rinforzo e adeguamento sismico di nodi-pilastri

Transcript

RINFORZO E ADEGUAMENTO SISMICO
DI NODINODI-PILASTRIPILASTRI-TRAVI IN C.A.
CON
Prof. Paolo Riva
Preside della facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bergamo
[email protected]
Ing. Consuelo Beschi, PhD
Dottoressa di ricerca presso l’Università degli Studi di Bergamo
[email protected]
Castellina in Chianti (SI)
www.tecnologieantisismiche.it – e-mail: [email protected]
Rinforzo e adeguamento sismico di nodi-pilastri-travi in c.a. con “Gordiano ®”
NODI
2/35
SISTEMI TECNOLOGICI INNOVATIVI NELLA PROGETTAZIONE E NELL’ADEGUAMENTO SISMICO DELLE STRUTTURE IN CEMENTO ARMATO
(by Bursi, Dusatti, Pucinotti)
TERREMOTO DI
L’AQUILA
6 aprile 2009
(by Iervolino, Prota, Ricci, Verderame)
3/35
VULNERABILITA DEGLI EDIFICI ESISTENTI
Edifici esistenti in c.a. non sono in grado di sostenere le
azioni sismiche:
Progettazione per soli carichi da gravità:
Assenza di ogni principio di Gerarchia delle Resistenze
Uso del metodo delle tensioni ammissibili
Dettagli costruttivi inadeguati
Quantità insufficiente di armatura trasversale nei pilastri
Inadeguato confinamento nelle zone di potenziale formazione di cerniere
plastiche
Armatura trasversale nei nodi insufficiente, se non totalmente assente
Ancoraggi delle barre d’armatura inadeguati
Sovrapposizione dell’armatura longitudinale dei pilastri al di sopra del
livello di piano
Scarse proprietà dei materiali
4/35
Uso di sagomature terminali a uncino
Barre lisce
Calcestruzzi con bassi valori di resistenza
CRITICITA’ DEI NODI TRAVE-PILASTRO
Azioni sismiche
Il comportamento dei nodi
influenza la risposta dell’intero
sistema strutturale
Meccanismi di collasso
5/35
A livello globale sistema
travi forti – pilastri deboli con
formazione di meccanismi di
piano debole
A livello locale formazione
di meccanismi di collasso
fragili e protezione
inadeguata del pannello
nodale
Calvi et al., 2001
MECCANISMI LOCALI
NODI INTERNI
NODI COLMO (L)
Danneggiamento limitato del pannello nodale
Fenomeni di scorrimento delle barre di armatura longitudinali
Fenomeni di scorrimento delle barre di armatura longitudinali
Espulsione di copriferro per effetto delle spinta degli uncini terminali
NODI ESTERNI (T)
6/35
Elevato danneggiamento del pannello nodale
Fenomeni di scorrimento delle barre d’armatura longitudinali
Espulsione di copriferro per effetto delle spinta degli uncini terminali
MECCANISMI RESISTENTI NODI D’ANGOLO
Nodi con armatura trasversale
Resistenza complessiva del nodo è data
dalla sovrapposizione di due
meccanismi resistenti:
Meccanismo a puntone diagonale
Basato sulla resistenza a compressione
del puntone diagonale in calcestruzzo
Meccanismo a tirante
Basato sull’azione di tiro delle armature
longitudinali e trasversali dopo la
fessurazione diagonale
Il calcestruzzo nel nodo è confinato con
resistenza e deformazioni ultime a
compressione maggiori del calcestruzzo
del copriferro
7/35
MECCANISMI RESISTENTI NODI D’ANGOLO
Nodi senza armatura trasversale
Solo meccanismo a puntone diagonale
Formazione di un cuneo di calcestruzzo legato alla spinta
delle armature longitudinali, non confinate da staffe
Dopo la formazione della prima fessura diagonale nel
pannello nodale non si ha nessuna risorsa residua
Sforzo principale di trazione ft/(fc)
0.5
0.5
pt = 0.42 f 'c
0.4
0.3
Prima fessurazione pt = 0.29 f 'c
Prima fessurazione pt = 0.2 f 'c
0.2
0.1
Nodi a L e a T con barre ad aderenza migliorata
Nodi a T con barre lisce e uncini d'estremità
0
0
0.0007
0.0014
0.0021
Deformazione a taglio nodo γ [rad]
8/35
0.0028
Braga et al., 2001
RIFERIMENTI NORMATIVI
Circolare “2 febbraio 2009 N°617 – Istruzioni per l’applicazione delle nuove norme tecniche
per le costruzioni di cui al D.M. del 14 gennaio 2008”
Verifiche su nodi trave-pilastro non interamente confinati
NODO INTERAMENTE CONFINATO: quando in ognuna delle quattro facce verticali si
innesta una trave e su entrambe le coppie di facce, le sezioni delle travi si ricoprono
per almeno i ¾ dell’altezza
Verifica della resistenza a trazione diagonale
σ nt
 N
N
=
− 
2 ⋅ A
2 ⋅ Ag
g

2



 +  Vn 

A 

 g
2
≤ k ⋅ fck
Ag sezione orizzontale del nodo
Vn taglio totale agente sul nodo
N azione assiale presente nel pilastro superiore
secondo normativa
su evidenze sperimentali
per nodi d’angolo
privi di staffe con
barre lisce e uncini
Verifica della resistenza a compressione diagonale
σ nc
9/35
k = 0.3
k = 0.2
 N
N
=
+ 
2 ⋅ A
2 ⋅ Ag
g

2



 +  Vn  ≤ 0,5 ⋅ fck

A 

 g
TECNICHE DI RINFORZO
INCAMICIATURE IN C.A.
PLACCAGGI METALLICI
Aumento resistenza e duttilità
Possibilità di realizzare meccanismi colonna-forte/trave-debole
Spessori notevoli della camicia (70-100 mm)
Aumento massa e rigidezza elementi
Riduzione degli spazi
Riduzione dei tempi di intervento
Problema della corrosione
Impatto estetico
Problema della resistenza al fuoco
Azione combinata di adesivi, dispositivi meccanici e iniezioni di malte
FASCIATURE IN FRP
10/35
Elevato rapporto resistenza/peso
Resistenza alla corrosione
Aumento duttilità
Non del tutto idonee se richiesto un notevole incremento di resistenza
Problema della resistenza al fuoco
Impatto estetico
Fornisce confinamento con aumento
di resistenza e duttilità
Nessun aumento della geometria
degli elementi e perdita di spazi
Nessun aumento della massa e della
rigidezza degli elementi
Non comporta interruzioni d’uso
dell’edificio
Riduzione dei tempi di intervento
Non ha problemi corrosione e fuoco
Bassissimo impatto estetico
11/35
FASE 1: LOCALIZZAZIONE DELLE
ARMATURE
12/35
Con pacometro si individua la
posizione delle armature longitudinali
di pilastro e travi e delle staffe delle
travi nell’intorno del nodo
FASE 2: RIMOZIONE DEL
COPRIFERRO
13/35
Tramite scalpellatura rimozione
del copriferro sulle due facce
esterne del nodo
Asportazione di calcestruzzo
intorno alla barra d’armatura
longitudinale d’angolo
FASE 3: FORATURA DI ANCORAGGIO
14/35
Posizionamento Placca
Ancoraggio alla barra d’armatura di spigolo del pilastro
Foratura della trave utilizzando apposito posizionamento
FASE 4: ANCORAGGIO DELLA
PLACCA
15/35
Si inseriscono le barre nei
fori della trave dopo l’iniezione
di ancorante chimico
FASE 5: RIPRISTINO DEL COPRIFERRO
16/35
Spessore del copriferro sufficiente: ricoprimento a filo con malte da ripristino a base
cementizia, calcestruzzi tixotropici, microcalcestruzzi
Spessore del copriferro non sufficiente: ricoprimento a filo con calcestruzzi fibrorinforzati
ad elevate prestazioni, ricoprimento con aumento delle dimensioni del nodo con malte da
ripristino
Qualora sia richiesto un intervento di rinforzo del pilastro per aumentarne la capacità
portante nei confronti dei carichi statici, il ripristino del nodo può essere inglobato nel
getto di una camicia di calcestruzzo fibrorinforzato
CAMPAGNA SPERIMENTALE
Università degli Studi di Bergamo - Dipartimento di progettazione e tecnologie
Obiettivi:
17/35
Studio del comportamento sismico di nodi trave-pilastro d’angolo
progettati con dettagli costruttivi anni ‘60-’70
Rinforzo di tali tipologie di nodi mediante inserto “Gordiano ®” e studio
del comportamento sismico dei nodi rinforzati
Nodi non precedentemente testati
Nodi danneggiati in prove precedenti
Confronto tra nodi rinforzati e non per valutare l’efficacia della tecnica di
rinforzo e l’incremento di prestazioni in termini di resistenza e duttilità
Spostamento del meccanismo di collasso da rottura lato nodo (fragile)
nel caso di nodi non rinforzati a rottura lato trave (duttile) nel caso di
nodi rinforzati nel rispetto dei principi della Gerarchia delle Resistenze
4.5m
EDIFICIO CAMPIONE
3m
4.5m
4.5m
4.5m
5m
Ly = 10m
5m
Reference
beam-column joint
Lx = 21m
3m
3m
3m
3m
30x30 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x30 cm
30 x30 cm 30 x30 cm
30x50 cm
30x50 cm
30x50 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x50 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x35 cm
30 x30 cm 30 x30 cm
30x50 cm
30x50 cm
Lx = 21m
18/35
30x50 cm
30x50 cm
30x30 cm
30 x30 cm 30 x30 cm
30x50 cm
30x50 cm
30x35 cm
30x50 cm
30x30 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x35 cm
30 x30 cm 30 x30 cm
30x50 cm
30x35 cm
30x30 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x30 cm
30x50 cm
30x50 cm
30x30 cm
H = 12m
30x50 cm
(Santarella, 1947)
CAMPIONI DI PROVA
CALCESTRUZZO
fcm
27.0
MPa
ARMATURA
φ6
φ12
DETTAGLI COSTRUTTIVI
19/35
Assenza di staffe nel nodo
Barre d’armatura lisce con uncini
d’estremità
fym
365
MPa
fym
493
MPa
fum
558
MPa
fum
556
MPa
φ8
φ16
fym
445
MPa
fym
337
MPa
fum
546
MPa
fum
440
MPa
BANCO DI PROVA
VINCOLI per riprodurre il
nodo d’angolo del primo
livello dell’edificio di
riferimento
Applicazione del CARICO
ASSIALE di progetto
Applicazione di un
CARICO VERTICALE in
testa alla trave principale
per riprodurre la
combinazione di taglio e
momento in esercizio
Applicazione di una
COPPIA DI FORZE alla
trave secondaria per
riprodurre il momento in
esercizio
Applicazione del CARICO
ORIZZONTALE con cicli
di ampiezza crescente fino
a collasso
20/35
OBIETTIVI DEL RINFORZO
30
CAMPIONE ANNI ‘70
Carico orizzontale [kN]
40
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
CAMPIONE NTC 2008
-4.0
-3.0
-2.0
Drift [%]
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-4.0
-2.0
-1.0
CAMPIONE
ANNI ‘70
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
Drift [%]
Campione anni ‘70
Campione NTC 2008
-3.0
-1.0
1.0
2.0
3.0
CAMPIONE
NTC 2008
4.0
Drift [%]
21/35
4.0
OBIETTIVI DEL RINFORZO
1.8
ei=Ei/E0i
Aumento energia dissipata
Modifica meccanismo di
collasso
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
Campione anni '70
0.4
Campione NTC 2008
0.2
Drift [%]
0
0.25
0.25
0.35
22/35
0.50
0.5
0.75
0.75
1
1.0
1.5
1.5
2
2.0
2.5
2.5
CAMPIONE ANNI ‘70
3
3.0
3.5
Da rottura lato nodo a rottura lato
trave con concentrazione del
danneggiamento all’interfaccia
trave-pilastro
No danneggiamento del pannello
nodale anche in corrispondenza
dell’innesto della trave secondaria
CAMPIONE NTC 2008
CONCLUSIONI
Efficacia dell’inserto Gordiano ®
23/35
Confinamento del nodo
Cucitura delle fessure diagonali nel
pannello nodale evitando lo
spanciamento della barra di spigolo
del pilastro e inibendo la formazione
del cuneo
Contenimento delle spinte degli
uncini delle barre d’armatura
longitudinale
Spostamento del meccanismo di
rottura, con formazione di cerniera
plastica nella trave, si passa dal
meccanismo fragile di rottura lato
nodo al meccanismo duttile di
rottura lato trave
TRAVI E
PILASTRI
PILASTRI
24/35
Perché
:
Il pilastro è il secondo elemento nella Gerarchia delle resistenze e – dopo il
nodo- è l'elemento strutturale su cui si indirizzano le maggiori attenzioni
essendo il più suscettibile ad errori di posizionamento delle staffe e/o alla loro
corretta legatura
Le modalità di danneggiamento da sisma sono caratterizzate prevalentemente
dalla plasticizzazione dei pilastri con particolare intensità in testa e al piede
Il calcestruzzo del copriferro -esterno al nocciolo confinato dalla staffatura- non
ha titolo per intervenire nel compito della resistenza
Gordiano® applicato come “fodera” ai pilastri, oltre ad esaltare il potere
confinante delle staffe esistenti, opera il confinamento ottimale del copriferro,
consentendo di poterlo qualificare come “struttura effettiva” alla pari del
nocciolo confinato
25/35
Tecniche solitamente proposte:
Per quanto concerne il rinforzo dei pilastri, è possibile, adottare diverse tecnologie:
Incamiciatura in c.a. fibrorinforzato: consente di ottenere un notevole incremento di resistenza e
duttilità realizzando meccanismi del tipo pilastro-forte/trave-debole ma con l’inconveniente di essere
caratterizzata da spessori notevoli, con conseguente significativo aumento delle dimensioni esterne e
quindi, della massa e della rigidezza degli elementi.
Rivestimenti del pilastro con fibre di carbonio: “mummificazione” all’interno di un predeterminato
numero di strati di tessuto imbibito, con ottimi risultati in termini di duttilità ed invasività ma con le
problematiche legate alla corretta esecuzione ed alla vulnerabilità al fuoco.
La tecnica Gordiano ® risolve il problema del confinamento del calcestruzzo incrementandone
resistenza e duttilità. Lascia sostanzialmente inalterato l'elemento trattato, non comporta
apprezzabile aumento della geometria dei pilastri e quindi perdita di spazi. Non causa aumenti della
massa e della rigidezza degli elementi, risultando irrilevante nei confronti della risposta sismica della
struttura rinforzata.
Inoltre, con l’utilizzo di Gordiano ® otterremo i seguenti effetti benefici:
-
-
-
26/35
Confinamento del nodo-trave-pilastro
Cucitura delle fessure diagonali evitando lo spanciamento della barra di spigolo del pilastro e
inibendo la formazione del cuneo
Confinamento totale del pilastro e conseguente nobilitazione del copriferro
Tecnica
Pilastri:
L’obiettivo del sistema è fornire confinamento al calcestruzzo e/o supplire alla carenza o
mancanza di staffatura mediante l’applicazione al pilastro di una placca in
acciaio opportunamente sagomata ricavata da una lamiera di spessore compreso tra i 3 e
i 10 mm con traversi intervallati da vuoti di altezza variabile. La placca è formata da
un’unica lastra pressopiegata totalmente priva di saldature che costituiscono spesso il
punto debole di sistemi di rinforzo metallici. L’area di acciaio dei traversi equivale ad un
tondino di diametro tra i 6 e i 20 mm ma con il vantaggio di contenere gli ingombri nei pochi
millimetri dello spessore della piastra risolvendo così eventuali problemi connessi alla
riduzione del copriferro.
Il numero e l’interasse dei traversi sono definiti caso per caso in funzione della quantità di
armatura necessaria al pilastro. Il sistema si può utilizzare per interventi di rafforzamento e
di adeguamento sismico, per interventi di ripristino della capacità portante di elementi
carenti di armatura o con calcestruzzi scadenti o ammalorati ed anche in caso di ripristino
funzionale di edifici danneggiati da eventi sismici.
27/35
Tecnica
Pilastri:
Si tratta di un intervento caratterizzato da ridotti tempi di esecuzione,
relativamente semplice da attuare, che non comporta interruzioni d’uso
dell’edificio.
Sulla scorta delle indagini Paco-Sclerometriche e dei conseguenti calcoli strutturali
si determina il tipo di placca da adottare e se ne attua la posa in opera seguendo
il più adatto al caso specifico tra i sistemi di applicazione disponibili ( foratura a maschiofemmina, a gaffetta specchiata, a bordo liscio ecc.).
Nel caso di pilastri inseriti nel tamponamento murario interno o esterno,
l’intervento sarà possibile senza effettuare demolizioni, ma semplicemente
realizzando tagli di qualche cm di larghezza, sufficienti al passaggio dello
spessore della placca.
Dopo il posizionamento, il pilastro viene ripristinato con malte e/o altri materiali
analoghi per eliminare qualsiasi problema connesso con la resistenza al fuoco.
28/35
Descrizioni di posa in opera:
Taglio verticale delle tamponature laterali (ove presenti).
Spicconatura angoli a tutta altezza (eventuale, non indispensabile).
Fratazzatura con cemento espandente (sulle eventuali spicconature).
Posa in opera placche sovrapposte e loro legatura a FORTE contrasto al pilastro. (Il lato
“esterno” della placca sovrapposta è preforato per l'inserimento dei chiodi.)
Foratura dei lati delle placche inferiori interne a contatto con il pilastro tenendo come
dima i fori già presenti sulla placca superiore esterna.
Foratura dei pilastri in corrispondenza dei fori passanti delle due piastre.
Inserimento dei chiodi e loro ancoraggio tramite resine bicomponenti a base poliestere.
29/35
Posizionamento della rete da intonaco: si circonda il pilastro ammorsandola nelle
fessure della placca e negli “sbuffi” di cemento espandente (eventuale).
Eventuale inserimento agli angoli della placca delle viti di registro per la messa in
piombo dei paraspigoli.
Finitura del pilastro
TRAVI E
PILASTRI
TRAVI
30/35
La trave è l'ultimo elemento nella Gerarchia delle Resistenze
E' sulla trave che si dirottano le plasticizzazioni al fine di
limitare i danni sismici
31/35
Tecnica
Travi:
Gordiano ® consente di intervenire sulle caratteristiche della trave,
apportando notevoli benefici strutturali in tempi ridotti rispetto ad
altri sistemi di intervento, correggendo eventuali carenze di
progettazione e/o di esecuzione.
L'applicazione di Gordiano ® consente, anche nelle strutture
esistenti, di seguire il criterio della gerarchia delle resistenze
“pilotando” la successione delle plasticizzazioni fra i diversi elementi
strutturali secondo la filosofia delle più recenti direttive antisismiche.
Le modalità di applicazione variano a seconda dello stadio al quale si
interviene: ad esempio, per interventi migliorativi su edifici non
ancora tamponati, è possibile usare Gordiano ® nella versione con
innesti laterali in modo da facilitarne le operazioni di posa in opera.
32/35
Tecnica
Travi:
Per edifici tamponati e rifiniti, l'applicazione di Gordiano ® è
nettamente vantaggiosa rispetto a qualsiasi altro sistema di
rafforzamento o adeguamento, risultando estremamente meno
invasiva, più veloce e decisamente più performante.
L'inserimento dei Gordiano ® avviene realizzando dei piccoli tagli
orizzontali e verticali per mezzo di normali attrezzature di cantiere; le
forature per l'accoppiamento dei settori vengono effettuate con
angolazioni tali da interferire il meno possibile con le finiture.
Il ripristino degli elementi di finitura intaccati avverrà senza i tipici
disagi di cantiere.
Ogni possibile deficienza strutturale, può essere abbastanza
agevolmente corretta con l' adozione di uno specifico elemento
Gordiano ®.
33/35
Descrizioni di posa in opera:
Taglio orizzontale delle murature di tamponamento q.b. per far
passare la placca principale esterna.
Taglio verticale del solaio per una lunghezza massima di 10 cm cosi
da far passare la placca secondaria, il cui lato esterno è preforato
per l’inserimento dei chiodi.
Spicconatura angoli a tutta lunghezza. (eventuale).
Fratazzatura con cemento espandente. (eventuale).
Posa in opera placche sovrapposte e loro legatura a FORTE
contrasto alla trave.
Foratura dei lati delle placche inferiori interne a contatto con la
trave tenendo come dima i fori della placca superiore esterna.
Foratura delle travi in corrispondenza dei fori passanti delle due
piastre.
Iniezione della resina bicomponente a base poliestere.
Inserimento dei chiodi di ancoraggio dotati di testa particolare.
Rifinitura della trave ripristinandone gli effetti estetici.
34/35
Qualsiasi deficienza strutturale,
può essere agevolmente corretta
con uno specifico elemento
35/35
CONTATTI DI RIFERIMENTO
www.TecnologieAntisismiche.it
www.Gordiano.it
T +39 0577 740280
F +39 0577 740960
[email protected]
36/35

rinforzo e adeguamento sismico di nodi-pilastri

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