Colonne in scala reale in c.a. confinate con FRP: Università degli Studi “Federico II” di Napoli Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico Colonne in scala reale in c.a. confinate con FRP: Indagine sperimentale e modellazione analitica Fabio Nardone Ph.D. Candidate XXII ciclo Prof. Gaetano Manfredi Tutor Prof. Antonio Nanni Prof. Andrea Prota Co-Tutor Prof. Aldo Zollo Coordinator 1

Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Introduzione Un numero elevato di strutture in cemento armato realizzate nei primi decenni del secolo scorso, palesano notevoli carenze strutturali, quali: basso valore della resistenza a compressione del calcestruzzo; carenza di un’adeguata armatura trasversale (numero e/o passo delle staffe); duttilità della sezione e dell’intera struttura limitata. Fabio Nardone 2

Introduzione Sisma Abruzzo 6 Aprile 2009 Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Tali carenze si traducono in caratteristiche di resistenza e duttilità inadeguate alle funzioni che i singoli elementi strutturali sono chiamati a svolgere, e sono ancora più gravi per le strutture progettate in assenza di una normativa sismica. Colonne a sezione quadrata Colonne a sezione rettangolare Colonne a sezione rettangolare allungata Sisma Abruzzo 6 Aprile 2009 Fabio Nardone 3

Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Ponti I ponti rappresentano un elemento cruciale del sistema delle infrastrutture. Nel caso di un evento sismico: Danni ingenti diretti: Vittime umane, Costi di riparazione/ricostruzione, … Danni ingenti indiretti: Interruzione dei trasporti e delle vie di comunicazione, Intralcio alle operazioni di soccorso, etc… Fabio Nardone 4

Introduzione Ponti La carreggiata si allarga 2000’s 1960’s Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Ponti Autostrade S.p.a: ~5600 km ~3000 ponti di cui 1/3 simply supported Maggior parte 1960-1970. La carreggiata si allarga 1960’s 2000’s Il parco veicolare circolante è fortemente mutato…. Fabio Nardone 5

Introduzione Le pile da ponte Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Introduzione Le pile da ponte Fabio Nardone 6

Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Le pile cave sono realizzate in zone ad alto rischio sismico e dove l’orografia richiede infrastrutture a rilevanti altezze dal suolo Viadotto realizzato con pile cave rettangolari (Svizzera) Viadotto realizzato con pile cave circolari (Italia) Fabio Nardone 7

Introduzione Sezioni Rettangolari Cave Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Le pile da ponte cave resistono a taglio e momento elevati: riducendo Il peso proprio (fino al 70%); La sollecitazione in fondazione; La massa partecipante nella risposta sismica. incrementando L’efficienza strutturale in termini di rapporto resistenza-massa e rigidezza-massa Sezioni Rettangolari Cave Nelle sezioni rettangolari cave non si sviluppano nelle pareti le stesse tensioni che si sviluppano nelle sezioni circolari Minor confinamento per il calcestruzzo Fabio Nardone 8

Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Introduzione Evidenze sperimentali hanno mostrato che gli FRP possono confinare efficacemente il calcestruzzo incrementando la duttilità e in parte la resistenza flessionale. L’incremento di rinforzo nella direzione trasversale incrementa anche la resistenza a taglio Fabio Nardone 9

Introduzione Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Introduzione Fabio Nardone 10

Introduzione Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Introduzione Fabio Nardone 11

Introduzione Costi: circa 200 000 $ Macchina di prova:550 ton Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Nardone et al. 2009 Campagna sperimentale unica al mondo: Costi: circa 200 000 $ Macchina di prova:550 ton Fabio Nardone 12

Colonne a sezione quadrata Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Colonne a sezione quadrata sezione rettangolare Colonne a rettangolare allungata Colonne a sezione Fabio Nardone 13

ACI 318-63 (1999) Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni ACI 318-63 (1999) Fabio Nardone 14

ACI 318-63 (1999) Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni ACI 318-63 (1999) Fabio Nardone 15

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 16

Realizzazione dei provini… Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Prove cicliche a compressione centrata in controllo di spostamento 0.15mm/min. Realizzazione dei provini… Fabio Nardone 17

ASTM C39 Calcestruzzo Acciaio FRP Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Caratteristiche meccaniche materiali impiegati Calcestruzzo Grade 60 Codice provino Tipo di campione di calcestruzzo Numero di ripetizioni Resistenza media [Mpa] Deviazione standard [MPa] S-1 Cilindro f150, h=305 6 37.3 2.5 S-1-5GA 3 48.6 4.4 S-1-2GB Carota f95, h=190 37.1 5.3 S-1-8H 44.4 1.0 R-1 47.9 1.2 R-1-5GA 56.4 5.2 R-1-8H 47.6 1.8 R-0.5 Cilindro f100, h=200 34.7 0.6 R-0.5-5GA 53.8 1.4 R-0.5-2GB 46.4 4.9 R-0.5-5GB 49.7 3.3 R-0.5-8H 46.8 HR-0.6 43.5 0.5 HR-0.6-5GA 44.8 7.2 HR-0.6-8GA 45.9 4.1 WL-1 55.4 WL-1-5GA 3.0 WL-1-8GA 52.1 1.9 Acciaio fsy=414 MPa Es=200 GPa FRP Proprietà delle fibre GFRP tipo A GFRP tipo B BFRP Tipo di fibra Vetro Basalto – Vetro Percentuale in volume 100% 33.3% –66.6% Modulo elastico (GPa) 77 72 89 – 77 Resistenza a trazione (MPa) 3400 3240 4840 – 3400 Allungamento a trazione (%) 4.7 4.5 3.15 – 4.7 Proprietà dei tessuti Spessore (mm) 0.24 [0.48] 0.58 [1.27] 0.12 [0.28] Grammatura (g/m2) 600 295 320 ASTM C39 Fabio Nardone 18

Fasi applicative del sistema di rinforzo Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Fasi applicative del sistema di rinforzo Smussatura degli spigoli Applicazione del primer Fabio Nardone 19

Fasi applicative del sistema di rinforzo Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Fasi applicative del sistema di rinforzo Applicazione del GFRP Applicazione del BFRP Fabio Nardone 20

Fasi applicative del sistema di rinforzo Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Fasi applicative del sistema di rinforzo Applicazione di CFRP in corrispondenza delle estremità dei provini Fabio Nardone 21

Strumneti di misura Trasduttori verticali Trasduttori orizzontali Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Strumneti di misura Trasduttori verticali Trasduttori orizzontali Volume di controllo Estensimetri sulle staffe Estensimetri sulle barre longitudinali Estensimetri sulle supeficie esterna Fabio Nardone 22

Modalità di crisi delle colonne non confinate Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Modalità di crisi delle colonne non confinate La crisi delle colonne è stata di tipo fragile con espulsione del copriferro a seguito dell’instabilizzazione delle barre longituinali compresse Crisi Provino S-1 Crisi Provino R-0.5 Crisi Provino WL-1 Crisi Provino HR-0.6 Crisi Provino R-1 23

Modalità di crisi delle colonne confinate Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Modalità di crisi delle colonne confinate La crisi delle colonne è stata di tipo duttile grazie al contributo del confinamento che ha evitato che l’instabilizzazione delle barre compresse causasse una crisi fragile Malta livellante Fabio Nardone 24

Modalità di crisi delle colonne confinate Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Modalità di crisi delle colonne confinate La crisi delle colonne è stata di tipo duttile grazie al contributo del confinamento che ha evitato che l’instabilizzazione delle barre compresse causasse una crisi fragile Malta livellante Fabio Nardone 25

Diagramma carico-deformazioni assiali e orizzontali Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Diagramma carico-deformazioni assiali e orizzontali Fabio Nardone 26

Diagramma carico-deformazioni assiali e orizzontali Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Diagramma carico-deformazioni assiali e orizzontali Fabio Nardone 27

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Codice provino fc [Mpa] Fc,max [kN] sc,max [MPa] sc,max/fc sc,max/ scc,max Dc,max [mm] Dc,ult /Dc,max S-1 37.3 12536 29.6 0.794 - 5.90 7.00 1.19 S-1-5GA 48.6 17818 43.8 0.901 1.14 6.67 7.28 1.09 S-1-2GB 37.1 13001 30.8 0.831 1.05 8.27 15.21 1.84 S-1-8H 47.2 15594 37.8 0.852 1.07 7.39 28.28 3.83 R-1 47.9 16541 42.1 0.878 7.02 7.84 1.12 R-1-5GA 56.4 17562 44.8 0.795 6.01 R-1-8H 47.6 17033 43.4 0.913 1.04 8.84 14.74 1.67 R-0.5 34.7 5516 26.4 0.761 8.44 1.08 R-0.5-5GA 53.8 8656 0.814 7.98 15.60 1.95 R-0.5-2GB 46.4 7113 35.2 0.759 1.00 5.47 16.83 3.08 R-0.5-5GB 49.7 8735 44.2 0.889 1.17 7.61 29.25 3.84 R-0.5-8H 46.8 7972 40.0 0.855 7.63 27.37 3.59 HR-0.6 43.5 8006 30.3 0.697 5.54 5.85 HR-0.6-5GA 8432 32.2 0.719 1.02 11.95 2.18 HR-0.6-8GA 45.9 9222 35.6 0.775 5.20 10.68 2.06 WL-1 55.4 17063 41.9 0.757 7.67 8.19 WL-1-5GA 14578 0.736 0.97 9.22 26.28 2.85 WL-1-8GA 52.1 15927 38.9 0.746 0.99 7.76 25.13 3.24 Fabio Nardone 28

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 29

Confronto teorico-sperimentale Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Confronto teorico-sperimentale Modelli per le sezioni prismatiche Mirmiran et al. 1998 Wang e Restrepo 2001 Lam e Teng 2003 Campione e Miraglia 2003 Kumutha et al. 2007 Wu e Wang 2009 Lignola et al. 2009 Fabio Nardone 30

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 31

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 32

Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni La deformazione media in corrispondenza del carico di picco è in media del 0.25% Fabio Nardone 33

Confronto teorico-sperimentale Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Confronto teorico-sperimentale Modelli per le sezioni rettangolari allungate Maalej et al. 2001 Tan et al. 2001 ftf al carico di picco Lignola et al. 2009 Model I Model II Fabio Nardone 34

Ri Re Confronto teorico-sperimentale Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Confronto teorico-sperimentale Modelli per le sezioni circolari cave Lignola et al. 2009 Adattandolo alle sezioni rettangolari cave… Ri Re Fabio Nardone 35

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 36

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 37

…utilizzando la deformazione ultima a rottura del FRP Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni …utilizzando la deformazione ultima a rottura del FRP …utilizzando come deformazione del FRP quella in corrispondenza del carico massimo Fabio Nardone 38

…utilizzando la deformazione ultima a rottura del FRP Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni …utilizzando la deformazione ultima a rottura del FRP …utilizzando come deformazione del FRP quella in corrispondenza del carico massimo Fabio Nardone 39

Modelli utilizzati e limitazioni delle linee guida internazionali… Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Modelli utilizzati e limitazioni delle linee guida internazionali… Mentre le linee guida italiane… CNR DT-200/2004 …solo il fib non pone limiti su aspect ratio e dimensione massima dei lati!! Fabio Nardone 40

Modelli proposti dalle linee guida per le sezioni rettangolari… Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Modelli proposti dalle linee guida per le sezioni rettangolari… CNR DT-200/2004 Fabio Nardone 41

Fabio Nardone Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Introduzione Proposte e Conclusioni Fabio Nardone 42

Comportamento delle colonne sperimentate: Introduzione Campagna sperimentale Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Proposte e Conclusioni Comportamento delle colonne sperimentate: Effetti benefici del confinamento con FRP: Il confinamento ritarda l’instabilità delle barre longitudinali compresse; Incrementa di molto la duttilità (anche 400%); Incrementa la resistenza in maniera pressochè trascurabile all’aumentare dell’aspect ratio; Per il calcolo della resistenza massima del cls confinato: si propone l’utilizzo della deformazione efficace del FRP in luogo di quella ultima; Per le sezioni rettangolari cave: estensione del modello di Lignola et al.2009 Fabio Nardone 43

Grazie per l’attenzione. 44