RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecniche e materiali innovativi per il rinforzo sismico di strutture esistenti

Università di riferimento

Università degli Studi "G. d'Annunzio" CHIETI-PESCARA - PROGETTAZIONE RIABILITAZIONE E CONTROLLO DELLE STRUTTURE ARCHITETTONICHE - CHIETI(CH)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Enrico SPACONE

Descrizione

L'Unità di Ricerca dell'Università di Chieti-Pescara propone di studiare la risposta fino a rottura di strutture in cemento armato e muratura, rinforzate e non rinforzate, attraverso due indagini interconnesse, una di modellazione numerica di telai in cemento armato e sistemi in muratura -anche cruda- l'altra di sperimentazione su travi di cemento armato e su pannelli in muratura rinforzati e non con materiali compositi fibrorinforzati. Verranno considerati rinforzi in FRP (Fiber Reinforced Plastics) e in FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) L'FRCM e' un materiale sviluppato recentemente in cui la resina polimerica e' sostituita da una matrice cementizia. In questo modo la matrice inorganica risulta perfettamente compatibile sia con le strutture in calcestruzzo che con le strutture murarie permettendo i normali scambi termo-igrometrici con l'esterno. PROGRAMMA DI MODELLAZIONE NUMERICA Verrà innanzitutto perfezionata una piattaforma computazionale per la modellazione di travi e telai in c.a. Tale piattaforma è basata su elementi di telaio in flessibilità che utilizzano modelli di sezione a fibre (Spacone et al. 1996a,b,c). La piattaforma computazionale degli elementi di trave sarà il programma di calcolo FEAP (Taylor 2000) . Verrà inoltre utilizzato un nuovo programma sviluppago alla Uniersità di California, Berkeley (McKenna et al. 2002). Tale programma è basato sulla programmazione a oggetti in C++ ed è al momento usato nel centro di ricerca PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center) e in altre istitutuzioni negli Stati Uniti. Le analisi con elementi finiti solidi verranno effettuate con il programma di calcolo Merlin (Cervenka, J., Kishen, C. and Saouma, V. 1998). Per quanto riguarda la muratura verranno utilizzati diversi programmi non linearitra i quali il programma PEFV (sviluppato dall'Unita' di Ricerca di Chieti), che impiega elementi finiti a geometria variabile in modo da non essere "mesh sensitive". Usando le piattaforme computazionali sopra citate, saranno completati i seguenti studi: a) Perfezionamento dei modelli costitutivi unidimensionali per la sezione a fibre. In particolare, il modello del calcestruzzo basato sulla curva di Popovic (1973) sostituirà il modello attuale di Kent e Park (1971) che non permette di controllare il modulo elastico iniziale del calcestruzzo. Verrà inoltre aggiunto l'effetto del confinamento applicato da giacche in acciaio ed FRP (Monti et al. 2001, Albanesi, Nuti, Vanzi 2003). La legge costitutiva dell'acciaio verrà modificata per contenere lo svergolamento sotto carico ciclico (Monti e Nuti 1992, , Albanesi, Biondi, Nuti 2003). Infine, un semplice modello costitutivo lineare-fragile a trazione e con zero resistenza a compressione verrà implementato per modellare la risposta assiale delle piastre in FRP. b) Sviluppo di un elemento finito di trave-colonna di tipo Timoshenko. Verrà sviluppato un nuovo elemento finito che possa descrivere, oltre alle risposte assiali e flessionali, anche quelle taglianti del c.a. Tale elemento è fondamentale per 1) descrivere la risposta di elementi strutturali esistenti progettati con insufficiente staffatura; 2) valutare le opere di rinforzo con giacche in acciao o FRP o con strisce in FRP. L'elemento verrà formulato nel quadro del metodo delle forze. La teoria è già stata sviluppata da Petrangeli et al. 1999 Martino et al. 2000. Elementi a fibre esistono già (Petrangeli et al. 1999, Remino 2004), tuttavia l'elemento necessita di miglioramenti sia nelle leggi costitutive che nelle iterazioni di elemento. c) Indagini agli elementi finiti con MERLIN su elementi in c.a. rinforzati con FRP e FRCM Nonostante esista una ricca letteratura scientifica dedicata alle prove sperimentali su travi rinforzate a flessione e a taglio con strisce e piastre in FRP, non sono stati ancora chiaramente identificati i fattori sia geometrici che meccanici che inducono differenti tipi di collasso (distacco delle strisce sotto il carico, distacco delle strisce alla fine delle strisce, collasso della striscia, schiacciamento a compressione del calcestruzzo, Camata et al. in press; Yang, Chen and Proverbs 2003, Aprile and Benedetti, in press). Per descrivere correttamente i fenomeni di distacco verrà utilizzato il programma agli elementi finiti Merlin. Merlin puo' tenere conto dell'effetto sia delle fessure localizzate che delle microfessurazioni distribuite all'interno del calcestruzzo. L'obiettivo è quello di ottenere numericamente i valori critici dell'energia di frattura e della tensione di taglio che causano le rotture di delaminazione e che vengono usati dalle linee guida europee (fib, 2001) per determinare le lunghezze di ancoraggio dei compositi incollati al calcestruzzo. d) Indagini parametriche su travi rinforzate a flessione con strisce in FRP. Parallelamente alle indagini agli elementi finiti del punto precedente e a quelle sperimentali condotte nel quadro di questa ricerca, si effettueranno una serie di indagini parametriche usando un elemento di trave a fibre con scorrimento fra striscie di FRP e calcestruzzo (Limkatanyu e Spacone 2002a,b). I risultati delle indagini del punto c) forniranno i valori delle caratteristiche meccaniche (in particolare la resitenza del bond lamina-calcestruzzo e il comportamento nel ramo softening) da usare in queste analisi, che sono sicuramente più veloci e quindi più facilmente utilizzabili anche in fase di progetto. e) Supporto analitico all'Universita' di Colorado, Boulder, nell'ambito di un progetto NEES (Network for Earthquake Engineering Simulations). L'Unita' di Chieti formira' il supporto analitico ad un progetto di prove pseudo-dinamiche su pile da ponti finanziato dalla National Science Foundation di Washington e condotto nel Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Universita' di Colorado, Boulder sotto la direzione del Prof. P.B. Shing. L'Unita' di Chieti sarà responsabile della parte di modellazione non lineare con elementi telaio. Verranno usati elementi trave-colonna a fibre, in particolare quello con deformazioni taglianti prima descritto. f) Indagini parametriche su pannelli di tamponatura Appare sempre più chiaro come un approccio coerente alla modellazione della risposta di strutture intelaiate tamponate sia quello che sfrutta il modello a biella (o bielle) equivalenti (Biondi, Candigliota, Nuti 2004). Permane tuttavia la difficoltà di garantire un corretto passaggio dalle caratteristiche meccaniche dei componenti (malta, laterizi forati disposti anche su più strati [Biondi, Candigliota, Nuti 2002]) alla risposta del pannello. Si intende effettuare una campionatura dei laterizi di uso corrente in Italia con individuazione delle classi di appartenenza (spessore, percentuale di foratura, fattore di forma i.e. rapporto base × altezza) e delle procedure di realizzazione (verso tipico di disposizione dei fori, disposizione a parete singola o doppia, presenza o meno di malta nei giunti verticali). Da tale analisi si estrarranno delle tipologie tipiche da sottoporre a prova per il tramite di provini, in scala naturale, costituiti da un numero limitato di corsi di malta. g) Perfezionamento del macrolemento "pannello murario" con rinforzi in FRP o FRCM. Attualmente il macro elemento "pannello murario" del programma PEFV non consente l'inserimento di rinforzi al proprio interno, per cui nel simulare rinforzi realizzati con barre e tiranti in acciaio, questi vengono considerati "scorrevoli" e disposti quindi "in parallelo" al pannello murario ed ancorati all'estremità dello stesso. Volendo modellare un rinforzo in FRP o FRCM applicato sulla superficie del pannello murario è invece necessario simulare la collaborazione pannello-rinforzo lungo tutta la lunghezza del rinforzo medesimo. h) Realizzazione di un nuovo macroelemento "pannello murario" in materiale terra cruda, non rinforzato o rinforzato. Si tratta di mettere a punto una adeguata variante del macroelemento già presente nel programma PEFV, sulla base della prevista campagna di indagini sperimentali. Appare anche necessario studiare come tener conto di eventuali rinforzi, interni alla massa di terra cruda, sia tradizionali (paglia, e fibre vegetali in genere) che innovativi (fibre sintetiche, geotessuti, ecc.). PROGRAMMA DELLE INDAGINI SPERIMENTALI Si propongono tre serie di indagini sperimentali su: a) travi in cemento armato rinforzate a flessione con piastre in FRP e FRCM; b) elementi, provini e pannelli di laterizio con e senza aperture; c) pannelli in muratura in pietra, in cotto ed in terra cruda, con e senza rinforzo. Le indagini sperimentali verranno completate nel Laboratorio S.C.A.M. del Dipartimento PRICOS dell'Università di Chieti. a) Indagini sperimentali su travi in c.a. Lo scopo di tali indagini sperimentali e' lo studio dei meccanismi di rottura di elementi strutturali in cemento armato rinforzati a flessione. A seconda della lunghezza, larghezza, spessore, rigidezza delle piastre applicate all'intradosso di travi semplicemente appoggiate, la rottura della trave rinforzata può avvenire per distacco della striscia di FRP sotto il carico o all'attacco della striscia, per rottura a trazione della striscia stessa o, in pochissimi casi, per rottura del calcestruzzo a compressione (Aprile et al. 2001, Thomsen 2002, Limkatanyu 2002, Camata et al. 2003). Le indagini sperimentali proposte dall'unità di Chieti si concentreranno su travi semplicemente appoggiate in c.a di dimensioni circa 2.500 x 500 x 100 mm. Le travi verranno sotto rinforzate per permettere l'elevazione del carico ultimo grazie all'aggiunta di piastre in CFRP ed FRCM. I parametri che verranno considerati nell'indagine sperimentale saranno: lunghezza della piastra, larghezza della piastra, distribuzione del carico. Per studiare sperimentalmente l'effetto della distribuzione del carico le travi verranno testate in due configurazioni di carico, flessione su tre punti e carico applicato in piu' punti (per simulare il carico distribuito). Infine, le travi verranno rinforzate sia con l'FRCM che con l'FRP per valutare le prestazioni dell'FRCM. Per ben comprendere i fenomeni di rottura delle travi rinforzate, sarà misurato lo scorrimento locale fra piastre di rinforzo e calcestruzzo. È inoltre prevista la installazione di una videocamera digitale che permetta di filmare gli istanti immediatamente precedenti alla rottura per distacco delle piastre con il copriferro di calcestruzzo. Inoltre e' previsto l'utilizzo di fibre ottiche per ottenere misurazioni piu' precise della deformazione. Una migliore comprensione di tale distacco, dovrebbe permettere di completare lo studio dei meccanismi di collasso per distacco della piastra con il copriferro in calcestruzzo. b) Indagini sperimentali su infills Nella definizione della risposta meccanica della muratura in genere si agisce a partire dalle caratteristiche meccaniche dei componenti. Nel caso di muratura tradizionale l'utilizzo di mattoni pieni e malta (cioè di elementi base isotropi) conduce a livelli di anisotropia non particolarmente accentuati nel caso di un solido murario. Tale solido ha poi livelli di snellezza assai limitati. Per tale motivo il controllo della risposta del solido viene demandato a prove effettuate su provini di piccole dimensioni (a tre corsi di malta). Nel caso della tamponatura ciò appare insufficiente perché i laterizi componenti sono forati e per tale motivo intrinsecamente anisotropi. Inoltre spesso la tamponatura è costituita da due pannelli di laterizio, non legati e diversi tra di loro. Per tale motivo nel caso delle tamponature bisogna passare a considerare come significativa la risposta di pannelli in scala al vero. Sarà oggetto di indagine la realizzazione di prove su tale tipo di elemento. Le prove possono essere, in questa fase iniziale, del tipo ciclico quasi statico mentre il tipo di scala da considerare può essere quella naturale (per provini ad una campata ed una elevazione) e quella con riduzione in scala 1:2 nel piano del pannello ed in scala 1:1 nel piano perpendicolare (per provini a due campate e/o a due elevazioni). La necessità della riduzione in scala differenziata nel piano e fuori del piano deve contemperare i risultati dell'analisi parametrica della tamponatura con particolare riguardo al fattore di forma del laterizio e degli elementi in crudo). c) Indagini sperimentali sulla muratura in pietra, in terra cotta e in terra cruda. Per quanto riguarda la muratura in cotto o in pietra, la prima fase delle indagini sperimentali sarà rivolta alla valutazione del comportamento locale all'interfaccia muratura-rinforzo in FRP e all'interfaccia muratura-rinforzo in FRCM. La seconda fase riguarderà opportune prove su modelli di setti murari, in scala 1:1 o 1:2, per la valutazione del comportamento d'insieme di un elemento costruttivo, la messa a punto del corrispondente modello numerico e la stesura delle linee guida. Per quanto riguarda la muratura in terra cruda, la prima fase consisterà in una serie di prove sperimentali, in situ –per la comprensione delle strutture storiche- e in laboratorio per la definizione di diversi livelli qualitativi funzione delle percentuali di miscelazione dei diversi componenti (similmente a quanto è in uso per il cls) ai fini di una classificazione di normativa e di opportune linee guida. Similmente si procederà per la definizione dell'efficacia di diverse percentuali di armatura interna alla massa di terra cruda (in fibre naturali o artificiali). La seconda fase riguarderà una serie di prove su modelli di setti e connessioni murarie, in scala 1:1 o 1:2, realizzati con diverse tecniche costruttive (in mattoni di terra cruda, in getto di fango costipato in cassaforma, ecc.) per una valutazione dei diversi livelli qualitativi raggiungibili, ai fini di una classificazione di normativa e della stesura di linee guida. Tali valutazioni, effettuate attraverso l'analisi del comportamento d'insieme di un elemento costruttivo, saranno anche la base per la messa a punto del corrispondente modello numerico. FASI DI LAVORO Anno 1 Modellazione numerica: Sviluppo modello trave-colonna con deformazioni taglianti. Implementazione nuova libreria di leggi costitutive unidirezionali. Sviluppo modello per infill. Sviluppo del macromodelli pannelli murari. Prime indagini parametriche con Merlin. Prove sperimentali: Acquisizione e messa a punto dell'attrezzatura di prova per la realizzazione delle prove di carico su travi di c.a. e pannelli murari. Aggiornamento dell'attrezzatura di controllo. Progettazione e realizzazione dei campioni. Indagine di mercato per l'esame dei laterizi. Prove per determinare la resistenza meccanica dei provini a 3 corsi di malta. Prove di aderenza tra calcestruzzo o muratura in cotto e rinforzi in FRP ed FRCM. Prove su setti murari in cotto, in scala 1:1 o 1:2, rinforzati o non rinforzati. Prove per la caratterizzazione meccanica del materiale terra cruda, dalla campionatura sull'esistente ai mattoni estrusi e blocchi compressi di produzione industriale. Anno 2 Modellazione numerica: Indagini parametriche su elementi in c.a. rinforzati con FRP ed FRCM. Perfezionamento elemento con deformazione a taglio. Calibrazione dei modelli numerici. Sviluppo del modello di legame costitutivo della biella equivalente del tipo trilineare con degrado. Sviluppo del macroelemento pannello murario in terra cruda. Prove sperimentali: Realizzazione delle prove sperimentali monotone sulle travi in c.a. Prove su setti murari in pietra, rinforzati o non rinforzati. Prove su setti murari in terra cruda, armata o non armata. Prove su provini di telai in cemento armato tamponati in scala 1:1 (portali) o scala 1:2 (2 campate e/o 2 alzate). Elaborazione e analisi dei dati delle prove sperimentali. Studio dei meccanismi di collasso e sviluppo di equazioni di progetto. Sistematizzazione dei risultati e configurazione di un supporto operativo volto al recupero e alla nuova progettazione (in crudo).