Travi in c.a. rinforzate con frp: confronto tra l’efficienza di sistemi EBR e NSM

COMPORTAMENTO SPERIMENTALE DI TRAVI IN C.A. RINFORZATE CON FRP: CONFRONTO TRA L’EFFICIENZA DI SISTEMI EBR E NSM

Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014

SOMMARIO
I materiali compositi fibro-rinforzati (FRP) sono efficacemente utilizzati per il rinforzo a flessione di travi in calcestruzzo armato (c.a.). Numerose prove sperimentali di aderenza hanno evidenziato che le elevate proprietà meccaniche degli FRP possono essere meglio sfruttate con la tecnica di applicazione NSM (Near Surface Mounted) rispetto alla tecnica EBR (Externally Bonded Reinforcement). In entrambi i casi l’efficienza del sistema di rinforzo dipende dal legame di aderenza all’interfaccia calcestruzzo-rinforzo. Inoltre, nel caso di rinforzo a flessione di travi in c.a., l’efficienza dipende anche dall’interazione con l’armatura in acciaio interna, dalla geometria dell’elemento rinforzato, dall’evolversi del quadro fessurativo della trave. In questa memoria si presentano i risultati di prove sperimentali su travi in c.a. rinforzate esternamente con lamine in fibra di carbonio applicate secondo la tecnica NSM e la tecnica EBR. Le prove di flessione sono state condotte su uno schema di trave appoggiata – appoggiata sia applicando due forze concentrate ed equidistanti dalla mezzeria sia un sistema di otto forze uniformemente distribuite lungo la trave. Per la tecnica EBR è stata considerata una sola configurazione di rinforzo, mentre per la tecnica NSM sono state considerate due configurazioni di rinforzo (2 e 3 lamine) caratterizzate da un’area pari al 50% ed al 75%, rispettivamente, dell’area del rinforzo EBR. I carichi e le modalità di rottura, nonché le deformazioni locali misurate nel rinforzo esterno, sono discussi in dettaglio. Si conferma una maggiore efficienza della tecnica NSM che permette di raggiungere maggiori deformazioni grazie alla minore sensibilità del rinforzo applicato con la tecnica NSM a problemi di distacco (delaminazione).

EXPERIMENTAL BEHAVIOUR OF RC BEAMS STRENGHTENED WITH FRP: COMPARISON BETWEEN THE EFFICIENCY OF EBR AND NSM SYSTEMS

SUMMARY
Fiber-reinforced composite materials (FRP) are effectively user for flexural strengthening of reinforced concrete (RC) beams. Several bond tests showed that the high mechanical properties of FRP can be better exploited with the NSM (Near Surface Mounted) strengthening technique of reinforced concrete (RC) members than the EBR (Externally Bonded Reinforcement). In both cases the efficiency of the reinforcement system depends on the bond law at the FRP-concrete interface. Moreover, in the case of flexural strengthening of concrete beams, it also depends on the interaction with the internal steel reinforcement, the geometry of strengthened member, the evolution of the crack pattern of the beam. In this paper, the results of experimental tests carried out on RC beams externally strengthened with carbon FRP according to the NSM and the EBR techniques are showed. The bending tests on simply supported beams were conducted by applying two concentrated forces equidistant from the mid-span or eight forces uniformly distributed along the beam. Only one configuration was considered for the EBR technique, while two configurations (2 and 3 strips) were considered for the NSM technique, having an area equal to 50% and 75%, respectively, of the EBR laminate. Failure loads and modes, as well as strain distribution locally measured in the external FRP reinforcement, are discussed in detail. A greater efficiency was confirmed for the NSM technique, which allows higher strains to be reached thanks to the lower sensitivity of such type of reinforcement technique to debonding phenomena.

1. INTRODUZIONE
Numerosi studi sperimentali hanno dimostrato che la resistenza a trazione dei materiali fibrorinforzati (FRP) può essere maggiormente sfruttata mediante la tecnica NSM [1]. In particolare, diverse prove di aderenza sui provini in c.a. rinforzati con materiali FRP con entrambe le tecniche NSM ed EBR hanno mostrato che si possono raggiungere gli stessi carichi per entrambe le tipologie, anche se il rinforzo NSM-FRP è in genere caratterizzato da aree e rigidezze assiali più basse e quindi si può considerare più efficiente. L’efficacia delle due tecniche dipende, comunque, dal meccanismo di aderenza che, nel caso della tecnica NSM, è funzione di numerosi parametri quali le dimensioni della scanalatura, la rugosità del calcestruzzo, le proprietà meccaniche del materiale composito, il tipo di adesivo [2].
Indipendentemente dalla tecnica di rinforzo utilizzata, la rottura dell’elemento rinforzato è, spesso, legata al distacco del rinforzo in FRP che può avvenire in differenti zone dell’elemento [3,4]. Per il progetto del rinforzo a flessione di travi in c.a. con materiali FRP, bisogna considerare il distacco del rinforzo esterno sia all’estremità (ED) che nelle zone in cui si formano fessure flessionali e/o taglianti (delaminazione intermedia). Nel caso della delaminazione intermedia, esistono in letteratura diversi modelli che predicono il fenomeno di distacco in funzione della tipologia di fessura: a) distacco per fessura intermedia (ICD), essenzialmente di tipo flessionale, che avviene in corrispondenza di fessure sub-verticali formatesi in zone in cui il momento flettente è massimo, o b) distacco per fessure diagonali (CDCD), che si verifica in corrispondenza di fessure inclinate, essenzialmente da taglio, formatesi nelle zone dove il taglio è massimo. Poiché in travi semplicemente appoggiate il taglio è massimo all’estremità del rinforzo, il caso CDCD può interagire con il caso ED.
I modelli teorici per il caso ED si basano su risultati di test di aderenza, perché nella zona di ancoraggio, le distribuzioni di tensioni, principalmente tangenziali, sono assimilabili a quelle osservate nelle prove di aderenza di taglio puro [1].
I modelli teorici per ICD o CDCD sono generalmente basati sui risultati di prove a flessione [5]. L’attivazione del meccanismo di distacco dipende in tal caso dalla geometria del rinforzo (in particolare la distanza tra l’appoggio e l’estremità dell’FRP), dalla condizione di carico (distribuita o concentrata) e dall’interazione taglio-momento, la quale può influenzare l’inclinazione delle fessure ed il meccanismo di distacco [6].
L’interazione taglio-momento e la condizione di carico risultano chiaramente correlate al meccanismo di delaminazione. La maggior parte delle prove a flessione in letteratura sono state eseguite utilizzando lo schema di trave semplicemente appoggiata caricata con 1 o 2 forze concentrate, in quanto sono schemi più facili da eseguire in laboratorio rispetto all’applicazione di un carico uniformemente distribuito, che invece è una condizione di carico più simile a quella reale. Sotto carichi distribuiti sia il momento che il taglio attingono valore massimo in prossimità della mezzeria della trave, mentre, in corrispondenza dell’ancoraggio del rinforzo, il momento è minimo ed il taglio resta costante. In presenza di un carico distribuito, l’interazione taglio-momento è più bassa, perché in mezzeria il momento flettente è massimo ed il taglio è nullo, mentre all’estremità del rinforzo, il momento tende a zero ed il taglio al valore massimo. Ciò implica che sotto un carico distribuito, il caso ICD potrebbe avere meno possibilità di verificarsi rispetti al caso ED, a causa della bassa interazione taglio-momento in prossimità della mezzeria.
Inoltre, prove sperimentali di letteratura hanno evidenziato che in alcune travi soggette a carichi concentrati il distacco del rinforzo in FRP è stato indotto dalla formazione di estese fessure diagonali che collegano le estremità del rinforzo con i punti di applicazione del carico. Tale tipologia di fessure, spesso indicate come fessure critiche diagonali (CDC), può essere indotta da elevate sollecitazioni taglianti nell’area di ancoraggio soprattutto per elementi debolmente rinforzati a taglio. La presenza di staffe, infatti, ha in genere una funzione di cucitura delle lesioni da taglio e minimizza tale fenomeno. Alcuni modelli considerano per la delaminazione per CDC il calcolo della resistenza a taglio da confrontare con la forza di taglio applicata [7].
Le prove su travi in c.a. rinforzate con FRP mediante tecnica EBR e soggette a carico distribuito disponibili in letteratura sono molto poche [8]. Alcuni dei risultati sperimentali disponibili ed analisi numeriche [9] indicano che il massimo valore di deformazione attinto nel rinforzo in FRP all’inizio della delaminazione ICD, nel caso di carico distribuito, è più alto di quello riscontrato nel caso di carico concentrato. Tale aspetto non è stato ancora trattato per travi in c.a. rinforzate secondo la tecnica NSM.
Pertanto, nel seguito si confrontano i risultati di prove sperimentali condotte dagli autori su travi in c.a. rinforzate con materiali FRP applicati secondo entrambe le tecniche di rinforzo EBR ed NSM, investigando, in particolare, anche l’effetto dello schema di carico (due forze concentrate e carico uniformemente distribuito su trave appoggiata).

2. PROGRAMMA SPERIMENTALE
Sono state testate 10 travi in c.a. con luce netta di 2.1 m. Il carico è stato applicato secondo due schemi differenti:
a) Schema a 4 punti (Figura 1a) con due forze concentrate a distanza di circa 25 cm, a cavallo della mezzeria;
b) Schema di carico uniformemente distribuito (Figura 1b) con 8 forze concentrate applicate ogni 25 cm lungo la trave.
Tutte le travi hanno sezione rettangolare di altezza h pari a 160mm e larghezza pari a 120mm, armatura interna pari a 2?10 ed area As = 1.57mm2 sia superiormente che inferiormente, e staffe ?6 poste con passo 200mm lungo tutta la trave (Figura 2a). Il copriferro dal centro della barra è 45 mm per l’armatura inferiore e 31mm per l’armatura superiore. E’ stato scelto un passo delle staffe elevato rispetto all’altezza della trave al fine di ridurne l’influenza sulla fessurazione dell’elemento.
La resistenza cubica media a compressione del calcestruzzo è di 21MPa, ricavata da 4 prove effettuata su provini cubici (lato 150mm). Mediante tre prove su campioni di barre d’acciaio, si è ricavata una resistenza media allo snervamento fy=540MPa ed una resistenza ultima fu=590MPa. La stessa tipologia di lamina in carbonio è stata utilizzata sia per la tecnica EBR che per quella NSM (spessore tf = 1.4mm, modulo di Young Ef = 171GPa, resistenza a trazione ff = 2052MPa, deformazione massima ?fu = 0.012, valori medi ottenuti mediante prove a trazione su tre campioni).
Per quanto riguarda la tecnica EBR, una lamina di larghezza 40mm è stata incollata all’intradosso della trave (Figura 2b), dopo aver accuratamente pulito la superficie con aria compressa ed applicato uno strato di primer. Per la tecnica NSM, invece, sono state realizzate con una sega circolare scanalature di dimensioni 5x15mm all’interno delle quali sono state inserite lamine di larghezza 10mm (Figura 2c-d). Anche nel caso della tecnica NSM le superfici del calcestruzzo sono state pulite con aria compressa prima di applicare il primer. Sono stati utilizzati gli stessi prodotti come primer ed adesivo utilizzati per la tecnica EBR. Per tutte le travi rinforzate (4 con EBR e 4 con NSM) il rinforzo è stato applicato ad una distanza di 100mm da entrambi gli appoggi (Figura 2a). In Tabella 1 si riporta il programma sperimentale completo. I provini sono identificati mediante la sigla R_L_NxTxW_n dove:
- R indica il tipo di rinforzo
- L indica il tipo di carico
- N è il numero di lamine per la tecnica NSM
- T è lo spessore delle lamine
- W è la larghezza delle lamine
- n è il numero cardinale per distinguere provini uguali.
Due travi sono state testate senza sistema di rinforzo: una con schema di carico con due forze concentrate e l’altra mediante carico uniformemente distribuito, realizzato con otto forze uguali disposte in modo uniforme sulla trave attraverso un ripartitore appositamente progettato. Quattro travi rinforzate allo stesso modo con la tecnica EBR sono state caricate fino a rottura con le configurazioni di carico concentrato (2 travi uguali) e distribuito (2 travi uguali). Le altre 4 travi sono state rinforzate con la tecnica NSM (due travi con 2 lamine e due travi con 3 lamine) e per ciascuno schema di rinforzo una trave è stata sottoposta a carico uniformemente distribuito e l’altra a due forze concentrate. In entrambi i casi i carichi sono stati applicati mediante una macchina universale a controllo di spostamento (0.05mm/s). La spostamento in mezzeria è stato misurata mediante trasduttore di spostamento verticale (LVDT). Sono stati, inoltre, applicati diversi estensimetri sul rinforzo esterno nel caso EBR, mentre nel caso NSM gli estensimetri sono stati fissati sulla superficie delle lamine prima di inserirle all’interno delle scanalature; la posizione degli estensimetri nei vari casi è riportata in Figura 3.