Risposta sismica di telai in c.a. con impiego di HPFRC nelle zone di nodo

Studio dei potenziali benefici globali per le strutture sismicamente resistenti realizzate con materiali HPFRC nelle zone dissipative e nodali, rispetto al caso di calcestruzzi ordinari.

The extensive research activity focused on fibre-reinforced concrete carried out in the last few decades is showing - beyond any doubt - that FRC has very interesting properties for structural applications. The dispersion in the concrete mass of short fibres, made of steel, polymers, carbon, etc. brings in a 'crack bridging' effect, which prevents or delays cracking, and – at the same time – gives the concrete a ductile behaviour both in tension and in compression, provided that relatively large amounts of stiff fibres are used (as in high-performance fibre- reinforced concretes - HPFRC). As a result, using these concretes improves significantly the structural performance of R/C members, not only under static and fatigue loading, but also under dynamic and seismic loading. Because of their higher cost and more complex technology, however, high-performance fibre-reinforced concretes are suitable to be used in certain critical areas of R/C beams and columns, as well as in the beam-column joints of R/C frames, where the actual Italian code (2008) may require an excessive amount of reinforcement, even in the design of low-ductility members.
Within this context, the benefits of using high-performance fibre-reinforced concretes in the nodal and inelastic regions of R/C seismic-resistant plane frames are investigated in this paper, where a number of typical frames commonly found in residential buildings with two-four bays and two-eight storeys is considered. Ordinary mixes (C25/30 and C40/50) are adopted for frame members, while higher-performance fibre-reinforced mixes (FRC40/50 and FRC80/85) are used in certain critical areas and in the joints. The joint regions are modelled with or without rigid end-sections. The in-plane stiffness of the floors is introduced as well. The frames are designed according to the actual Italian code (NTC08) and to EC8. In the nonlinear static analyses, considering either triangular or uniform load profiles, a diffused-plasticity model is adopted for frame members. In terms of global capacity and ductility, the benefits brought in by using HPFRC in lieu of plain concrete are shown to be substantial.

INTRODUZIONE
Il calcestruzzo fibro-rinforzato (FRC) è un materiale composito caratterizzato dalla dispersione di fibre corte in una matrice di calcestruzzo. Le fibre agiscono come una armatura distribuita che comporta fessurazioni multiple nel calcestruzzo e ed una aumentata resistenza residua a trazione. A seconda della quantità di fibre tali calcestruzzi speciali possono sviluppare un comportamento tensionale di tipo incrudente o degradante in trazione pura.
Gli FRC ad alte prestazioni (HPFRC) sono una classe speciale caratterizzata da deformazione con incrudimento a trazione pura ed a flessione.
Questo comportamento è ancora più marcato nel caso di calcestruzzi ECC (Engineered Composite Concretes) i quali sono una sottoclasse degli HPFRC caratterizzata da altissima capacità deformativa, grazie ad uno speciale mix design in grado di ottimizzare l’interazione tra i componenti ad una scala micro. Negli HPFRC, percentuali di fibre superiori all’1% consentono un incremento di resistenza a compressione con comportamento piuttosto duttile.
La ricerca estensiva operata negli ultimi decenni ha mostrato come tali materiali possono migliorare le performance strutturali di elementi in c.a. nel lungo termine per carichi gravitazionali e sotto azioni cicliche grazie a potenziati livelli di resistenza e duttilità.
Tali miglioramenti rendono l’HPFRC altamente tollerante al danno e particolarmente adatto per essere utilizzato nelle zone dissipative e di nodo trave-colonna dove è richiesta la capacità di sopportare deformazioni inelastiche elevate e inversioni di sollecitazione a taglio durante eventi sismici. Tale miglioramento di resistenza a trazione ed il comportamento incrudente inducono una maggiore resistenza a taglio degli elementi strutturali, specialmente lì dove si verificano stati di sforzo multi-assiali. Mishra ha mostrato come le proprietà meccaniche degli ECC a taglio sono simili a quelli in tensione. Shannag et al. hanno mostrato che FRC con fibre di acciaio possono sostituire il calcestruzzo ordinario nei nodi trave-colonna con un significativo miglioramento nel comportamento sismico delle zone di giunto a quattro vie. Inoltre, l’uso di HPFRC nelle regioni nodali con inserimento di poca armatura a taglio può comportare un cambio di comportamento da un meccanismo di rottura fragile ad uno più duttile sotto azioni cicliche. Allo stesso modo, una recente campagna sperimentale ha mostrato come l’uso di ECC nelle zone di nodo può migliorarne significativamente la performance sismica con quantitativi di armatura a taglio ridotti rispetto al relativo caso con adozione di c.a. ordinario. Stessi risultati sono confermati da vari autori nell’ultimo decennio. Pertanto, l’uso di HPFRC può dare forti benefici quando adottato nelle regioni nodali: esso sostituisce il calcestruzzo ordinario che è sempre fragile a taglio, evitando peraltro la congestione di armature e le conseguenti difficoltà costruttive, e garantisce una performance migliorata sotto carichi sostenuti e ciclici. Come noto, in effetti, diversi codici normativi internazionali, tra cui in primis Eurocodice 8 ed NTC08, spesso richiedono una quantità eccessiva di armatura, anche nel caso di progettazione in bassa duttilità.
Sebbene negli ultimi anni molte campagne sperimentali abbiano dimostrato i benefici derivanti dall’applicazione di tali materiali per scopi strutturali, non è stato ancora investigato quanto questi materiali possano incidere nel miglioramento della performance globale di strutture intelaiate sismo-resistenti.

Nonostante la tecnologia esecutiva per applicazioni in sito di tale materiali debba ancora essere messa a punto, il presente paper intende discutere i potenziali benefici globali per le strutture sismicamente resistenti realizzate con materiali HPFRC nelle zone dissipative e nodali, rispetto al caso di calcestruzzi ordinari. A tale fine, un’ampia campagna numerica è eseguita per la simulazione del comportamento di telai piani sismo-resistenti, comunemente progettati in strutture residenziali, sotto carichi laterali con analisi statica non lineare di tipo pushover. La casistica affrontata è ricca e combina differenti geometrie (numero di piani e campate) e classi di materiali. Gli esiti del lavoro mostrano come strutture ben progettate RC/HPFRRC possano sviluppare una maggiore resistenza globale e capacità deformativa.

MEMORIA tratta dal 20 CONGRESSO CTE - Milano 6-8 novembre
Si ringraziano gli autori per la gentile autorizzazione alla pubblicazione