I principali temi di ricerca affrontati possono essere così
sintetizzati:
1.
Affidabilità e sicurezza dei materiali e delle strutture
1.1 Metodi e modelli della viscoelasticità
lineare
1.2 Meccanica del Danno nei calcestruzzi
1.3 Viscosità e danneggiamento per
deformazioni differite nelle strutture in c.a.
1.4 Identificazione delle proprietà meccaniche di murature esistenti
mediante prelievi di carote
2.
Riabilitazione strutturale con tecniche innovative (FRP-FRCM)
2.1 Elementi
strutturali in c.a. placcati con lamine in fibra di carbonio (FRP):
problemi di fessurazione e di deformabilità, sia a breve che a
lungo termine
2.2 Leggi di
interfaccia FRP-calcestruzzo
2.3 Analisi
sperimentale del processo di perdita di aderenza
2.4 Studio di
fattori in grado di alterare l'aderenza calcestruzzo-FRP
2.5 Rinforzo di
travi in calcestruzzo armato mediante FRP
2.6
Comportamento istantaneo di barre pultruse.
2.7 Rinforzo di
pareti in muratura mediante FRP: il problema dell'aderenza
2.8 Studio dell'aderenza tra FRCM e muratura
2.9 Resistenza a taglio di pannelli in muratura rinforzati con FRCM
2.10 Comportamento fuori piano di pareti in muratura rinforzate con FRCM
3.
Comportamento meccanico e strutturale di calcestruzzi
innovativi
3.1
Comportamento differito dei calcestruzzi autocompattanti
3.2 Il
comportamento differito di elementi strutturali in calcestruzzo
autocompattante.
3.3
Comportamento strutturale dei calcestruzzi fibrorinforzati (FRC)
3.4 Comportamento differito di calcestruzzi fibrorinforzati
3.5
Comportamento meccanico e di lunga durata dei calcestruzzi con
aggregati di riciclo
3.6 Comportamento meccanico e di lunga durata dei calcestruzzi geopolimerici
4.
Caratterizzazione meccanico-strutturale di sistemi prefabbricati
in c.c.a.
4.1 Capacità
resistente e comportamento di servizio di travi prefabbricate;
4.2 Capacità
resistente di nodi trave-pilastro completati in opera;
4.3 Capacità
portante dell'ancoraggio in fondazione di pilastri
prefabbricati;
5.
Identificazione di strutture civili mediante prove
dinamiche
5.1
Identificazione di strutture civili mediante prove dinamiche
5.2 Monitoraggio
dinamico di strutture
6.
Vulnerabilità sismica degli edifici
6.1 Analisi
sismica non lineare di strutture intelaiate in c.a. isolate
alla base
6.2 Criteri
di progetto dell'isolamento di edifici monumentali
7
Metodologie speditive per la valutazione della vulnerabilità
sismica
8 NDT per il rilievo dei dettagli costruttivi di elementi in c.a. e c.a.p.
1.
Affidabilità e sicurezza dei
materiali e delle strutture
1.1
Metodi e modelli della
viscoelasticità lineare
Sono stati analizzati e classificati i
metodi ed i modelli proposti dalle vigenti normative nazionali ed
internazionali ed in letteratura per la valutazione delle
deformazioni differite. Sono state evidenziate le diverse
impostazioni che caratterizzano le varie proposte. L'analisi e
l'impiego di un esteso database sperimentale creato dalla RILEM e
contenente centinaia di prove di creep, inoltre, ha messo in luce
la significativa dispersione dei dati sperimentali disponibili e la
conseguente difficoltà nel processo di taratura dei modelli
teorici.
E' stata proposta una formulazione di tipo
incrementale per problemi di viscoelasticità lineare.
L'invecchiamento viene modellato secondo la teoria della
solidificazione di Bazant, con significativi apporti originali in
tema di limitazione delle deformazioni a tempo infinito. La
funzione di rilassamento è stata sviluppata in serie di Dirichlet
ed è stato elaborato un algoritmo di integrazione nel tempo di tipo
esponenziale. Per la taratura del modello sono state utilizzate le
curve di rilassamento del CEB Model Code. Sono stati quindi risolti
alcuni problemi di viscosità anche in presenza di cicli di carico e
scarico.
1.2
Meccanica del Danno nei
calcestruzzi
E' stato affrontato lo studio della Meccanica
del Danno al Continuo (CDM) dapprima nei suoi aspetti generali e
successivamente per descrivere il comportamento di provini in
calcestruzzo compressi.
All'interno della categoria di modelli
specifici in grado di descrivere le particolari modalità di
propagazione dello stato fessurativo nel calcestruzzo, è stato
messo a punto un modello di danno scalare isotropo ad un parametro
in grado di descrivere prove di compressione monoassiali. In questo
particolare regime, l'evoluzione dell'indice di danno è stata
definita in funzione della variazione del coefficiente di Poisson
apparente e della deformazione totale depurata del contributo di
deformazione irreversibile. Tale contributo, infatti, si è assunto
che venga assorbito dal calcestruzzo senza provocare degrado delle
proprietà meccaniche. Il modello, infine, è stato calibrato
utilizzando sia prove sperimentali che le indicazioni contenute nel
Model Code 90.
1.3
Viscosità e danneggiamento
per deformazioni differite nelle strutture in c.a.
E' stato affrontato lo studio
dell'evoluzione del danneggiamento per deformazioni differite in
provini di calcestruzzo.
E' stata proposta una formulazione in grado di
valutare il comportamento differito del calcestruzzo sottoposto a
carichi elevati di compressione di lunga durata. Il procedere della
deformazione differita nel tempo è stato interpretato come la
contemporanea manifestazione di un meccanismo viscoelastico non
lineare e della nucleazione e sviluppo di uno stato fessurativo
diffuso riconducibile ad un danneggiamento del materiale. È stata
messa a punto una formulazione, di tipo incrementale, nella quale
l'incremento di tensione dipende dal modulo elastico efficace (cioè
ridotto a causa del danneggiamento), che moltiplica l'incremento di
deformazione totale depurata da una parte di deformazioni
irreversibili e da una quota di deformazioni viscose. Per quanto
riguarda queste ultime, inoltre, è stato introdotto un meccanismo
di sviluppo non lineare dipendente dal degrado del calcestruzzo
ottenuto a partire dalla teoria della solidificazione proposta da
Bazant in ambito viscoelastico lineare. Tuttavia si è assunto che
parte della deformazione differita sia assorbita dal calcestruzzo
senza incremento di danno, analogamente a quanto succede per le
deformazioni irreversibili istantanee, e che la restante causi
invece la nucleazione ed il progredire di microfratture. È stato
inoltre proposto un criterio per tenere in conto anche l'incremento
di resistenza nel tempo legato alla maturazione del calcestruzzo.
Il modello così formulato si è rivelato in grado di cogliere i
diversi comportamenti che il calcestruzzo manifesta al variare
dello stato tensionale applicato e del tempo di applicazione
considerato. Per carichi istantanei o stati tensionali bassi
mantenuti nel tempo, infatti, si ritrovano i casi particolari,
rispettivamente, di modello di danno scalare e di modello
viscoelastico lineare. Per livelli di carico molto elevati
(superiori all'85 % del carico di rottura), infine, si coglie anche
il fenomeno del “creep terziario”. Sono state condotte diverse
simulazioni numeriche che hanno confermato qualitativamente i
risultati che ci si attendeva.
1.4
Analisi sperimentale con
misurazioni ottiche (ESPI) su provini di calcestruzzo soggetti a
compressione:
È stata condotta una estesa indagine
sperimentale sull'evoluzione dello stato fessurativo in provini di
calcestruzzo portati a rottura in compressione rilevando il campo
di spostamento con la tecnica interferometrica ESPI (Electronic
Speckle Pattern Interferometry). Tali prove sono state condotte in
condizioni di caricamento sia monotono che ciclico evidenziando
anche la progressione del danneggiamento per deformazioni
differite. Gli obbiettivi principali dello studio hanno riguardato
la determinazione di parametri necessari alla taratura di modelli
di danno per il calcestruzzo ed in particolare: a) la variazione del
coefficiente di Poisson apparente con il livello di carico; b) il comportamento del
provino soggetto a carichi ciclici di entità crescente e la
valutazione delle deformazioni residue allo scarico; c) l'evoluzione delle
deformazioni viscose per elevati livelli di carico, la loro
variazione rispetto alle previsioni della viscoelasticità lineare e
la correlazione con il progredire del danneggiamento. I risultati
ottenuti hanno: a)
confermato la variazione del coefficiente di Poisson al variare
dello stato tensionale e messo in evidenza la sua crescita anche
durante le fasi di mantenimento del carico nel tempo, in seguito a
fenomeni viscosi; b)
consentito di calibrare una relazione quadratica tra le
deformazioni residue a carico nullo e la deformazione di inizio
scarico; c) evidenziato
una forte amplificazione non lineare delle deformazioni differite
al crescere dello stato tensionale.
1.5
Identificazione delle proprietà meccaniche di murature esistenti
mediante prelievi di carote
E' stata studiata la possibilità di impiego di
carote di diametro medio (100 mm) per la valutazione delle
proprietà meccaniche di murature esistenti. Questa metodologia,
infatti, presenta una minore invasività ed è annoverabile tra le
prove parzialmente distruttive. A partire da un ponte ad arco in
muratura di oltre 150 anni di vita sono state prelevate una serie
di carote, unitamente a singoli mattoni e porzioni di letti di
malta e alcune parti del paramento murario integro. E' stata quindi
precisata una metodologia di prova delle carote basata sulla
predisposizione di opportuni sistemi di contatto tra la carota e le
teste della macchina, disposti secondo la lunghezza e in grado di
generare un appoggio diffuso. Sono state considerate carote con
diverse disposizioni di letti di malta sia orizzontali che
verticali. I risultati in termini di resistenza a compressione sono
stati confrontati con quelli ottenuti sia dalle prove di
compressione diretta dei muretti prelevati che con le resistenze
stimate sulla base della conoscenza della resistenza a compressione
dei mattoni e a trazione della malta, ottenuti da prove apposite.
La corrispondenza dei risultati è stata pienamente soddisfacente.
L'influenza della presenza o meno di letti malta verticali è stata
valutata anche numericamente mediante lo sviluppo di semplici
modelli numerici agli elementi finiti bidimensionali, ritrovando
qualitativamente le modalità di rottura osservate
sperimentalmente.
2.
Riabilitazione strutturale con
tecniche innovative (FRP)
2.1
Elementi strutturali in c.a.
placcati con lamine in fibra di carbonio (FRP): problemi di
fessurazione e di deformabilità, sia a breve che a lungo
termine
È stato studiato il ruolo delle deformazioni
differite sul comportamento in condizioni di servizio di elementi
tesi in calcestruzzo armato rinforzati con lamine in materiale
composito. L'indagine è stata rivolta principalmente ad investigare
i seguenti aspetti: 1) l'influenza del placcaggio sull'evoluzione
del quadro fessurativo e sulla deformabilità dell'elemento; 2) gli
effetti locali che nascono alle estremità delle lamine, solitamente
considerati responsabili delle crisi per perdita di aderenza dei
placcaggi. È stato quindi sviluppato un modello non lineare, nel
quale si utilizza una legge di tipo coesivo in corrispondenza delle
fessure nel calcestruzzo e un modello costitutivo viscoelastico
recentemente proposto e basato sulla teoria della solidificazione
di Bazant per il calcestruzzo. È stato inoltre sviluppato un legame
di interfaccia viscoelastico-lineare tra calcestruzzo e placche in
FRP e viscoelastico non lineare tra calcestruzzo ed armature. La
presenza della coesione in corrispondenza di fessure trasversali
nel calcestruzzo (teso) può avere un ruolo significativo per
elementi placcati con FRP a causa dell'apertura delle fessure
significativamente più ridotta rispetto al caso di elementi non
rinforzati. Per la risoluzione numerica si è adottato uno schema
alle differenze finite nei riguardi della coordinata spaziale,
mentre per l'integrazione nel tempo è stato sviluppato un algoritmo
di tipo esponenziale con un solutore alla Newton-Raphson per
affrontare le non linearità presenti nei legami costitutivi. Il
modello consente di valutare la deformabilità e di seguire
l'evoluzione del quadro fessurativo, è stato utilizzato per
studiare l'efficacia del rinforzo con FRP di travi in c.a.
sottoposte a carichi di esercizio perduranti nel tempo.
Lo studio ha confermato molte delle
conclusioni che possono essere fatte nel caso di carichi di tipo
istantaneo: si è evidenziato come l'intervento di rinforzo con FRP
riduca, soprattutto in fase fessurata, le deformazioni differite e,
di conseguenza, la deformazione a lungo termine rispetto a quella
di elementi privi di rinforzo.
2.2
Leggi di interfaccia
FRP-calcestruzzo
È stato affrontato il problema della
definizione di una legge di interfaccia non lineare a partire dai
risultati ottenuti per via sperimentale in prove di aderenza.
Inoltre, i valori della forza massima raggiunta prima della
completa perdita di aderenza tra placca e calcestruzzo sono
utilizzati per definire l'energia di frattura del legame
costitutivo di interfaccia. La procedura adottata per
l'elaborazione dei dati sperimentali è stata innanzitutto applicata
ai risultati di recenti indagini sperimentali riportati in
letteratura, per mezzo dei quali è stata calibrata una legge di
interfaccia tensione tangenziale – scorrimento basata su
un'espressione alla Popovics.
È stato quindi elaborato un modello numerico
per lo studio della aderenza placca – calcestruzzo, nel quale è
stata utilizzata la legge di interfaccia sopra descritta. I
risultati delle simulazioni numeriche sono risultati in buon
accordo con quelli forniti dalle indagini sperimentali. Si è
rilevato che il diagramma forza-scorrimento totale manifesta un
andamento con snap-back qualora la placca sia ancorata per una
lunghezza superiore a quella minima di ancoraggio. Questo fenomeno
si manifesta in maniera amplificata qualora la forza venga
applicata al termine di un tratto di placca non incollata al
calcestruzzo (come accade sempre nelle prove sperimentali per
ridurre gli effetti flessionali sulla placca). Tale comportamento
giustifica l'estrema fragilità del meccanismo di perdita di
aderenza e spiega come non sia possibile cogliere sperimentalmente
il comportamento post-critico, anche in prove condotte in controllo
di spostamento.
2.3
Analisi sperimentale del processo
di perdita di aderenza
È stata
condotta presso il LISG dell'Università di Bologna una estesa serie
di prove sperimentali di aderenza lamina – calcestruzzo. Sono stati
considerati vari set-up sperimentali push-pull o pull-pull,
arrivando anche a metterne a punto uno originale in grado di
controllare meglio la fase di perdita di aderenza. In questo modo è
stato possibile valutare i differenti meccanismi di crisi e la
distribuzione delle deformazioni lungo il rinforzo.
A partire dalla distribuzione delle
deformazioni lungo la lamina è stata calibrata una legge di
interfaccia rinforzo – calcestruzzo appositamente proposta e
descrivibile in forma analitica. Si è osservato che già per carichi
modesti la perdita di aderenza è presente e gioca un ruolo
fondamentale nella definizione del legame forza-scorrimento della
lamina. Fenomeni di crisi anticipata legati a particolari set-up
possono essere tenuti in conto analiticamente mediante
l'introduzione di un meccanismo di danneggiamento, opportunamente
definito, che agisca andando a modificare il legame di aderenza
localmente lungo la lamina.
Numerose
prove sono state effettuate anche nell'ambito di attività
sperimentali di Round Robin promosse in ambito nazionale (RELUIS) e
internazionale (fib TG 9.3). Sono così stati osservati pregi e
difetti dei diversi sistemi sperimentali e il grado di incertezza
statistico che li caratterizza.
2.4
Studio di fattori in grado di
alterare l'aderenza calcestruzzo-FRP
Parallelamente allo studio dell'aderenza in condizioni sperimentali
e di carico standard, è stata analizzata anche l'influenza
sull'aderenza di alcuni fattori di particolare importanza: la
preparazione superficiale, caricamenti di tipo ciclico e
l'esposizione ad ambienti aggressivi.
Relativamente al primo aspetto, sono state effettuate una serie di
prove di aderenza utilizzando il set-up proposto in precedenza su
provini tra loro simili ma caratterizzati da una diversa
preparazione della superficie di incollaggio del calcestruzzo; sono
state considerate le tecnologie di preparazione più diffuse e
comuni nei cantieri dell'ingegneria civile (sabbiatura,
smerigliatura, etc…). Ogni superficie è stata caratterizzata
mediante un indice di rugosità, che si è poi dimostrato fortemente
correlato con la forza di aderenza finale. Anche l'energia di
frattura del sistema ha confermato i risultati in termini di forza,
evidenziando l'importanza della finitura superficiale.
Dal punto di
vista del caricamento, è stata effettuata una campagna sperimentale
preliminare di prove di aderenza nella quale si è applicata al
rinforzo in FRP (sia lamine che tessuti) una forza ciclica ma
sempre in trazione; ciò si propone di simulare il comportamento
riscontrabile nella mezzeria di travi rinforzate durante un evento
sismico. Per tale motivo, sono stati effettuati un numero ridotto
di cicli ma ad alto livello di sollecitazione, arrivando anche alla
parziale perdita di aderenza del rinforzo. Si è osservato che il
caricamento ciclico, anche a livello elevato di sollecitazione, non
altera significativamente la forza di aderenza; parallelamente, in
seguito ad un parziale distacco del rinforzo non si ha riduzione
della capacità di aderenza del rinforzo residuo ancora integro, a
patto di avere una adeguata lunghezza di ancoraggio.
Infine, si è
investigato sperimentalmente l'effetto che può avere in termini di
perdita di aderenza l'esposizione di prismi in calcestruzzo
rinforzati con FRP ad ambienti aggressivi. In particolare, sono
stati realizzati tre gruppi di prismi rinforzati con tessuto e
lamine in CFRP di due larghezze diverse; una parte di questi sono
stati esposti a cicli di gelo e disgelo, una parte a nebbie saline
e altri sono stati mantenuti in condizioni di riferimento. I
provini sono poi stati sottoposti a prova di aderenza e il
calcestruzzo è stato carotato per verificarne la reale resistenza a
compressione finale. I risultati hanno evidenziato come i cicli di
gelo e disgelo riducano in maniera modesta la capacità di aderenza
del rinforzo mentre, al contrario, il condizionamento in nebbia
salina incrementi considerevolmente la capacità resistente. Ciò è
da imputarsi prevalentemente al fatto che il calcestruzzo viene
maturato in umido, accrescendo quindi significativamente la sua
resistenza. Non è detto che tale procedura d condizionamento
accelerato corrisponda a situazioni riscontrabili nelle strutture
reali.
2.5
Rinforzo di travi in calcestruzzo
armato mediante FRP
E' stato
affrontato il problema dell'aderenza calcestruzzo-FRP, oltre che
attraverso prove su provini e mediante modellazione analitica,
anche investigando il problema dell'aderenza su elementi
strutturali in scala reale rinforzati mediante tessuti e lamine in
CFRP. In particolare, sono state approfondite diverse tematiche
correlate sia al comportamento in servizio delle strutture che al
meccanismo di crisi allo Stato Limite Ultimo. Relativamente al
primo ambito, si è studiato sperimentalmente lo sviluppo del
meccanismo di fessurazione su elementi inflessi rinforzati andando
a considerare alcuni tipi e quantità di rinforzo; i risultati hanno
mostrato comportamenti analoghi ai sistemi non rinforzati ma di
entità notevolmente ridotta.
Parallelamente, sono state effettuate anche alcune prove di
caricamento di lunga durata su travi rinforzate mediante tessuti in
CFRP al fine di osservarne il comportamento differito in termini di
deformabilità, apertura delle fessure ed eventuale ridistribuzione
delle tensioni lungo il rinforzo. Si è osservato che i vantaggi
riscontrati nel caricamento istantaneo si presentano anche per
carichi di lunga durata, portando ad una significativa riduzione
della freccia e dell'apertura di fessura per effetto della
viscosità del calcestruzzo. Lungo il rinforzo, nel tempo, si
osserva una redistribuzione delle tensioni dai margini delle
fessure verso le zone più lontane, testimoniando un incremento
della lunghezza di ancoraggio del rinforzo stesso.
Infine,
nell'ambito delle tipologie di crisi di travi in c.c.a. rinforzate,
si è investigato il meccanismo di crisi per perdita di aderenza
intermedia (Intermediate Crack Debonding), osservato nella
condizione di laboratorio non convenzionale di carico distribuito
lungo la trave. Le prove sono state condotte considerando come
elementi di rinforzo sia lamine che tessuti in CFRP e diversi
livelli di armatura in zona tesa. Si è osservato che a parità di
rigidezza EpAp, il rinforzo mediante tessuti risulta più efficiente
grazie sia alla maggiore superficie aderente sia alla maggiore
irregolarità della superficie di distacco che induce una superiore
energia di frattura di modo II. Il confronto tra le deformazioni
misurate nel rinforzo in corrispondenza della perdita di aderenza e
le corrispondenti previsioni numeriche, indicate dai più moderni
modelli predittivi presenti in letteratura, evidenziano una
sistematica sottostima; ciò suggerisce la necessità di distinguere
meglio le regole di collasso per perdita di aderenza di estremità e
intermedia.
2.6
Comportamento differito di elementi
strutturali pultrusi
Inizialmente, è stato messo a punto un modello numerico di calcolo
in grado di descrivere il comportamento di sezioni composte e
sparse. In particolare, sono stati sviluppati modelli di calcolo di
trave in parete sottile in grado di descrivere la deformabilità
tagliante dell'elemento, la stratificazione di più materiali e il
comportamento viscoso degli stessi. La struttura numerica
risolutiva è di tipo incrementale al passo e si basa
sull'implementazione di algoritmi di tipo esponenziale per la
gestione del comportamento viscoso. L'implementazione numerica è
avvenuta mediante l'introduzione di un elemento finito
appositamente sviluppato. Le simulazioni numeriche hanno messo in
luce la redistribuzione delle tensioni che avviene nel tempo
all'interno del materiale composito e/o stratificato a causa della
diversa deformabilità flessionale e tagliante.
Parallelamente, è stata realizzata una serie di prove sperimentali
volte alla definizione delle proprietà differite dei materiali
pultrusi; in particolare, sono state effettuate prove per la misura
sia delle deformazioni longitudinali che degli scorrimenti da
taglio. Per ridurre la deformabilità istantanea e differita dei
profili pultrusi è stata esplorata la possibilità di rinforzarli
mediante tessuti in CFRP; le prove differite sono state ripetute
anche per questa diversa tipologia di materiali compositi valutando
l'efficacia del rinforzo. Infine, le indagini sono state estese
anche al comportamento strutturale di elementi inflessi
predisponendo un apposito sistema sperimentale in grado di
applicare carichi di lunga durata. I risultati sperimentali sono
stati impiegati per la calibrazione dei modelli numerici descritti
precedentemente.
2.7
Rinforzo di pareti in muratura
mediante FRP: il problema dell'aderenza
E' stato studiato il problema dell'aderenza
tra materiali compositi (FRP) e la muratura; in particolare è stato
analizzato il ruolo svolto dalla resistenza a compressione del
mattone e dal tipo di finitura superficiale dello stesso, intesa
quest'ultima come presenza o meno di una malta regolarizzatrice. Lo
studio è stato affrontato sperimentalmente attraverso l'esecuzione
di una serie di prove sperimentali di aderenza secondo lo schema
push-pull su mattoni rinforzati con GFRP. Lo studio ha evidenziato
un legame con la resistenza del mattone simile a quello con la
resistenza del calcestruzzo nei problemi di aderenza
FRP-calcestruzzo, validando l'estensione fatta in alcune Linee
Guida di tali legami anche alla muratura. L'uso di malta adeguata,
inoltre, ha mostrato di migliorare l'aderenza (come atteso) e
renderla meno sensibile alle proprietà del mattone.
Successivamente, è stato anche investigato il meccanismo
dell'aderenza su muretti composti da mattoni e letti di malta, con
particolare attenzione al ruolo delle discontinuità tra i due
materiali. In termini complessivi, la capacità di aderenza non
subisce notevoli variazioni ma il processo locale di perdita di
aderenza può manifestare qualche differenza.
Attualmente è in fase di esecuzione una
campagna sperimentale Round Robin sull'aderenza FRP-muratura
nell'ambito delle attività del Comitato RILEM TC 223 ed è in corso
la modellazione numerica del processo di perdita di aderenza per
meglio evidenziare i meccanismi osservati sperimentalmente. Infine,
si stanno avviando prove di aderenza FRP-muratura su geometrie di
provini diversi e cicliche.
3.
Comportamento meccanico e
strutturale di calcestruzzi innovativi
3.1
Proprietà reologiche dei
calcestruzzi autocompattanti
È stata condotta una serie di prove sperimentali
riguardanti la deformabilità a lungo termine di calcestruzzi
autocompattanti. Le prove hanno riguardato sia provini cilindrici
soggetti a compressione semplice che travi in c.a. in flessione a
quattro punti. Le prove a lungo termine sono state condotte in
camera climatica in condizioni ambientali controllate. Le prove
sono state accompagnate da una serie di indagini sulle
caratteristiche fisico-meccaniche dei calcestruzzi (condotte presso
i Laboratori dell'Italcementi a Bergamo), nonché da prove a rottura
di tipo istantaneo in epoche diverse, su provini ed elementi
strutturali analoghi a quelli soggetti a prove di viscosità.
I risultati delle prove hanno evidenziato come
le deformazioni viscose e da ritiro di calcestruzzi autocompattanti
siano in generale significativamente superiori alle deformazioni di
calcestruzzi ad analoga resistenza, risultando invece paragonabili
a quelle di calcestruzzi di normale resistenza (fc = 30 MPa); Lo
studio ha messo in luce che altri parametri giocano un ruolo
significativo come il volume di pasta, il tipo di fini, etc... I
risultati sperimentali sono stati interpretati proponendo un
modello predittivo basato sulle indicazioni del fib integrate con
coefficienti legati ai parametri di miscela dell'SCC. Il modello è
stato calibrato con un'ampia popolazione di dati presente anche in
letteratura.
Le prove sono state accompagnate da una serie di
indagini sulle caratteristiche fisico-meccaniche dei calcestruzzi,
andando ad osservare lo sviluppo nel tempo della resistenza a
compressione e del modulo elastico. Il confronto con i modelli
predittivi dell'Eurocodice 2 o del Model Code 1990 (MC90) ha
evidenziato alcuni limiti delle attuali formulazioni.
3.2
Il comportamento differito di
elementi strutturali in calcestruzzo autocompattante
Le prove su elementi strutturali sono state
condotte su coppie di travi poste a contrasto tra loro. Sono state
misurate le variazioni nel tempo delle deformazioni del
calcestruzzo compresso e teso e le frecce delle travi. A
conclusione delle prove (durata circa 1 anno), sono state condotte
prove di rottura su provini e travi soggetti a prove di viscosità
nonché su elementi non soggetti a carico e maturati in analoghe
condizioni ambientali. Il confronto dei risultati ha evidenziato
che il periodo di permanenza in carico non ha degradato le
proprietà meccaniche del materiale ma al contrario ne ha migliorato
le prestazioni. Anche in quest'ambito è stato sviluppato un modello
numerico in grado di prevedere lo sviluppo della freccia in travi
inflesse fessurate nel tempo.
L'attività di ricerca si è sviluppata anche
nell'ambito della modellazione numerica del comportamento differito
di elementi strutturali. In particolare, è stato messo a punto un
modello sezionale a fibre in grado di seguire il completamento
della sezione in tempi diversi. Per fare questo viene utilizzata
una formulazione viscoelastica incrementale in grado di cogliere la
redistribuzione tensionale che avviene all'interno della sezione
fessurata in seguito al processo costruttivo e al perdurare del
carico. Numericamente, il problema viene risolto facendo uso di un
algoritmo esponenziale caratterizzato da un comportamento viscoso
del calcestruzzo desunto dalla teoria della solidificazione di
Bazant.
3.3
Comportamento strutturale dei
calcestruzzi fibrorinforzati
E' stata condotta una campagna sperimentale tesa
alla definizione del comportamento fessurato del calcestruzzo
rinforzato mediante varie tipologie e quantità di fibre. In
particolare, è stata fatta un analisi comparativa delle prestazioni
meccaniche che questi rinforzi possono fornire in termini di
comportamento fessurato (tenacità, resistenza residua e apertura di
fessura). Si è correlato, inoltre, la capacità flessionale residua
con il numero di fibre che effettivamente attraversano la sezione
fessurata; questo, infatti, sembra essere un parametro più
significativo (sebbene di difficile valutazione) rispetto al
quantitativo nominale di fibre addizionate al calcestruzzo. I
risultati sperimentali, infine, hanno consentito la calibrazione di
modelli analitici a concio per la descrizione del comportamento
fessurato del calcestruzzo fibrorinforzato.
Il comportamento fessurato è stato studiato
anche in relazione agli effetti dei carichi di lunga durata; una
serie di travi pre-fessurate in mezzeria, infatti, sono state
sollecitate mediante carichi permanenti secondo lo schema di trave
caricata a quattro punti. Si è potuto così osservare la
deformabilità differita degli elementi fessurati privi di armatura
convenzionale e come il quantitativo ed il tipo di fibra possa
alterare anche questo aspetto meccanico. In particolare, sono stati
applicati livelli tensionali crescenti per verificare il limite
oltre il quale si può presentare la crisi per creep terziario; in
quest'ambito, la ricerca è ancora agli inizi ma si è osservato che
le fibre polimeriche presentano una soglia inferiore a quelle
metalliche.
Infine, il problema della durabilità dei
calcestruzzi rinforzati con fibre metalliche è stato affrontato
svolgendo prove di lunga durata su travi fessurate esposte ad
agenti aggressivi. Sono state misurate la freccia e l'apertura
della fessura nel tempo; al termine della prova, la trave è stata
portata a rottura per valutare le sue capacità residue. Da un
analisi comparativa con una analoga trave di riferimento, si è
osservato che la presenza dell'agente aggressivo non altera in
maniera significativa né il comportamento differito né la
resistenza residua del sistema strutturale. In quest'ambito lo
studio è ancora in corso e questi sono solo risultati
preliminari.
3.4
Comportamento meccanico e di lunga
durata dei calcestruzzi con aggregati di riciclo
L'efficacia dell'impiego di aggregati di
riciclo all'interno del calcestruzzo è stata valutata mediante una
campagna sperimentale nella quale si è fatto uso di aggregati
riciclati provenienti da una demolizione reale di un edificio in
calcestruzzo. In particolare, si è studiato l'effetto delle fasi
fini e grossolane di tali aggregati e del loro uso combinato sia
sulle proprietà meccaniche istantanee che su quelle di lunga durata
(viscosità e ritiro). Le fasi sono state opportunamente frantumate
e vagliate al fine di ottenere appropriati assortimenti
granulometrici. A parte la percentuale complessiva di sostituzione
degli aggregati, soprattutto sul comportamento differito presenta
un ruolo importante la quantità di pasta cementizia aderente
all'aggregato riciclato; questo aspetto è stato ulteriormente
investigato attraverso la misura di microporosità dei diversi
campioni considerati. Nel complesso, i risultati hanno mostrato che
un adeguato assortimento è in grado di fornire calcestruzzi di
prestazioni meccaniche comparabili a quelli tradizionali; viscosità
e ritiro possono risultare amplificate a seconda della
microstruttura del sistema idratato, grossolanamente riconducibile
alla quantità di pasta aderente all'aggregato riciclato di
partenza.
4.
Caratterizzazione
meccanico-strutturale di sistemi prefabbricati in
cca
Sono sempre più diffusi i sistemi di
prefabbricazione per edifici multipiano che prevedono il
completamento in opera al fine di fornire alla struttura un certo
grado di iperstaticità e soddisfare alla richiesta di una adeguata
resistenza alle azioni sismiche. In quest'ambito è stata sviluppata
una intensa attività di ricerca volta alla caratterizzazione del
comportamento strutturale di componenti prefabbricati in
calcestruzzo armato quali travi, pilastri mono- o pluri-piano e
pannelli di nodo trave-pilastro. L'attività è consistita
prevalentemente in prove di laboratorio su elementi in scala reale
ma anche nella messa a punto di modelli numerici interpretativi del
comportamento ottenuto dalle indagini sperimentali.
4.1
Capacità resistente e comportamento
di servizio di travi prefabbricate
Sono state effettuate prove di laboratorio su
travi in c.c.a. in scala reale di oltre nove metri di lunghezza. Le
travi sono composte da una parte prefabbricata, successivamente
completata in opera mediante un getto integrativo. Sono dapprima
state effettuate prove di lunga durata per osservare il
comportamento differito. A questo fine, è stato messo a punto un
sistema in grado di mantenere il carico anche durante il getto di
completamento (la trave non è mai stata scaricata). Dopo circa due
mesi di carico di esercizio, la trave è stata portata al collasso
ottenendo informazioni relative al meccanismo di rottura, utili per
la conferma di metodologie di calcolo allo stato limite ultimo
messe a punto precedentemente. Sono state provate due travi di
sezione e armatura differenti per valutare il ruolo di tali
parametri sia nel comportamento di servizio che allo Stato Limite
Ultimo.
Il comportamento di servizio è stato simulato
mediante un modello a fibre per il comportamento a lungo termine di
sezioni in c.a. costruite per fasi. Il modello effettua un'analisi
incrementale al passo ed è in grado di valutare la redistribuzione
delle tensioni tra i diversi calcestruzzi, anche di età differenti,
arrivando a fornire stime attendibili del legame momento-curvatura
della generica sezione della trave. Recentemente, il modello è
stato esteso alla valutazione del comportamento dell'intero
elemento strutturale mediante l'introduzione del tension-stiffening
e arrivando alla previsione dello sviluppo della freccia nel
tempo.
4.2
Capacità resistente di nodi
trave-pilastro completati in opera
Inizialmente, sono state svolte prove
sperimentali su pilastri multipiano in c.c.a. per i quali nel
pannello di nodo erano presenti solo le armature longitudinali
(fase di montaggio); i pilastri sono stati sollecitati mediante uno
sforzo assiale eccentrico, cui è stato aggiunta una forza
orizzontale per simulare l'azione del vento. È stato osservato che
la capacità ultima del nodo è limitata dal problema
dell'instabilità delle barre. Sono state considerate forme
differenti della sezione trasversale del pilastro e quantità di
barre variabili. È stato quindi proposto un modello numerico
semplificato per la predizione del carico critico. Esso fa uso
delle due situazioni limite di equilibrio elastico valutando gli
effetti del II ordine e di comportamento elasto-plastico delle
barre di armatura libere nel nodo. Sulla base delle simulazioni
ottenute, sono stati proposti anche alcuni criteri progettuali di
definizione dei parametri fondamentali.
E' stata effettuata una campagna sperimentale
relativa al comportamento ciclico del nodo trave-colonna del
sistema prefabbricato descritto in precedenza, una volta
completato. In particolare, sono stati considerati sia nodi interni
a quattro vie che esterni a tre vie in scala reale. Le prove sono
state eseguite in controllo di spostamento applicando cicli di
spostamento crescenti, snervando le barre di armatura e arrivando
alla rottura del calcestruzzo. Si è osservato come il meccanismo di
collasso sia coincidente con quello osservabile nelle strutture
interamente gettate in opera.
4.3
Capacità portante dell'ancoraggio
in fondazione di pilastri prefabbricati
A completamento delle indagini sul sistema
prefabbricato completato in opera, è stato investigato l'ancoraggio
dei pilastri in fondazione; questo si realizza mediante
l'inghisaggio di barre provenienti dal pilastro in tasche
metalliche affogate nella fondazione. E' quindi stata svolta una
serie di prove sperimentali di pull-out di barre ancorate in
fondazione. Sono state effettuate prove con diverse lunghezze di
ancoraggio e applicando anche sollecitazioni cicliche, osservando
diversi meccanismi di crisi. Sono stati proposti alcuni criteri
progettuali e sono state calibrate formule per la predizione del
carico ultimo. Infine, il sistema di ancoraggio è stato testato
direttamente attraverso prove di presso-flessione ciclica su
pilastri prefabbricati in scala reale inghisati in fondazione. Le
prove sono state condotte in controllo di spostamento raggiungendo
la plasticizzazione delle barre. E' stata investigata l'estensione
della cosiddetta “cerniera plastica” alla base governata dal
comportamento della sezione di inghisaggio delle barre. E' stato
poi messo a punto un modello a fibre in grado di interpretare i
risultati e fornire utili indicazioni in ambito predittivo; la
localizzazione dei fenomeni irreversibili alla base ha richiesto
l'introduzione di legami in grado di considerare il rocking del
pilastro.
5.
Identificazione di strutture civili
mediante prove dinamiche
5.1
Identificazione di strutture civili
mediante prove dinamiche:
Sono state messe a punto procedure di
identificazione dinamica nel campo delle frequenze e del tempo
delle proprietà meccaniche di strutture civili. I metodi sono stati
utilizzati per lo studio di ponti a travata continua a struttura
mista acciaio-calcestruzzo o solo calcestruzzo, di una passerella
pedonale in acciaio strallata, di una struttura metallica di grande
luce a più piani impiegata per lo scavalco di un'importante asse
viario al Politecnico di Torino.
Su tali strutture è stata fatta un'analisi
preliminare di sensibilità mediante modello agli elementi finiti
per individuare le posizioni più significative per la misura delle
accelerazioni; successivamente, sono state effettuate prove di
vibrazione forzata o ambientale, effettuate attraverso vibrodina,
il semplice traffico veicolare o il transito di pedoni, e
distribuendo gli strumenti di misura nella maniera ottimale per
cogliere i modi propri fondamentali della struttura. Il processo di
identificazione di alcuni parametri meccanici si articola, quindi,
in fasi successive diversificate a seconda che si utilizzi tecniche
nel dominio delle frequenze o del tempo: nel primo caso, a partire
dai dati sperimentali, viene costruita la funzione inertanza (FRF)
in grado di fornire i periodi propri ed i modi della struttura
oltre che un corrispondente coefficiente di smorzamento modale
attraverso l'applicazione del metodo circle fit a più gradi di
libertà. Nel secondo caso, gli stessi risultati sono stati ottenuti
facendo uso di tecniche auto regressive definite nel dominio del
tempo (modelli tipo ARMA, ARMAV); tali tecniche risultano
vantaggiose quando la forzante è incognita ed il tempo di lettura
sufficientemente lungo.
Successivamente, attraverso una semplice
analisi modale del modello agli elementi finiti della struttura in
oggetto, precedentemente creato, si ottengono periodi e modi
propri. Infine, si utilizzano algoritmi di ottimizzazione in grado
di individuare i valori ottimali di alcuni dei parametri meccanici
(ad esempio moduli elastici e rigidezza dei vincoli) che tendano a
far coincidere il comportamento modale numerico con quello rilevato
sperimentalmente (confronto affettuato mediante metodi tipo MAC).
Tali algoritmi consentono di impiegare come termine di confronto
non solo le frequenze proprie ma anche i modi di oscillazione.
5.2
Monitoraggio dinamico di
strutture
E' stato studiato e messo a punto, attraverso
un progetto di ricerca multidisciplinare, un sistema di misura
delle accelerazioni basato su strumenti MEMS, in grado non solo di
eseguire la misura della grandezza ma anche di rielaborarla
localmente attraverso un'adeguata capacità di calcolo. Ogni
strumento, quindi, filtra il segnale mediante modelli
autoregressivi ARMA di ordine adeguato inviando all'unità centrale
i risultati elaborati. La capacità di identificazione delle
caratteristiche dinamiche del segnale è stata migliorata
introducendo l'effetto del rumore bianco al suo interno. Il sistema
si configura, pertanto, particolarmente adatto ad attività di
monitoraggio continuo di edifici. Esso è stato montato sulla torre
di Ingegneria di Bologna ed i suoi risultati confrontati con quelli
provenienti da un sistema di misura analogico convenzionale. Il
grado di accuratezza e affidabilità è risultato molto
soddisfacente.
6.
Vulnerabilità sismica degli
edifici
6.1
Analisi sismica non
lineare
E' stato analizzato il comportamento
non lineare di strutture piane intelaiate in cemento armato
soggette ad azione sismica. La struttura è discretizzata in
macroelementi, corrispondenti a travi e pilastri, e le relazioni
tra momenti e rotazioni di estremità delle singole aste sono
ricavate integrando lungo il loro asse il legame momento-curvatura.
È stato mostrato come tale tecnica corrisponda alla risoluzione
iterativa “a blocchi” delle equazioni di equilibrio. Essa consente
di descrivere la distribuzione della plasticizzazione all'interno
degli elementi della struttura utilizzando pochi gradi di libertà
corrispondenti ai soli movimenti nodali alle estremità delle aste.
La relazione momento-curvatura utilizzata è basata sul modello di
Park, con alcune sostanziali modifiche per tenere in conto il
degrado della rigidezza e della resistenza per carichi ciclici e
l'effetto 'pinching'. Considerata la notevole importanza dello
smorzamento viscoso nell'analisi non lineare, tale contributo non è
stato considerato secondo lo schema semplificato di Raileigh ma è
stata definita la matrice di smorzamento viscoso assegnando un
coefficiente di smorzamento ai modi principali della struttura. Il
modello è stato quindi utilizzato per condurre l'analisi non
lineare di strutture intelaiate multipiano in c.a. soggette ad
eccitazione sismica.
È stato proposto un modello per l'isolatore,
pensato come elemento deformabile a taglio, che riproduce
efficacemente i risultati sperimentali per diversi tipi di
isolatori. È stata quindi analizzata l'efficacia dell'inserimento
degli isolatori al di sotto di telai in c.c.a.. I risultati
ottenuti in alcune simulazioni numeriche hanno mostrato buon
accordo con quelli forniti da un'estesa campagna sperimentale
condotta su tavola vibrante presso l'Ismes (Bergamo) su edifici
intelaiati a tre piani realizzati in scala 1/3.
L'energia dissipata durante i cicli di
isteresi dalla sovrastruttura è stata quindi utilizzata come
parametro per quantificare l'efficacia dell'isolamento. È stato
mostrato come la rigidezza degli isolatori debba essere
accuratamente dimensionata per consentire un efficace isolamento
alla base, evitando anche possibili fenomeni di risonanza per sismi
con elevati contenuti energetici alle basse frequenze.
6.2
Criteri di progetto dell'isolamento
di edifici monumentali
E' stata analizzata la fattibilità di
un intervento di isolamento sismico con HDRB di un edificio
monumentale, la ex Caserma Zucchi sita in Reggio Emilia. È stata
dapprima condotta un'analisi di pericolosità sismica del sito, allo
scopo di stimare la massima intensità attesa delle accelerazioni
per prefissati periodi di ritorno. Sono stati quindi considerati
sia sismi sintetici spettro-compatibili con quello elastico
dell'EC8, sia sismi di riferimento nazionali ed internazionali. Per
gli isolatori, è stata utilizzata una schematizzazione lineare
equivalente in fase di dimensionamento preliminare ed un modello
isteretico endocronico per le verifiche in campo non lineare. E'
stata condotta un'attenta analisi sugli effetti che la
distribuzione degli isolatori in pianta ha sul comportamento
torsionale dell'edificio in corrispondenza di un evento sismico
andando ad individuare proprietà e posizioni degli isolatori che
minimizzassero tale comportamento. Il sistema di isolamento
progettato si è rivelato efficace per tutti i tipi di
accelerogrammi al piede considerati, con notevoli riduzioni delle
accelerazioni nella sovrastruttura. Infine è stato messo a punto
uno schema di intervento operativo per la costruzione di una
sottofondazione e per l'inserimento degli isolatori nella loro sede
definitiva; procedure differenti sono state individuate per operare
al di sotto dei pilastri e delle strutture murarie continue.
6.3
Metodologie speditive per la
valutazione della vulnerabilità sismica
E' stata definita una metodologia speditiva di
valutazione della vulnerabilità sismica di edifici a struttura in
c.c.a. e muratura. Si è messo a punto una procedura iniziale di
conoscenza del fabbricato che prevede un impiego limitato di
tecniche diagnostiche al fine di garantire una minima conoscenza
della disposizione delle armature e consistenza dei materiali;
successivamente, la capacità resistente nominale del sistema è
stata calcolata mediante valutazioni semplificate, soprattutto in
termini di regolarità e simmetria, basate su schemi meccanici
elementari. La previsione nominale viene modificata attraverso un
coefficiente riduttivo deducibile dai risultati della compilazione
della scheda di vulnerabilità di II livello GNDT. E' stata
analizzata la sensibilità del parametro agli indici contenuti nella
scheda e si è quindi proceduto ad un'opportuna calibrazione. Il
valore del rapporto tra la capacità finale del sistema e la
richiesta corrispondente fornisce indicazioni sul grado di
vulnerabilità dello stesso e consente di operare un'analisi
comparativa efficace di estesi patrimoni edilizi. I valori così
ottenuti sono stati raggruppati all'interno di classi di
vulnerabilità, tenendo anche in conto l'eventuale presenza di
criticità locali, desunte in fase di sopralluogo. Il metodo è stato
brevettato dal sottoscritto unitamente alla Provincia di Bologna.
E' stata effettuata un'estesa campagna di verifica, confrontando
anche i risultati con le risultanze di analisi di vulnerabilità di
livello superiore.
