PISTOIA
19 ottobre 2012
Riduzione della Vulnerabilità Sismica di
Edifici Monumentali Con Materiali
Fibrorinforzati
prof. ing. Andrea Benedetti
Dip. DICAM, Univ. di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 BOLOGNA
E-mail: [email protected]
1
Objective
• Presentation
of
Italian
guide
lines
concerning the strengthening of concrete,
masonry and timber structures with FRP
materials.
• Calibration
of
parameters
through
extensive laboratory testing and statistic
analysis.
• Inclusion of different collapse mechanisms
toward capacity estimation of the most
common strengthening layouts.
Emilia earthquake
• Two different sources,
not very deep, max
acceleration 0.3,
magnitudo 5.9
CNR DT 200/2012 content
1 FOREWORD ................................................................................................................................. 1
2 MATERIALS................................................................................................................................. 7
2.1 INTRODUCTION ................................................................................................................. 7
2.2
CHARACTERISTICS OF COMPOSITES AND THEIR CONSTITUENTS...................... 7
2.3
FRP STRENGTHENING SYSTEMS ................................................................................. 24
2.4
2.5
QUALITY CONTROL ........................................................................................................ 31
ACCEPTANCE CRITERIA ................................................................................................ 34
2.6
TRANSPORTATION, STORAGE AND HANDLING ..................................................... 36
3 BASIS OF DESIGN FOR FRP STRENGTHENING ............................................................. 37
3.1 BASIC REQUIREMENTS .................................................................................................. 37
3.2
DURABILITY REQUIREMENTS ..................................................................................... 37
3.3
3.4
GENERAL PRINCIPLES OF THE STRENGTHENING DESIGN .................................. 38
PARTIAL FACTORS ......................................................................................................... 40
3.5
3.6
SPECIAL DESIGN PROBLEMS AND RELEVANT CONVERSION FACTORS .......... 41
STRENGTHENING LIMITATIONS IN CASE OF FIRE ................................................. 43
4
Reinforced concrete
4 STRENGTHENING OF REINFORCED AND PRESTRESSED CONCRETE
STRUCTURES ............................................................................................................................ 44
4.1 DEBONDING MECHANISMS .......................................................................................... 44
4.2 FLEXURAL STRENGTHENING ...................................................................................... 49
4.3
SHEAR STRENGTHENING .............................................................................................. 56
4.4
4.5
TORSIONAL STRENGTHENING .................................................................................... 60
CONFINEMENT ................................................................................................................. 62
4.6
4.7
4.8
4.9
FLEXURAL STRENGTHENING OF PRESTRESSED CONCRETE MEMBERS ......... 68
DESIGN FOR SEISMIC APPLICATIONS ........................................................................ 69
INSTALLATION, MONITORING, AND QUALITY CONTROL ................................... 74
NUMERICAL EXAMPLES ............................................................................................... 79
Masonry Structures
5 STRENGTHENING OF MASONRY STRUCTURES ........................................................... 80
5.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 80
5.2 SAFETY EVALUATION ................................................................................................... 81
5.3 EVALUATION OF DEBONDING STRENGTH............................................................... 83
5.4
5.5
SAFETY REQUIREMENTS .............................................................................................. 86
STRENGTHENING OF STRUCTURAL MEMBERS WITH SINGLE OR
DOUBLE CURVATURE .................................................................................................... 94
5.6
5.7
5.8
CONFINEMENT OF MASONRY COLUMNS ................................................................. 97
DESIGN FOR SEISMIC APPLICATIONS ...................................................................... 103
INSTALLATION, MONITORING, AND QUALITY CONTROL ................................. 105
ENHANCEMENTS
• The fracture energy formula has revised coefficients,
• The effective length of externally bonded reinforcements has been
updated,
• A formula for shear design of panels with cross diagonal reinforcement
was added.
Support detachment
l b  le
Fmax
t f bf
b
kG is the slip factor fixed as:
0,031 mm for clay bricks,
0,032 mm for tuff stones,
0,012 mm for calcarenite stones.
 Fd
k b  kG

 f bm  f btm
FC


 2  Ef  tf


led  max  su
,150 mm 
8   Fd




Spread factor
a bf
c
a+c=bd
a
bf
c
a+c=bd
a
bf
c
3  bf / b
kb 
1  bf / b
Length wise ULS stress
f fdd ( x) 
1
 f,d
2  Ef   Fd

  ( x)
tf

x 
x
 ( x )    2 
led 
led


1   ( x)  2


 ( x )  2


 if x  led

if x  led
if x  3 led
,
Detachment verification
• A) FRP from regularization layer:
– As usual………
• B) regularization layer from bricks or stones
– New verification of homogenized material !!
t h  tf  t r
Ef  tf  Er  tr
Eh 
th
Diagonal strengthening

VRd  min  VRd,m  VRd,f ,VRd,max 
D
VRd,m 
1
 Rd
 d  t  f vd

f vd  f vk 0  0, 4m  fvk 0
m
1
f vk 0
Cross Reinforcement
 Rd  VRd,m

VRd 
 sin  cos   Ef  Af 

H  0.005

2
 Rd


f fdd
1
 min  Rd,1 ,  Rd,2   min 0.005,

H
H
E

sin

cos


f

a upper limit to the FRP contribution can be defined as:
VRd  VRd,m  cos   f fdd  Af
Support detachment tests
• Experimental test of Garbin (solid) and Pfeiffer
(hollow) bricks
Calibration of data
• Briccoli Bati tests with increasing anchored
length
kG [mm]
Le [mm]
All data together
kG [mm]
0,45
Briccoli
Casareto
Rilem GFRP
Olivito
Pfeiffer
0,40
0,35
0,30
0,25
Capozzucca
Garbin
Sacco
Lourenco
RILEM CFRP
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
(fc ft)0,5 [MPa]
Final back calculation
• The design value is obtained as 5% fractile of the
distribution
50
Ffu,exp [kN]
40
30
Perfect
20
Best Fit kG = 0,065
10
Design kG = 0,031
Ffu,th [kN]
0
0
10
20
30
40
50
Calibration of cross reinforced walls
• Tests of Marcari et Al. - Naples
Comparison of back calculation
• In general URM strengths are in excess
• Limiting drift to 0.5% gives results on the safe
side
Table 2: Results of the examined walls
fvk,exp
MPa
0,67
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
0,17
0,17
0,17
0,17
fvk,1
MPa
0,78
0,44
0,44
0,44
0,44
0,44
0,44
0,35
0,35
0,35
0,35
fvk,2
MPa
0,67
0,44
0,44
0,44
0,44
0,44
0,44
0,31
0,31
0,31
0,31
ffdd
MPa
1005
1151
814
1151
814
1151
1151
487
339
345
240
Nfd
kN
20,8
15,0
21,2
29,9
42,3
44,9
59,8
16,3
7,5
23,0
10,6
Vfmax Vu+4 Vfmax Err. 1
kN
kN
%
16,9
291,7 12%
10,6
182,6
1%
15,1
200,2 -2%
21,3
225,1 -5%
30,1
260,4 -4%
31,9
267,7 -5%
42,6
310,3 -16%
11,2
176,4 -2%
5,2
152,4
2%
15,8
194,8
4%
7,3
161,0
1%
f,max
0,0076
0,0100
0,0071
0,0100
0,0071
0,0100
0,0100
0,0042
0,0092
0,0030
0,0065
max Vurm Err. A
kN
%
0,0050 225,4
-1%
0,0050 123,6 12%
0,0050 123,6 12%
0,0050 123,6 12%
0,0050 123,6 12%
0,0050 123,6 12%
0,0050 123,6 12%
0,0042 246,8 -87%
0,0050 246,8 -87%
0,0030 246,8 -87%
0,0050 246,8 -87%
VRdm Err. B
kN
%
268,6 19%
161,3 13%
182,5
7%
182,5 15%
225,1 10%
203,8 20%
225,1 16%
156,5
9%
143,0
8%
142,2 30%
154,3
6%
Rationale
• 8 years of use of the italian guidelines
showed the accuracy of the fracture
mechanics approach
• The re-examination of a huge database of
experimental debonding tests allowed a
careful calibration; parameters however did
not change consistently
• A new reinforcement mechanism was
added; rules for cross reinforced panels
performed well in relation to available
experiments
• Strengthening of buildings damaged by
earthquakes needs a systematic use of
guide lines in order to avoid personal
interpretation of designers
19
INTERVENTI
Tipologie di rinforzo flessionale con
strisce e lamine FRP
20
Verifiche a Pressoflessione (SLU)
• PRESSOFLESSIONE
• momento ultimo resistente calcolato assumendo la
muratura non reagente a trazione ed una opportuna
distribuzione non lineare delle compressioni
A N A L I S I
L2t 0 
0 
Mu 
1 

2  k fd 
21
Mu
L
t
0
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
Se P è di trazione, Mu=0,
fd = fk/m resistenza a compressione di calcolo della muratura.
In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere
assunto pari allo 0.8% dell’altezza del pannello.
Verifiche a Taglio (SLU)
•
TAGLIO
•
La verifica a taglio di ciascun elemento strutturale si effettuerà
considerando la parte di sezione compressa
A N A L I S I
Vt 
22
L’
t
fvk
L ' t f vk
M
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 (n = P/l’t).
fvk  fvk 0  0.4 0  min 1.4 fbk ;1.5 MPa 
In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere
assunto pari allo 0.4% dell’altezza del pannello
Pressoflessione di pannelli rinforzati
• Equilibrio limite della
compressione esterna, della
resistenza a delaminazione
del rinforzo, delle
compressioni al piede e del
taglio esterno
Vd
e
INTERVENTI
Ntot
23
d
d2 (Ntot + Fd) / t B
F
Ntot
d
B
B z
M d  ( N tot  F )     F (  d )
2
 2 3
Verifica di pannelli - 1
– Sezione
pressoinflessa
N
M
V
A N A L I S I
Afv
24
Afl
– compressione
nella
muratura, pari
a 0.85 fmd
– Deformazioni
massime pari
a f,max
– Ancoraggi alla
base
Verifica di pannelli- 2
A N A L I S I
• Qualora sia garantita la formazione del traliccio
resistente, la resistenza di progetto a taglio della
muratura rinforzata è calcolata come somma dei
contributi della muratura e del rinforzo
• Il valore limite massimo è il taglio che provoca la
rottura delle bielle compresse del traliccio:
25
VRd  min  VRd,m  VRd,f ,VRd,max 
Verifica di pannelli - 3
• Nel caso in cui il rinforzo a taglio sia disposto
parallelamente ai corsi di malta, i contributi possono
essere valutati come segue:
A N A L I S I
VRd,m
26
1

 d  t  f vd
 Rd
VRd,f 
1
 Rd
0.6  d  Afw  f fd

  cos  sin  
pf
h
VRd,max  0.3  f md
t d
Esempio di Pannello Rinforzato
280 kN
M Rd ,0  280 
M Rd , f
A N A L I S I
y
27
2.4
 336 kN
2
3.50
d
dy
 S f  ( N Sd  S f )
2
2
N Sd  M
0.8  tm f mk
2.40
Ø 4 – GFRP (13 mm2)
a passo di 200 mm
M Rd , f  43.7 1.2  (280  43.7)  (1.2  0.2 / 2)  376 kNm (+12 %)
M Rd , f  28 1.2  (280  28)  (1.2  0.2 / 2)  342 kNm (+2 %)
Ff ,max  330 kN
M Rd , f  330 1.1  (280  330)  (1.2  0.3/ 2)  1003 kNm (+198 %)
Verifica a Taglio
•
Resistenza delle barre di repointing:
f Rd  0.75
•
2100
 1312 MPa
1.2
Resistenza a taglio della muratura:
VRd ,m  f vk 0  tm  ym  0.4  N Sd  200  0.5 
A N A L I S I
•
28
Resistenza a taglio del rinforzo:
VRd , f 
•
2.4
 0.4  280  232 kN
2
0.6  d
0.6  2.2 26 1312
Af f Rd 
 225 kN
sf
0.2
1000
Valore del taglio resistente di progetto:
VRd 
VRd ,m  VRd , f
 Rd

232  225
 381 kN (+ 64 %)
1.20
Rinforzo con barre FRP di colonne in
pietra
600
Carico (kN)
500
400
3 barre
300
2 barre
200
Non rinforzato
INTERVENTI
100
29
0
0
campione
senza rinforzo
Con 3 barre per piano
Con 2 barre per piano
2
4
6
Abbassamento (mm)
carico
rottura
294
497
413
[kN]
fmc
sperim.
3,27
5,52
4,58
[MPa]
8
fmc
teorico
5,22
4,00
[MPa]
10
fmc / fm
1,70
1,40
[-]
Rinforzo di archi e volte in muratura
– La sperimentazione mostra che si possono
ottenere resistenze di gran lunga maggiori di
quelle iniziali
E
INTERVENTI
D
30
B C
A
Case
Reinforcement
Peak Load
Stiffness
Ductility
A
B
C
Discontinuous
Continuous 12.5 mm
450
700
3560
100
150
920
1.39
1.48
1.32
D
Continuous 25.0 mm
4520
1050
1.48
E
Continuous 50.0 mm
6580
1250
1.66
[N]
[N/mm]
[-]
Interventi su strutture murarie curve
INTERVENTI
L’elevata flessibilità e maneggevolezza dei materiali FRP
li rende molto efficienti per il rinforzo di strutture curve
31
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino in Casole (BO)
32
• La chiesa presentava numerose fessure nelle
volte per effetto di paleo cedimenti
• Erano presenti errori costruttivi quali catene fuori
asse o mancanti
• Le pareti principali avevano un grande rischio di
ribaltamento
• L’attacco tra chiesa e campanile avveniva su di un
muro completamente lesionato
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. martino (1)
33
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. martino (2)
34
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (3)
35
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (4)
36
120%
Percent. di elementi a collasso
100%
Coeff. Minimo di sicurezza
80%
60%
40%
20%
0%
0
0,04
0,08
0,12
0,16
37
INTERVENTO N°1
CONTROVENTATURE CAPRIATE (SCHEMA)
230
195
195
210
210
320
320
SCALA 1:100
230
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. martino (5)
198
198
PARTICOLARE A
198
198
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (6)
38
INTERVENTO N°2
SCALA 1:20
-Repointing della muratura con strisce di tenuta in FRP (o lamine pultruse in FRP) (muratura intonacata)
STRISCE IN FRP 150mm
GRAMMATURA 400
SPESSORE 0,22mm
Vista esterna
2 BARRE IN FRP Ø6mm
IN INTAGLI RIEMPITI
STRISCE IN FRP 150mm
GRAMMATURA 400
SPESSORE 0,22mm
Chiesa di S. Martino (7)
INTERVENTO N°3
CONSOLIDAMENTO DELLE VOLTE (SCHEMA)
24.537.5 37.5 37.5
75
109
60
75
75
420
75
75
60
640
75
75
42.5
390
131.4
75
75
75
75
792
39
460
75
75
39.6
42.5 37.5 37.5
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
SCALA 1:100
40
INTERVENTO N°4
SCALA 1:20
Spostamento e sostituzione catena
-
Catena esistente da smontare
CATENA
25
15X60
4Ø16 MA
CON RESINA HILTI
25
ASSE FORO CATENA
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (8)
25
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (9)
41
INTERVENTO N°5
SCALA 1:20
-Repointing della muratura con barre orizzontali
D
BARRA IN FRP
AD ADERENZA MIGLIORATA
Ø4mm L 120mm
D
MURATURA ESISTENTE
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (10)
INTERVENTO N°6B
SCALA 1:20
-Repointing della muratura con strisce di tenuta in FRP
(o lamine pultruse in FRP) (muratura intonacata)
42
40
80
40
intonaco
1STRISCIA IN FRP B=100mm da 200 g/mq a passo di 400mm
l=800mm montata simmetriche rispetto alla fessura
e dopo aver demolito l'intonaco.
Chiesa di S. Martino (11)
INTERVENTO N°7 SCALA 1:20
43
3 RICORSI
3 RICORSI
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
-repointing della muratura con barre orizzontali
MURATURA ESISTENTE
BARRA IN FRP
AD ADERENZA MIGLIORATA
Ø4mm
S. M A R T I N O I N C A S O L E (B O)
Chiesa di S. Martino (12)
VERIFICA PRESSOFLESSIONE NEL PIANO
6
11D
B02
5
11D
4
B02
3
C04
C04
2
01D01D
D01D01
02B
02B
D06D06
E06
1
44
E06
06D
06D
0
N°elementi
B
B
B
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 1
45
2° ORDINE DEI PALCHI
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 2
46
0.00
SEZIONE D-D
Teatro Ebe Stignani - Viste
47
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 3
48
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 4
49
msd
mm+
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 5
50
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 6
51
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 7
5
4
3
2
6
1
7
8
9
Pianta 1° ordine di palchi
.41
13
1.
.4
42
52
12
.50
.4
14
.4
2
.4
3
.35
.97
.80
.4
1.
42
15
.43
.48
.5
0
.42
. 44
.42
.5
0
.50
.50
.50
. 50
.50
.50
.51
.50
.43
.45
19
16
17
18
.42 .4
3 .46 .45
.50 .5
0 .50 .52
.50 .50 .50 .50 .50 .50 .50 .50 .50 .50 .25
.25 .50 .50 .50 .50 .50
2
.36
T E A T R O
11
2
1
7
8
.42 .58 .55 .53 .51 .49 .47 .46 .45 .44 .50 .54 .54 .50
9
Pianta 3° ordine di palchi
.10
.35
10
5
.35 .3
11
.35
.35
.35
12
.35
.35
.35
.35
13
5.
.3
.
35
35
53
3
4
5
6
9
.3
.79
.66 .17
.2
4.
42
.4
2
.41
.41
.42
.41
.41
14
35
.35
.35
.35
.35
.35
.35
.35.3
5
.41
19
15
.35 .3
5
.35 .35 .35
.31
16
18
17
.71
.27 .82
35
.3
5.
.57
1.82
1.81
.11
1.27
.3
5.
.38
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 8
.41
.41
.41
.41 .4
1 .41 .4
1 .40 .51 .31 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37 .37.18
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 9
54
0
.4
5
5.
35
.35
1.
9.
3
0.
3
1.2
7.2
9.3
0
.35
.24
.13 .40
1.7
8
4.80
.19.40 .40 .40 .40 .40 .40 .40
9.2
6 .35.25
5
.4
.3
.3
31
0
5
.2
.35 .35 .3
.4
.4
71
.15
1.
4
.3
1.7
.30
.30
.40
.40
2
1.6
5
1.6
6
1.6 9
1.6 9
6
1. 9
6
1.
1.
1.
1. 71
6
1.6 8
1.6 7
1.6 4
1
1.5
1
1.3
0
1.63
.58
.30
1.56
.27
.30
1.6
7
1.55
.30
1.7
0
1.48
.48
.30
1.68
S T I G N A N I
.26
1.52
1.76
.40
55
.40
T E A T R O
Teatro Ebe Stignani a Imola - 10
Pianta Galleria
79
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 11
56
T E A T R O
S T I G N A N I
Teatro Ebe Stignani a Imola - 12
57