Colonne in scala reale in c.a. confinate con FRP: Indagine sperimentale e modellazione analitica

1. Colonne in scala reale in c.a. confinate con FRP: Indagine sperimentale e modellazione analitica Fabio Nardone Ph.D. Candidate XXII ciclo Prof. Antonio Nanni Prof. Andrea Prota Co-Tutor Prof. Gaetano Manfredi Tutor Prof. Aldo Zollo Coordinator

2. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

3. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

4. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

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

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

7. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

8. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

9. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

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

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

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

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

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

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

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

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

18. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione Caratteristiche meccaniche materiali impiegati Calcestruzzo Grade 60 Acciaio fsy=414 MPa Es=200 GPa FRP ASTM C39 Fabio Nardone

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

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

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

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

23. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

24. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

40. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione 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

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

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

43. Confronto teorico-sperimentale Confronto nomativo-sperimentale Campagna sperimentale Proposte e Conclusioni Introduzione • 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

44. Grazie per l’attenzione.