Interventi di recupero del patrimonio edilizio, Roma, 29.1.09
Tecniche di rinforzo con materiali innovativi
Zila Rinaldi
Università di Roma “Tor Vergata”
Dip. di Ingegneria Civile
Introduzione
Perchè si rinforza una struttura?
9 Recupero di strutture ammalorate
9 Variazione di carichi
9 Errori di progettazione e/o realizzazione
9 Variazione di normativa
9 Adeguamento o miglioramento sismico
durabilità
Introduzione
NT 2008 (8.4)
9 L’Adeguamento Sismico richiede interventi mirati a portare la
struttura ai livelli di sicurezza previsti per le strutture nuove.
a) Sopraelevare o ampliare
b) Apportare variazioni di destinazione che comportino incremento dei carichi (perm. + var.) al
singolo piano >20%
c) Effettuare interventi strutturali [...] che portino ad un organismo edilizio diverso dal precedente
d) Effettuare interventi strutturali [...] che implichino sostanziali alterazioni del comportamento
globale dell’edificio
9 Il Miglioramento Sismico implica interventi volti a diminuire la
vulnerabilità sismica di una struttura, senza elevare la
sicurezza ai livelli previsti per le strutture nuove.
Comportamento non lineare delle strutture
Fs
Fo
¾ Rigidezza (K)
¾ Resistenza (Fo)
¾ Duttilità (Δu/ Δy)
K
Δy
Δu
Δ
Esempio di comportamento al sisma:
9 terremoti piccola intensità: sufficiente rigidezza (minimizzati i danni non
strutturali)
9 terremoti di media intensità: sufficiente resistenza (campo elastico:
minimizzati i danni strutturali e non)
9 terremoti di elevata intensità: sufficiente duttilità (elevati spostamenti e
non collasso)
Duttilità perché?
9 Capacità di resistere ad azioni locali impreviste senza collasso
9 Avvertimento di incipiente collasso attraverso lo sviluppo di
grandi deformazioni
9Possibilità di ridistribuzione di momenti (voluti o accidentali)
Duttilità perché?
9Fondamentale in zona sismica per dissipare energia attraverso
la formazione e successiva rotazione di “cerniere plastiche”
Meccanismo di piano
Meccanismo globale
Tipologia di intervento per c.a.
forza
AUMENTO DELLA RESISTENZA
duttilità invariata
Cf1
domanda
Cf2
Cf1 = Capacità resistente
prima dell’intervento
Cf2 = Capacità resistente
dopo l’intervento
spostamento
AUMENTO DELLA DUTTILITA’
resistenza invariata
domanda
forza
Tipologia di intervento per c.a.
Cd1 = Capacità deformante
prima dell’intervento
Cd2 = Capacità deformante
dopo l’intervento
Cd1
Cd2
spostamento
AUMENTO DELLA RIGIDEZZA
Resistenza e duttilità invariata
domanda
forza
Tipologia di intervento per c.a.
Cd1 = Capacità deformante
prima dell’intervento
Cd2 = Capacità deformante
dopo l’intervento
Cd2 Cd1
spostamento
Tecnologie di intervento tradizionali per c.a.
Beton plaquè
Camicie in c.a.
Camicie in
acciaio
Precompressione esterna
Tecnologie di intervento innovative per c.a.
HPFRC: high performance fiber
reinforced concrete
Pilastri
Travi
Pareti
Tecnologie di intervento innovative per c.a.
FRP: Fiber reinforced polymers
Tipo di intervento
9 Intervento locale su componenti strutturali
9 Intervento globale sul sistema strutturale
pareti
controventi
isolamento
Il materiale FRP
Composito: Fibre + Resina
Il materiale FRP
Lamine
Tessuto
Messa in opera
Il materiale FRP
Legame costitutivo a trazione
σ
[MPa]
Carbonio HM
3500
3000
2500
2000
Carbonio
VHM
Carbonio HS
aramide
1500
1000
Vetro
Acciaio da c.a.
500
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
ε [%]
No resistenza in compressione!!
Rinforzo a flessione
Meccanismi di collasso
Meccanismi di collasso
Delaminazione
Rottura a trazione FRP
Analisi della sezione
CNR DT200/2004: Incremento di resistenza non superiore al
60% (eccetto azioni sismiche ed eccezionali)
Comportamento a flessione
Zarnic et al., 1999
Duttilità
resistenza
Mu,ad
tr= 0.6 mm
9Notevole incremento
di resistenza
0.3
0.25
Duttilità locale-spessore FRP
0
0
-20
tr=0
0.1
-60
-80
0.05
0
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Nu,ad
0.5
duttilità
-0.4
-0.3
tr [mm]
-40
0.15
tr= 0.2 mm
-0.3
1
0.2
tr= 0.4 mm
-0.4
0.5
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0
tr=t =
0.40.6
mm
mm
r
Nad
Δρmu
9 riduzione di ρmu quasi
independente dallo spessore
di FRP
0.02
tr= 0.2 mm
0.04
tr=0
Mu,ad=Mu/σcu b d2
0.06
ρmu,ad
Nu,ad=Nu/σcu b d
ρmu,ad= ρmu d
9 riduzione di ρmu
9 elevati valori di forza assiale:
trascurabile effetto dell’FRP su ρmu
Duttilità: Confinamento
Duttilità: Confinamento
acciaio
FRP
Confinamento
Sezione circolare - confinamento continuo
Pressione di
confinamento
compressione
Tensione di trazione
per espansione laterale
Effetto del confinamento sul comportamento del calcestruzzo
Confinamento
Sezione circolare fasciatura continua
9 Valutazione della pressione di confinamento (fl)
Acciaio
1
f l = k e ρ st f y
2
4A
ρ st = st
sd s
s passo delle staffe
ds diametro nucleo confinato
Percentuale geometrica
di staffe
Ast area staffe
fy tensione di snervamento dell’acciaio
FRP
1
f l = ρ f E f ε fd ,rid
2
ke coefficiente per effetto arco (0.8)
ρf =
Percentuale geometrica
di FRP
4t f
D
Ef modulo elastico dell’FRP
tr spessore FRP
D diametro nucleo confinato
εfd,rid deformazione ultima FRP
CONFINAMENTO
Sezione circolare confinata con FRP
fasciatura discontinua
1
f l = ρ f Er ε fd ,rid
2
tf spessore FRP
pf passo FRP
ρf =
4t f ⋅ b f
D⋅ pf
ε fd ,rid = min{η a ⋅ ε fk / γ f ;0.004}
ηa fattore di conversione
ambientale (0.5-0.95)
γf coefficiente parziale (1.10-1.25)
D diametro sezione
CONFINAMENTO
Sezione rettangolare o quadrata
FRP
No effetto di confinamento per b/d>2 o max{b,d}>900mm
rc≥ 20 mm
1
f l = ρ f E f ε fd ,rid
2
f l ,eff = keff ⋅ f l
efficienza orizzontale
keff = k H ⋅ kV ⋅ kα
Inclinazione fibre
efficienza verticale
CONFINAMENTO
Sezione rettangolare o quadrata
kV = 1 fasciatura continua
kH
kV < 1 fasciatura discontinua
b '2 + d '2
= 1−
3 ⋅ Ag
kα =
1
(1 + tan α f )2
ρf =
αf Inclinazione fibre se disposte ad elica
2 ⋅ t f (b + d ) ⋅ b f
b⋅d ⋅ pf
tf spessore FRP
pf passo FRP
Ag area sezione
CONFINAMENTO
Effetto sul calcestruzzo
9 Valutazione della resistenza ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)
⎛
f ccd
= 1 + 2.6⎜
⎜
f cd
⎝
f l ,eff ⎞
⎟
f cd ⎠⎟
2
3
fcd resistenza cls non confinato
fl,eff
pressione di confinamento
9 Valutazione della deformazione ultima del cls confinato (CNR DT200, 2004)
ε ccu = 0.0035 + 0.015
f l ,eff
f cd
fl,eff valutata con:
ε fd ,rid = η a ⋅ ε fk / γ f ≤ 0.6 ⋅ ε fk
CONFINAMENTO
fccd/fcd
1.4
resistenza ultima del cls confinato
(CNR DT200, 2004)
1.35
1.3
fcd= 15 MPa
1.25
1.2
fcd= 25 MPa
1.15
20 MPa
1.1
1.05
εccu/ εcu
2.3
h/b
1
2.2
1
2.1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
fcd= 15 MPa
2
1.9
1.8
fcd= 25 MPa
1.7
20 MPa
1.6
h/b
1.5
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
deformazione ultima del cls confinato
(CNR DT200, 2004)
INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP
Strategie di intervento (4.7.2. CNR DT 200/2004)
In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a:
9eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile;
Taglio
INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP
Strategie di intervento (4.7.2. CNR DT 200/2004)
In quanto selettiva, la strategia di intervento con FRP deve essere ispirata a:
9eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile;
Meccanismi di nodo
INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP
9eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di piano (“piano soffice”);
9miglioramento della capacità deformativa globale della struttura
conseguibile in uno dei seguenti modi:
9Incrementando la duttilità delle potenziali cerniere plastiche senza
variarne la posizione;
9rilocalizzando le potenziali cerniere plastiche nel rispetto del criterio
di gerarchia delle resistenze.
INTERVENTI DI RINFORZO SISMICO CON FRP
Criteri per la scelta dell’ intervento con FRP (4.7.1.2. CNR DT 200/2004)
4(P) In zona sismica il rinforzo con FRP di elementi in c.a. è finalizzato
principalmente al conseguimento degli obiettivi:
9Incrementare la resistenza a flessione mediante l’applicazione di compositi con
fibre disposte nella direzione dell’asse dell’elemento;
9Incrementare la resistenza a taglio di elementi mediante applicazione di FRP con
le fibre disposte ortogonalmente all’asse dell’elemento;
9Incrementare la duttilità delle sezioni terminali di travi e/o pilastri mediante
fasciatura con FRP;
9 migliorare l’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione mediante fasciatura
con FRP;
9Impedire lo svergolamento delle barre longitudinali soggette a compressione
mediante fasciatura con FRP;
9Incrementare la resistenza a trazione dei pannelli di nodo trave-pilastro mediante
applicazione di fasce di FRP con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione.
CONCLUSIONI