Rinforzo sismico con barre in GFRP: analisi comparativa delle prestazioni strutturali

Perché considerare barre GFRP nel rinforzo sismico

La corrosione delle armature in acciaio è fonte di deterioramento delle strutture in calcestruzzo, con conseguente riduzione della vita utile e aumento dei costi di manutenzione.

Nel tempo, la presenza di cloruri, l’umidità e la carbonatazione accelerano la corrosione dell'acciaio, causando una riduzione della sezione delle armature, la fessurazione del calcestruzzo e, infine, il cedimento strutturale.

Una possibile soluzione al problema è costituita dall’utilizzo di barre in polimero rinforzato con fibre di vetro (GFRP), che presentano una resistenza alla corrosione e durabilità superiori all’acciaio.

Queste proprietà permettono di prolungare significativamente la durata delle strutture in calcestruzzo, riducendo al minimo le spese di manutenzione [1, 2].

Nonostante questi vantaggi, l'utilizzo delle armature in GFRP in aree sismiche rimane limitato a causa della loro intrinseca fragilità. A differenza dell'acciaio, il GFRP ha comportamento elastico fino a rottura e non facilita lo sviluppo di cerniere plastiche, essenziali per dissipare energia e migliorare la resilienza strutturale [3].

Tale limitazione può però essere superata utilizzando sistemi di rinforzo ibridi che incorporano, nella stessa sezione, sia barre in acciaio che barre in GFRP. Tale approccio permette di combinare la duttilità e la capacità di dissipare energia dell'acciaio con la durabilità e la resistenza alla corrosione del GFRP, dando vita a strutture in grado di sostenere azioni sismiche mantenendo al contempo l'integrità a lungo termine.

La formazione di cerniere plastiche in una struttura in calcestruzzo armato è di fondamentale importanza nell'ingegneria sismica, poiché governa la deformazione anelastica, la ridistribuzione delle sollecitazioni, la dissipazione di energia e le prestazioni strutturali complessive durante un terremoto.

Nei pilastri in calcestruzzo armato con sole barre in GFRP la lunghezza della cerniera plastica è strettamente associata alla capacità di schiacciamento del calcestruzzo e alla rotazione anelastica. Recenti ricerche hanno studiato la lunghezza fisica della cerniera plastica negli elementi rinforzati solamente con GFRP, misurando l'estensione della regione di calcestruzzo frantumato dopo cicli di carico [4].

Tuttavia, pochi studi sperimentali si sono concentrati sul comportamento della cerniera plastica di pilastri con armatura ibrida [5]. Ulteriori ricerche sono pertanto necessarie per stabilire modelli predittivi che descrivano accuratamente lo sviluppo della cerniera plastica e i meccanismi di rottura nei sistemi ibridi.

Nel presente studio, che si concentra sulla valutazione delle prestazioni sismiche di un telaio multipiano 2D in calcestruzzo armato, la capacità di rotazione di elementi con armatura ibrida viene stimata con un approccio diretto, integrando la distribuzione della curvatura anelastica lungo la lunghezza dell'elemento.

Questo metodo consente una valutazione più precisa della risposta strutturale in condizioni di carico sismico, fornendo informazioni preziose per migliorare le prestazioni sismiche delle strutture in calcestruzzo con armatura ibrida.

Lo studio confronta l'efficacia del rinforzo strutturale mediante rivestimento in calcestruzzo armato con barre in acciaio e con barre in GFRP. Mentre la prima soluzione è consolidata e nota per la sua elevata duttilità e capacità di dissipazione energetica, la seconda offre una maggiore resistenza alla corrosione e durabilità, sebbene con diverse proprietà meccaniche e comportamento post-snervamento. La valutazione strutturale viene effettuata attraverso un'analisi in due fasi. La prima consiste nella valutazione del diagramma momento-curvatura delle cerniere plastiche.

Questa fase considera le diverse modalità di rottura delle sezioni con armatura ibrida, e la loro influenza sulla risposta post-snervamento e sulla duttilità strutturale. Successivamente, viene eseguita un'analisi statica non-lineare (pushover) [6] utilizzando un approccio a plasticità concentrata per simulare la progressiva formazione ed evoluzione delle cerniere plastiche nel telaio sottoposto a carico laterale. Questo approccio consente una valutazione comparativa della capacità portante, della duttilità e della dissipazione energetica del telaio pre- e post-intervento, fornendo informazioni sulla resilienza sismica.

Cerniera plastica negli elementi con armatura ibrida acciaio-GFRP

Le rotazioni di snervamento, plastica e ultima sono parametri significativi per la costruzione dei diagrammi momento-rotazione che caratterizzano il comportamento non-lineare delle cerniere plastiche. Questi diagrammi sono essenziali per la valutazione della risposta anelastica delle sezioni in calcestruzzo armato (CA), in particolare nelle valutazioni sismiche.

Per le sezioni in CA tradizionale, ossia con solo armature in acciaio, le rotazioni di snervamento e ultima, nonché la lunghezza della cerniera plastica, vengono determinate seguendo le disposizioni descritte nell’Eurocodice 8 [7].

Tuttavia, nel caso di sezioni in CA ibride acciaio-GFRP è necessario considerare un fattore aggiuntivo: la rotazione corrispondente alla frattura del GFRP [8].

Poiché il rinforzo in GFRP manca di duttilità e cede in modo fragile, la sua frattura influenza significativamente il comportamento della cerniera plastica e la capacità di deformazione complessiva. Nonostante la crescente applicazione del rinforzo ibrido, gli standard di progettazione esistenti e la letteratura non forniscono formulazioni esplicite per i casi in cui le barre in GFRP sono posizionate esternamente all'armatura in acciaio.

La relazione tra curvatura e rotazione può essere utilizzata per calcolare la rotazione allo snervamento dell'acciaio, Eq. (1), e alla rottura del GFRP, Eq. (2) [9]. Questo approccio fornisce un quadro per valutare il progressivo degrado della rigidezza e la capacità di rotazione delle sezioni ibride, offrendo preziose informazioni sulle loro prestazioni sotto carichi sismici.

dove: h_pl è la lunghezza della porzione di trave lungo la quale il momento flettente è maggiore del momento di snervamento, χ_y(z) e χ_f(z) sono rispettivamente i valori della curvatura della sezione allo snervamento dell'acciaio e alla rottura del GFRP.

Nel presente lavoro, il diagramma momento-rotazione (M-θ) viene costruito determinando le rotazioni ultime (θu) associate allo schiacciamento del calcestruzzo, che rappresentano la condizione di cedimento della sezione.

Tali rotazioni sono definite seguendo la metodologia proposta dall’Eurocodice 8 [7] per le sezioni in calcestruzzo armato, garantendo la coerenza con i quadri di valutazione sismica consolidati. La rotazione ultima θu funge da parametro critico nell'analisi pushover, in quanto riflette la massima capacità di deformazione della struttura prima che si verifichi un significativo degrado della resistenza.

Analisi pushover

L'analisi pushover è una procedura statica non-lineare ampiamente utilizzata in ingegneria sismica per la valutazione delle prestazioni strutturali sottoposte a carico sismico.

Tale metodo applica forze laterali incrementali a un modello strutturale fino al verificarsi di uno spostamento obiettivo o di un meccanismo di collasso, consentendo di analizzare il comportamento anelastico e identificare punti deboli, parametri di domanda globale e locale e potenziali meccanismi di collasso [10, 11].

Esso è applicabile anche a rinforzo con GFRP, consentendo una valutazione comparativa delle condizioni pre- e post-rinforzo per quantificare i miglioramenti della resilienza sismica.

Il vantaggio principale dell'analisi pushover risiede nell’essere un approccio semplificato ma efficace per la valutazione della capacità sismica, senza il costo computazionale di un'analisi dinamica al passo.

Esso facilita la stima della domanda di spostamento, della capacità di taglio alla base e della formazione di cerniere plastiche, e risulta pertanto uno strumento prezioso nella progettazione sismica basata sulle prestazioni [12].

Sviluppata in risposta ai limiti dei metodi elastici lineari, l'analisi pushover ha visto un significativo progresso con l'introduzione del metodo N2 [11], che integra l'analisi statica non-lineare con l'analisi dello spettro di risposta per migliorarne l'accuratezza.

Questo metodo ha ottenuto un'ampia adozione grazie al suo equilibrio tra efficacia ed efficienza computazionale. È particolarmente utile per identificare debolezze strutturali e valutare strategie di adeguamento. Tuttavia, i suoi limiti includono la dipendenza dal modello di carico [13], una rappresentazione limitata degli effetti dinamici come il contenuto di frequenza e la durata [11] e le difficoltà nella modellazione di strutture complesse.

Il presente studio applica l'analisi pushover e il metodo N2 per una valutazione comparativa dell'attivazione delle cerniere, della capacità di taglio alla base, della duttilità e della dissipazione di energia del sistema originario e di quelli rinforzati.

Caso studio

Geometria e proprietà dei materiali

Il telaio oggetto di studio è una struttura a tre piani, con altezza di interpiano di 3.3 m, per un'altezza totale di 9.9 m. Le travi e i pilastri hanno sezione trasversale di 30x40 cm nella versione originale, pre-rinforzo, e 50x60 nella versione rinforzata. La Figura 1(a) mostra il modello agli Elementi Finiti (FEM) e la Figura 1(b) mostra l'assegnazione delle cerniere plastiche.

Le proprietà di progetto dei materiali sono le seguenti:

• calcestruzzo: resistenza a compressione fcd = 14.7 MPa; modulo elastico Ec = 30 GPa;
• acciaio: limite di snervamento fyd = 391.3 MPa; modulo elastico Es = 210 GPa;
• GFRP: resistenza a trazione ffd = 437.8 MPa per il diametro nominale di 16 mm; modulo elastico Ef = 60 GPa.

Gli elementi strutturali analizzati in regime di flessione pura e in regime di presso-flessione sono caratterizzati da una sezione resistente in CA ordinario e da un rivestimento esterno in calcestruzzo armato con barre longitudinali in acciaio o GFRP. Il rinforzo degli elementi strutturali del telaio è riassunto nella Tabella 1.

La Figura 2 mostra un esempio della geometria della sezione trasversale del pilastro esterno P1 nelle tre configurazioni: stato di fatto (Figura 2a), rinforzo con calcestruzzo e acciaio (Figura 2b), rinforzo con calcestruzzo e GFRP (Figura 2c).

Il rinforzo in GFRP è progettato in modo da soddisfare le verifiche allo stato limite di esercizio e i dettagli costruttivi secondo la normativa americana ACI 440.11-22 [14].

I diagrammi momento-curvatura (M-χ) servono come base per derivare le risposte momento-rotazione delle cerniere plastiche necessarie per eseguire l’analisi pushover. Poiché non sono ancora stati stabiliti standard di progettazione specifici per gli elementi in calcestruzzo con armatura ibrida, le proprietà dei materiali sono state determinate utilizzando la norma EN 1992-1-1 [15] per calcestruzzo e acciaio, e le norme ASTM D8505/D8505M-23 [16] e CNR-DT 203/2006 [17] per le barre in GFRP.

I pilastri e le travi in calcestruzzo con armatura ibrida presentano diversi meccanismi di rottura a seconda dei rapporti di armatura di GFRP e acciaio.

In questo studio, gli elementi strutturali seguono una modalità di rottura flessionale di tipo I [18], in cui la rottura del GFRP si verifica dopo lo snervamento dell'acciaio a trazione, seguita dallo schiacciamento del calcestruzzo, tipica degli elementi debolmente armati.

I diagrammi M-χ sono stati generati tramite calcoli analitici basati sull'equilibrio delle forze.

La Figura 3 presenta un'analisi comparativa della risposta momento-curvatura della colonna esterna P1 nelle tre versioni, stato di fatto, rinforzata con calcestruzzo e acciaio, e rinforzata con calcestruzzo e GFRP, evidenziando l'impatto delle diverse strategie di rinforzo sul comportamento flessionale.

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