Rinforzo sismico locale di colonne in cemento armato mediante lamiere forate in acciaio

In questo articolo è stato sviluppato un raffinato modello FEM per riprodurre i risultati sperimentali di una campagna di prove di laboratorio di letteratura eseguita su colonne in c.a. caricate assialmente. Successivamente è stato presentato un nuovo sistema di rinforzo basato sull'utilizzo di lamiere forate in acciaio.

Sono stati sviluppati modelli numerici della colonna in c.a. rinforzata con il sistema di rinforzo proposto considerando la non linearità dei materiali costitutivi e gli effetti di contatto all’interfaccia tra il componente in c.a. e quelli in acciaio.

In conclusione, i risultati delle analisi derivanti dal modello FEM implementato hanno descritto accuratamente il comportamento generale della colonna rinforzata ed il confronto con la tecnica di rinforzo standard basata su angolari e calastrelli di acciaio ha mostrato le efficienti prestazioni del sistema in acciaio proposto come tecnica di rinforzo locale di colonne in c.a.

Consolidamento di strutture in c.a.: un innovativo rinforzo locale con lamiere forate in acciaio bullonate in opera

Una panoramica mondiale sulle strutture in cemento armato esistenti ha evidenziato che il loro rapido degrado è imputabile a molteplici cause, quali il decadimento del calcestruzzo, la modifica della classe d’uso e dei requisiti di carico, la corrosione delle armature, nonché errori in fase di progettazione e costruzione [1]. Ciò ha rivelato la necessità di studiare e sperimentare nuove tecniche di intervento al fine di aumentare le prestazioni sismiche degli edifici esistenti [2].

Il consolidamento delle strutture esistenti in cemento armato tradizionale o in muratura sta assumendo cruciale importanza nel campo dell’Ingegneria Strutturale.

Rilievi diagnostici effettuati su numerosi edifici esistenti del patrimonio nazionale, hanno rilevato la presenza di calcestruzzo di bassa qualità, con resistenze a compressione comprese tra 10 e 15 MPa [3].

In questi casi, oltre a presentare gravissimi problemi inerenti la verifica per azioni sismiche, tali edifici richiedono spesso un sostanziale incremento delle prestazioni anche nei riguardi dei carichi verticali. Ciò può essere ottenuto mediante interventi di rinforzo strutturali realizzati sia aggiungendo nuovi elementi, che consentano di assorbire le azioni orizzontali, sia rinforzando la struttura esistente.

Negli ultimi decenni, si sono affermate diverse tecniche per il rinforzo locale di elementi in cemento armato. Esse possono essere raggruppate in tre macro-categorie di interventi di confinamento, in funzione del materiale utilizzato:

• calcestruzzo,
• materiali compositi a base di polimeri fibrorinforzati (FRP)
• ed acciaio.

Quest’ultima macrocategoria, reputata la più impiegata [4], consiste nell’applicazione di piastre, calastrelli ed angolari che, in funzione della disposizione, classificano gli interventi in ingabbiamento, incapsulamento, confinamento con piastre ed ancoraggi e rivestimento di forma circolare/ovale [5].

Se opportunamente diffusi, gli interventi locali possono anche rappresentare una tecnica di rinforzo globale in quanto, pur agendo sui singoli elementi, essi influenzano il comportamento dell’intera struttura. Pertanto, è fondamentale esaminare l’influenza complessiva dei vari interventi locali nel loro complesso sul comportamento sismico globale dell’edificio [6].

Il presente articolo ha l’obiettivo di proporre un innovativo sistema per il rinforzo di elementi in c.a. basato sull’impiego di lamiere forate in acciaio, poste in opera mediante unioni bullonate.

A tale scopo, è stata dapprima condotta un’accurata ricerca bibliografica al fine di reperire una campagna sperimentale su una colonna in c.a. in scala reale, con e senza rinforzo costituito da confinamento con angolari e calastrelli [7], da utilizzare come prova di riferimento per le successive analisi numeriche.

Il modello FEM di tale colonna prima e dopo l’intervento di rinforzo è stato implementato tramite il codice di calcolo ABAQUS. Sottoposto a carichi assiali e ad azioni sismiche, il modello FEM della colonna rinforzata ha mostrato risultati in linea con quelli della campagna di sperimentazione numerica eseguita in [8].

Validato tale modello numerico standard, è stato implementato un differente modello FEM di rinforzo volto ad utilizzare lamiere forate in acciaio, considerando le non linearità dei materiali e gli effetti dell’attrito tra la colonna in c.a. e le lamiere metalliche. E’ stata eseguita un’analisi parametrica facendo variare le caratteristiche geometriche del sistema. I risultati ottenuti sono stati comparati fra loro e, infine, è stata determinata la configurazione ottimale del sistema di rinforzo. 

Prova sperimentale di riferimento

La campagna sperimentale condotta da Adam et al. [7] è stata considerata quale prova di riferimento per la calibrazione numerica. Questa sperimentazione è stata scelta poiché il pilastro in c.a. è a grandezza naturale (Fig. 1) e presenta altezza, sezione e armature simili a quelle dei pilastri appartenenti ad edifici progettati in assenza di criteri antisismici.

Le colonne in c.a. possiedono una sezione di 30x30 cm, un'altezza di 250 cm e sono armati con 4Φ12 longitudinali e staffe Φ6 aventi una spaziatura costante di 20 cm. La tecnologia di rinforzo prevede angolari 25x8x0,8 cm in ogni spigolo della colonna e calastrelli, di dimensioni 27x16x0,8 cm, saldati agli angolari e distanziati tra loro di 41,5 cm.

I materiali utilizzati sono calcestruzzo avente fc pari a 10,6 MPa, acciaio da armatura B450C e acciaio da carpenteria per lamiera del tipo S210. I risultati delle prove sperimentali sono stati replicati implementando un raffinato modello FEM tridimensionale con il codice di calcolo ABAQUS [9].

Dal confronto tra la prova sperimentale ed il modello numerico messo a punto si nota un’ottima corrispondenza di risultati in termini di rigidezza iniziale e massima resistenza raggiunta (Fig. 2).

Al contrario, nell'analisi numerica, l'inizio del campo plastico è caratterizzato da resistenze leggermente superiori a quelle raggiunte nella prova sperimentale. Ciò è dovuto alle maggiori imperfezioni che hanno caratterizzato il sistema strutturale reale rispetto a quello FEM.

Il sistema di rinforzo: implementazione e modello FEM

L’innovativo sistema di retrofit proposto si basa sull’impiego di lamiere forate che, esercitando un’azione di confinamento, sono volte al consolidamento di pilastri in cemento armato.

Per tale intervento vengono utilizzate quattro lamiere forate, posizionate in aderenza alle quattro facce del pilastro e bullonate tra loro (Fig. 3). Le piastre presentano una piegatura a forma di “Z” per tutta la loro altezza, così da consentire la bullonatura tra le loro estremità (Fig. 4). I bulloni utilizzati sono del tipo M14 di classe 8.8 e vengono disposti in ciascuno dei fori presenti sulle piegature della lamiera. La presenza dei fori è finalizzata a ridurre il peso della piastra e, pertanto, il costo del materiale.

Stabilite la geometria del modello e le proprietà dei materiali, si procede con la fase di assemblaggio (Fig. 5). La gabbia di armatura, composta da barre e staffe, è disposta all’interno del pilastro in calcestruzzo. Le quattro lamiere sono posizionate in aderenza al pilastro e vengono posizionate in modo che tutti i lembi da bullonare siano a contatto tra loro.

Implementato il modello geometrico con le proprietà dei materiali definiti in precedenza, sono state considerate le proprietà di interazione tra le parti strutturali. In particolare, sono stati identificati ed assegnati i tipi di contatto fra le parti del sistema [9]. Il contatto relativo al collegamento tra lamiera e colonna è definito come Surface to Surface per materiali differenti (acciaio-calcestruzzo), assegnando un coefficiente di attrito pari a 0,2.

Sono state definite 4 interazioni. Per ciascuna interazione, le superfici master e slave coinvolte sono, rispettivamente, quella interna della lamiera e quella esterna della colonna. Per simulare la bullonatura tra le lamiere, sono stati utilizzati vincoli constraints del tipo Rigid Body constraints, che impediscono il movimento relativo tra le parti. Tali vincoli sono stati applicati in corrispondenza dei fori delle lamiere poste a contatto.

Essi sono stati inoltre utilizzati anche per associare il comportamento di una superficie ad un singolo punto di riferimento (reference point). Tale modellazione risulta utile per imporre uno spostamento ad un’intera superficie selezionando un singolo punto.

Quest’ultima tipologia di legame caratterizza anche la superficie inferiore e quella superiore del modello geometrico della colonna. Infine, per simulare il legame tra l’armatura e il calcestruzzo sono stati utilizzati Embedded region constraints. La discretizzazione del modello è stata eseguita con una mesh di elementi tridimensionali continui, appartenenti al primo ordine, definiti da otto nodi e da un’interazione lineare. La raffinatezza della maglia della singola superficie è funzione della tipologia di contatto e, dunque, dell’algoritmo master – slave che la caratterizza. Al fine di generare una mesh regolare, i fori sono stati isolati iscrivendoli in superfici di forma quadrata (Fig. 6 e 7).

Analisi FEM

Al fine di riprodurre fedelmente le prove monotone, è stata eseguita un'analisi FEM a controllo di spostamento. Il carico è stato applicato in due step: (I) fase iniziale: simulazione dell’azione verticale uniassiale con abbassamento di 16 mm; (II) seconda fase: simulazione di un’azione sismica applicata in testa alla colonna rinforzata con le lamiere, applicando uno spostamento orizzontale pari a 100 mm. I risultati delle due fasi di analisi sono di seguito presentati.

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