20g PGA NON RINFORZATA X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 193 274 X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 165 213 X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 110 166 θ ROT. (knm( knm) 955 θ ROT. (knm( knm) 728 θ ROT. (knm( knm) 709 0.20g PGA FRP X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 208 286 X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 163 258 X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 112 171 0.30g PGA FRP θ ROT. (knm( knm) X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 1070 190 277 θ ROT. (knm( knm) X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 817 168 276 θ ROT. (knm( knm) X DIR. (kn( Y DIR. (kn( 716 122 102 θ ROT. (knm( knm) 1000 θ ROT. (knm( knm) 801 θ ROT. (knm( knm) 631
Conclusioni L intervento con materiali compositi ha consentito un notevole miglioramento della capacità deormativa globale della struttura incrementando la duttilità delle cerniere plastiche e prevenendo la ormazione di meccanismi di collasso ragile