Materiali ed Approcci Innovativi per il Progetto in Zona Sismica e la Mitigazione della Vulnerabilità delle Strutture Università degli Studi di Salerno – Consorzio ReLUIS, 12-13 Febbraio 2007 ANALISI NUMERICA E SPERIMENTALE DI SISTEMI DI RINFORZO IN FRP PER STRUTTURE ED ELEMENTI METALLICI M. Bocciarelli, P. Colombi, G. Fava e C. Poggi Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Politecnico di Milano RELUIS: Materiali innovativi per la riduzione della vulnerabilità nelle strutture esistenti 2 Task 8.1 Materiali - Unità del Politecnico di Milano (Prof. C. Poggi) 35 1. Analisi delle proprietà meccaniche e di durabilità degli FRP (CFRP e AFRP) e degli adesivi: cicli termici, di umidità, raggi UV e nebbia salina. Stress [MPa] 30 25 20 Extensometer 1 LVDT 1 Extensometer 2 LVDT 2 Extensometer 3 LVDT 3 15 10 5 0 0.0% 0.1% 0.2% 0.3% Strain [mm/mm] 2. Caratterizzazione di nuovi materiali compositi (lamine e barre in FRP) e descrizione di un modello di scheda tecnica. 3. Studio sperimentale di elementi strutturali rinforzati con FRP con provini sottoposti a cicli di variazione di temperatura ed umidità, esposizione a raggi ultravioletti ed ambiente salino. 4. Raffinamento dei coefficienti di conversione delle resistenze degli FRP e degli adesivi. 0.4% 0.5% Attività di Ricerca al Politecnico di Milano 1) Rinforzo strutturale di elementi metallici Prove sperimentali Prove di trazione su giunti; Prove di flessione su travi Modelli analitici per la valutazione della distribuzione di sforzi e dei parametri della meccanica della frattura Two parameters elastic foundation Sezione omogeneizzata Analisi ad elementi finiti Modelli 3D Tecnica Three layer technique Modelli coesivi 2) Durabilità agli agenti atmosferici Cicli termici e/o sali antighiaccio 3) Fatica 3 Rinforzo strutturale di elementi metallici Prove Sperimentali Acciaio: CFRP: Adesivo: Prove di trazione su giunti 4 1 ‘double shear lap’ Fe E 275 ( fy= 275 MPa ; ft ≥ 430 MPa) Sika® CarboDur® M614 ( E > 200 GPa; ft > 2800 MPa) Sikadur ® 30 (E = 4500 MPa; ft ≥ 24.8 MPa) Il provino ‘double shear lap’ riproduce materiali ed interfacce in elementi metallici rinforzati con CFRP. Sezione 60 x 10 Sezione 30 x 10 Rinforzo strutturale di elementi metallici Prove Sperimentali Acciaio: CFRP: Adesivo: Prove di flessione su travi Fe E 275 ( fy= 275 MPa ; ft ≥ 430 MPa) Sika® CarboDur® M614 ( E > 200 GPa; ft > 2800 MPa) Sikadur ® 30 (E = 4500 MPa; ft ≥ 24.8 MPa) 120 100 load [kN] 80 60 L = 2m L = 1.75m L = 1.5m L = 1.25m L = 1m No Reinf 40 20 0 0 10 20 displacement [mm ] 30 40 5 6 Rinforzo strutturale di elementi metallici Modelli Analitici Analisi dello stato tensionale basata su criteri di equilibrio e congruenza 0.35 0.3 σ τ stress [MPa] 0.25 All’estremità della lamina si ricava: σ1 = σ ⎛σ ⎞ 2 + ⎜ ⎟ +τ 2 ≤ σ 2 ⎝2⎠ shear stress peel stress 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0 50 100 150 200 Distance from the CFRP end [mm] 250 Rinforzo strutturale di elementi metallici 7 Modelli Numerici MODELLI 3D: inizialmente usati per modellare i giunti in campo elastico. THREE LAYER TECHNIQUE: Adesivo, metallo e rinforzo modellati come piastre, relazioni cinematiche impongono continuità degli spostamenti all’interfaccia e simulano la progressiva delaminazione. MODELLI COESIVI: colgono il meccanismo di delaminazione tramite elementi d’interfaccia e un’opportuna legge coesiva Rinforzo strutturale di elementi metallici 8 Confronto tra modelli analitici e numerici Analisi parametriche adhesive shear stress 0 -2 τ [MPa] -4 -6 -8 -10 Analytical FEM3D FEM3L -12 -14 0 10 20 30 40 50 x [mm] 60 70 80 90 100 I valori di sforzo necessari per innescare la delaminazione sono pari a circa 20 MPa. 9 Rinforzo strutturale di elementi metallici Approccio energetico L’energia rilasciata G viene determinata a partire dall’energia potenziale dell’intera struttura prima e dopo che avvenga la propagazione virtuale della delaminazione. 250 50 B5 B4 B3 45 200 35 G (ERR) [J/m2] 2 G (ERR) [J/m ] 40 150 I modelli teorici, numerici e le prove sperimentali sono stati confrontati e risultano coerenti. Si determina il valore critico di sforzo principale e di tasso di energia rilasciato. A partire dai modelli sviluppati e variando i parametri legati alla b (crack length) [mm] progettazione del rinforzo è possibile valutare come varia lo sforzo ladi fessura lungo il giunto G. adesivo si propaga in modo instabile. Se G I > principale eG il tasso energia rilasciato IC 30 25 20 100 15 50 10 G Analyt. G Trans Sect FEM 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0 100 200 300 400 500 600 a (distance between support and CFRP end) [mm] 700 I valori di energia necessari per innescare la delaminazione risultano sempre superiori al valore critico di circa 100 J/m2. 10 Durabilità agli agenti atmosferici 2 1000 mm 500 mm Prove Sperimentali Cicli termici 1.4 ΔT2 Sali antighiaccio [H2O] = 95 % ; [NaCl] = 5 % 1.2 1 ΔT1 normalized load normalized load NS2 NSΔT 1.2 Cicli termici -20 °C (6 h) + 50 °C (6 h) Sali antighiaccio 1.4 UC 0.8 0.6 0.4 1 UC 0.8 0.4 0.2 0.2 0 0 0 0.5 1 1.5 normalized displacement 2 NS1 0.6 0 0.5 1 1.5 normalized displacement 2 11 Durabilità agli agenti atmosferici normalized load Prove Sperimentali Cicli ΔT2 termici 1.5 1 – 11% 0.5 0 normalized load 500 mm 1000 mm 0 5 10 15 20 25 normalized displacement ΝS2 Sali antighiaccio 1.5 1 – 40% 0.5 0 0 5 10 15 20 25 UC normalized load normalized load normalized displacement 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 normalized displacement 20 25 Cicli termici ΝSΔT e sali antighiaccio 1.5 1 – 64% 0.5 0 0 5 10 15 normalized displacement 20 25 Prove Sperimentali 6 mm 50 mm normalized load Durabilità agli agenti atmosferici JUC Non condizionato 1.5 1 0.5 0 xx normalized load 0 y 12 2 4 6 8 normalized displacement 10 12 JNS2 Sali antighiaccio 1.5 1 – 22% 0.5 0 0 2 4 6 8 normalized displacement 10 12 normalized load Le prove hanno interessato un solo tipo di adesivo. I cicli termici non alterano le proprietà dell’adesivo, possono Cicli termicima eJNSDT sali antighiaccio 1.5 produrre microfessurazioni nell’adesivo, che facilitano le infiltrazioni 1 – 50% d’acqua all’interfaccia. 0.5 L’effetto combinato di cicli termici e l’elevata umidità determinata dalla 0 0 2 4 6 8 10 12 fase in nebbia salina hanno un effetto pregiudizievole sul sistema. normalized displacement 13 Fatica 3 Prove sperimentali Specimen Δσ[MPa] Load [kN] R (min/Max) FT1 83 min 17; max 42 0.4 FT2 100 min 20; max 50 0.4 FT3 120 min 24; max 60 0.4 FT4 160 min 32; max 80 0.4 50 ULTIMATE STRENGTH Load [kN] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 40 60 60 35 1 . 10 3 cycles 0.1409 J 50 30 50 25 40 40 20 0 0.1 0.2 0.3 Time [sec] load [kN] Δσ [MPa] 45 0.4 0.5 30 30 2.5 . 10 6 cycles 0.2124 J 20 20 10 10 0 1 FT1 2 FT2 3 FT3 4 FT4 0 16 16.1 16.2 16.3 16.4 displacement [mm] 16.5 14 Fatica Risultati 105.00 95.00 FT1 (83) 90.00 FT2 (100) 85.00 FT4 (160) 80.00 10000 100000 500 FT3 (120) 1000000 N 10000000 12 5 10 1 0 12 9900 80 100000000 Quando si innesca la delaminazione, la rigidezza si riduce progressivamente. La perdita di rigidezza è il primo segnale di collasso del sistema. [MPa] Stiffness Reduction [%] 100.00 95% Stiffness 85% Stiffness 100 50 1.E+05 1.E+06 Number of Cycles N 1.E+07 15 Per ulteriori informazioni: www.stru.polimi.it