“INNOVATIVE MATERIALS FOR STRENGTHENING OF EXISTING STRUCTURES “ UNIVERSITA’ DELLA CALABRIA Dipartimento di Ingegneria Civile Dottorato di Ricerca in Scienze e Ingegneria dell’Ambiente, delle Costruzioni e dell’Energia - Ciclo XXXI - Coordinatore del Corso di Dottorato: Prof. Pietro Salvatore Pantano “INNOVATIVE MATERIALS FOR STRENGTHENING OF EXISTING STRUCTURES “ Prof. Ing. Francesco Bencardino Rende, 26 Novembre 2015

Gruppo di ricerca/Strutture Proff. Bruno D., Olivito R.S., Spadea G. Greco F., Lonetti P., Ombres L. Bencardino F., Nevone Blasi P. Dottorandi Condello A., Verre S., Mazzuca S., Scuro C., Tedesco A. Assegnisti Codispoti R., Leonetti L.

OUTLINE MATERIALI INNOVATIVI / COMPOSITI TEMA DI RICERCA MATERIALI INNOVATIVI PER IL RINFORZO E L’ADEGUAMENTO SISMICO DELLE STRUTTURE ESISTENTI MATERIALI INNOVATIVI / COMPOSITI FIBRE + MATRICE FIBRE: CARBONIO, VETRO, ARAMIDICHE, ACCIAIO MATRICE: ORGANICA INORGANICA RESINE EPOSSIDICHE MALTA CEMENTIZIA SISTEMA FRP SISTEMA FRCM

SISTEMA FRP SISTEMA FRCM CFRP GFRP AFRP SRG SRP PBO-FRCM PBO: poli-parafenilenbenzobisoxazolo (materiale sintetico)

PROBLEMATICHE Definizione di modelli di interfaccia “supporto- sistema di rinforzo” per analisi numeriche (FEA) Definizione di modelli analitici per la valutazione della deformazione di “debonding” per progetto/verifica dei rinforzi Problemi di meccanica della frattura Sperimentazione: tensile/shear test, prove su elementi strutturali Linee guida/documenti tecnici

SPERIMENTAZIONE

SPERIMENTAZIONE

SPERIMENTAZIONE

SPERIMENTAZIONE

SPERIMENTAZIONE

LINEE GUIDA / DOCUMENTI TECNICI FRP: progettazione (NTC08)

LINEE GUIDA / DOCUMENTI TECNICI FRP: caratterizzazione del sistema

LINEE GUIDA / DOCUMENTI TECNICI FRCM: caratterizzazione ? / progettazione ? Documenti preliminari!

FRP/FRCM I materiali compositi vengono classificati, a seconda della matrice impiegata, in: Sistemi a matrice organica: Fiber Reinforced Polymer (FRP) Tessuti/lamine/nastri impregnati in una resina polimerica/epossidica Sistemi a matrice inorganica: Fiber Reinforced Cementitiuos Matrix (FRCM), altro Tessuti/nastri immersi in una matrice cementizia Vantaggi sistemi a matrice inorganica Elevata compatibilità con il supporto Ottima durabilità anche in condizioni fortemente aggressive Elevata resistenza al fuoco Ottima resistenza agli UV Reversibilità dell’intervento Traspirabilità del supporto

Struttura in c.a., muratura, acciaio, legno INTERVENTI DI RINFORZO: TIPOLOGIE “Rinforzo esterno di strutture in c.a. mediante materiali compositi” Incremento dei carichi per cambio di destinazione d’uso Adeguamento alla normativa vigente Degrado da risanare a seguito di danneggiamenti dovuti al tempo, ad eventi sismici, carichi eccessivi, ecc. Struttura in c.a., muratura, acciaio, legno Problema strutturale Pareti Controventi Isolatori Interventi globali Soluzioni Incremento della sezione resistente Incamiciatura Materiali compositi Interventi locali

CAMPI DI APPLICAZIONE Incremento resistenza a flessione/taglio di elementi in c.a., legno, acciaio Confinamento/duttilità pilatri c.a./nodi trave-pilastro Rinforzo di strutture in muratura Realizzazione di cordoli armati Consolidamento di volte

MATERIALI COMPOSITI Cosa sono? Compositi a fibre= Matrice + a) compositi a fibre; b) compositi a scaglie; c) compositi a particelle; d) compositi con riempitivo; e) compositi a lamine Fibre corte Compositi a fibre= Matrice + Fase Fibrosa Fibre lunghe

FIBRE E MATRICI Compositi a fibre = Matrice + Fibre lunghe Organica Lamine Compositi a fibre = Matrice + Fibre lunghe Nastri Tessuti Organica Epossidica Matrici Inorganica Malta cementizia Lamina Vetro Aramide Carbonio Fibre PBO Acciaio (UHTSS) Di ultima generazione Basalto Tessuto/nastro Fibre naturali

FIBRE E MATRICI Tipologie di fibra Carbonio Vetro Kevlar (aramide) PBO poli-parafenilenbenzobisoxazolo Acciaio UHTSS Basalto

EXTERNALLY BONDED (EB) / PLACCAGGIO ESTERNO TECNICA DI APPLICAZIONE Matrice organica/epossidica + Tessuti/lamine = Fiber Reinforced Polymer (FRP) Matrice cementizia + Tessuti/lamine = Fiber Reinforced Cementitiuos Matrix (FRCM) La tecnica di applicazione consiste nell’incollaggio di lamine/tessuti/nastri di fibra sul supporto (c.a., muratura, legno) accuratamente preparato EXTERNALLY BONDED (EB) / PLACCAGGIO ESTERNO FRP + EB = EB-FRP FRCM + EB = EB-FRCM

MODALITA’ DI APPLICAZIONE Rinforzo a flessione/taglio (EB-FRP/EB-FRCM) Struttura in c.a. con copriferro deteriorato e barre di armatura interne corrose 2. Applicazione inibitore di corrosione 3. Ripristino del calcestruzzo con malta antiritiro 1. Asportazione calcestruzzo ammalorato 6. Trattamento superficiale 4. Applicazione del rinforzo 5. Intervento di rinforzo completato

New! + SRG, SRP, SRGM : Nuovi sistemi SRGM SRG SRP Materiali compositi a matrice inorganica Fibra Matrice Acciaio tipo UHTSS Inorganica + Eventuali additivi UHTSS + Matrice Cementizia + Resina ep. (<5%) = SRG (Steel Reinforced Grout) UHTSS + Matrice Cementizia + Resina ep. (>5%) = SRP (Steel Reinforced Polymer) UHTSS + Matrice Geopolimerica = SRGM (Steel Reinforced Geopolymeric Matrix) SRGM SRG + New! SRP Tessuto in acciaio Malta a base di leganti idraulici Malta geopolimerica

SRGM Materiali e soluzioni di rinforzo alternative per strutture esistenti Tessuti in acciaio + Matrici Geopolimeriche SRGM Steel Reinforced Geopolymeric Matrix I geopolimeri si producono a partire da materiali naturali (prefisso “geo” ), come le ceneri vulcaniche e le pozzolane, e da materiali artificiali, come il metacaolino, le scorie d'altoforno, le ceneri volanti e qualsiasi altra sorgente di allumina e silice polverizzata. Il processo di produzione dei geopolimeri è simile a quello dei cementi: miscelazione di una polvere reattiva con un legante a base acquosa. Vantaggi: Elevata compatibilità matrice-supporto; Resistenza alle alte temperature; Elevate resistenze meccaniche sia alle brevi che alle lunghe stagionature; Forte adesione al calcestruzzo; Alta resistenza ai solfati ed ottima durabilità anche in condizioni fortemente aggressive (zone marine, sali disgelanti, piogge acide); Ottima resistenza alla corrosione; Sostenibilità ambientale.

SRGM Vs FRP/FRCM Sostenibilità “L’umanità ha la possibilità di rendere sostenibile lo sviluppo, cioè di far sì che esso soddisfi i bisogni dell’attuale generazione senza compromettere la capacità delle generazioni future di rispondere ai loro”. (World Commission on Environment and Development, 1987) Sviluppo: 3 dimensioni FRP/FRCM Interrelazioni SRGM Interconnessioni

SRGM Sostenibilità ambientale Materiali/Sistema SRGM: Steel Reinforced Geopolymeric Matrix Tessuto in acciaio + Matrice Geopolimerica Kimisteel INOX Sostenibilità ambientale

Modelli analitici (εfd) LINEE GUIDA/ DOCUMENTI TECNICI Analisi teorica Analisi numerica Modelli analitici (εfd) Leggi bond-slip Relazioni per valutare la deformazione di debonding (εfd)  FRP Leggi bond-slip  Relazioni per valutare la deformazione di debonding (εfd) FRCMSRGM Leggi bond-slip E’ necessario eseguire prove di caratterizzazione meccanica sul sistema composito (Tensile test, single/double lap shear test) e test su elementi strutturali quali travi, pilastri, nodi trave-pilastro (rinforzo a flessione, taglio, confinamento).

DETTAGLI

Modelli analitici (εfd) OBIETTIVO Analizzare il comportamento strutturale di travi in c.a. rinforzate esternamente a flessione mediante sistemi a matrice inorganica. Sistemi SRG, SRP, SRGM Database di risultati sperimentali ? Modelli analitici (εfd) ? Leggi bond-slip

Confronti tra risultati analitici/numerici e dati sperimentali OBIETTIVO  FRP  Modelli analitici SRG, SRP  FRP  Leggi bond-slip SRG, SRP Validare/invalidare alcuni modelli analitici e leggi bond-slip proposte per i sistemi FRP con riferimento ai sistemi SRG/SRP Confronti tra risultati analitici/numerici e dati sperimentali

FEA Modello EF 3D: valutare numericamente l’efficacia dei dispositivi di ancoraggio ad “U”. L’interfaccia calcestruzzo-SRG/SRP è stata simulata mediante le leggi bond-slip validate/calibrate con la modellazione 2D. Travi in c.a. rinforzate esternamente con sistemi SRG e SRP, testate presso il laboratorio Grandi Modelli dell’Università della Calabria CB Control beam G1 P1 G1-U/P1-U SRG system G1-U P1-U G1/P1 SRG system

SPERIMENTAZIONE EB Programma sperimentale Caratterizzazione meccanica del pacchetto di rinforzo (Tensile/Shear tests) Travi in c.a. rinforzate mediante tessuto in acciaio unidirezionale e matrice geopolimerica con tecnica tradizionale (EB-SRGM) ed innovativa (IRS-SRGM) T E N S I L S H E A R 3 tests 12 tests EB

SPERIMENTAZIONE Programma sperimentale EFFETTO SCALA! Gruppo n°. travi L [m] B [mm] H [mm] L/H a/d As ρ [%] A’s Staffe A.1 3 3.0 150 250 12 4.1 2Φ12* 0.6 2Φ8 Φ8/150 2Φ12 A.2 B 4.8 400 2Φ16 C 2Φ18 0.8 *Acciaio tipo FeB32k Caratterizzazione meccanica fcm=16.7MPa fctm=1.7MPa Ecm=26093.0MPa fym=368.2MPa (FeB32k) fym=578.0MPa (B450C) Strutture esistenti

SPERIMENTAZIONE LVDT Setup di prova Gruppo Trave Sistema di rinforzo Telaio di contrasto Cella di carico Strain Gages Sistema acquisizione dati (centralina + software) LVDT Gruppo Trave Sistema di rinforzo A.1 CB_3.0_0.6 - SB_3.0_0.6 EB-SRG SB_IRS_3.0_0.6 IRS-SRG B CB_4.8_0.6 SB_4.8_0.6 SB_IRS_4.8_0.6 Finora sono state testate 6 travi (Gruppo A.1 e Gruppo B). A breve saranno eseguiti i tests sulle travi dei Gruppi A.2 e C.

ANALISI SPERIMENTALE CB EB-SRGM IRS-SRGM GRUPPO A.1 (travi da 3.0m) Modalità di rottura GRUPPO A.1 (travi da 3.0m) CB_3.0_0.6 SB_3.0_0.6 SB_IRS_3.0_0.6 CB EB-SRGM IRS-SRGM CB_4.8_0.6 GRUPPO B (travi da 4.8m) SB_4.8_0.6 SB_IRS_4.8_0.6

CONCLUSIONI Le previsioni teoriche fornite dalle due linee guida (CNR-DT200R1/2013, ACI 440.2R-08), in termini di carico ultimo e deformazione massima nel rinforzo esterno (intermediate debonding), sono accettabili per i sistemi SRP. Il modello proposto da Teng et al. (2003) fornisce buoni risultati per le travi rinforzate con sistemi SRG. La legge bond-slip bi-lineare calcestruzzo-FRP proposta da Lu et al. (2005) fornisce risultati numerici soddisfacenti per travi in c.a. rinforzate esternamente con sistemi SRG. Nessuno dei modelli bond-slip adottati (CNR-DT200R1/2013, Monti et al. (2003), Lu et al. (2005), Obaidat et al. (2013)), ha fornito risultati accettabili per travi rinforzate con sistema SRP. Sulla base dei dati sperimentali disponibili e di studi fatti da altri ricercatori, è stato proposto un nuovo modello calcestruzzo-SRP, con definito campo di validità.

PUBBLICAZIONI Bencardino, F. and Condello, A., (2015), “Reliability and adaptability of the analytical models proposed for the FRP systems to the Steel Reinforced Polymer and Steel Reinforced Grout strengthening systems”, Composites Part B: Engineering, 76, 249-259. Bencardino, F. and Condello, A., (2015), “Concrete Bond-slip Laws for Externally Strengthened RC Beams”, Composite Structures, 132, 804-815. Bencardino, F., Condello, A., Spadea, G., (2015), “Theoretical and numerical analysis of RC beams externally strengthened with SRG and SRP systems tested to flexure”, 18th International Conference on Composite Structures, 15-18 June, Lisbon (Atti di convegno). Bencardino F. and Condello, A., (2014), “Experimental Study and Numerical Investigation of Behavior of RC Beams Strengthened with Steel Reinforced Grout”, Computers and Concrete, 14(6), 711-725. Bencardino, F. and Condello, A., (2014), “Structural behaviour of RC Beams Externally Strengthened in Flexure with SRG and SRP Systems”, International Journal of Structural Engineering, 5(4), 346-368.