Colonne in c.a. confinate con FRCM: sperimentazione e modellazione

Il Sistema composito Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) migliora le prestazioni strutturali delle colonne in calcestruzzo armato confinate. Come dimostrato da studi sperimentali presenti in letteratura, il sistema FRCM, utilizzato tramite confinamento su colonne esistenti in calcestruzzo armato, garantisce incrementi in termini di resistenza e di duttilità. In questo lavoro, il comportamento di colonne in calcestruzzo armato rinforzate con il sistema FRCM tramite confinamento è stato analizzato sia sperimentalmente che tramite un modello numerico. La sperimentazione ha consentito di valutare l’influenza dell’eccentricità di carico sulla risposta delle colonne confinate.

I risultati ottenuti sono stati analizzati e discussi in termini di tipologia di rottura e di resistenza. Infine, sulla base dei risultati ottenuti nella campagna sperimentale e di quelli presenti in letteratura, è stato realizzato un modello numerico tramite l’ausilio di un software agli Elementi Finiti. Le previsioni del modello, sono poi stati confrontati con risultati sperimentali in termini di carico di picco e di tipo di rottura.

I sistemi FRCM sono la naturale evoluzione degli FRP

Nelle ultime due decadi l’uso dei materiali compositi nel campo dell’Ingegneria Civile, in special modo per il rinforzo di strutture in calcestruzzo armato, si è intensificato grazie alle loro caratteristiche come: la leggerezza, la durabilità, la facilità di messa in opera e l’elevata resistenza. I primi sistemi di rinforzo ad essere stati utilizzati sono stati gli FRP (Fiber Rein- forced Polymers), costituiti da tessuti continui immersi in una matrice polimerica.

I sistemi FRP a causa della loro natura, presentano delle criticità in termini di resistenza al fuoco, alle alte temperature e ai raggi UV. La naturale evoluzione degli FRP è rappresentata dagli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), compositi costituiti da reti di fibre a maglia aperta ad elevata resistenza a trazione, ancora una volta annegate in una speciale matrice inorganica capace di garantire l’aderenza con il supporto.

Gli FRCM permettono di risolvere i problemi legati alla vulnerabilità degli FRP. Le principali fibre utilizzate sono: Carbonio, PBO, Vetro, Aramide, Basalto (Cascardi et al. 2018).

Allo stato attuale le conoscenze acquisite attraverso numerosi studi e ricerche (sperimentali e teoriche) sui sistemi FRP hanno permesso di predisporre linee guida e norme sulla loro classificazione e applicazione su strutture esistenti in calcestruzzo armato.

Più limitate sono invece le conoscenze sui sistemi FRCM, sia perché tali sistemi sono di recente utilizzazione nel campo del rinforzo strutturale sia per la complessità dei meccanismi resistenti governati dall’ interazione tra le fibre e la matrice e tra la matrice e il substrato.

Di recente, in Italia è stata pubblicata la linea guida CNR DT 215 (CNR 2018) che fornisce istruzioni per la progettazione ed esecuzione di interventi di consolidamento mediante FRCM. L’analisi del comportamento meccanico delle strutture in calcestruzzo armato rinforzato è ancora oggetto di numerose indagini sperimentali e di modellazioni numeriche e analitiche. Il presente lavoro fornisce un contributo alla conoscenza del comportamento meccanico di colon ne in calcestruzzo armato confinate con il sistema PBO-FRCM.

Nella prima parte del lavoro viene descritta una sperimentazione condotta su colonne in calcestruzzo armato di altezza 1000 mm e con sezione trasversale quadrata di lato 150 mm sottoposte a compressione centrata ed eccentrica. Le colonne sono state rinforzate un solo strato di FRCM disposto in modo continuo su tutta la loro altezza.

Nella seconda parte del lavoro viene descritto un modello numerico sviluppato tramite l’ausilio di un software commerciale agli Elementi Finiti in grado di prevedere il comportamento meccanico delle colonne in c,a, confinate con FRCM. La procedura numerica proposta consente di modellare ogni singolo elemento con le proprie caratteristiche meccaniche (legame costitutivo, legame locale aderenza-scorrimento) e mette in conto le interazioni con gli altri elementi presenti nel modello. Al fine di verificarne l’efficacia, le previsioni del modello numerico in termini di modalità di rottura e carico di picco, sono state poste a confronto con i risultati sperimentali.

Indagine sperimentale

L’ indagine sperimentale è stata condotta su quattro colonne in calcestruzzo armato con sezione trasversale 150x150 mm ed altezza pari a 1000 mm. La Figura 1 riporta i dettagli delle armature di rinforzo delle colonne.

FIGURA 1:Geometria della colonna e delle armature interne

L’armatura longitudinale è costituita da quattro barre di diametro 8 mm; le armature trasversali da staffe di diametro 8 mm poste ad interasse 100 mm. Al fine di evitare rotture localizzate in prossimità della zona di applicazione del carico, le due estremità delle colonne sono state rinforzate con un’armatura longitudinale aggiuntiva (barre 8, lunghezza 200 mm) ed il passo delle staffe è stato infittito (40 mm).).

Inoltre, al fine di distribuire in maniera uniforme il carico applicato, in testa ed al piede delle colonne è stata posizionata una piastra di acciaio di spessore di 10 mm. Sulle barre longitudinali in corrispondenza della sezione di mezzeria della colonna sono stati applicati due estensimetri elettrici per la misura delle deformazioni. Dopo 28 giorni di stagionatura, le co- lonne sono state rimosse dalle casseformi e la loro superficie è stata adeguatamente preparata tramite sabbiatura, in modo da creare una rugosità come richiesto dai produttori del sistema FRCM utilizzato (Ruregold 2020).

Dopo la sabbiatura, la superficie delle colonne è stata bagnata prima dell’applicazione del rinforzo che è avvenuta in tre fasi. Nella prima fase, è stata applicata la malta cementizia sulla superficie delle colonne; successivamente, è stato inse- rito il tessuto con fibre di PBO, adagiandolo sulla superficie di malta, precedentemente preparata, con una leggera pressione in modo da far penetrare la malta nelle maglie del tessuto e impregnare la parte esterna delle fibre (seconda fase).

Infine, (terza fase), è stato applicato un secondo strato di matrice in modo da ricoprire completamente il tessuto. Lo spesso- re dei due strati di matrice adoperato è di 3 mm. Tutti i provini sono stati realizzati con un solo strato di rinforzo; il rinforzo è stato sovrapposto per una lunghezza pari alla larghezza della colonna (150 mm).il rinforzo è stato disposto sull’altezza della colonna fino a 5 cm dalle due estremità (Figura 2).

FIGURA 2: Configurazione del rinforzo esterno.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

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