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CriteriCriteri progettualiprogettuali didi interventointervento in in zonazonasismicasismica per per ilil rinforzorinforzo didi strutturestrutture in in cementocemento
armatoarmato attraversoattraverso materialimateriali compositicompositi
PhPh.D. .D. StudentStudentMarco Di LudovicoMarco Di Ludovico
Seminario di studio sul Documento CNR-DT 200/2004
10 Giugno 2005
Universit di Napoli Federico IIUniversit di Napoli Federico II
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La La StrutturaStruttura
EdificioEdificio didi tretre pianipianiprogettatoprogettato per per solisolicarichicarichi verticaliverticali ProgettatoProgettato secondosecondo le le
indicazioniindicazioni delladellaNormativaNormativa GrecaGrecautilizzatautilizzata daldal 1954 al 1954 al 1995 1995 StrutturaStruttura regolareregolare in in
elevazioneelevazione ma ma doppiamentedoppiamente non non simmetricasimmetrica in in piantapianta TelaiTelai a 2 a 2 campatecampate concon
luciluci dada 3 a 6 m3 a 6 m
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DescrizioneDescrizione delladella StrutturaStruttura StrutturaStruttura regolareregolare in in elevazioneelevazioneTraviTravi e e colonnecolonne didi ciascunciascun piano piano sonosono armatearmate alloallo stessostesso modomodo Il Il centrocentro didi rigidezzarigidezza (CR) (CR) presentapresenta ununeccentriciteccentricit paripari a 1.3 m a 1.3 m nellanelladirezionedirezione X (~13% X (~13% delladella dimensionedimensione in in piantapianta) e 1.0 m ) e 1.0 m nellanella direzionedirezione Y Y (~9.5% (~9.5% delladella dimensionedimensione in in piantapianta) ) rispettorispetto al al centrocentro didi massamassa (CM)(CM)
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Test SetTest Set--upup TreTre gradigradi didi libertlibert per piano: due per piano: due traslazionitraslazioni e e unauna rotazionerotazione attornoattornoallallasseasse verticaleverticale Quattro Quattro attuatoriattuatori ((deidei qualiquali tretre strettamentestrettamente necessarinecessari) ) applicatiapplicati allaallastrutturastruttura per per ciascunciascun pianopiano
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RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali StrutturaStruttura non non rinforzatarinforzata
I maggiori danni sono stati riscontrati sullecolonne:La struttura stata progettata per soli carichi verticali nessuna attenzione alla gerarchia delle resistenzeLe colonne hanno dimensioni ridotte e armaturainsufficiente a sopportare sforzo normale e flessionebiassialeMeccanismo di trave forte pilastro fragile con formazione di cerniere plastiche nellecolonneLa mancanza di infittimento della staffatura nei nodiaumenta il rischio di fenomeni locali di collasso fragile: rottura del calcestruzzo, istabilit delle barre di acciaiolongitudinali, sfilamento delle barre
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ProgettazioneProgettazione InterventoIntervento didi RinforzoRinforzo
OBIETTIVI :Incrementare la duttilit globale della struttura migliorandola sua capacit di dissipare energia
Prevenire meccanismi di rottura locale al fine di ottenere un soddisfacente comportamento sismico strutturale
Intervento di rinforzo con materiali compositi:
-Consente di incrementare la duttilit-Facile e rapido da realizzare-Non incrementa la massa della struttura-Non modifica la geometria della struttura
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ProgettazioneProgettazione InterventoIntervento didi RinforzoRinforzo
Tre tipologie di intervento adottate al fine diincrementare:
1) Confinamento delle colonne
2) Capacit di resistenza a taglio colonna rettangolare C6
3) Capacit di resistenza a taglio nodi dangolo
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne
Il confinamento mediante FRP consente, di incrementare il valore della deformazione convenzioanle ultima di progetto del calcestruzzo, cu, ad un valore ccu
ccu0
0.2
0.6
11.2
0 0.001 0.002 0.003 0.004
/fcd
cu
OBIETTIVO: Incremento duttilit cerniere plastiche (nessuna modifica gerarchia resistenze)
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonneIl valore della deformazione ultima di progetto, ccu fornito dalla relazione:
,0.0035 0.015 l effccu
cd
ff
= +fl,eff. : pressione efficace di confinamento = f (f ;f ; fd,rid ; pf ) fcd : resistenza di progetto calcestruzzo non confinato
Progettazione con riferimento alla colonna centrale C3 (massimo sforzo assiale P=403 kN). Calcolo incrementodeformazione ultima mediante utilizzo di fibre di vetro e carbonio
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne
,0.0035 0.015 l effccu
cd
ff
= +
, . ,
1( ) ( )2l eff eff l H V f f fd rid
f k f k k k E = = 0.83 0.85
1.6ck
cd
Rf =
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonne colonne Incrementi di deformazione ultima mediante:Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densit 900 g/m2Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densit 300 g/m2
12.1012.100.007970.007970.4980.4983 strati CFRP3 strati CFRP10.5210.520.005310.005310.3320.3322 strati CFRP2 strati CFRP8.478.470.002660.002660.1660.1661 strato CFRP1 strato CFRP12.5212.520.023040.023041.4401.4403 strati GFRP3 strati GFRP10.8710.870.015360.015360.9600.9602 strati GFRP2 strati GFRP8.718.710.007680.007680.4800.4801 strato GFRP1 strato GFRP3.53.5----Non rinforzataNon rinforzata
ccuccu (%(%00))fftftf (mm)(mm)
Deformazione Deformazione ultimaultima
%Geometrica%Geometricarinforzorinforzo
SpessoreSpessoreFRPFRP
Section typeSection type
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonne colonne Incrementi di deformazione ultima mediante:Fibre di vetro (GFRP) uniassiali densit 900 g/m2Fibre di carbonio (CFRP) uniassiali densit 300 g/m2
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Curvature (rad/mmx105)
M
o
m
e
n
t
(
k
N
m
)
3STRATI 1 STRATO2 STRATI
CFRP UNI-AX 300 g/mq.
1 STRATO 2 STRATI 3 STRATI
GFRP UNI-AX 900 g/mq.
ORIGINAL ORIGINAL
210 8 6 4
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne
Applicazione di tipo interno: no problemi di durabilit
Rinforzo mediante 2 Strati di fibre di Vetro
Le fibre di vetro consentono un risparmio in termini economici di circa il 30%
Entrambe le tipologie analizzate risultano efficacida un punto di vista strutturale
Scelta del tipo di fibre da utilizzare
FATTORE ECONOMICO DISCRIMINANTE NELLA SCELTA
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ConfinamentoConfinamento delledelle colonnecolonne8 Colonne quadrate:2 strati GFRP uniassiale
1 Piano: Testa: h= 60 cmPiede: h=77cm
(60+20cm sovrapposizione: 3 cm)C8 h=97cm (70+20cm sovrapposizione 3 cm)
2 e 3 Piano : Testa: h= 60 cmPiede h=60cm
C8 h=77cm (60+20cm sovrapposizione: 3 cm)
970mm
400mm
600mm
970mm
400mm
600mm 770mm
600mm
200mm
770mm600mm
200mm
1st ply 2nd plie
1st ply 2nd ply
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolare
La resistenza di progetto a taglio di un elemento rinforzato si valuta come:
OBIETTIVO: Impedire la formazione di meccanismi di rottura di tipo fragile
{ }, , , ,maxmin ,Rd Rd ct Rd s Rd f RdV V V V V= + +Disposizione di rinforzo prescelta:
laterale ad U in avvolgimento
Non consentito in zona sismica
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolare
,
1 0.9 2 (cot cot ) 90.3fRd f fed fRd f
wV d f t kN
p = + =
Utilizzando tessuto quadriassiale in fibra di vetro in avvolgimento continuo, il contributo del rinforzo in FRP, VRd,f vale:
,123.5
Rd ctV contributocls kN= =
,72.5
Rd sV ContributoStaffe kN= =
,286 ( 46%)
Rd fV kN= +
,3196
RdV kN=
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolare
{ } { }
,
1 0.9 2 (cot cot )
1.2 ( )
1 sin 1 sin1 ( ) 16 min 0.9 , 2 min 0.9 ,
f
Rd f fed f
Rd f
Rd
e efed ffd R fd fdd
w w
wV d f t
pTaglio
l lf f f fd h d h
= + =
= +
23
2
0.27
21
1.2 . "
f f
e
ctm
ctm ck
f fd
ffd
ffd c
fd
E tl
f
f R
Ef
t
Applic tipo
=
= =
= "A
1.6
0.03
2
1400
c
fd b ck ctm
f
bf
k f f
bbk b
= =
=
+sin( )min(0.9 , )
sinf wb d h
+=
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolareRinforzo colonna C6:Fasciatura a tutta altezza, 2 strati di tessuto quadriassialecon sovrapposizione tra le fasce di 3 cm
2 strati di QUADRI-AX 1140/48
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio colonna colonna rettangolarerettangolare
Rinforzo colonna C6 Nodo:
2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm
1 Strato fasce ad U rinforzo a taglio per la trave
1 fase 2 fase
ESTERNO
20
20
50255025
20
20
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RinforzoRinforzo strutturastrutturaRinforzo colonna C6 Nodo:
2 Starti quadriassiale prolungati oltre il pilastro per 20 cm
1 Strato fasce ad U rinforzo a taglio per la trave
15
25
35
205020 20
50 20
35
25
15
INTERNO
1 fase 2 fase
fasciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato)
fasciatura ad U con UNI-AX 900/60 (1 strato)
n2 strati di QUADRI-AX 1140/48
INTERNO
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloOBIETTIVO: Impedire la formazione di meccanismi di
rottura di tipo fragileSollecitazioni di taglio comparabili con quelle di rottura a taglio dei pannelli di nodo calcolate secondo quanto prescritto nellOrdinanza 3274:
Ordinanza 3274: Limitazioni tensionali Ordinanza 3274: Limitazioni tensionali diagonalediagonale tesatesa e e diagonale diagonale compressa compressa ::
c
2
g
n
2
ggnc f5.0A
VA2N
A2N
+
+=
c
2
g
n
2
ggnc f3.0A
VA2N
A2N
+
=
N
Rinforzo dei pannelli di nodo con tessuto di vetro quadriassialedi vetro secondo il modello di calcolo proposto da
Antonoupoulos&Triantafillou(2002)
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloIl metodo di Antonoupoulos&Triantafillou(2002) consente dideterminare linclinazione delle tensioni principali di trazione e I corrispondenti valori di tensioni di taglio nel nodo allincrementarsidelle sollecitazioni esterne sino allattingimento dei valori di rottura a taglio. La rottura si attinge per compressione del calcestruzzo
1 Strato
Tensione di rottura
Nodo non Rinforzato
2 Strati 3 Strati
GFRP QUADRI-AX 1140 g/m2
Tensione di rottura di progetto
Nodo Rinforzato
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RinforzoRinforzo a a tagliotaglio nodinodi dangolodangoloRinforzo nodi di vertice C2 C5 C7 C8:2 strati di tessuto
Quadriassiale + U-wrap unidirezionale (rinforzoa taglio trave)
a) Rinforzo del nodo b) Pannello di nodo c) U-wrap trave
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StrutturaStruttura RinforzataRinforzata
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RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali
7.47.4 ROT. (ROT. (mradmrad))13.413.4 ROT. (ROT. (mradmrad))7.87.8 ROT. (ROT. (mradmrad))50.750.7Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)55.955.9Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)42.342.3Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)
63.563.5X DIR. (mm)X DIR. (mm)106.0X DIR. (mm)X DIR. (mm)59.5X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.30g PGA 0.30g PGA
FRPFRP
7.87.8 ROT. (ROT. (mradmrad))12.112.1 ROT. (ROT. (mradmrad))7.17.1 ROT. (ROT. (mradmrad))31.131.1Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)47.647.6Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)39.739.7Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)
34.334.3X DIR. (mm)X DIR. (mm)55.4X DIR. (mm)X DIR. (mm)32.1X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.20g PGA 0.20g PGA
FRPFRP
7.37.3 ROT. (ROT. (mradmrad))10.010.0 ROT. (ROT. (mradmrad))4.34.3 ROT. (ROT. (mradmrad))32.632.6Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)47.247.2Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)30.630.6Y DIR. (mm)Y DIR. (mm)
35.835.8X DIR. (mm)X DIR. (mm)57.1X DIR. (mm)X DIR. (mm)24.6X DIR. (mm)X DIR. (mm)0.20g PGA 0.20g PGA NON NON
RINFORZATRINFORZATAA
PIANO 3PIANO 3PIANO 2PIANO 2PIANO 1PIANO 1PIANOPIANO/TEST/TEST
Massimi spostamenti di inrterpiano
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RisultatiRisultati SperimentaliSperimentali
631631 ROT. (ROT. (kNmkNm))801801 ROT. (ROT. (kNmkNm))10001000 ROT. (ROT. (kNmkNm))
102102Y DIR. (Y DIR. (kNkN))276276Y DIR. (Y DIR. (kNkN))277277Y DIR. (Y DIR. (kNkN))
122122X DIR. (X DIR. (kNkN))168X DIR. (X DIR. (kNkN))190X DIR. (X DIR. (kNkN))0.30g PGA 0.30g PGA
FRPFRP
716716 ROT. (ROT. (kNmkNm))817817 ROT. (ROT. (kNmkNm))10701070 ROT. (ROT. (kNmkNm))
171171Y DIR. (Y DIR. (kNkN))258258Y DIR. (Y DIR. (kNkN))286286Y DIR. (Y DIR. (kNkN))
112112X DIR. (X DIR. (kNkN))163X DIR. (X DIR. (kNkN))208X DIR. (X DIR. (kNkN))0.20g PGA 0.20g PGA
FRPFRP
709709 ROT. (ROT. (kNmkNm))728728 ROT. (ROT. (kNmkNm))955955 ROT. (ROT. (kNmkNm))
166166Y DIR. (Y DIR. (kNkN))213213Y DIR. (Y DIR. (kNkN))274274Y DIR. (Y DIR. (kNkN))
110110X DIR. (X DIR. (kNkN))165X DIR. (X DIR. (kNkN))193X DIR. (X DIR. (kNkN))0.20g PGA 0.20g PGA
NON NON RINFORZATARINFORZATA
PIANO 3PIANO 3PIANO 2PIANO 2PIANO 1PIANO 1TEST/PIANOTEST/PIANO
Massimi taglianti di piano
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ConclusioniConclusioniLintervento con materialicompositi ha consentito un notevole miglioramentodella capacit deformativaglobale della strutturaincrementando la duttilitdelle cerniere plastiche e prevenendo la formazionedi meccanismi di collassofragile