RICERCA ITALIANA     

Tecniche e materiali innovativi per il rinforzo sismico di strutture esistenti

Università degli Studi "G. d'Annunzio" Chieti-Pescara

Abstract

Il programma di ricerca proposto ha per obiettivo il perfezionamento e la verifica di metodi e materiali per il progetto, la sperimentazione e la modellazione del rinforzo di strutture civili esistenti col fine di migliorararne il comportamento in caso di sollecitazione sismica. Verranno considerate strutture in cemento armato (in particolare edifici intelaiati, pareti a taglio e ponti) ed in muratura (in particolare strutture storiche, tradizionali e ponti). Il principale mezzo di rinforzo considerato sarà l'applicazione di materiali compositi fibro-rinforzati, ma altre metodologie quali la precompressione esterna verranno analizzate di caso in caso. Per quanto riguarda il quadro normativo di riferimento, verranno considerate le normative e linee guida per le costruzioni in zona sismica disponibili in Italia, nell'Unione Europea e nel Nord-America. Sulla base dei risultati della ricerca verranno studiate ed eventualmente modificate le equazioni di progetto esistenti. Per lo sviluppo di tale programma di ricerca le singole Unità avranno a disposizione da una parte un numero consistente di elementi strutturali da riabilitare a partire da diversi livelli di danneggiamento, dall'altra potranno disporre di metodi di modellazione per strutture intelaiate che rappresentano lo stato dell'arte in questo campo. Il programma di ricerca si articolerà su due fasi principali fra loro interconnesse: 1) perfezionamento di metodi di sperimentazione su elementi strutturali da testare in laboratorio e/o in situ con sollecitazione monotone e cicliche; b) modellazione nonlineare di elementi strutturali sotto l'azione di carichi statici e dinamici. Il progetto proposto rappresenta la continuazione di una ricerca già finanziata con un Cofin 2002 allo stesso gruppo di università e ne estende lo scopo al campo sismico e a strutture in muratura.

La fase di SPERIMENTAZIONE si basa su una serie di prove su elementi strutturali, rinforzati e no, al fine di comprendere i fenomeni di danneggiamento e rottura di travi, colonne, nodi e pareti a taglio in cemento armato da una parte, e di pareti in muratura dall'altra. Alcune delle prove verranno effettuate su provini già testati e danneggiati in laboratorio e disponibili nelle Unità , altre su elmenti strutturali prelevati da edifici in via di demolizione, ed altre ancora su provini di nuova costruzione progettati secondo normative vecchie e/o non sismiche. Tali provini verranno rinforzati e testati sotto carichi monotoni e ciclici usando e confrontando tecniche di rinforzo con FRP e, per una parete in c.a., con cavi di precompressione esterni. Completa questa fase una serie di prove non distruttive su ponti in servizio costruiti in cemento armato e muratura.

La fase di MODELLAZIONE trae spunto da una base computazionale per l'analisi non lineare, statica e dinamica, di telai in cemento armato, sulla quale hanno già lavorato tutte le Unità di ricerca. A partire dai risultati dei programmi di sperimentazione, verranno perfezionati elementi con sezioni a fibre, e saranno sviluppati nuovi elementi di trave, trave-colonna e nodo in cemento armato rinforzati con FRP. Una serie di indagini parametriche, unitamente ai risultati del programma sperimentale, permetterà lo sviluppo di nuovi elementi (ad esempio per pannelli in laterizio e muratura) e il perfezionamento di quelli esistenti. Verranno inoltre usati metodi di analisi agli elementi finiti bidimensionali e solidi che permettono lo studio dettagliato dei fenomeni di rottura fragili caratterizzanti il calcestruzzo e la muratura. Sulla base dei risultati sperimentali su travi in c.a. rinforzate a flessione e a taglio verrà lanciato un blind test per la verifica di modelli numerici al quale verranno invitati a partecipare ricercatori di tutto il mondo e che culminerà con un workshop che verrà organizzato al termine dei due anni di ricerca. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Enrico SPACONE Università degli Studi "G. d'Annunzio" CHIETI-PESCARA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'Obiettivo centrale della ricerca proposta è l'avanzamento dello stato dell'arte delle conoscenze nel campo del rinforzo strutturale di strutture esistenti in cemento armato e in muratura costruite in zona sismica. La ricerca si svolgerà secondo due fasi principali fra loro interconnesse, con i relativi obiettivi qui di seguito specificati:

SPERIMENTAZIONE: Il programma sperimentale verterà su una serie di prove su elementi strutturali, rinforzati e no, al fine di comprendere i fenomeni di danneggiamento e rottura sotto carichi monotoni e ciclici. Le prove sperimentali riguarderanno manufatti sia in cemento armato che in muratura.

Per quanto riguarda il cemento armato, le Unità di Brescia, Firenze e Roma 3 hanno a disposizione elementi strutturali (travi, colonne, nodi, pareti a taglio) che sono stati già testati nel quadro di altre ricerche o che provengono da edifici in via di demolizione. Tali elementi rappresentano quindi una opportunità unica per lo studio di interventi di rinforzo su strutture progettate secondo vecchi criteri di sicurezza e che devono essere rinforzate nel rispetto delle moderne filosofie di progetto in zona sismica. Il problema del rinforzo a taglio per elementi con insufficente staffatura verrà trattato sperimentalmente dalle Unità di Brescia, Firenze, Roma 1 e Roma 3. L'Unità di Brescia ha a disposizione una parete strutturale di cinque piani di dimensioni reali già testata e danneggiata. L'obbiettivo di questa nuova indagine sperimentale è il consolidamento della parete con post-tensione ad armature non aderenti, seguito da una verifica sperimentale a carichi ciclici. Le Unità di Firenze, Roma 1 e Roma 3 collaboreranno invece allo studio della risposta sperimentale di travi e colonne in c.a. rinforzate a taglio con FRP. Diversi metodologie di rinforzo verranno sperimentate e confrontate dalle diverse Unità . Il problema del confinamento in elementi verticali in c.a. rinforzati con fasciature in FRP verrà studiato dalle Unità di Firenze, Roma 1, e Roma 3. Roma 3 effettuerà anche uno studio sperimentale sull'effetto della tamponatura sul comportamento a taglio dei pilastri in c.a. Anche il problema dell'interfaccia composito-calcestruzzo e composito-muratura, centrale nella risposta di strutture rinforzate a flessione e/o a taglio, verrà trattato nell'ambito della ricerca. Studi di aderenza verranno effettuati su provini in c.a. dalle Unità di Roma 1 e Bologna e su provini in c.a. e muratura dall'Unità di Chieti. L'Unità di Chieti studierà inoltre sperimentalmente il problema dell'aderenza fra calcestruzzo e FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix, un materiale sviluppato recentemente in cui la resina polimerica è sostituita da una matrice cementizia). Il problema della caratterizzazione degli infills e della loro importanza nella risposta di telai soprattutto in fase di esercizio verrà poi studiato dalle Unità di Chieti e Roma 3, con tests su campate singole e doppie in scala 1:1 e 1:2. Prove non distruttive in situ verranno infine effettuate dall'Unità di Bologna su ponti in cemento armato e muratura messi a disposizione dalla Provincia di Pistoia.

Per quanto riguarda lo studio sperimentale di elementi strutturali in muratura, l'Unità di Chieti studierà l'efficacia dell'aderenza fra rinforzo in FRP o FRCM e la muratura. Tali indagini verranno effettuate sia su elementi replicanti la muratura storica, che su elementi in muratura tradizionale in terra cruda, un materiale che sta attirando un crescente interesse ma del quale non si conoscono bene le caratteristiche di risposta sotto carichi ciclici.

MODELLAZIONE: La fase di modellazione verterà da una parte sullo sviluppo, il perfezionamento e l'applicazione di "frame elements" per analisi di telai, dall'altra sullo studio di singoli elementi strutturali con elementi finiti piani e solidi al fine di studiare nel dettaglio lo stato fessurativo di elementi in c.a. e muratura rinforzati con FRP e caricati fino a rottura.

Gli obiettivi fondamentali della modellazione con "frame elements" saranno: 1) mettere a punto una serie di modelli di sezione a fibre, trave, trave-colonna e nodo in cemento armato da inserire in un programma di calcolo per l'analisi statica e dinamica di travi e telai; 2) applicare e calibrare tali modelli di calcolo sulla base dei risultati delle prove sperimentali svolte nel quadro del programma di ricerca proposto; 3) eseguire una serie di studi parametrici per estendere i risultati ottenuti dai risultati sperimentali a una serie di tipologie di rinforzo. Verrà innanzitutto perfezionato il modello della sezione a fibre grazie all'aggiunta di una nuova legge ciclica per il calcestruzzo confinato in sezioni circolari e rettangolari. Si provvederà poi a migliorare un modello di trave a fibre basato sul metodo delle forze aggiungendo la capacità di modellare le deformazioni e il collasso per taglio. Verranno inoltre considerati elementi di trave con aderenza parziale calcestruzzo-rinforzo. Tali elementi si sono rivelati utilissimi nello studio dei fenomeni di collasso di travi rinforzate con piastre in FRP, ma necessitano dei valori sperimentali dell'aderenza e dell'energia di frattura dei fenomeni fessurativi che si sviluppano nel copriferro delle travi in c.a.. Tali valori verranno forniti dalle prove sperimentali delle Unità di Chieti e Roma 1. Verranno infine perfezionati modelli di nodo trave-colonna con e senza rinforzo.

Per quanto riguarda lo studio agli elementi finiti piani e solidi, questi verrano applicati sia a elementi strutturali in c.a. che a pareti in muratura. Per quanto riguarda il c.a., verranno effettuate analisi parametriche su travi rinforzate con FRP e FRCM per meglio studiarne i fenomeni di rottura, con particolare attenzione allo sviluppo e progresso dei fenomeni fessurativi. Le analisi verranno effettuate con programmi che usano parametri legati alla meccanica della frattura. Quanto alla muratura, verranno sviluppati elementi piani per pannelli in muratura di mattoni pieni con e senza rinforzo in FRP e di terra cruda con e senza rinforzo a fibre naturali e no. Tali modelli verranno verificati attraverso confronti con i risultati delle analisi speriementali.

I risultati delle analisi speriementali effettuate nel quadro del progetto proposto verrano utilizzati per un "blind test" per la predizione della risposta di travi in c.a. rinforzate a flessione e a taglio con FRP. Lo scopo del "blind test" è la verifica e il confronto di modelli numerici di diversa cocmplessità. Verranno invitati a partecipare ricercatori di tutto il mondo e i risultati verranno presentati ad un workshop che verrà organizzato al termine dei due anni di ricerca.

Si ritiene infine importante sottolineare come ricercatori delle Unità di questo progetto hanno di recente costituito, insieme ad altre universita' italiane, un gruppo di studio per la redazione di un documento prenormativo per la progettazione, l'esecuzione ed il collaudo di interventi di consolidamento mediante l'utilizzo di compositi fibrorinforzati. Uno degli obiettivi della ricerca qui proposta è di fornire degli studi di supporto a tale iniziativa, per quanto riguarda lo sviluppo dei criteri di progetto per il rinforzo nonché la proposta e la validazione di equazioni appropriate. <<<

Risultati parziali attesi

PUNTO 1: Uno studio numerico preliminare permetterà di verificare l'efficacia del nuovo intervento e di studiare la disposizione ottimale dei cavi esterni e la loro pretensione. Risultati di grande importanza verranno ricavati dalle prove cicliche sulla parete riparata, e dal confronto fra le risposte della parete integra e riparata.

PUNTO 2: Le prove su trave permetteranno di identificare la distribuzione delle tensioni del foglio di FRP attraverso la fessura, al fine a) di esprimerle in maniera analitica b) di ottenere un'equazione di progetto che esprima la dipendenza dalla geometria della fessura e dal posizionamento del foglio/tessuto in FRP. Quanto alle prove su pilastri, ci si aspetta di valutare l'efficacia degli interventi con FRP rispetto ad interventi tradizionali. Per quanto riguarda lo studio dei telai tamponati e non, le informazioni acquisite saranno utilizzate per a) la validazione dei rinforzi con FRP in caso di forti azioni di contatto trasmesse dalla tamponatura e/o dai controventi dissipativi b) la valutazione dell'affidabilità dei risultati ottenibilI tramite metodi di analisi nonlineare.

PUNTO 3: Ci si attende, a valle delle prove sperimentali, di disporre di una base dati esauriente per caratterizzare e quantificare, attraverso regole di progetto appropriate, 1) la riduzione degli effetti del confinamento quando si rinforzano pilastri a sezione rettangolare 2) il comportamento ciclico di elementi strutturali confinati.

PUNTO 4: I risultati attesi dalla fase I possono essere sintetizzati in regole per la definizione di un legame analitico di aderenza con estese capacità predittive. Si otterranno inoltre valori della meccanica della frattura per diversi tipi di rottura. Verranno comparate le caratteristiche di aderenza di rinforzi in CFRP e FRCM. I risultati di questo punto verranno utilizzati per ottenere equazioni di progetto e per le indagini numeriche della fase II.

PUNTO 5: Il primo risultato parziale atteso è la definizione di abachi progettuali che forniscano i valori medi di resistenza dei pannelli medesimi in funzione delle caratteristiche meccaniche e delle tipologia della tamponatura. Le prove sui telai tamponati porteranno alla definizione di criteri di valutazione dell'efficienza dei diversi tipi di intervento di rinforzo: adeguamento della tamponatura, intervento con FRP e posa di dissipatori.

PUNTO 6: Il primo risultato atteso è un'indicazione dell'efficacia del collegamento tra FRP o FRCM e muratura in pietra o cotto, al variare delle disposizioni dei tessuti. Per la la muratura in terra cruda, le prove sperimentali in situ e in laboratorio porteranno alla definizione delle caratteristiche meccaniche in funzione delle percentuali di miscelazione dei diversi componenti. Si otterranno inoltre risultati utili per definire l'efficacia di rinforzi interni innovativi, con impiego di fibre naturali o artificiali. In base ai risultati precedenti verranno riviste e perfezionate le regole correnti di progettazione in terra cruda.PUNTO 1: Risultati parziali di rilievo saranno tutte le leggi costitutive dei materiali (calcestruzzo, acciaio, FRP e aderenza) e delle sezioni (per la legge di taglio).

PUNTO 2: Risultati parziali saranno i due elementi di trave di Tipo Timoshenko con deformazione a taglio a livello della sezione e a livello di fibra. Si attende inoltre un perfezionamento dell'armatura con l'inclusione dell'FRP ed una semplificazione del legame costitutivo del calcestruzzo.

PUNTO 3: Risultati parziali attesi con le analisi con Merlin sono informazioni a) sui i percorsi fessurativi che portano a distacco della piastra di FRP; b) sui valori della meccanica della frattura che portano alla migliore correlazione con i dati sperimentali; c) sulle caratteristiche geometriche e meccaniche che influenzano il tipo di rottura. Le indagini parametriche con elementi di tipo trave serviranno a verificare i vigenti criteri di progetto relativi alle rotture per delaminazione e a proporne eventualmente di nuovi

PUNTO 4: Un assiduo scambio di informazioni e studenti fra le Università di questo progetto e l'Università di Colorado porterà allo sviluppo comune di programmi di ricerca sia sperimentale che di modellazione. Le Unità italiane potranno attingere alla lunga esperienza di indagini pseudo-dinamiche dell'Università di Colorado.

PUNTO 5: Un primo risultato parziale sarà una prima proposta di un metodo di rinforzo dei telai tamponati con laterizi mediante l'uso di controventi dissipativi, nel quale si daranno indicazioni sui criteri di valutazione dello stato di fatto della struttura prima dell'intervento, sui criteri generali di intervento con controventi dissipativi, sui criteri di applicazione dei dispositivi. Parallelamente un altro risultato significativo dovrà essere la definizione di un modello di tamponatura con particolare riguardo al caso di modello di tamponatura a tre bielle. In questo caso i risultati sperimentali, con particolare riguardo alle zone nodali, saranno la base per valutare le condizioni di ottimizzazione geometrica e meccanica del modello.

PUNTO 6: Risultati di rilievo saranno i macro elementi "pannello murario" con e senza rinforzo in FRP e FRCM da utilizzare per tipi diversi di muratura

PUNTO 7: Le analisi numeriche sono indispensabili per determinare la disposizione ottimale dei cavi e del livello di post-tensione e per operare correttamente l'intervento di recupero della parete strutturale da sperimentare. Le analisi permetteranno inoltre di valutare la possibilità di impiego di materiali innovativi per il ripristino del calcestruzzo danneggiato, quali ad esempio calcestruzzi ad alte prestazioni e fibrorinforzati. Lo studio numerico sul comportamento di fondazioni scatolari consentirà di verificare l'efficienza del sistema di fondazione della parete strutturale. Sulla base di questo studio verrà messa a punto una metodologia semplificata per il corretto dimensionamento delle fondazioni scatolari.

PUNTO 8: Si prevede la partecipazione di molti esperti internazionali di modellazione e di progettazione di strutture in cls rinforzate con FRP. Questo darà grande evidenza e diffusione ai risultati ottenuti nel corso della ricerca proposta. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La valutazione della resistenza a carichi sia statici che sismici di strutture esistenti in cemento armato (c.a.) e in muratura è argomento di grande interesse sia scientifico che pratico in tutto il mondo. Tale interesse scaturisce dal fatto che molte strutture esistenti da un lato manifestano differenti livelli di ammaloramento e dall'altro non soddisfano le vigenti raccomandazioni e filosofie di progetto ed esecuzione in zone sismiche. Un recente studio canadese ha stimato che gli investimenti necessari a riabilitare le infrastrutture mondiali sono dell'ordine di mille miliardi di dollari (ISIS Canada 2000).

Recenti terremoti hanno evidenziato la vulnerabilità sismica delle strutture e infrastrutture esistenti, come testimoniano i collassi catastrofici di edifici e ponti (Comartin et al. 1995, Hall 1995). Anche quando la perdita di vite umane è bassa, l'impatto economico del terremoto può essere pesantissimo, come dimostra il terremoto di Northridge, USA del 1995 che pur causando pochissime vittime, è stato quello che nella storia ha causato i maggiori danni economici. E' poi di pochi mesi fa il terremoto catastrofico di Bam in Iran, che ha nuovamente mostrato la vulnerabilità sismica di strutture monumentali, sulle quali e' ancora più difficile intervenire. Questo e' un settore di particolare interesse in Italia per la presenza di un notevole patrimonio di edifici di valore storico e culturale con murature portanti in cotto, in pietra e anche in terra cruda. Per tali strutture è necessario quindi ricercare metodi di intervento atti a migliorarne il comportamento sismico, senza peraltro intaccarne il valore storico-artistico e l'aspetto estetico.

Le strutture in c.a. esistenti presentano spesso deficienze strutturali perché progettate secondo criteri di progetto vecchi e, alla luce dell'esperienza odierna, inadatti a garantire i livelli di sicurezza strutturale previsti dalle normative vigenti (Eurcodici 2 e 8, 1998, International Conference of Building Officials 2000, Ordinanza PCM 2003). Molti dei collassi osservati negli ultimi anni sono soprattutto legati ad una insufficiente presenza di staffature (con conseguente carenza di resistenza a taglio), basso confinamento del calcestruzzo ed eccessiva lunghezza libera delle barre. L'altro problema nelle strutture in c.a. esistenti è l'ammaloramento dovuto ad agenti ambientali ed umani. Fra le cause piu' ricorrenti ricordiamo la corrosione delle armature dovute ad un pesante utilizzo di sale sui ponti nei mesi invernali ed a cicli gelo-disgelo, la conseguente perdita di aderenza fra acciaio e calcestruzzo, l'uso di materiali di scarsa qualità, il danneggiamento a seguito di eventi eccezionali, etc. Le principali conseguenze dei problemi sopra-citati sono una o più delle seguenti deficienze strutturali: inadeguate resistenza a flessione per le travi e a pressoflessione per le colonne o pile da ponte, inadeguata resistenza a taglio, inadeguata duttilità, inadeguato ancoraggio delle armature, inadeguato confinamento del calcestruzzo, inadeguata protezione allo svergolamento delle armature longitudinali.

Quanto alle strutture in muratura, queste presentano in genere non trascurabili riserve di resistenza. I malfunzionamenti sono spesso imputabili a deficienze locali che fanno venir meno le necessarie collaborazioni tra le diverse porzioni della struttura, con conseguente instabilizzazione di parte o della totalità dell'edificio. Più raramente si riscontrano insufficienze a carico dei singoli elementi strutturali. L'intervento di rinforzo deve quindi tendere a mantenere efficienti, in caso di azione sismica, i meccanismi resistenti del comportamento strutturale d'insieme dell'edificio, in primo luogo assicurando i collegamenti tra le varie parti ed eventualmente rinforzando alcuni elementi strutturali strategicamente fondamentali ai fini di tale comportamento.

Si riscontra inoltre la volontà di riprendere ad utilizzare materiali e metodi costruttivi eco-compatibili, da tempo non più in uso, per i quali si presenta il problema di studiarne ex novo il comportamento in zona sismica. Uno di questi materiali e' la terra cruda il cui riutilizzo si sta nuovamente diffondendo in diversi Paesi d'Europa e d'America (permane invece in continuità in molte zone dell'Africa e Medio-Oriente) sia nell'ambito delle nuove costruzioni che in quello della conservazione, muovendo soprattutto dalle interessanti prospettive inerenti l'eco-sostenibilità (Forlani, 2001).. Anche per tale materiale, oltre al problema delle nuove costruzioni esiste il problema della conservazione delle strutture esistenti. Per quanto riguarda l'Italia, esiste una proposta di legge (L.64/74) che intende includere la struttura in terra cruda tra quelle utilizzabili per la costruzione di edifici in zone sismiche, ma sono necessari studi approfonditi per stabilire e regolamentare metodi costruttivi per la realizzazione di edifici in terra cruda sismicamente resistenti.

Le precedente discussione evidenzia l'importanza di disporre sia di strumenti che permettano l'analisi dello stato delle strutture esistenti e la stima della loro capacità di resistere ai carichi sismici di progetto, sia di metodologie di intervento che permettano di rinforzare e/o riabilitare tali strutture. Grossi investimenti sono stati fatti e continuano a farsi in tutto il mondo per analizzare il problema e trovare soluzioni valide sia da un punto di vista strutturale che economico. Basti pensare al programma di ricerca NEES lanciato dal Congresso USA nel 2000 e che durera' almeno fino al 2014. Tale progetto, che nella sola fase iniziale di allestimento delle strutture sperimentali (che dura fino a fine 2004) consiste in circa 80 milioni di dollari, intende stabilire un network di attrezzature sperimentali dedicate alla ricerca in ingegneria antisismica. Più in generale, all'interno dell'ingegneria civile, la ricerca nel settore delle strutture esistenti in c.a. e in muratura si è mossa in diverse direzioni fra loro interconnesse e dirette a sviluppare un approccio completo alla diagnostica e valutazione dello stato delle strutture esistenti, al progetto di eventuali interventi di riabilitazione e alla modellazione della comportamento strutturale dell'opera prima e dopo l'eventuale inforzo/riabilitazione.

La ricerca sperimentale nel campo delle strutture in c.a. o in muratura è indispensabile per lo sviluppo di criteri di progetto, la calibrazione di equazioni di progetto, e la verifica di modelli analitici. Varie campagne di prove su elementi strutturali e su intere strutture, sono state completate in tutto il mondo. Basti ricordare le prove su edifici e pile da ponte in c.a. svolte all'ELSA (European Laboratory for Structural Assessement) a Ispra e quelle su strutture murarie condotte sulla tavola vibrante dell'ENEA-Casaccia, Italia, quelle fatte negli Stati Uniti a UC Berkeley, UC San Diego, SUNY Buffalo (per citare alcuni dei laboratori sperimentali piu' grandi), in Giappone in vari centri di Ricerca sia privati che pubblici, in Canada, in Australia e in Nuova Zelanda. Tradizionalmente la sperimentazione nel campo delle strutture ha avuto come obbiettivo la ricerca di una migliore comprensione del comportamento delle strutture esistenti e la verifica di nuovi e più efficaci dettagli costruttivi per nuove costruzioni. Preso atto dell'invecchiamento dell'inventario delle strutture ed infrastrutture civili, le autorità e la comUnità scientifica hanno in tempi recenti mostrato un crescente interesse allo sviluppo ed alla verifica sperimentale di strutture riparate con varie tecniche di riabilitazione e rinforzo. C'è stato prima lo sviluppo di metodi di isolamento sismico delle strutture (il cui scopo è fondamentalmente quello di cambiare le caratteristiche dinamiche della struttura) e più recentemente lo sviluppo di una serie di tecniche di rinforzo di elementi strutturali che usano materiali tradizionali (calcestruzzo e acciaio) e nuovi (materiali compositi fibrorinforzati, o FRP, sviluppati prima dalle industrie militari ed aerospaziali, e poi estesi alle strutture civili).

La letteratura nel campo degli interventi su strutture in c.a. con FRP è vasta (una lista parziale è riportata nei riferimenti bibliografici) ed ha facilitato l'affermarsi di alcune metodologie di rinforzo (strisce e piastre per interventi su travi e colonne, giacche per colonne e pile da ponte, per citare le piu' diffuse). Il contributo offerto da rinforzi in materiale composito alla resistenza di strutture in c.a. può essere valutato, seguendo lo stato dell'arte, tramite opportune relazioni analitiche a seconda della grandezza che si sta considerando: flessione (ad es. Ritchie et al. 1991, Täljsten 1997a), taglio (ad es. Chajes et al. 1995, Norris et al. 1997, Triantafillou 1998), duttilità (ad es. Spoelstra e Monti 1999, Monti et al. 2000). Queste relazioni analitiche mirano a prevedere la resistenza ultima degli elementi strutturali, cogliendo con sufficiente grado di approssimazione l'entità del contributo del materiale composito. In molti casi si è potuto tuttavia verificare, attraverso il confronto con dati sperimentali, che tali relazioni analitiche sono accurate solamente se si realizzano meccanismi di collasso facilmente valutabili, quali ad es. lo schiacciamento del calcestruzzo o la rottura dello stesso materiale composito per trazione. Quando invece si attivano ulteriori meccanismi legati ai fenomeni di aderenza fra il tessuto in FRP ed il calcestruzzo (si veda ad es. Täljsten 1997b, Malek et al. 1998), la capacità di previsione viene significativamente ridotta.

La mancanza di una soddisfacente comprensione dei fenomeni di collasso di strutture in c.a. rinforzate con materiali fibrorinforzati è testimoniata dal fatto che, nonostante ci sia un grosso volume di lavori sperimentali e analitici pubblicati, le linee guida disponibili per il progetto (principalmente l'ACI 440F [ACI 2000] e il bollettino fib n.14 [fib 2001]) usino in molti casi equazioni di progetto empiriche, frutto di estrapolazioni di dati sperimentali, piuttosto che di una razionale comprensione dei fenomeni meccanici osservati sperimentalmente.
Una situazione simile si riscontra nel campo delle murature, sia in cotto che in pietra, dove le applicazioni di materiali FRP sono ancora più recenti. In questo caso le problematiche appaiono più complesse in quanto se, da un lato, l'aderenza è in genere migliore con l'incollaggio diretto dei tessuti in FRP sugli elementi in pietra o in mattoni cotti costituenti la muratura, dall'altro c'è una maggiore differenza tra le caratteristiche meccaniche del materiale base e quelle del rinforzo. Altro motivo di maggior complessità è l'articolazione delle geometrie strutturali, composte da elementi bidimensionali o tridimensionali, piuttosto che monodimensionali come nelle strutture in c.a. Una problematica importante della ricerca nel campo degli interventi su strutture murarie storiche è la messa a punto di interventi sempre più compatibili con le caratteristiche e le esigenze di un bene monumentale, quali la reversibilità degli interventi e la loro compatibilità con l'edificio nel suo insieme. A tale proposito sono in via di perfezionamento nuove metodologie di realizzazione di interventi in composito ed in particolare mediante materiali in FRCM, cioè "fibrorinforzati a matrice cementizia", che assicurino la traspirabilità delle murature sulle quali vengono applicate.

A fianco delle indagini sperimentali è fondamentale lo sviluppo di modelli analitici semplici ed allo stesso tempo abbastanza sofisticati da permettere l'analisi nonlineare fino a collasso di strutture in c.a. o in muratura, rinforzate e non, soggette a carichi sia statici che dinamici. Questi modelli analitici rivestono un ruolo centrale nelle emergenti filosofie di progetto basate sul "performance-based design" (SEAOC 1995, FEMA 1997). Secondo queste filosofie, la risposta della struttura va verificata esplicitamente sottoponendola a diversi tipi di carichi e controllando che una serie di criteri di sicurezza (basati su valori limite delle forze ma soprattutto degli spostamenti) siano soddisfatti. L'importanza della modellazione è sottolineata dallo sforzo che i centri di ricerca in ingegneria sismica statunitensi stanno ponendo in questo settore, primo fra tutti il Pacific Earthquake Engineering Center (PEER) che sta perfezionando una nuova piattaforma computazionale chiamata OpenSees (Opensees, 2002) che usa in gran parte elementi di tipo trave-colonna a fibre basati sugli studi iniziati dal Coordinatore della presente proposta durante il suo dottorato di ricerca a UC Berkeley (Spacone et al. 1996a,b,c).

La modellazione di strutture in c.a. con modelli a telaio che utilizzano elementi di tipo trave o trave-colonna rappresenta un compromesso fra precisione e velocità di calcolo. Gli ultimi anni hanno visto un rapido sviluppo in questo campo che ha portato da un lato ad un marcato aumento delle velocità di calcolo e dall'altro alla formulazione di elementi di telaio basati su rigorosi principi energetici. In particolare, negli ultimi dieci anni si sono affermati modelli di tipo "frame" basati sull'equilibrio fra le forze interne d'elemento (chiamati modelli in flessibilità o modelli basati sul metodo delle forze) piuttosto che sulla compatibilita' degli spostamenti (modelli in spostamento). Tali elementi sono esatti Spacone et al. (1996a) nei limiti delle teorie classiche della trave (Eulero-Bernoulli e Timoshenko). L'utilizzo di tali elementi richiede un solo elemento di trave a due nodi per elemento strutturale, con un notevole risparmio nel numero dei gradi di libertà della struttura. L'accoppiamento con un modello di sezione a fibre produce un elemento adatto all'applicazione sia a travi che a colonne (Spacone et al. 1996 b, c ). Sviluppi più recenti hanno visto l'aggiunta dello scorrimento fra le barre ed il calcestruzzo (Spacone e Limkatanyu 2001, Aprile et al. 2001) e l'aggiunta del confinamento variabile in colonne circolari rinforzate con FRP (Spoelstra e Monti 1999). L'elemento di telaio a fibre necessita però di ulteriori perfezionamenti, in particolare una libreria di leggi costitutive uniassiali più ricca (che comprenda per esempio lo svergolamento delle barre e il confinamento di colonne rettangolari), e l'aggiunta degli effetti della deformazione e della rottura a taglio in travi e colonne. Nel caso infine di travi in c.a. rinforzate con FRP, esistono ancora grosse incertezze sul come selezionare i parametri della aderenza parziale fra calcestruzzo ed FRP soprattutto in zona fessurata (Monti e Renzelli 2002, Aprile et al. 2001). Tali sviluppi hanno bisogno del supporto di ulteriori indagini sperimentali per uno studio più approfondito del problema.

Per quanto riguarda la modellazione della muratura, infine, si parla prevalentemente di analisi con elementi bidimensionali. Sono in fase di sviluppo programmi non lineari appositamente studiati per l'analisi del comportamento dei pannelli e di intere pareti in muratura, come il programma PEFV (sviluppato dall'Unita' di Ricerca di Chieti), che impiega elementi finiti a geometria variabile in modo da non essere "mesh sensitive". Così come OpenSees, PEFV è sviluppato secondo la più moderna filosofia della programmazione ad oggetti (impiegando il linguaggio C++) che rende più agevole l'inserimento di nuovi elementi, leggi costitutive e algoritmi risulutivi. Nel campo delle murature si avverte la necessita' di creare modelli di tipo pannello rinforzati con FRP disposti secondo diverse configurazioni. Risulta infine importante lo sviluppo di modelli di pannello per tamponature da inserire in programmi per analisi di telai in c.a. al fine di considerare l'effetto delle tamponature soprattutto in condizioni di esercizio. <<<