Rinforzo FRP dall’esterno: applicazione non invasiva studiata e testata con Mapei
La riduzione del rischio sismico del costruito in calcestruzzo armato con sistemi FRP innovativi applicati solo dall'esterno.
L’attività sperimentale, svolta presso il Laboratorio prove del DiSt (Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università degli Studi di Napoli-Federico II), è stata finalizzata a validare sperimentalmente un nuovo sistema di rinforzo in FRP per l’incremento della capacità sismica di nodi trave-pilastro in c.a. non confinati. Il sistema ha il vantaggio di poter essere applicato soltanto dall’esterno del fabbricato senza la necessità di rimuovere porzioni di tamponatura.
La campagna sperimentale Mapei a supporto di una nuova soluzione di rinforzo in FRP per l’incremento della capacità sismica di nodi trave-pilastro in c.a. non confinati.
MODALITÀ E PROGRAMMA DI PROVA
La campagna di prove sperimentali ha riguardato due nodi trave-pilastro, il primo testato as-built (configurazione originaria) ed il secondo nella configurazione rinforzata. I due sub-assemblaggi sono identici per geometria, proprietà meccaniche dei materiali e dettagli di armatura e sono rappresentativi di edifici in c.a. ricadenti in zone a media sismicità e progettati secondo normative per costruzioni in zona sismica ormai obsolete. Sono caratterizzati da assenza di staffe nel pannello di nodo e da una carente armatura trasversale in travi e pilastri. I pilastri sono di sezione quadrata di lato 300 mm e armati con 8 Ø 16 mm, la trave ha base 300 mm, altezza 500 mm ed è armata con 3 Ø 16 mm al lembo superiore ed inferiore.
Le prove sperimentali sono state condotte attraverso il setup di prova in Fig. 2a, applicando uno sforzo normale costante in testa al pilastro e una storia ciclica di spostamenti crescenti all’estremità della trave. Il protocollo di carico è rappresentato in Fig. 2b in funzione del drift di interpiano equivalente.
IL RINFORZO DAL SOLO ESTERNO CON FRP
Il nuovo sistema si basa sull’impiego di ancoraggi innovativi (Fig. 3) che vanno a sostituire le classiche fasciature con tessuto uniassiale in CFRP applicate sulla trave con avvolgimento ad U (Fig. 4).
Secondo i criteri per le verifiche di resistenza dei nodi trave-pilastro (cfr. 7.4.4.3.1 - NTC 2018), la resistenza del nodo a seguito della fessurazione diagonale può essere garantita integralmente da staffe orizzontali. L’effetto di tali staffe, assenti nel nodo in esame, viene fornito da un equivalente rinforzo esterno in FRP, ipotizzato in forma di tessuto quadriassiale in fibra di carbonio applicato sul nodo d’angolo non confinato per evitare la crisi fragile del pannello di nodo e favorire lo snervamento delle armature longitudinali della trave in esso convergente. Il rinforzo in FRP può essere calcolato:
■ in accordo alle Istruzioni CNR DT-200/2004 e CNR DT 200R1/2013, alle Linee Guida C.S.LL.PP. del 24.07.2009 e come riportato dalle Linee Guida per la Riparazione e il Rafforzamento di Elementi Strutturali, Tamponature e Partizioni (ReLUIS, 2011);
■ con approccio di calcolo alle tensioni principali (utilizzato nella progettazione della prova sperimentale) considerando l’effetto benefico dello sforzo normale e del contributo del calcestruzzo (cfr.: FIB BULLETIN No 90: Externally applied FRP reinforcement for concrete structures).
In Fig. 5 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g) sono riportate le principali fasi esecutive ed i materiali utilizzati per l’intervento di rinforzo sviluppato esclusivamente dall’esterno.
VALIDAZIONE SPERIMENTALE
L’efficacia del nuovo sistema di rinforzo risulta dalla comparazione dei risultati delle prove sperimentali in termini di inviluppo della risposta ciclica (Fig. 6) e dall’analisi del quadro fessurativo al crescere della domanda di drift (Fig. 7). Il nodo as-built ha evidenziato una modalità di crisi tipica degli edifici esistenti con fessurazione diagonale a taglio del pannello di nodo. Tale fessurazione è avvenuta ad una modesta domanda di drift di interpiano di circa l’1.00% (Fig. 7). Tale fessurazione precede lo snervamento flessionale delle barre d’armatura della trave (Fig. 6). Le NTC 2018 evidenziano che tale fessurazione a taglio (modalità di crisi fragile), rappresenta l’attingimento dello stato limite di salvaguardia della vita (SLV). Ciò limita significativamente la capacità dell’intero sistema strutturale e comporterebbe stime di indici di sicurezza allo SLV (ζE) e della relativa classe di rischio sismico molto basse.
Il nodo rinforzato con FRP esclusivamente dall’esterno ha evidenziato l’efficacia del sistema di rinforzo. La sovrapposizione delle curve sperimentali in Fig. 6 mostra una rigidezza iniziale pressoché simile a quella del nodo as-built: ciò dimostra che tale tipologia di interventi è collocabile tra gli interventi di rinforzo “locale”. L’efficacia dell’intervento è confermata dal conseguimento dell’obiettivo principale: modificare la modalità di crisi da fragile (crisi tagliante del pannello di nodo) a duttile (snervamento flessionale della trave). Infatti, l’analisi dei risultati mostra un significativo incremento di energia dissipata (+30%) che permette di incrementare le prestazioni e la sicurezza sismica del fabbricato. Il sistema di rinforzo riesce a sostenere tali azioni fino al raggiungimento di una domanda di drift pari al 2.00% con evidente fessurazione flessionale della trave (Fig. 7).
In definitiva, le prove sperimentali hanno mostrato l’efficacia di questo nuovo sistema di rinforzo capace di incrementare la resistenza a taglio del pannello di nodo favorendo lo sviluppo di una crisi duttile per snervamento della trave. Ciò si traduce in un significativo incremento di energia dissipata che permette di incrementare le prestazioni e la sicurezza sismica del fabbricato.
Prof. Ing. Alberto Balsamo. DiSt, Università degli Studi di Napoli “Federico II”
