IL CNR DT-200/2004 Progettazione di rinforzi con FRP

IL CNR DT-200/2004
Progettazione di rinforzi con FRP
Una introduzione
Giorgio Monti
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
IL RINFORZO DELLE
STRUTTURE CON FRP
Giorgio Monti
( [email protected]
giorgio monti@uniroma1 it )
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica
2
Testo di riferimento
Documento CNR-DT 200/2004
Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il
Controllo di Interventi di Consolidamento Statico
mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati
Materiali, strutture in c.a. ed in c.a.p.,
strutture murarie
Disponibile sul sito del CNR: www.cnr.it
3
COMPORTAMENTO STRUTTURALE INADEGUATO
Taglio nei pilastri
Taglio nelle travi
Aderenza nei pilastri
Sisma di Michoacán, 1985
Taglio nei pilastri
COMPORTAMENTO STRUTTURALE INADEGUATO
Collasso per taglio dei pilastri
Edifi i d
Edificio
della
ll Facoltà
F
l à di IIngegneria
i dell’Università
d ll’U i
i à di Tohoku
T h k
Sisma di Miyagi-oki, 1968
Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K.
STUDIO SPERIMENTALE (p
(pilastri corti))
Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K.
Laboratorio dell’Università di
Oita, Giappone
Modello estratto da un edificio
con propensione
i
all collasso
ll
per taglio dei pilastri
STUDIO SPERIMENTALE (p
(pilastri corti))
Rinforzo mediante incamiciature metalliche
Foto: cortesia del Prof. Kikuchi K.
STUDIO SPERIMENTALE (p
(pilastri corti))
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Foto: cortesia del Prof. Yoshimura H.
PROCEDURA DI RINFORZO
Incamiciatura in c.a.:
bassi costi?
PROCEDURA DI RINFORZO
Incamiciatura in acciaio:
efficiente?, pratica?
80 Articulación plástica
C-99
40
Carga Lateral, t
Carga Lateral, t
80 Articulación plástica
60
V +Vs
Vc
+V
60
20
0
-20
-40
Vc + Vs
20
0
-20
-40
-60
-60
-80
-80
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Distorsión de entrepiso, %
C 66
C-66
5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Distorsión de entrepiso, %
C-66-R
C-66*
80
Articulación plástica 80
60
60
60
40
40
Vc + Vs +Vjacket
20
Vc + Vs
20
0
-20
-40
Vc + Vs
80
Carga Lateral, t
40
Carga Lateral, t
Carga Lateral, t
C
40
C-66
20
0
-20
-40
5
Articulación plástica
0
-20
-40
-60
-60
-80
-80
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Distorsión de entrepiso, %
-60
-80
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Distorsión de entrepiso, %
C 66 R
5
5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Distorsión de entrepiso, %
5
CONTROVENTAMENTI IN ACCIAIO
CONTROVENTAMENTI IN ACCIAIO
CONTROVENTAMENTI IN ACCIAIO
STUDI SPERIMENTALI
STUDIO SPERIMENTALE (pilastri)
(p
)
Effetti di diverse strategie di rinforzo di pilastri osservati in
vari lavori sperimentali (da: “Design and Construction
Taglio
Guideline of Continuos Fiber Reinforced Concrete)
Spostamento relativo (1/100 rad)
STUDIO SPERIMENTALE (pilastri)
(p
)
cls
FRP per rinforzo
a flessione
FRP per rinforzo
a taglio
Intonaco e
protezione
MODELLO DI
PROVA
STUDIO SPERIMENTALE CON FRP
ELEVATA CAPACITÀ DI
DEFORMAZIONE PLASTICA
SCARSA CAPACITÀ DI
DEFORMAZIONE PLASTICA
FORZA (KN)
FOR
RZA (KN)
COMPORTAMENTO DI PILASTRI SOTTO CARICO CICLICO
LATERALE CON E SENZA RINFORZO A TAGLIO IN FRP
SPOSTAMENTO (mm)
PILASTRO NON RINFORZATO
(PROGETTATO CON NORME VECCHIE)
SPOSTAMENTO (mm)
PILASTRO CON RINFORZO IN FRP
VALUTAZIONE DELLA CAPACITÀ DEFORMATIVA
Resistenza a taglio
Resistenza a flessione
IL MATERIALE FRP
20
COSTRUZIONI :
Crescita 2005-2010 ~ 300%
$45 MLD in USA nel 2003
(21% nel rinforzo)
600.000 m2 in Cina nel 2003
Consumo annuo
300 000 ton nel 2007
300.000
21
Crescita del mercato
22
In Giappone …
Numero di app
plicazio
oni
1400
1200
1000
800
Building
Bridge pier
Smokestack
Tunnel
Others
600
Terrem
moto di K
Kobe
( Gen
n. 1995 )
BUILDING RESEARCH INSTITUTE
400
200
0
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997
Anno
23
STATO ATTUALE DELL’USO DI FRP IN GIAPPONE
NUMERO DI INTERVENTI
ALTRI
CIMINIERE
PONTI
EDIFICI
TUNNEL
Il materiale FRP
• L’FRP è un materiale composito
• E’ formato da due fasi:
– Matrice (solitamente una resina)
– Rinforzo (sempre in fibre. Es: di vetro, di carbonio)
Fibre
Matrice
25
Il materiale FRP
• L’FRP
L FRP è un materiale composito
• E’ formato da due fasi:
– Matrice (solitamente una
na resina)
– Rinforzo (sempre in fibre. Es: di vetro, di carbonio)
• Microscopicamente: due fasi distinguibili
• Macroscopicamente: è un materiale omogeneo
• Si ottiene
tti
impregnando
i
d i rinforzi
i f i nella
ll matrice
t i ed
d
attendendo l’essiccazione (polimerizzazione)
• Consente
C
t una progettazione
tt i
multiscala
lti
l
26
Progettazione multiscala
10-00
metrii
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
27
Sezione trasversale
di un tessuto impregnato
TRAMA
ORDITO
28
Dimensioni dei compositi
29
Proprietà
p
delle fibre di rinforzo,, delle
matrici più comuni e dell’acciaio da
costruzione (valori indicativi)
Resistenza
Deformazione
a rottura
Coefficiente di
dilatazione
termica
Densità
[GPa]
[MPa]
[%]
[10-6 °C-1]
[g/cm3]
fibre di vetro E
72 – 80
3400
48
4.8
5 – 5.4
54
2 5 – 2.6
2.5
26
fibre di vetro S
85
4500
5.4
1.6 – 2.9
2.46 – 2.49
fibre di carbonio
((alto modulo))
390 – 760
2400 –3400
0.5 – 0.8
-1.45
1.85 – 1.9
fibre di carbonio
(alta resistenza)
240 – 280
4100 – 5100
1.6 – 1.73
-0.6 – -0.9
1.75
fibre
aramidiche
60 – 180
3600 – 3800
1 9 – 5.5
1.9
55
-2
2
1 45 – 1.48
1.45
1 48
matrice
polimerica
2.7 – 3.6
40 – 82
1.4 – 5.2
30 – 54
1.10 – 1.25
210
250 – 400
(snervamento)
350 – 600
(rottura)
20 – 30
10.4
7.8
acciaio da
costruzione
Modulo
elastico
E
30
Tipologie di filati
31
Tipologie di filati
32
I tessuti
• Si ottengono intrecciando le fibre
33
I tessuti
Vetro
Vetro / Aramide
Carbonio
Aramide
34
Le barre in FRP
P f
Preformati
i
precured systems
• ottenibili mediante pultrusione
• forma e sezione variabile
• applicazione mediante adesivi.
35
Le barre in FRP
36
Tecniche di produzione
La pultrusione
37
Tecniche di produzione
La pultrusione
38
Proprietà meccaniche degli
FRP
Caratteristiche dei componenti
Caratteristiche degli FRP
ACCIAIO
39
Modulo e resistenza
„
Tipi di FRP
A base di:
„
6
4
Carbonio, Aramide, Vetro
σ (GPa)
GFRP
CFRP
AFRP
2
Acciaio FeB44k
0.02
0.04
ε
40
Proprietà degli FRP
41
Modulo e resistenza
Preformati FRP vs. fibre
Sistemi
preformati
CFRP
Modulo di
elasticità [GPa]
Resistenza a
rottura [MPa]
Deformazione
a rottura [%]
FRP
Ef
Fibre
Efib
FRP
ff
Fibre
ffib
FRP
εfu
Fibre
εfib,u
Basso modulo
160
210 230
210-230
2800
35004800
16
1.6
1420
1.4-2.0
Alto modulo
300
350 500
350-500
1500
25003100
05
0.5
0409
0.4-0.9
Valori FRP inferiori a fibre
Valori comparabili
42
Modulo e resistenza
Regola delle miscele
(preformati)
Modulo:
Ef =Vfib⋅Efib+ (1
(1-Vfib))⋅Em
Resistenza: ff ≅ Vfib⋅ffib+ ((1-Vfib))⋅fm
Vfib è lla frazione
f i
volumetrica
l
ti
= Volume fibre / Volume composito
Stima sufficientemente accurata per
¾ FRP unidirezionali
nidi
i n li
¾ Modulo elastico
43
Modulo e resistenza
Frazione di volume
Per stimare modulo e resistenza
si applica la regola delle miscele con:
Vfib =
50-70
50
70 %
Si ignorano:
™ aderenza
d
fibra-matrice
fib
ti
™ presenza difetti interni (vuoti, ecc.)
™ distribuzione fibre non omogenea
™ imperfezioni orientamento fibre
Prove sperimentali eseguite dal produttore
44
Sistemi di rinforzo
45
Materiali base per il rinforzo
• Lamine in CFRP
• Lamine a L in CFRP
• Tessuti monodirezionali
• Tessuti multidirezionali
46
Classificazione dei rinforzi in
FRP
1) Tipo di Resina
2) Tipo di Rinforzo (fibre)
3)) Tipo
p di g
geometria del rinforzo
Epossidiche
Poliestere
Vinilestere
(Inorganiche)
Vetro
Carbonio
Aramidiche
47
48
IL CNR DT-200/2004
Progettazione di rinforzi con FRP
Esempi di applicazioni
Giorgio Monti
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Materiali e tecniche di rinforzo
• Tecniche di base
Rinforzo
a flessione
di travi
Rinforzo
a taglio
di travi
Rinforzo
di un impalcato da ponte
con lamine
50
Materiali e tecniche di rinforzo
• Tecniche di base
Confinamento di pilastri
51
Metodi di posa in opera
WET LAY-UP
Impregnazione
manuale della
resina
Disposizione
del composito
p
Eliminazione
dell’eccesso
di resina
52
Metodi p
posa in opera
p
Wet Lay-Up
53
Metodi posa in opera
Wet Lay
Lay-Up
Up di tessuti
54
Metodi posa in opera
Lamine
Lamina
pultrusa
Taglio in opera
di lamine
prefabbricate
Lamine
p
prefabbricate
poste in opera
55
Messa in opera
di un rinforzo in FRP
Protettivo
Adesivo
FRP
Adesivo
Rasatura
Primer
Calcestruzzo
56
57
58
Materiali e tecniche di rinforzo
• Tecniche speciali
Elementi speciali prefabbricati
59
resina
Avvolgimento automatico
Piastra di
contrasto
Jack
Ancoraggi
Pretensione
TECNICHE SPECIALI
CLS
Sensore di
temperatura
FRP
Corrente
elettrica
Heater
Power
Maturazione accelerata
Rinforzi NSM
60
Rinforzi NSM
61
Materiali e tecniche di rinforzo
• Tecniche speciali
Strisce a L per il rinforzo a taglio
62
63
Pretensione
64
65
66
Rinforzo di elementi con FRP preteso
68
69
70
Rinforzo per impatto
•
71
Adeguamento sismico del
Χ.Α.Ν.Θ. Building – Salonicco,
G
Grecia
i
72
Situazione pre-intervento
73
74
75
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di opere civili
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di opere civili
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di opere civili
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di elementi strutturali
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di elementi strutturali
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo di elementi con FRP preteso
APPLICAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI
Rinforzo combinato
(globale e locale)
Barre di acciaio per collegare le
pareti di taglio
p
g in c.a.
L’FRP è impiegato per far fronte
all’incremento di domanda di taglio
nel pilastro a seguito
dell’inserimento delle p
pareti in c.a.
Un ponte sul Piave
Costruito nel 1950
Lunghezza 105 m
Larghezza 8.70 m
Luce centrale 55 m
[email protected]
Rinforzo con FRP
[email protected]
OSPEDALE DI MILANO - 2006
CARBOSTRU C-System® M+ N+
CARBOSTRU C-System®
M+ N+
N+
D+
380 KN
100 KN
CARBOSTRU C-System® M+ N+
C11 S-A3
17
70 cm
100 KN
50 KN
C3 S
SALERNO UNIV.
FIERA DI LATINA - 2003
• Peso ridotto
• Immunità
I
ità alla
ll corrosione
i
• Nessuna limitazione di lunghezza
• Facilità e velocità nell’applicazione
• Resistenza elevata
• Nessun cambiamento di dimensioni
• Aumento di resistenza e deformabilità
senza aumento di rigidezza
• Costi elevati (non necessariamente i totali!)
• Scarsa duttilità (ma elevata deformabilità!)
• Sensibilità alle alte temperature e ai raggi UV
• Mancanza di “educazione” (vd. esempi poco … edificanti)
89
Tipologie
p g di rinforzo
• Rinforzo a flessione
• Rinforzo a taglio
• Rinforzo per confinamento
92
Elevato rinforzo in FRP
R
Resistenza
a
Carrico
Strategie
di rinforzo
Moderato rinforzo in FRP
Basso rinforzo in FRP
Trave non
rinforzata
Duttilita`
Deformazione
≤
ΜRd
93
RINFORZO A FLESSIONE
Travi - solette
Pilastri
94
Rinforzi a flessione
F li di FRP
Foglio
εc
εs2
As2
As1
εs1
ε0
εf
95
L’ancoraggio nella flessione
Meccanismi di collasso
F
F
Rottura a compressione
del CLS
Rottura a
trazione delle
barre di armatura
Rottura a trazione
del rinforzo in FRP !
96
Rottura a trazione dell’FRP
97
L ancoraggio nella flessione
L’ancoraggio
Meccanismi di collasso
F
F
Rottura a compressione
del CLS
Rottura a
trazione delle
barre di armatura
Peeling !
Rottura a
trazione del
rinforzo in FRP
Delaminazione in zona fessurata
98
Il peeling
99
Il peeling
100
MECCANISMI DI COLLASSO
AZIONE COMPOSITA
Schiacciamento CLS
1
DELAMINAZIONE
Acciaio
snervato
Acciaio
snervato
2
4
5
Rottura dell’ancoraggio
Delaminazione su fessure intermedie
Rottura FRP
Schiacciamento CLS
3
7
Acciaio non
snervato
Rottura di estremità per taglio
6
Delaminazione su fessure inclinate
ROTTURA DI
ESTREMITA’
PER TAGLIO
101
ANALISI DI SEZIONE ALLO STATO
LIMITE ULTIMO
εc ≤ 0.0035
b
d2
εc
ψ0.85f
0 85fc
o
d
εs
x As2Esε
2
δGx
s2
As22
d
h
As1
tf
Af
εs1
As1fyd
ε
AfEfεf
ο
εf ≤ εf,lim
min(εfud
f li =min(ε
f d, εfbd)
rottura
debonding
ΜRd (Af)
102
Rinforzo a taglio e torsione
Configurazioni
di rinforzo
S : Side bonding
Strisce
U : U-jacketing
Fogli continui
W : Wrapping
103
RINFORZO A TAGLIO
V
Dopo il rinforzo
Vf
Prima del
rinforzo
δ
104
105
Una prova a taglio
106
RINFORZO DEI NODI TRAVE-PILASTRO
107
Antonopoulos 2001 (Tesi di PhD)
108
109
Attuatore idraulico
Pδ
P,
trave
cerniera
zanche
pilastro
Carico assiale
(46 kN)
elastomero
martinetto
cerniera
110
Prova sperimentale
111
Confinamento
112
Confinamento
• Comportamento del cls confinato con FRP
Camicia
i FRP
in
σf
Acciaio
p
fl
pf l
σf
1
f l = k e ρst f y
2
ρ st =
4 Ast
s ds
ρj =
4t j
FRP
Fibre tessute
orizzontalmente
1
fl = ρ j E j ε j
2
dj
113
Prove sperimentali
114
Prove sperimentali
115
Confinamento
2.5
CFRP
2
GFRP
1.5
ACCIAIO
1
0.5
0
NON CONFINATO
0
5
10
15
DEFORMAZIONE ASSIALE NORMALIZZATA
20
TE
ENSIONE LATE
ERALE NORMA
ALIZZATA
TE
ENSIONE ASS
SIALE NORMALIZZATA
• Comportamento del cls confinato con FRP
0.35
0.3
CFRP
0.25
0.2
GFRP
0.15
ACCIAIO
0.1
0.05
0
0
5
10
15
20
DEFORMAZIONE ASSIALE NORMALIZZATA
Più resistenza Più duttilità
116
Confinamento
• Incremento della capacità portante
–
–
–
–
Effetto di arrotondamento degli spigoli
Confinamento con strisce
Influenza della forma della sezione
I fl
Influenza
dell’orientamento
d ll’ i t
t delle
d ll fibre.
fib
117
Confinamento
• Riduzione dell’efficacia
dell efficacia del confinamento
k e = k e1 × k e 2 × k e 3 ≤ 1
rc
d
αf
bf
d − s′f / 2
d'
s′f
Confined
concrete
b'
b
b
d
k e1 =
Ae
= 1−
Ag
b ′ + d′
⎛
A
3 A g ⎜1 − s
⎜
Ag
⎝
2
2
⎞
⎟
⎟
⎠
k e2
s′ ⎞
⎛
⎜1 − f ⎟
2d ⎠
=⎝
A
1− s
Ag
2
k e3 =
1
1 + (tan α
f
)2
118
INCREMENTO DUTTILITA’ IN
SPOSTAMENTO
119
Load v Deflection C2X Control
C4_XB Load v Deflection
Load v Deflection C2X Control
250
250
200
200
150
150
100
100
50
Loa d k N
Load k N
50
0
-120
-80
-40
C4_XB Load v Deflection
0
40
80
120
0
-120
-80
-40
-50
0
40
80
120
-50
-100
-100
PROVINO
DI RIF.
-150
150
-200
2 STRATI
DI CFRP
150
-150
-200
-250
-250
Deflection mm
Deflection mm
G6X Load v Deflection
STESSA
RIGIDEZZA
C5X Load V Deflection
(n x Εf x tf)
250
250
200
200
150
150
100
100
G6X Load v Deflection
50
C5X Load V Deflection
0
-120
-80
-40
0
40
80
120
L o ad kN
L oad kN
50
0
-120
-80
-40
0
40
80
120
-50
-50
-100
-100
-150
-200
5 STRATI
DI CFRP
-150
-200
5 STRATI
DI GFRP
-250
-250
Deflection mm
Deflection mm
Bousias/Triantafillou/Fardis/Spathis/O’Regan (2002)
120
121
Confinamento
• Zone di sovrapposizione
ls
122
Confinamento
• Svergolamento delle armature
0.45nfs2d 10nd
tf =
≈
4E dsE f k e E f k e
n = numero totale di barre
d = dimensione della sezione
parallela al piano di inflessione
E ds =
(E
4E s E i
s
+ Ei
)
2
“Doppio” modulo
di elasticità
123
Dettagli costruttivi
• Flessione
> cover
< min ( 0.2l, 0.5h, 0.4lc )
max N di strati
1m
124
Dettagli costruttivi
• Taglio
min 20 mm (10 for aramid)
min 200 mm
Anchorage in compression zone
125
Dettagli costruttivi
• Confinamento
C fi
t
Max. possible radius
min 200 mm
Gap
~15 mm
First jacket layer
Resin-filled
hole
Concrete
FRP-based special
anchorage system
Final jacket layer
126
Esecuzione e controllo di qualità
SURFACE PREPARATION
Concrete
Remove weak concrete and contaminations, roughen surface, round corners and make dust free
Quality control: strength by pull-off, unevenness, flaws, corrosion, humidity, etc.
• Tecniche
• Requisiti generali
• Regole di esecuzione
Repair if needed
Externally bonded FRP reinforcement (FRP EBR)
If not provided 'application ready' and protected by a peel ply: sandpaper if needed and clean surface
Cut to size and check for flaws
FRP EXTERNALLY BONDED REINFORCEMENT APPLICATION
Type "PREFAB" or "PRE-CURED"
Resin (thixotropic) application on the concrete
–
–
–
–
Riparazione
Preparazione superfici
Applicazione FRP
Finitura
Resin application on the FRP (dome shape)
FRP application (squeezing out extra adhesive)
Type "WET LAY-UP" or "CURED IN SITU"
Primer and putty application
(almost no unevenness allowed)
(optional)
R i (l
Resin
(low viscosity)
i
it ) application
li ti (UNDERCOATING)
FRP application
FRP impregnation (OVERCOATING)
QUALITY CONTROL (BEFORE, DURING AND AFTER APPLICATION)
On the supplied materials (standard testing FRP and adhesive/resin)
On the application conditions (concrete soundness, unevenness, environmental conditions, etc.)
During/at finishing of the application (fibre direction, position, size, unevenness, bond, voids, etc.)
FINISHING (OPTIONAL)
Painting, shotcrete, etc. (for e.g. aesthetics, U.V. and fire protection)
127
Esecuzione e controllo di qualità
• Controllo di qualità
–
–
–
–
Deii materiali
D
t i li
Delle maestranze
Dell esecuzione
Dell’esecuzione
Qualità dell’aderenza dopo
l’esecuzione
– Ispezione e manutenzione
Specifiche di
applicazione
128
Esecuzione e controllo di qualità
1
B ifi
Bonifica
5
Riparazione
Controllo dell’aderenza
2
Trattamento
superfici
3
4
Applicazione
129