Progettazione con FRP per il consolidamento di travi e pilastri

La corretta scelta del rinforzo in materiale composito per garantire la duttilità della struttura

L’utilizzo dei materiali compositi per il rinforzo delle strutture esistenti in calcestruzzo armato deve essere finalizzato ad incrementare dapprima la duttilità dell’elemento e poi la sua resistenza. Per tale motivo il progettista che intende utilizzare questi materiali deve prediligere le soluzioni che consentano di favorire lo svilupparsi di meccanismi duttili e che inibiscano quelli di tipo fragile come, ad esempio, la rottura per taglio, il collasso per trazione del pannello nodo trave-pilastro, l’instabilizzarsi delle barre compresse e la perdita di aderenza delle barre nelle zone di sovrapposizione.

Parallelamente, nelle strutture intelaiate in calcestruzzo armato sempre più il nodo trave-pilastro rappresenta spesso uno degli elementi più critici dell’intero progetto strutturale, considerate anche le prescrizioni della Normativa Tecnica da rispettare e le limitazioni realizzative. Gli eventi sismici verificatisi negli ultimi decenni hanno messo in evidenza l’elevata vulnerabilità di tali elementi in particolare sugli edifici realizzati prima degli anni ’90 del secolo scorso: prima della Circolare Ministeriale n. 65 del 10-4-1997 non era prevista alcuna progettazione del pannello nodale e tantomeno il rispetto dei minimi di armatura. In accordo alle vigenti norme tecniche in fase di valutazione sismica dei fabbricati esistenti si riscontra che spesso sono proprio i nodi trave-pilastro che condizionano e ne limitano fortemente la capacità sismica. 

Avendo bene a mente che i materiali compositi sono caratterizzati da un legame costitutivo di tipo elastico-fragile, la progettazione del rinforzo a flessione/pressoflessione non deve limitarsi a garantire che la capacità in termini di resistenza sia superiore alla domanda, ma è necessario migliorare anche quella in rotazione, relativamente alla sezione in campo plastico.

Ciò è possibile solo se si dispone di un quantitativo di rinforzo tale da snervare il più possibile l’armatura metallica presente all’interno della sezione in calcestruzzo armato prima che sopraggiunga il distacco o la rottura del composito e siano presenti delle fasciature in direzione trasversale tali da confinare adeguatamente la sezione di calcestruzzo. Va evidenziato che, nel caso in cui il distacco del tessuto del rinforzo in FRP avvenga prima dello snervamento delle barre in acciaio, la duttilità può ritenersi del tutto assente.

Figura 1 - Instabilità delle barre compresse.

L’effetto del confinamento di un pilastro

In quelle situazioni dove l’analisi della vulnerabilità di una struttura è condotta in campo non lineare (ad esempio analisi pushover), è facilmente verificabile che il comportamento di un pilastro può essere migliore in termini di duttilità in curvatura applicando un’adeguata quantità di rinforzo trasversale e un basso quantitativo di rinforzo longitudinale. Proprio su questo ultimo aspetto le linee guida CNR DT200R1/2013 al Cap. 4 evidenziano il fatto che l’effetto del confinamento consente di incrementare:

• la resistenza ultima e la corrispondente deformazione ultima di elementi sollecitati da sforzo normale; 
  
• la duttilità e, congiuntamente all’impiego di rinforzi longitudinali, la resistenza ultima di elementi pressoinflessi.

Figura 2 - Elemento in calcestruzzo confinato con tessuti in fibra di carbonio

L’incremento della resistenza a compressione e della corrispondente deformazione ultima del calcestruzzo confinato con FRP dipendono dalla pressione di confinamento applicata. Quest’ultima è funzione della rigidezza del sistema di rinforzo e della forma della sezione trasversale dell’elemento confinato.

Figura 3 - Un tipico legame σ-ε di un elemento in calcestruzzo confinato

Il collasso dell’elemento confinato si raggiunge per rottura del composito, che avviene ad una deformazione limite del composito fissata allo 0,4%. Va ricordato che negli elementi pressoinflessi la duttilità diminuisce all’aumentare dello sforzo assiale, per tale motivo l’intervento di confinamento delle sezioni può conferire maggiore capacità in spostamento.

Figura 4 - Diagrammi momento curvatura di sezioni pressoinflesse ed inflesse

Il comportamento del nodo trave - pilastro

Parallelamente, un’altra criticità da analizzare negli edifici esistenti in c.a. è il comportamento del nodo trave - pilastro: il meccanismo di collasso che si instaura nei nodi trave-pilastro di telai realizzati in c.a., ben testimoniata dagli eventi sismici accorsi nel tempo, e poco considerata nelle normative passate, richiede specifiche valutazioni e interventi atti a eliminare tali carenze di progettazione.

Per ovviare a tale criticità le tecniche di consolidamento strutturale mediante l’impiego di materiali compositi possono essere una valida soluzione di tipo puntuale in grado di ridurre la vulnerabilità sismica dei fabbricati sui quali si riscontra tale problematica.

Figura 5 - Lesioni tipiche riscontrabili nei pannelli nodali [01]

Già le disposizioni dell’EC08 [07] alla data di emanazione riconoscevano la fondamentale importanza dell’area individuata dall’intersezione tra la trave e la colonna dei telai in cemento armato in quanto è proprio il collasso degli stessi a ridurre gran parte dell’energia sismica che gli elementi strutturali sarebbero in grado di dissipare danneggiandosi. La resistenza del nodo deve essere tale da assicurare che la sua rottura non preceda il collasso delle travi e pilastri ad esso collegati.

Il progetto dei nodi risulta essere quindi di fondamentale importanza, poiché la sollecitazione di taglio che si viene a generare all’interno del pannello nodale risulta essere maggiore rispetto alla sollecitazione sui pilastri. Per i nodi viene richiesta unicamente la verifica in termini di resistenza (RES) essendo la rottura del nodo un meccanismo di collasso fragile, ovvero in ogni nodo la capacità a taglio deve essere superiore alla corrispondente domanda. In particolare, lo stato tensionale che si genera all’interno del pannello nodale dipende da:

• geometria del nodo;
• sollecitazioni derivanti dall’analisi della struttura;
• quantitativi di armatura delle travi concorrenti nel nodo.

Per l’analisi dei nodi trave-pilastro non è possibile applicare la teoria delle travi (Timoschenko o Eulero-Bernoulli) date le dimensioni dello stesso, per cui la progettazione dei nodi su basa un modello tipo strut and tie (modello tirante-puntone).

Tipologia di nodi trave-pilastro

La norma al §7.4.4.3 distingue due tipologie di nodi:

• Nodi confinati: quando in ognuna delle quattro facce verticali del nodo si innesta una trave; il confinamento si considera realizzato se, su ognuna faccia del nodo, la sezione della trave copre per almeno ¾ la larghezza del pilastro e, su entrambe le facce opposte del nodo, le sezioni delle travi si ricoprono per almeno ¾ dell’altezza;
  
• Nodi non interamente confinati: quando non appartenenti alla categoria precedente. 
  

Figura 6 - Tipologie di nodi trave-pilastro confinati e non interamente confinati [2]

Tale classificazione risulta indispensabile in quanto al §C.7.4.4.3.1 della Circolare [10] ed al §7.4.1 delle NTC18 [09] si definiscono dettagliatamente le verifiche di resistenza dei nodi in c.a. Il nodo deve essere progettato in maniera da evitare una sua rottura anticipata rispetto alle zone delle travi e dei pilastri ad esso convergenti e quindi ricorrere ai criteri di progettazione in capacità, in particolare le verifiche di resistenza:

• si devono effettuare su tutti i nodi per strutture progettate in CD “A”;
  
• si devono effettuare solo sui nodi non interamente confinati per strutture progettate in CD “B”;
  
• per le strutture a comportamento non dissipativo si devono applicare le regole di progetto relative alla CD”B”.

Ulteriore distinzione relativa ai nodi non interamente confinati riguarda il posizionamento degli stessi rispetto alla struttura, ovvero si possono avere:

• Nodi interni o nodi di continuità;
  
• Nodi esterni o nodi d’estremità.

Tale distinzione risulta necessaria per la definizione della domanda di taglio, agente nel nucleo di calcestruzzo del pannello nodale V_jbd che deve essere calcolato tenendo conto delle sollecitazioni più gravose che, per effetto dell’azione sismica, si possono verificare negli elementi che vi confluiscono. 

Dove:

A_s1, A_s2 sono rispettivamente le aree dell’armatura superiore e inferiore della trave;

V_c   è la forza di taglio nel pilastro al di sopra del nodo, derivante dall’analisi sismica.

Figura 7 - Rappresentazione delle azioni in gioco e della geometria dei nodi.

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