CSPfea 11 giugno 2008 Comune di Ravenna ELEMENTI DI MECCANICA DELLE MURATURE MODELLI DI COMPORTAMENTO INDAGINI DI CARATTERIZZAZIONE prof. ing. Andrea Benedetti Dip. DISTART, Univ. di Bologna Viale Risorgimento 2, 40136 BOLOGNA E-mail: [email protected] 1 Criteri di Valutazione • Requisiti di sicurezza e verifiche: – Si applica quanto detto per gli edifici di nuova costruzione • Dati necessari e livello di conoscenza: – Geometria dell’organismo murario – Dettagli costruttivi – Proprietà dei materiali 2 Rilievo della geometria 3 • Rilievo sommario: comprende il rilievo dei principali elementi strutturali resistenti a taglio, piano per piano, delle volte in muratura ed una stima a campione dell’andamento e della rigidezza dei solai. • Rilievo completo: comprende il rilievo completo, piano per piano, di tutti gli elementi in muratura, il rilievo delle volte e della loro tipologia, il rilievo dell’andamento di tutti i solai, una valutazione accurata della loro rigidezza ed una valutazione dei carichi di gravità gravanti su ogni elemento di parete. Dettagli Costruttivi a) b) c) d) e) f) g) 4 qualità del collegamento tra pareti ortogonali; qualità del collegamento tra solai e pareti ed eventuale presenza di cordoli di piano; esistenza di architravi dotate di resistenza flessionale al di sopra delle aperture; presenza di elementi strutturali spingenti e di eventuali elementi atti ad eliminare la spinta; presenza di elementi, anche non strutturali, ad elevata vulnerabilità; tipologia e qualità della muratura (a un paramento, a due o più paramenti, con o senza collegamenti trasversali), eseguita in mattoni o in pietra (regolare, irregolare); presenza e rappresentazione dell’eventuale quadro fessurativo. Fattori di Criticità a) geometria dell’organismo strutturale b) proprietà meccaniche dei materiali c) rappresentatività del modello di calcolo e delle verifiche 5 1) presenza di canne fumarie, 2) tracce che contengono tubazioni e impianti, 3) aperture tamponate senza eseguire dentellature di continuità delle murature, 4) architravi di lunghezza insufficiente, 5) mancanza di continuità negli spigoli di muri ortogonali, 6) erroneo collegamento di volte e solai alle sottostanti pareti, 7) mancanza di catene negli elementi spingenti della costruzione. Descrizione del materiale 6 Schematizzazione meccanica base • Diagramma di comportamento monoassiale 7 Schema analogico di comportamento 8 Fessurazione delle Murature 9 Fasi di Collasso di colonne di mattoni • • • • La colonna si fessura in asse nei mattoni che legano i piani di simmetria Le fessure si propagano nella malta e si estendono a tutta altezza, dividendo la colonna in quattro parti La pila di mezzi mattoni sull’angolo più caricato si fessura di nuovo in mezzeria, e dopo poco si instabilizza collassando La colonna, ormai di sezione asimmetrica, entra nel ramo discendente e collassa repentinamente 10 Comportamento sperimentale delle colonne Normalised Stiffness 2,0 1,6 DC1 DC2 DC3 DC4 DC5 DC6 • percorsi carico spostamento delle colonne di tipo lineare a tratti • Rigidezza che si riduce fortemente dopo la fessurazione 1,2 0,8 0,4 0,0 0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 Mean Stress [MPa] 3,0 2,5 4,5 Stress (MPa) Mean Stress [MPa] 6,0 3,0 1,5 DC1 DC2 DC3 DC4 DC5 DC6 11 2 4 6 Mean Strain [mm/m] 8 1,5 10 \ 1,0 0,5 0,0 0 2,0 0,0 -0,4 DC1 DC3 DC5 -0,3 DC2 DC4 DC6 -0,2 Strain (mm/m) -0,1 0,0 Estrazione di campioni NDT TESTING • Il campione più semplice da estrarre è la carota cilindrica: – La carota di mattone pieno, – La carota con il giunto di malta trasversale all’asse, – La carota con il giunto di malta sul piano diametrale 12 Prove NDT per murature a) Prove correlate con la dissipazione di energia di uno strumento che penetra nel materiale b) Prove correlate con la propagazione di un urto o di un onda c) Prove correlate con la vibrazione stazionaria o transiente 4,0 Mortar Compressive Strength NDT TESTING d) Prove correlate con parametri non meccanici quali la temperatura, la permeabilità elettrica o magnetica, etc. 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 13 1 2 3 4 5 6 7 Core Extraction Position 8 9 10 Effetto dello spessore della malta MASONRY MECHANICS fmc [MPa] 14 hm [mm] Prove di campioni irregolari Irregular specimens (Drdácký, 2011) dependency on thickness: role of confinement Test con doppio punzone The loading plates and the material outside the punch area provide an horizontal confinement effect. Numerical simulation of the test to understand the amount of confinement sh/sv Confinamento Linear FE analysis with 20-node solid elements Es=0.2 GPa, vs=0.25; Em=2000 MPa, vm=0.25 Confinement ratio sh/sv as function of the mortar specimen thickness (t) and the ratio between specimen and punch radii (R2/R1) R2/R1 a) t=15 mm t (mm) b) R2/R1=2 (R1=10 mm) Analisi di sensibilità considering different specimen thickness (t) and different ratios between specimen and punch radii (R2/R1) sh/sv t (mm) R2/R1 Splitting tests on cores with inclined mortar joint Extraction of masonry cores including a mortar joint Test setups: 30º - 45º - 60º Prova Brasiliana di carote con malta SPLITTING TEST • Nello strato di malta: – Ci sono compressione e taglio combinate – La risposta dipende dallo spessore 20 s p sin 45 0, 707 p p cos 45 0, 707 p s 2 5 5 R p 4 8 2 2 Interpretazione secondo Mohr - Coulomb s , SPLITTING TEST c 21 R 0, fvk0 fmc s 2 f c ft arcsin f f c t 1 max arcsin 1 max Splitting tests on cores with inclined mortar joint The test induces a shear-compression state to the mortar. Representation of the stress state in the inclined joint in the s Mohr plane: 30º Angle Compression Shear Circle Radius 45º 60º 30° 45° 60° This 2D analytical interpretation do not account for confinement Splitting tests on cores with inclined mortar joint FE analysis to investigate the role of confinement Eb=13640 MPa, vb=0.10; Em=1280 MPa, vm=0.10÷0.45 The confinement increases with the Poisson’s ratio Comparison between numerical trends and analytical predictions from Hilsdorf’s theory sh/sv Mohr circles for points along a 45º joint v Splitting tests on cores with inclined mortar joint 30º setup: vm=0.35 45º setup: vm=0.25 60º setup: vm=0.15 Plane Stress Plane Strain Setup x Setup x z 30º 22. 8% 30º 39.1% 48.7% 45º 20.7% 45º 27.4% 31.9% 60º 33.4% 60º 35.1% 20.3% Stress Plane Strain x Setup x z 22. 8% 30º 39.1% 48.7% 20.7% 45º 27.4% 31.9% 33.4% 60º 35.1% 20.3% Confinement leads to the reduction of the dimensions of Mohr circles and to their shifting in the direction of the maximum compression stress Splitting tests on cores with inclined mortar joint Nonlinear FE simulation of the tests M-C Criterion fm=35º , cm=0.6 MPa fb=52.7º ,cb=3.7 MPa Comparison between plane strain and plain stress conditions: the gap between is more marked in 30º setup Experimental results: 30º setup: Fu=28812 N 45º setup: Fu=18380 N 60º setup: Fu=9139 N Determination of the mortar failure envelope An automatic software has been developed. Obtained M-C parameters : f=36º , c=0.6 Mpa Obtained M-L parameters: s0 =0.32 MPa, 0=0.6 MPa Compression parameters: fc=2.81 MPa, fcb=5.62 MPa Effetto del Confinamento della malta Criterio triassiale di Bresler - Pister Curve biassiali di Etse - Willam 27 Comportamento elastico di un materiale composito • Il modulo elastico di un materiale stratificato può essere ottenuto mediante la composizione in serie della rigidezza Ek 28 hb hm hb hm Eb Em • • • Equilibrio s hm khm s hb hb Congruenza 1 1 1 m s hm ms v 1 b s hb bs v Em Eb s hm tensioni b m 1 m 1 b A shb 29 shb A s hb B shm Section A-A k hm hb sv hm s hm k hb B shm Section B-B Distribuzione delle tensioni trasversali nella muratura Calcolo della resistenza a compressione • Normativa Italiana: tabella • Eurocodice 6: formula di regressione s u 0,6 fbc0,75 f mc0,25 • Teoria della rottura fragile f wc (1) fbc fbt fbt fbc • Teoria della rottura totalmente plastica f wc 30 (3) fbt f mt fbt f mt fbt f mt b m fbc f mc hm hb Murature eterogenee • 31 Tutte le murature reali presentano misture di mattoni, inclusioni, lesene, listature, ecc. Material Elastic Modulus Tension Strength Compression Strength Adobe bricks 100 0.3 1.5 Baked bricks 2100 0.6 16.0 Silty mortar 100 0.3 1.5 MPa MPa MPa Programma sperimentale - tessiture casuali • Sono stati testati 13 pannelli con misture casuali di mattoni e proporzioni variabili tra 0% e 100% 32 Resistenza di misture di mattoni Le misture di mattoni presentano resistenze assai simili a quella del mattone peggiore 8 6 E E 4 1 i 2 b i b ,i 0 0 20 40 60 80 m 0.3 0.25 E E m b E h 1 1 E h m 0.2 b m m b b b 0.15 0.1 fk 0.05 0 0 33 0.2 0.4 0.6 0.8 1 i f i bc ,i 1 hm i i hb ,i f bt ,i Comportamento a taglio - compressione • Il taglio che la muratura può sopportare dipende dalla compressione presente 0.25 0.2 f vko 1 Formula (15) fk Analisi Limite 0.15 0 Formula (14) 0.1 s 0.05 fk 0.2 34 0.4 0.6 0.8 1 s fk s0 s0 1 1 fk f mt 1 1 f k f mt Degrado dovuto a Sali – Localmente, ove le condizioni sono favorevoli, i Sali possono distruggere massa nella muratura 35 Verifiche di Sicurezza (SLU) • PRESSOFLESSIONE • momento ultimo resistente calcolato assumendo la muratura non reagente a trazione ed una opportuna distribuzione non lineare delle compressioni L2ts 0 s0 Mu 1 2 k fd Mu L t s0 momento corrispondente al collasso per pressoflessione, larghezza complessiva della parete (inclusiva della zona tesa), spessore della zona compressa della parete, tensione normale media, riferita all’area totale della sezione (=P / Lt) Se P è di trazione, Mu=0, fd = fk/gm resistenza a compressione di calcolo della muratura. 36 In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere assunto pari allo 0.8% dell’altezza del pannello. Resistenza flessionale di setti murari 37 Il calcolo del momento flettente resistente può essere condotto considerando una distribuzione eccentrica di sforzi normali plastici Verifiche di Sicurezza (SLU) • TAGLIO • La verifica a taglio di ciascun elemento strutturale si effettuerà considerando la parte di sezione compressa Vt L’ t fvk L ' t f vk gM larghezza della parte compressa della parete spessore della parete definito al punto 2.3.2.1 del D.M. 20.11.87, calcolando la tensione normale media sulla parte compressa della sezione (sn = P/l’t). fvk fvk 0 0.4s 0 min 1.4 fbk ;1.5 MPa 38 In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere assunto pari allo 0.4% dell’altezza del pannello Maschi murari pressoinflessi 39 Comportamento in fase elastica L V Me e Me N H 6 e M e EI Ve H Me 4 H 2 H2 6 e e 3 1.2 G A t L E L2 5 G K 40 tL H 4 H E L 1 2 5 6G Comportamento in fase fessurata • Lo spostamento in fase fessurata è ottenuto integrando la curvatura sull’altezza del pannello L y My N 2 3 L V z ( z) 3 N 2 L N L N 2 H V N3 (V ) 9 Em tV 2 41 y 2 N t f mk ( z) Vy My H 2 N Em t ( z ) 2 H V L N 2 H V 2 6 2 ln 3 2N 2 (V ) 2 12 9 Em t LV V hcr (V ) H 1 e V (V ) e Ve M (V ) e (V ) V V Comportamento in fase plastica • Il comportamento in fase plastica è caratterizzato da un impulso di curvatura plastica alla base uN 1 N u t f mk 1 0.5 D 1 t f mk L M u N j u 2 u Vy hpl (V ) H 1 Vu 1 u y hpl H hpl 2 (V ) e 42 3D 2 3D 1 j 6 D 2 3D (V Vy ) Ve M (V ) e (V ) u V V (Vu Vy ) Confronto con gli esperimenti Ref. Fantoni Fantoni Fantoni Fantoni Callerio Callerio Giambanco Motta Wall 1A-08 1B-10 2C-03 2D-07 Short Tall - Restraint C–C C–C C–C C–C C–C C–C C–F C–F N 358 360 343 355 150 150 311 242 [kN] Experimental Ref. Wall Fantoni Fantoni Fantoni Fantoni Callerio Callerio Giambanco Motta 1A-08 1B-10 2C-03 2D-07 Short Tall - Vu 190.90 219.20 202.00 240.00 76.10 100.00 65.56 84.44 6.00 5.20 6.00 9.38 12.46 5.33 21.6 1.31 average [kN] 43 [mm] B 1.25 1.25 1.25 1.25 1.00 1.00 1.20 0.98 [m] H 1.85 1.84 1.82 1.83 1.35 2.00 2.40 0.98 [m] T 0.50 0.50 0-50 0.50 0.25 0.25 0.50 0.29 [m] Error Bilinear Model V 22.92 6.07 6.40 16.09 25.41 10.99 9.56 14.39 13.97 [%] d 20.11 61.20 1.71 37.99 47.95 71.53 56.18 22.51 39.89 [%] Em 1290 785 1118 1125 1910 1910 726 4880 [MPa] fk 3.69 5.50 6.00 6.00 6.20 6.20 4.50 3.40 [MPa] Error Present Model V 6.78 20.47 15.47 5.19 11.41 13.38 7.09 5.95 10.71 [%] d 21.94 27.87 13.94 15.96 35.51 47.40 17.73 35.15 26.94 [%] Curve sperimentali e teoriche - 1 44 Curve sperimentali e teoriche - 2 45 Discontinuità Murarie – Presenza di canne fumarie che interrompono la tessitura muraria – La resistenza a flessione e taglio dipende dalla lunghezza dei pezzi separati dalla discontinuità 2N L TH 3 t fc 2 2 N 46 NL 4 N T 1 H 3 Np Discontinuità di Tessitura – Parete sdoppiata per effetto di una linea di sutura N N T T H L/n L fc fc NL 4 N Tn Ti 1 nH 3 N p 1 n 47 n U n U i 1 5 GLt 6 H 1 n2 H 2 1 2 L2 Prove di piattabande 48 Relazioni di Mohr Coulomb fc ft c 2 f c ft tan 2 fc ft 1 fk 1 hm Em fbc fbt hb Eb ft f c 49 f c 0,6 fbk0,75 f mk0,25 • Si possono calcolare i parametri della relazione costitutiva a partire dalla resistenza a trazione e compressione del materiale cos f c 2c 1 sin cos ft 2c 1 sin Calcolo dei parametri della muratura s 2P D s , 5 5 s R 2 p 4 8 2 2 c f c ft 1 arcsin arcsin 1 f c ft c max R 0, s 2 5 sin R s tan cos 2 2 cos f mt 50 2c cos 1 sin f mc 2c cos 1 sin fbc Analisi numerica delle carote 51 Dati ricavati dalle prove dirette • • • • • Mattone (carota da 70 mm) - parametri di resistenza: – fbc = 12 MPa, Eb = 7000 MPa, b = 0,125 - mod. Mohr – Coulomb: – c = 2,30 MPa, f = 55° Malta (carota da 70 mm con giunto di 10 mm) - parametri di resistenza: • • - mod. Mohr – Coulomb: • 52 fmc = 3,2 MPa, Em = 1000 MPa, m = 0,375 c = 1,00 MPa, f= 27° Dati ricavati dalle prove numeriche Carico Applicato [N/mm] 300 250 Carota con malta Carota di mattone 200 150 100 50 0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 Accorciamento totale [mm] Pu Df mc 53 5 1 5 1 Modelli non lineari di muratura • Il pannello può essere modellato usando malta e mattoni e adottando relazioni costitutive di Mohr - Coulomb 54 Modelli Semplificativi • • A) modelli omogeneizzati (mattoni + malta) bidimensionali B) modelli equivalenti discretizzati di elementi uniassiali 1,0 2,0 0,0 0,6 Tensione Normale [MPa] moltiplicatore del carico 0,8 0,4 0,2 -2,0 -4,0 Mattoni e Malta Mattoni e Malta -6,0 Muratura Muratura Letto di MolleLetto di Molle -8,0 -10,0 -12,0 0,0 0,0 1,0 -14,0 2,0 4,0 5,0 6,0 7,0 spostamento [mm] -16,0 0 55 3,0 200 400 600 800 1000 spostamento [mm] 1200 1400 1600 1800 Analisi con metodi non lineari finalizzati all’analisi push – over • Metodi numerici ed analisi sperimentali di edifici prototipo portati a rottura MAGENES, G., KINGSLEY, G., CALVI, G.M. “Static testing of a full-scale, two storey masonry building: test procedure and measured experimental response”. In “Experimental and numerical investigation on a brick masonry building prototype –Numerical prediction of the experiment”. CNR-GNDT, Report 3.0, 1995. 56 Metodo SAM – Magenes & Calvi • La parete viene suddivisa in elementi deformabili e offset rigidi 57 Calcolo della parete D • Il confronto della parete D calcolata con il metodo SAM e con gli elementi elasto – fragili Gambarotta - Lagomarsino mostra un buon accordo 58 Parete D - modalità di collasso • 59 La parete con porte (D) presenta un collasso al piano terra di tipo flessionale mentre in quella con finestre (B) si attiva un meccanismo per taglio Confronto dei risultati in termini di spostamento e taglio • Il rapporto tra sforzo assiale e taglio nei setti è circa costante 60 Parete B – rottura da taglio • Il punto angoloso nella deformata mostra che il piano basso ha raggiunto il collasso per taglio 61 Calcolo della parete agli E. F. • La parete è calcolata con 1430 E.F. tipo plane stress in 12 incrementi di carico, materiale di tipo elasto plastico con superficie limite di Mohr Coulomb e non linearità geometrica Parete D 160.0 F140.0 (kN) 120.0 100.0 80.0 Parete D 60.0 40.0 20.0 62 0.0 0.0000 (m) 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 Calcolo elasto plastico E.F. s (kPa) 500.0600.0 0.0500.0 -500.0400.0 -1000.0300.0 -1500.0 200.0 63 (kPa) Colonna 1 Colonna 2 Colonna 3 Colonna 1 Colonna 2 -2000.0 Colonna 3 100.0 -2500.0 0.0 -3000.0 -100.0 0.0 1.0 2.0 3.0 0.00 1.00 2.00 x (m) 4.0 3.00 5.0 4.00 x (m) 6.0 5.00 6.00 Verifica semplificata - parete D VTK Dt VMC ft s 1 0 186 kN 1.5 ft s 0 s 0 1 f 1 f c t Dt 193 kN 1 1 f c ft Vu 2 M u ,i H Ni Di H Ntot Di2 H Di f k 7900 kPa, ft 200 kPa 173 2 2 173 2 1.15 1.82 117 kN s0 =168 kPa V 4.12 0.25 M 64 D Di 4.12 m 2.14 (2 1.15 1.82) Verifica semplificata - parete B VTK ft s0 Dt 1 146 kN 1.5 ft VMC s 0 s 0 1 f 1 f c t Dt 211 kN 1 1 f c ft Vu 2 M u ,i Ni Di Ntot Di2 H H H Di f k 7900 kPa, ft 200 kPa 173 2 2 173 2 0.6 0.9 108 kN s0 =230 kPa V 3.0 0.25 M 65 D Di 3.0 m 1.25 2 (0.6 0.9) Analisi parametrica piana Sd (T ) 2.5 B q B Gk Qk tg b i fL N S ( x) L( H x) H pe L t 66 ag S 2 Sd H x VS ( x) 1 g 2 H Sd x 2 M S ( x) H x 2 6g H Formule di calcolo • Si esamina una parete singola per evidenziare le prerogative della resistenza sismica della muratura VR ( x) tLf vk 0 0.4 N S ( x) gM L N S ( x) M R ( x) N S ( x) 1 2 kf d Lt 67 Si possono ricavare i valori dei parametri che consentono di ugluagliare le azioni alle resistenze Lunghezza minima delle pareti 14 14 L (m) L (m) 12 10 12 10 H=12.0 m 8 6 6 H=9.0 m 4 H=6.0 m 4 H=6.0 m H=3.0 m 0.2 0.3 H=3.0 m 2 2 0.4 0.5 t (m) t (m) 0.6 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 B = 5.0 m, II cat. B = 5.0 m, III cat. 10 6 L (m) L (m) 8 H=9.0 m 8 B=10.0 m 5 I cat. B=7.5 m 4 6 II cat. 3 4 B=5.0 m 2 III cat. 2 B=2.5 m 1 t (m) t (m) 0.2 68 0.3 B = 5.0 m, H = 6.0 m 0.4 0.5 0.6 0.2 0.3 H = 6.0 m, II cat. 0.4 0.5 0.6 Variazione del taglio con l’altezza • Il taglio si mantiene circa costante nella parte bassa della parete e quindi la sezione critica a taglio è sempre spostata verso l’alto rispetto alla fondazione 1 V/Vmax 0.8 0.6 0.4 0.2 x/H 0 0 69 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Riduzioni a taglio 1 1 f f 0.8 0.8 H=3.0 m 0.6 H=3.0 m 0.6 H=6.0 m H=6.0 m 0.4 0.4 H=9.0 m H=9.0 m 0.2 0.2 x (m) 0 2 4 6 x (m) 8 t = 0.375 m, B = 5 m, L = 9.0 m, II cat. 1 0 2 4 6 t = 0.75 m, B = 5 m, L = 9.0 m, II cat. 1 f 0.8 f 0.8 H=3.0 m 0.6 H=3.0 m 0.6 H=6.0 m H=6.0 m 0.4 0.4 H=9.0 m H=9.0 m 0.2 0.2 x (m) 0 70 8 2 4 6 8 t = 0.75 m, B = 5 m, L = 9.0 m, I cat. x (m) 0 2 4 6 8 t = 0.75 m, B = 10 m, L = 9.0 m, II cat.