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INQUADRAMENTO Il compito dell'Unità di Ricerca di Roma "LA SAPIENZA" riguarda lo sviluppo di equazioni e criteri di progetto per il rinforzo di elementi strutturali o sottostrutture rinforzati con tecniche innovative di tipo locale, quali i rinforzi con tessuti in FRP. Si dedicherà maggiore attenzione al rinforzo per taglio e all'incremento di duttilità di sezioni rettangolari in cemento armato. Lo studio della strategia locale di applicare il materiale (FRP) come mezzo di rinforzo di elementi in c.a. sarà portata ad un livello di sviluppo che potrà consentirne l'uso nella pratica progettuale. In questa ricerca si svilupperanno procedure di progetto di rinforzi che potranno rappresentare una base di discussione per un nuovo codice di progettazione che consenta a progettisti, imprese e produttori la flessibilità di sviluppare e valutare diverse strategie di progetto al di là della ristretta scelta fra quelle proposte dai sistemi disponibili in commercio. FASI ED OBIETTIVI L'obiettivo di tutto il progetto di ricerca di questa Unità è di sviluppare strumenti matematici, quali modelli di elementi finiti ed equazioni di progetto, utili a valutare l'efficacia di strategie locali per la riabilitazione di strutture in c.a. A tal fine sarà necessario un lavoro sperimentale significativo per validare l'efficacia di tali tecniche innovative e per sviluppare i modelli matematici necessari alla progettazione. Lo studio di questa Unità di Ricerca si articola su 3 obiettivi: · Confinamento con FRP di pilastri a sezione rettangolare · Aderenza FRP-calcestruzzo · Rinforzo a taglio con FRP di travi Obiettivo 1 - Confinamento con FRP di pilastri a sezione rettangolare. Gli studi elencati precedentemente nella parte di inquadramento hanno mostrato che il calcestruzzo confinato con FRP si comporta diversamente da quello confinato con acciaio, per cui devono essere sviluppati modelli specifici (Mirmiran e Shahawy 1997; Samaan et al 1998; Saafi et al 1999; Spoelstra e Monti 1999). Tuttavia, vi sono pochi risultati sperimentali pubblicati dove risulta che il confinamento con FRP è molto meno efficace sulle sezioni rettangolari che su quelle circolari (Mirmiran et al 1998), per cui in questi casi è necessario valutare sperimentalmente la riduzione di beneficio. Inoltre, esistono pochi modelli analitici molto elementari per quantificare tale riduzione per le sezioni rettangolari. Un obiettivo essenziale di questa parte della ricerca è, fra gli altri aspetti, di esplorare e quantificare attraverso regole di progetto appropriate, la riduzione di confinamento quando si rinforzano pilastri a sezione rettangolare. Verranno sviluppati modelli analitici ed in base a questi saranno calibrate equazioni di progetto in cui si tenga conto della forma della sezione rettangolare da confinare. Obiettivo 2 - Aderenza FRP-calcestruzzo. Il contributo offerto da rinforzi in materiale composito (FRP) alla resistenza di strutture in cemento armato può essere valutato, seguendo lo stato dell’arte, tramite opportune relazioni analitiche a seconda del caso 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), nodi trave-colonna (Triantafillou e Antonopoulos 2002). 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, però, si è potuto verificare, attraverso il confronto con dati sperimentali, che i modelli sopra elencati hanno buona accuratezza solamente se si realizzano meccanismi di collasso convenzionali, quali ad es. lo schiacciamento del calcestruzzo o la rottura dello stesso materiale composito per trazione. Quando invece si attivano collassi legati ai meccanismi 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. Una necessità primaria, all'interno dello studio di questa Unità, è dunque l'approfondimento delle modalità di attivazione di tali meccanismi di collasso attraverso l'esecuzione di prove sperimentali che complementino quelle già eseguite in altri studi e da altri autori. I risultati ottenuti da queste prove serviranno da base per sviluppare un elemento finito che includa il fenomeno dell'aderenza in maniera corretta all'interno delle varie modalità di rinforzo: per flessione (delaminazione alle estremità o in zona fessurata), per taglio (delaminazione sulle fessure), per duttilità (in condizioni cicliche per il confinamento). Tale modello dovrà consentire di prevedere il comportamento di tessuti incollati sul calcestruzzo, sia in zona fessurata che non fessurata. Obiettivo 3; Rinforzo a taglio con FRP di travi. In questa fase si intende sviluppare equazioni di progetto appropriate per il rinforzo a taglio con FRP di travi insufficientemente armate. L'obiettivo principale sarà quello di identificare la corretta distrbuzione 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. PROGRAMMA DI PROVE SPERIMENTALI Obiettivo 1 - Confinamento con FRP di pilastri a sezione rettangolare. Per la caratterizzazione della risposta del calcestruzzo confinato con FRP, per incrementare la duttilità di elementi armati trasversalmente in maniera insufficiente, esistono già dei risultati sperimentali in condizioni monotone ed è ora necessario estenderli al caso ciclico (sismico). Saranno trattati anche i casi di confinamento di sezioni diverse da quella circolare. In totale, questi aspetti richiederanno l'esecuzione di almeno 20 prove su provini di piccola dimensione, 10 dei quali avvolti con fibra di carbonio e 10 con fibra di vetro. Gli incrementi di resistenza e duttilità del calcestruzzo confinato da FRP saranno valutati, inoltre, sia su colonne di sezione quadrata in scala 2:3 dotate di armature (longitudinali e trasversali) che su colonne di solo calcestruzzo, rinforzate in entrambi i casi con i due tipi di FRP. Le colonne saranno sottoposte a prove cicliche di compressione assiale. Obiettivo 2 - Aderenza FRP-calcestruzzo. Un obiettivo importante è di caratterizzare a scopi progettuali la risposta di tessuti in FRP incollati a superfici in calcestruzzo, allo scopo di identificare la capacità portante e la lunghezza di ancoraggio necessaria a svilupparla. Questi aspetti verranno studiati sia in zona fessurata che non. Lo scopo delle prove sarà di identificare la distribuzione dell'aderenza lungo l'interfaccia FRP-calcestruzzo fra due fessure consecutive. Saranno scelti valori differenti per la spaziatura delle fessure, in cui la più ampia rapprenderà la situazione non fessurata. Questo richiederà di eseguire almeno 14 prove su provini prismatici fessurati con fogli di FRP incollati su due facce opposte. Obiettivo 3 - Rinforzo a taglio di travi con FRP. In questa fase si lavorerà per la preparazione delle prove sperimentali finalizzate all'identificazione del contributo dell'FRP al taglio resistente complessivo. I risultati delle prove sperimentali saranno simulati con il modello analitico sviluppato. SVILUPPO DI MODELLI NUMERICI Obiettivo 1 - Confinamento con FRP di pilastri a sezione rettangolare. La base di partenza è un modello accurato ed affidabile già esistente, relativo al comportamento monotono (Spoelstra e Monti 1999), che dovrà essere migliorato per includere il comportamento ciclico. Si inseriranno nel modello delle modifiche che consentiranno, attraverso opportuni fattori, di modellare diverse configurazioni della geometria del rinforzo. In particolare, si terrà in conto dell'effetto dell'avvolgimento in FRP su sezioni rettangolari e dell'effetto ottenuto confinando con strisce invece che con tessuti continui. Obiettivo 2 - Aderenza FRP-calcestruzzo. Al fine di eseguire analisi parametriche per quantificare a scopo progettuale la resistenza e la lunghezza di ancoraggio di fogli di FRP aderenti al calcestruzzo, sarà migliorato (in collaborazione con l'Unità di Chieti) un elemento finito per studiarne in dettaglio la risposta locale. Questo consentirà studi sia in zone fessurate che non. Il modello dovrà includere il comportamento non lineare dell'aderenza di interfaccia fra FRP ecalcestruzzo e dovrà consentire di modellare la risposta sia del comportamento di estremità dei fogli in FRP sia fra fessure consecutive, dove può esistere unainterazione fra le due estremità tese del foglio. Obiettivo 3 - Rinforzo a taglio di travi con FRP. Tutti i modelli locali descritti precedentemente saranno implementati in un elemento finito di trave. Il modello sarà del tipo a fibre, in cui si considererà l'interazione fra flessione e taglio. Saranno eseguiti studi di correlazione con dati sperimentali, sia esistenti che sviluppati in questa ricerca, per validare l'accuratezza del modello. FASI TEMPORALI Primo anno Il primo anno sarà dedicato alla preparazione ed all'esecuzione degli studi sperimentali su tessuti in FRP ancorati al calcestruzzo e su provini prismatici di calcestruzzo confinati con FRP. Saranno, inoltre, preparate ed eseguite prove su colonne. In parallelo, sarà sviluppato il modello analitico di resistenza a taglio mediante FRP e si condurranno degli studi parametrici per determinare la sensitività dell'efficacia dell'intervento ai vari parametri che influenzano il fenomeno. Secondo anno Il secondo anno sarà dedicato all'implementazione dei modelli di dettaglio in un modello di elemento finito comprensivo di tutti gli aspetti relativi al rinforzo con FRP. Il modello servirà come strumento per valutare l'efficacia di diverse tecniche di rinforzo. Nel corso del secondo anno, inoltre, saranno completate le prove sulle colonne, eventualmente incrementandone il numero rispetto allesei previste. Al termine del secondo anno saranno state elaborate equazioni di progetto per il confinamento di sezioni non circolari, per gli ancoraggi in zona fessurata e non, e per il rinforzo a taglio delle travi.
