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INQUADRAMENTO Nell’ambito del tema generale sulle tecniche e materiali innovativi per il rinforzo sismico delle strutture esistenti, la ricerca che si propone riguarda il comportamento e le prestazioni di elementi in cemento armato di strutture esistenti rinforzati a taglio con FRP. E’ ben noto che il taglio da luogo a meccanismi di rottura di tipo fragile, indesiderati per strutture costruite in zona sismica. I moderni codici sismici introducono delle specifiche per evitare che il collasso a taglio preceda quello a flessione. Ovviamente, per le costruzioni esistenti, molte delle quali pre-normative, tale problematica è particolarmente sentita e necessita di ulteriore attività di ricerca, soprattutto in ambito sperimentale. La Regione Toscana, attraverso il Servizio Sismico, ha avviato un esteso programma di adeguamento sismico degli edifici scolastici, prevalentemente realizzati fra il 1950 ed il 1975. Nell’ambito di tale programma, la Regione Toscana è disponibile ad assegnare direttamente al Dipartimento di Costruzioni un finanziamento per una campagna di prove su elementi in cemento armato prelevati da strutture esistenti collegata al presente presente progetto di ricerca. FASI ED OBIETTIVI La ricerca che si propone consiste in: -Programma di prove sperimentali su elementi in cemento armato estratti da strutture esistenti e su campioni in scala riproducenti quelli estratti da strutture esistenti, aventi caratteristiche dimensionali tali da tendere a sviluppare meccanismi di crisi per taglio. Le prove verranno eseguite su coppie di campioni aventi caratteristiche per quanto possibile similari, di cui uno rinforzato a taglio con fasciature in FRP. Il programma di prove sperimentali monotone e cicliche si avvarrà di attrezzature in parte già disponibili presso il Laboratorio Prove Materiali del Dipartimento di Costruzioni dell’Università di Firenze, con conseguente sensibile abbattimento dei costi. Esso consisterà in prove su elementi in c.a. soggetti a sforzo normale costante e spostamenti trasversali impressi e variabili con legge monotona e ciclica. Le condizioni di vincolo sperimentali saranno tali da riprodurre una situazione deformativa caratterizzata da rotazioni impedite ad una o ad entrambe le estremità. -Confronto dei risultati sperimentali con le resistenze nominali a taglio fornite dalle principali guide-lines americane ed europee. La problematica della valutazione del guadagno di resistenza a taglio indotta da fasciature in FRP in funzione dei principali fattori caratterizzanti (vedi descrizione riportata di seguito nel programma di prove sperimentali) è tuttora aperta, dal momento che le principali linee guida americane (ACI) ed europee (FIB) forniscono formulazioni differenziate, dipendenti anche da parametri di non chiaro significato fisico. Pertanto i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale verranno confrontati con le predizioni fornite da citate linee guida, sia al fine di valutarne l’attendibilità, sia, eventualmente, per migliorare tali formulazioni. PROGRAMMA DI PROVE SPERIMENTALI Come detto sopra, le prove sperimentali verranno effettuate su elementi in cemento armato di dimensioni orientative 30x40x100 cm prelevati a cura del Servizio Sismico della Regione Toscana da strutture esistenti e su campioni in scala 1/2 riproducenti alcuni di tali elementi. Per la riproduzione in scala degli elementi in c.a. prelevati da costruzioni esistenti, verranno effettuate prove di caratterizzazione meccanica dei materiali e verrano individuate le principali informazioni di carattere tecnologico e costruttivo (geometria e disposizione dell’armatura longitudinale e trasversale). Le numerose prove sperimentali effettuate hanno evidenziato che la resistenza a taglio addizionale che può essere fornita dalle fasciature in FRP dipende da molti fattori. Quelli che hanno maggiore influenza sono: a) la geometria della trave o della colonna; b) la resistenza del calcestruzzo esistente; c) lo schema di fasciatura adottato. Nell’ambito della ricerca proposta, trattando con elementi in c.a. prelevati da strutture esistenti e campioni in scala riproducenti elementi strutturali già esistenti, l’effetto dei fattori a) e b) sull’incremento di resistenza a taglio, a parità di schema di fasciatura adottato, sarà valutato compatibilmente con le tipologie ed il numero di campioni strutturali che sarà possibile reperire. Pertanto, le indagini sperimentali verteranno sostanzialmente sulla valutazione dell’effetto dello schema di fasciatura adottato sull’incremento di resistenza a taglio e sui meccanismi di rottura attivati. Per quanto concerne il tipo di fibra, verranno utilizzate quelle aramidiche che appaiono decisamente competitive nel settore delle costruzioni civili. Gli schemi di fasciatura più comunemente utilizzati per incrementare la resistenza a taglio di elementi prismatici, quali travi rettangolari o colonne, sono: 1) fasciatura completa dell’elemento (perimetrale); 2) fasciatura ad U secondo tre lati; 3) fasciatura solo su due lati. Evidentemente lo schema 1) è quello più efficiente, come ampiamente evidenziato dagli studi sperimentali effettuati, ma è anche quello più difficilmente applicabile nella pratica corrente, in quanto necessita di avere tutto il perimetro dell’elemento da fasciare libero. Tale condizione è frequente o comunque realizzabile nel caso delle colonne, mentre è irrealizzabile nel caso delle travi a causa della presenza della soletta. L’utilizzo degli schemi 2) e 3) risulta pertanto indispensabile nel caso delle travi. Per tutti e tre gli schemi di fasciatura su descritti sarà inoltre valutato l’effetto: a) numero di strati della fasciatura; b) dell’inclinazione delle fasce; c) del passo delle fasce. Il monitoraggio sperimentale avverrà mediante utilizzo di tecniche innovative, quali quelle basate sull’uso delle fibre ottiche, che presentano i seguenti vantaggi rispetto ai sistemi classici: - alta sensibilità - alta precisione - possibilità di monitoraggio a lungo termine - possibilità di essere affogati nel calcestruzzo - non richiedono calibratura - consentono un monitoraggio ‘continuo’ della prova CONFRONTO DEI RISULTATI SPERIMENTALI CON LE RESISTENZE NOMINALI A TAGLIO FORNITE DALLE PRINCIPALI GUIDE-LINES EUROPEE ED AMERICANE I dati sperimentali ottenuti dalla campagna di prove sopra descritta saranno essenzailmente utilizzati per valutare l’attendibilità delle seguenti specifiche tratte dalle guide-lines dell’ACI e del FIB: 1) Le guide-lines dell’ACI suggeriscono di calcolare la resistenza nominale a taglio di un elemento in c.a. rinforzato con FRP sommando il contributo del rinforzo in FRP al contributo dell’armatura trasversale e del calcestruzzo. Il contributo a taglio del rinforzo in FRP è abbattuto attraverso un fattore di riduzione che vale 0.85 nel caso di rinforzo a taglio bond-critical e 0.95 nel caso di rinforzo a taglio contact critical. Il contributo dell’FRP alla resistenza a taglio di un elemento in c.a. è basato sulla direzione delle fibre e sul quadro fessurativo assunto (Khalifa et al. 1998). Esso può essere determinato calcolando la forza risultante dalla tensione di trazione nell’FRP a cavallo della fessura considerata. 2) Le guide-lines del FIB definiscono il contributo alla resistenza a taglio della fasciatura in FRP in funzione di un valore di progetto della deformazione efficace nell’FRP per la quale vengono fornite delle espressioni differenti a seconda della tipologia della fasciatura e del tipo di fibra. FASI TEMPORALI Primo anno Prove sperimentali Acquisizione dell’attrezzatura di prova (essenzialmente martinetti e telaio di controspinta) per la realizzazione di prove di carico su elementi in c.a. rinforzati e non. Acquisizione del materiale per le prove di laboratorio ed aggiornamento dell’attrezzatura di calcolo. Acquisizione dei gli elementi prelevati da strutture esistenti e realizzazione di campioni in scala. Studi analitici (studi di correlazione) Indagine bibliografica sugli sviluppi più recenti dell’argomento trattato a livello normativo e di ricerca. Secondo anno Prove sperimentali Realizzazione delle prove monotone e cicliche. Elaborazione dei dati. Analisi dei risultati delle prove sperimentali. Identificazione dei meccanismi di crisi. Valutazione della duttilità disponibile. Studi analitici (studi di correlazione) Confronto dei risultati sperimentali con le formulazioni fornite dalle principali guide-lines europee ed americane e dai più avanzati studi sull’argomento per la valutazione dell'incremento di resistenza a taglio ottenuto con fasciatura in FRP.
