Sperimentazione e cantiere: un modello in scala per la validazione del rinforzo misto acciaio-FRP

Lo studio di un modello in scala ha confermato i dati teorici permettendo la validazione della soluzione tecnica e la realizzazione di un importante intervento di miglioramento sismico di un capannone industriale monopiano con tecnologia FRP

Adeguamento sismico di un capannone prefabbricato con compositi FRP: i risultati della sperimentazione su elementi strutturali in scala

Nell’ambito dell’intervento di adeguamento sismico del capannone industriale prefabbricato della Ravani Acciai già trattato nell’articolo "Adeguamento sismico di un capannone prefabbricato con compositi FRP: il caso RAVANI ACCIAI SpA a Ferrara" la Direzione Lavori ha richiesto all’Impresa esecutrice di validare la soluzione mista acciaio-FRP proposta mediante l’esecuzione di una sperimentazione su elementi strutturali in scala.

Tale sperimentazione è stata eseguita presso il Laboratorio Sperimentale per le Prove su Materiali da Costruzione del Dipartimento Di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale ICEA dell’Università degli Studi di Padova.

La progettazione del modello

La problematica da indagare era quella del comportamento del nodo di incastro dei pilastri prefabbricati rinforzati con tecnologia mista acciaio – FRP. In particolare la proposta per il rinforzo era quella di ottenere l’incremento di resistenza a flessione mediante piatti metallici disposti longitudinalmente e ancorati al plinto di fondazione e l’incremento di resistenza a taglio e duttilità in prossimità del nodo mediante cerchiature con materiali compositi FRP in fibra di carbonio.

Per i piatti si è utilizzato acciaio S275, mentre per le fasce in materiale composito si sono utilizzati tessuti unidirezionali in fibra di carbonio Armoshield C-Sheet 300/240/10 della Draco Italiana S.p.A. aventi grammatura di 300 g/mq, modulo elastico di 240 GPa e larghezza di 10 cm.

Il modello in scala è stato progettato quindi in modo da rappresentare in tutto e per tutto la situazione reale: si è ridotta la sezione reale da 60x70 cm ad una sezione 30x30 cm mantenendo invariati i seguenti parametri:

  • tensione di compressione del calcestruzzo;
  • percentuali meccaniche di armatura tesa e compressa;
  • percentuale meccanica dei piatti metallici di rinforzo longitudinali;
  • percentuale di incremento di prestazione a flessione all’incastro ottenuta con piatti metallici disposti longitudinalmente all’asse del pilastro e ancorati al plinto di fondazione;
  • percentuale di incremento di prestazione a taglio ottenuta con fasciature in materiale composito FRP;
  • percentuale di incremento di resistenza a compressione del calcestruzzo confinato ottenuta con cerchiature in materiale composito FRP.

Per ottenere un raffronto secondo quanto misurato sperimentalmente, tutte le verifiche effettuate per determinare la quantità di acciaio e di materiale composito necessari al modello in scala sono state condotte con fattori di sicurezza e di confidenza pari a 1,00.

Sono stati dunque realizzati due elementi di cui uno rinforzato e l’altro non rinforzato da assumersi come riferimento.

La sperimentazione

I pilastri di sezione 30x30 e alti 2,60 metri sono stati sottoposti a carichi ciclici di intensità crescente con carico orizzontale applicato a 2.30 metri di altezza e carico verticale costante.

L’unica approssimazione rispetto alla condizione reale è stata identificata nella direzione del carico verticale: mentre nella realtà tale carico ha andamento sempre verticale e quindi produce un’eccentricità quando il pilastro si inclina, nella sperimentazione il carico è stato sempre assiale rispetto al pilastro e ciò era dovuto ai limiti costruttivi del macchinario di prova.

Il controllo dell’azione ciclica veniva effettuato in drift (rapporto tra spostamento e altezza del punto di applicazione del carico) e veniva incrementato ogni 3 cicli a spostamento costante fino ad uno spostamento massimo imposto a 2,30 m di altezza pari a 98,9 mm rappresentato dal limite del macchinario.

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Figura 1 - Pilastro campione e rinforzato al massimo drift: il pilastro campione evidenzia sbandamento delle armature compresse e fessurazione rada con ampiezza delle fessure importante, il pilastro rinforzato ha una delle due piastre di rinforzo sbandate e fessurazione molto diffusa con ampiezza di apertura delle fessure molto piccola

Sono stati misurati istante per istante lo spostamento e la forza applicata in modo da poter tracciare tutti i cicli di isteresi del pilastro.

Infine, sono state eseguite le prove di caratterizzazione di calcestruzzo e acciaio in modo da rapportare le verifiche ai valori reali di resistenza dei materiali.

La sezione di verifica per determinare i parametri di incremento di prestazione è stata quella di incastro.

I risultati

Il calcolo teorico aveva portato a determinare una forza massima teorica applicata a 2,30 m di altezza pari a 24,29 kN per il campione non rinforzato e 34,34 kN per il campione rinforzato, con incremento atteso quindi del 41,4%.

Il campione di riferimento non rinforzato ha ottenuto come massimi valori di forza applicata in spinta rispettivamente positiva e negativa pari a 30,29 kN e -33,67 kN, per cui è stato assunto un valore di rottura pari alla media dei due valori assoluti e cioè 31,98 kN. 

Il campione rinforzato ha ottenuto come massimi valori di forza applicata in spinta rispettivamente positiva e negativa pari a 47,16 kN e -51,00 kN, per cui è stato assunto un valore di rottura pari alla media dei due valori assoluti e cioè 49,08 kN.

L’incremento misurato dalla prova sperimentale è stato dunque del 53,5% superiore all’attesa.

In entrambi i campioni i valori sopra riportati sono stati ottenuti al decimo di 14 cicli di incremento del carico (drift del 2% circa), evidenziando poi 4 cicli a valori quasi costanti leggermente in ribasso che denotano l’avvenuta plasticizzazione della sezione.

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Figura 2 - Sezione di incastro: raffronto a fine prova tra il campione di riferimento e quello rinforzato. Su quest'ultimo per una migliore visione del campione è stata rimossa una piccola porzione di materiale composito che il piatto sbandando aveva strappato.

L’analisi visiva dei campioni a fine prova porta ad evidenziare che mentre nel campione di riferimento si ha la crisi delle armature compresse con lo sbandamento delle stesse, nel campione rinforzato tale crisi non avviene per merito della cerchiatura in materiale composito consentendo così un miglior sfruttamento della sezione. Inoltre si è manifestato lo sbandamento del piatto di rinforzo solo su un lato a causa della creazione di una fessura proprio in corrispondenza del tassello di fissaggio che quindi si è sfilato e questo giustifica la differenza di forza massima misurata tra drift positivo e negativo.
É ipotizzabile che l’assenza di sfilamento del tassello avrebbe potuto portare a valori massimi ancora più alti.

In conclusione la sperimentazione in scala ha permesso di stabilire che non solo le previsioni teoriche vengono rispettate, ma sono anche leggermente conservative rispetto alla realtà. Interessante infine rilevare che l’aumento di energia dissipata è significativa per drift dallo 0,5 a 2,0% e quindi in fase ancora elastica, con punte di incremento che sono arrivate al 90%.


CREDITS

Progettazione e D.L.: Ing. Francesco Pirani - Studio Mezzadri Ingegneria (FE)

Progettazione delle prove sperimentali: Ing. Marzio Sartorel

Esecuzione prove: Laboratorio Sperimentale per le Prove su Materiali da Costruzione del Dipartimento Di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale ICEA dell’Università degli Studi di Padova.

Impresa esecutrice: COMACO Italiana S.p.A.

Fornitore della Tecnologia: DRACO Italiana S.p.A.

Prodotti utilizzati: fasce unidirezionali in fibra di carbonio Armoshield C-Sheet 300/240/10; primer Armoprimer 100, resina di incollaggio e impregnazione Armofix MTX.

>>> Per maggiori informazioni sui prodotti www.draco-edilizia.it


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