Simulazioni numeriche avanzate sull'effetto del rinforzo con FRP su telai in C.A. in zona sismica

Le strutture esistenti in calcestruzzo armato e in calcestruzzo armato precompresso possono essere rinforzate mediante l’incollaggio di tessuti o lamine in fibra di carbonio CFRP al fine di incrementare sia la loro resistenza che la loro duttilità, evitando l’incremento delle masse e delle rigidezze delle stesse: in funzione della modalità di applicazione/installazione dei tessuti o delle lamine in fibra di carbonio è possibile migliorare la resistenza a flessione, a taglio o aumentare il confinamento del calcestruzzo mediante cerchiatura dell’elemento interessato dall’intervento di rinforzo, nonché dei nodi tra di essi.

Analisi del modello comportamentale della struttura

Alla base di tale modello comportamentale vi è la necessità di valutare la resistenza, spesso lasciata alla sensibilità del professionista dalle norme vigenti, delle porzioni terminali del rinforzo, dove spesso si concentrano maggiormente le sollecitazioni in grado di compromettere il funzionamento dello stesso: analizzando i risultati ottenuti con la modellazione avanzata affrontata in questo dossier, effettuata con il software MIDAS FEA, risulta fondamentale, affinché il sistema di consolidamento possa agire in maniera corretta e fornire il proprio apporto in termini resistenti, garantire che tali zone terminali, specialmente quelle alla base dei pilastri a terra, maggiormente sollecitate e soggette a criticità meccaniche, siano sufficientemente e correttamente dimensionate.

Partendo dal modello avanzato del telaio in c.a. esistente descritto nell’articolo di CSPFEA Engineering Solutions ed evidenziate le criticità emerse dalle analisi sismiche effettuate, si procede con l’ideazione di soluzioni di dettaglio per il loro soddisfacimento e alla progettazione con sistemi in FRP.

Progettazione del rinforzo in CFRP

Procedendo per fasi, la grandezza meccanica “tensione di progetto di distacco” è funzione del tipo di calcestruzzo, della qualità di FRP (in questo caso carbonio HT e HM), dal numero di strati di rinforzo e dalla dimensione del rinforzo rispetto alla dimensione della sezione in c.a.

Valutazione dei valori di progetto del rinforzo secondo CNR DT 200 - R1/2013

Sulla base delle formulazioni contenute in [1], valori di progetto per i 2 modi di distacco del rinforzo dal supporto sono:

Poiché la lunghezza di ancoraggio viene sufficientemente garantita attraverso il posizionamento delle staffe (Figura 10), vengono utilizzati i valori relativi al 2° modo di distacco.

Innalzamento dei valori a rottura di progetto eliminando il problema della delaminazione

Come noto, la disposizione di dispositivi (connettori o fasce trasversali) in grado di contrastare la delaminazione del tessuto dal supporto permette di sfruttare al massimo le prestazioni del rinforzo fino a raggiungere il suo limite di resistenza a trazione. Il numero e la disposizione dei connettori o delle fasce è definita per contrastare sia la delaminazione di modo 1° sia la delaminazione di modo 2° come è stato verificato durante la sperimentazione eseguita presso l’università di Atene in collaborazione con il Prof. Spyrakos [4]. La campagna sperimentale aveva previsto una serie di prove su travi in cemento armato rinforzate con nastri in CFRP. Rinforzi disposti secondo diverse configurazioni. 

0.     Configurazione tal quale senza nessun rinforzo;

1.     Configurazione con rinforzo a flessione applicato all’intradosso;

2.     Configurazione con rinforzo a flessione e fasciature d’estremità per contrastare la delaminazione;

3.     Configurazione con rinforzo a flessione e connettori tipo Ardfix a contrasto della delaminazione;

4.     Configurazione con solo rinforzo a flessione ma con matrice IPN diversa da tutte le altre in cui è stata utilizzata una matrice termoindurente di tipo epossidico.

Per la configurazione (1) la crisi del rinforzo è avvenuto per delaminazione dì estremità modo 1° secondo il seguente schema, riportato nell’immagine:

Figura 2 - Provino n. 1, rottura per delaminazione del 1° modo

Per incrementare la capacità è stato necessario bloccare le suddette modalità di rottura per poter raggiungere il limite del materiale lato teso o lato compresso:

Figura 3 - Raggiungimento della rottura per trazione della fibra in mezzeria della trave (SX) e per schiacciamento del calcestruzzo (DX)

Nel caso specifico per la configurazione (3) si è ottenuta la rottura del rinforzo:

Figura 4 - Raggiungimento della rottura per trazione della fibra in mezzeria della trave

Come evidente dalle sperimentazioni riportate poco sopra, risulta possibile aumentare la tensione di rottura dei sistemi di rinforzo prevenendo la genesi dei fenomeni di distacco: considerando di eliminare il problema della delaminazione il valore di rottura, per un HT (modulo di elasticità pari a 210 GPa), è pari a 2137.5 Mpa, ovvero 2700*0.95/1.2 =2137.5 Mpa, dove i coefficienti di sicurezza sono 0.95 applicazione interna, 1.2 coefficiente per la flessione. Tale valore diventa indipendente dal numero di strati fatto qualora si verifichi l’efficacia del sistema di ancoraggio.

Progettazione e disposizione dei rinforzi sul telaio

Considerate le grandezze meccaniche di progetto si è intervenuti sul telaio in c.a. disponendo i rinforzi impregnati in situ ottimizzandone la disposizione in funzione delle sollecitazioni stimate, diminuendo il numero di strati sui pilastri sull’altezza di sviluppo e garantendo alle travi un comportamento secondo le prescrizioni delle NCT 2018. Inoltre, sono stati utilizzati i classici accorgimenti per evitare la formazione di fenomeni critici sui nodi del telaio, volutamente poco armati, in termini di affiancamento laterale di tessuti longitudinale.

Configurazioni delle simulazioni numeriche condotte

Le configurazioni di telaio consolidato con Sistemi FRP, per valutare vari comportamenti sono le seguenti:

• Telaio consolidato con FRP in alta tenacità, 210C con valori di progetto (1° [I] e 2° modo [III]);
• Telaio consolidato con FRP in alto modulo 350/2800C con valori di progetto (1° modo) [II];
• Telaio consolidato con FRP in alta tenacità 210C con valori di progetto eliminando il fenomeno della delaminazione e utilizzando i valori a rottura a trazione del materiale [IV]

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Il presente articolo fa parte di un percorso contenutistico condiviso con CSPFea. Pertanto, si segnala a questo LINK la lettura dell'articolo "Simulazioni numeriche avanzate per la verifica di strutture in C.A. in zona sismica"