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prof. ing. Andrea Benedetti
Dip. DICAM, Univ. di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 BOLOGNA
E-mail: [email protected]
PISTOIA19 ottobre 2012
Riduzione della Vulnerabilità Sismica di Edifici Monumentali Con Materiali
Fibrorinforzati
Objective
• Presentation of Italian guide lines concerning the strengthening of concrete, masonry and timber structures with FRP materials.
• Calibration of parameters through extensive laboratory testing and statistic analysis.
• Inclusion of different collapse mechanisms toward capacity estimation of the most common strengthening layouts.
Emilia earthquake• Two different sources,
not very deep, max acceleration 0.3, magnitudo 5.9
CNR DT 200/2012 content
4
1 FOREWORD ................................................................................................................................. 1
2 MATERIALS ................................................................................................................................. 7
2.1 INTRODUCTION ................................................................................................................. 7
2.2 CHARACTERISTICS OF COMPOSITES AND THEIR CONSTITUENTS ...................... 7
2.3 FRP STRENGTHENING SYSTEMS ................................................................................. 24
2.4 QUALITY CONTROL ........................................................................................................ 31
2.5 ACCEPTANCE CRITERIA ................................................................................................ 34
2.6 TRANSPORTATION, STORAGE AND HANDLING ..................................................... 36
3 BASIS OF DESIGN FOR FRP STRENGTHENING ............................................................. 37
3.1 BASIC REQUIREMENTS .................................................................................................. 37
3.2 DURABILITY REQUIREMENTS ..................................................................................... 37
3.3 GENERAL PRINCIPLES OF THE STRENGTHENING DESIGN .................................. 38
3.4 PARTIAL FACTORS ......................................................................................................... 40
3.5 SPECIAL DESIGN PROBLEMS AND RELEVANT CONVERSION FACTORS .......... 41
3.6 STRENGTHENING LIMITATIONS IN CASE OF FIRE ................................................. 43
Reinforced concrete
4 STRENGTHENING OF REINFORCED AND PRESTRESSED CONCRETE
STRUCTURES ............................................................................................................................ 44
4.1 DEBONDING MECHANISMS .......................................................................................... 44
4.2 FLEXURAL STRENGTHENING ...................................................................................... 49
4.3 SHEAR STRENGTHENING .............................................................................................. 56
4.4 TORSIONAL STRENGTHENING .................................................................................... 60
4.5 CONFINEMENT ................................................................................................................. 62
4.6 FLEXURAL STRENGTHENING OF PRESTRESSED CONCRETE MEMBERS ......... 68
4.7 DESIGN FOR SEISMIC APPLICATIONS ........................................................................ 69
4.8 INSTALLATION, MONITORING, AND QUALITY CONTROL ................................... 74
4.9 NUMERICAL EXAMPLES ............................................................................................... 79
Masonry Structures
5 STRENGTHENING OF MASONRY STRUCTURES ........................................................... 80
5.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 80
5.2 SAFETY EVALUATION ................................................................................................... 81
5.3 EVALUATION OF DEBONDING STRENGTH ............................................................... 83
5.4 SAFETY REQUIREMENTS .............................................................................................. 86
5.5 STRENGTHENING OF STRUCTURAL MEMBERS WITH SINGLE OR
DOUBLE CURVATURE .................................................................................................... 94
5.6 CONFINEMENT OF MASONRY COLUMNS ................................................................. 97
5.7 DESIGN FOR SEISMIC APPLICATIONS ...................................................................... 103
5.8 INSTALLATION, MONITORING, AND QUALITY CONTROL ................................. 105
ENHANCEMENTS•The fracture energy formula has revised coefficients,•The effective length of externally bonded reinforcements has been updated,•A formula for shear design of panels with cross diagonal reinforcement was added.
Support detachment
2f f
ed uFd
max ,150mm8
E tl s
b GFd bm btm
k kf f
FC
kG is the slip factor fixed as:0,031 mm for clay bricks,0,032 mm for tuff stones,0,012 mm for calcarenite stones.
lb l
e
b
bf t
f
Fmax
Spread factor
a+c=bd
bf a
c
bf a c
a+c=bd
bf
c
a
fb
f
3 /
1 /
b bk
b b
Length wise ULS stress
f Fdfdd
f,d f
21( ) ( )
Ef x x
t
ed ed
( ) 2 if
1 ( ) 2 if
( ) 2 if 3
ed
ed
ed
x xx x l
l l
x x l
x x l
Detachment verification
• A) FRP from regularization layer:– As usual………
• B) regularization layer from bricks or stones– New verification of homogenized
material !!
h f rt t t f f r rh
h
E t E tE
t
,
Diagonal strengthening
D Rd Rd,m Rd,f Rd,maxmin ,V V V V
Rd,m vdRd
1V d t f
vd 0 0
0
0,4 1 mvk m vk
vk
f f ff
Cross Reinforcement
Rd fddRd,1 Rd,2
f
1min , min 0.005,
sin cos
f
H H E
Rd,m 2RdRd f fsin cos
0.005
VV E A
H
Rd Rd,m fdd fcosV V f A
a upper limit to the FRP contribution can be defined as:
Support detachment tests
• Experimental test of Garbin (solid) and Pfeiffer (hollow) bricks
Calibration of data
• Briccoli Bati tests with increasing anchored length
kG [mm]
Le [mm]
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
Briccoli Capozzucca Casareto Garbin Rilem GFRP Sacco Olivito Lourenco Pfeiffer RILEM CFRP
All data together
kG [mm]
(fc ft)0,5 [MPa]
Final back calculation
• The design value is obtained as 5% fractile of the distribution
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
Perfect
Best Fit kG = 0,065
Design kG = 0,031
Ffu,exp [kN]
Ffu,th [kN]
Calibration of cross reinforced walls
• Tests of Marcari et Al. - Naples
Comparison of back calculation
• In general URM strengths are in excess• Limiting drift to 0.5% gives results on the safe
side
Table 2: Results of the examined walls fvk,exp fvk,1 fvk,2 ffdd Nfd Vfmax Vu+4 Vfmax Err. 1 f,max max Vurm Err. A VRdm Err. B MPa MPa MPa MPa kN kN kN % kN % kN %
0,67 0,78 0,67 1005 20,8 16,9 291,7 12% 0,0076 0,0050 225,4 -1% 268,6 19% 0,50 0,44 0,44 1151 15,0 10,6 182,6 1% 0,0100 0,0050 123,6 12% 161,3 13% 0,50 0,44 0,44 814 21,2 15,1 200,2 -2% 0,0071 0,0050 123,6 12% 182,5 7% 0,50 0,44 0,44 1151 29,9 21,3 225,1 -5% 0,0100 0,0050 123,6 12% 182,5 15% 0,50 0,44 0,44 814 42,3 30,1 260,4 -4% 0,0071 0,0050 123,6 12% 225,1 10% 0,50 0,44 0,44 1151 44,9 31,9 267,7 -5% 0,0100 0,0050 123,6 12% 203,8 20% 0,50 0,44 0,44 1151 59,8 42,6 310,3 -16% 0,0100 0,0050 123,6 12% 225,1 16% 0,17 0,35 0,31 487 16,3 11,2 176,4 -2% 0,0042 0,0042 246,8 -87% 156,5 9% 0,17 0,35 0,31 339 7,5 5,2 152,4 2% 0,0092 0,0050 246,8 -87% 143,0 8% 0,17 0,35 0,31 345 23,0 15,8 194,8 4% 0,0030 0,0030 246,8 -87% 142,2 30% 0,17 0,35 0,31 240 10,6 7,3 161,0 1% 0,0065 0,0050 246,8 -87% 154,3 6%
Rationale
• 8 years of use of the italian guidelines showed the accuracy of the fracture mechanics approach
• The re-examination of a huge database of experimental debonding tests allowed a careful calibration; parameters however did not change consistently
• A new reinforcement mechanism was added; rules for cross reinforced panels performed well in relation to available experiments
• Strengthening of buildings damaged by earthquakes needs a systematic use of guide lines in order to avoid personal interpretation of designers
19
20
Tipologie di rinforzo flessionale con strisce e lamine FRP
I N
T E
R V
E N
T I
21
Verifiche a Pressoflessione (SLU)
• PRESSOFLESSIONE• momento ultimo resistente calcolato assumendo la
muratura non reagente a trazione ed una opportuna distribuzione non lineare delle compressioni
20 01
2ud
L tM
k f
Mu momento corrispondente al collasso per pressoflessione,L larghezza complessiva della parete (inclusiva della zona tesa),t spessore della zona compressa della parete,0 tensione normale media, riferita all’area totale della sezione
Se P è di trazione, Mu=0,fd = fk/m resistenza a compressione di calcolo della muratura.
In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere assunto pari allo 0.8% dell’altezza del pannello.
A
N
A
L I
S
I
22
Verifiche a Taglio (SLU)• TAGLIO
• La verifica a taglio di ciascun elemento strutturale si effettuerà considerando la parte di sezione compressa
L’ larghezza della parte compressa della paretet spessore della paretefvk definito al punto 2.3.2.1 del D.M. 20.11.87, calcolando la tensione
normale media sulla parte compressa della sezione (n = P/l’t).
In caso di analisi statica non lineare lo spostamento ultimo potrà essere assunto pari allo 0.4% dell’altezza del pannello
' vkt
M
L t fV
0 00.4 min 1.4 ;1.5 MPavk vk bkf f f
A
N
A
L I
S
I
23
Pressoflessione di pannelli rinforzati• Equilibrio limite della
compressione esterna, della resistenza a delaminazione del rinforzo, delle compressioni al piede e del taglio esterno
( ) ( )2 3 2d tot
B z BM N F F d
I N
T E
R V
E N
T I
24
Verifica di pannelli - 1
– Sezione pressoinflessa
– compressione nella muratura, pari a 0.85 fmd
– Deformazioni massime pari a f,max
– Ancoraggi alla base
N
V
M
Afl
Afv
A
N
A
L I
S
I
25
Verifica di pannelli- 2
• Qualora sia garantita la formazione del traliccio resistente, la resistenza di progetto a taglio della muratura rinforzata è calcolata come somma dei contributi della muratura e del rinforzo
• Il valore limite massimo è il taglio che provoca la rottura delle bielle compresse del traliccio:
Rd Rd,m Rd,f Rd,maxmin ,V V V V
A
N
A
L I
S
I
26
Verifica di pannelli - 3
• Nel caso in cui il rinforzo a taglio sia disposto parallelamente ai corsi di malta, i contributi possono essere valutati come segue:
Rd,m vdRd
1V d t f
fw fdRd,f
Rd f
0.61cos sin
d A fV
p
hRd,max md0.3V f t d
A
N
A
L I
S
I
27
Esempio di Pannello Rinforzato
Ø 4 – GFRP (13 mm2) a passo di 200 mm
2.40
3.50
280 kN
,0
2.4280 336 kN
2RdM
, ( )2 2Rd f f Sd f
d d yM S N S
0.8Sd M
m mk
Ny
t f
, 43.7 1.2 (280 43.7) (1.2 0.2 / 2) 376 kNm (+12 %)Rd fM
, 28 1.2 (280 28) (1.2 0.2 / 2) 342 kNm (+2 %)Rd fM
,max 330 kNfF
, 330 1.1 (280 330) (1.2 0.3/ 2) 1003 kNm (+198 %)Rd fM
A
N
A
L I
S
I
28
Verifica a Taglio
• Resistenza delle barre di repointing:
• Resistenza a taglio della muratura:
• Resistenza a taglio del rinforzo:
• Valore del taglio resistente di progetto:
21000.75 1312 MPa
1.2Rdf
,m 0
2.40.4 200 0.5 0.4 280 232 kN
2Rd vk m m SdV f t y N
,
0.6 0.6 2.2 26 1312225 kN
0.2 1000Rd f f Rdf
dV A f
s
, , 232 225381 kN (+ 64 %)
1.20Rd m Rd f
RdRd
V VV
A
N
A
L I
S
I
29
Rinforzo con barre FRP di colonne in pietra
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10Abbassamento (mm)
Car
ico
(kN
)
Non rinforzato
2 barre
3 barre
campione carico rottura
fmc sperim.
fmc teorico
fmc / fm
senza rinforzo 294 3,27 - - Con 3 barre per piano 497 5,52 5,22 1,70 Con 2 barre per piano 413 4,58 4,00 1,40 [kN] [MPa] [MPa] [-]
I N
T E
R V
E N
T I
30
Rinforzo di archi e volte in muratura– La sperimentazione mostra che si possono
ottenere resistenze di gran lunga maggiori di quelle iniziali
Case Reinforcement Peak Load Stiffness Ductility
A - 450 100 1.39B Discontinuous 700 150 1.48C Continuous 12.5 mm 3560 920 1.32
D Continuous 25.0 mm 4520 1050 1.48
E Continuous 50.0 mm 6580 1250 1.66
[N] [N/mm] [-]
A
CB
D
E
I N
T E
R V
E N
T I
31
Interventi su strutture murarie curveI
N T
E R
V E
N T
I
L’elevata flessibilità e maneggevolezza dei materiali FRP li rende molto efficienti per il rinforzo di strutture curve
32
Chiesa di S. Martino in Casole (BO)
• La chiesa presentava numerose fessure nelle volte per effetto di paleo cedimenti
• Erano presenti errori costruttivi quali catene fuori asse o mancanti
• Le pareti principali avevano un grande rischio di ribaltamento
• L’attacco tra chiesa e campanile avveniva su di un muro completamente lesionato
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
33
Chiesa di S. martino (1)S
. M
A R
T I
N O
I
N
C A
S O
L E
(
B O
)
34
Chiesa di S. martino (2)S
. M
A R
T I
N O
I
N
C A
S O
L E
(
B O
)
35
Chiesa di S. Martino (3)S
. M
A R
T I
N O
I
N
C A
S O
L E
(
B O
)
36
Chiesa di S. Martino (4)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 0,04 0,08 0,12 0,16
Percent. di elementi a collasso
Coeff. Minimo di sicurezza
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
37
Chiesa di S. martino (5)
320
320
210
210
195
195
230
230
198 198 198 198
INTERVENTO N°1CONTROVENTATURE CAPRIATE (SCHEMA) SCALA 1:100
PARTICOLARE A
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
38
Chiesa di S. Martino (6)
2 BARRE IN FRP Ø6mmIN INTAGLI RIEMPITI
STRISCE IN FRP 150mmGRAMMATURA 400SPESSORE 0,22mm
INTERVENTO N°2 SCALA 1:20
-Repointing della muratura con strisce di tenuta in FRP (o lamine pultruse in FRP) (muratura intonacata)
Vista esterna
STRISCE IN FRP 150mmGRAMMATURA 400SPESSORE 0,22mm
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
39
Chiesa di S. Martino (7)
42
0
60
75
60
75
75
75
42
.5
46
0
75
75
75
75
37
.54
2.5
37
.5
792
64
03
90
39.6 75 75 75 131.4
24.537.5 37.5 37.5 75 75 109
INTERVENTO N°3CONSOLIDAMENTO DELLE VOLTE (SCHEMA) SCALA 1:100
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
40
Chiesa di S. Martino (8)
25
AS
SE
FO
RO
CA
TEN
A
CATENA 15X60
4Ø16 MACON RESINA HILTI
Catena esistente da smontare
25
INTERVENTO N°4 SCALA 1:20
-Spostamento e sostituzione catena
25
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
41
Chiesa di S. Martino (9)
D
D
INTERVENTO N°5 SCALA 1:20
-Repointing della muratura con barre orizzontali
MURATURA ESISTENTE
BARRA IN FRPAD ADERENZA MIGLIORATAØ4mm L 120mm
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
42
Chiesa di S. Martino (10)
40
40
80
1STRISCIA IN FRP B=100mm da 200 g/mq a passo di 400mml=800mm montata simmetriche rispetto alla fessurae dopo aver demolito l'intonaco.
INTERVENTO N°6B SCALA 1:20
-Repointing della muratura con strisce di tenuta in FRP(o lamine pultruse in FRP) (muratura intonacata)
intonaco
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
43
Chiesa di S. Martino (11)INTERVENTO N°7 SCALA 1:20
-repointing della muratura con barre orizzontali
MURATURA ESISTENTE BARRA IN FRPAD ADERENZA MIGLIORATAØ4mm
3 R
ICO
RS
I3
RIC
OR
SI
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
44
Chiesa di S. Martino (12) VERIFICA TAGLIO
01D 01D 02B 02B 11D
11D B02 B02
C04 C04
D01 D01 D06 D06
E06 E06
06D 06D
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
N°elementi
VERIFICA TAGLIO
03L
03L
03M
03M
04L
04L07M
07M
09L
09L
11A
11A
08C
08C12L
12L
A06
A06
I06
I06
I11
I11M03
M03
M04
M04
M12
M12
N05
N05
12M
12M
0
1
2
3
4
5
6
N°elementi
VERIFICA PRESSOFLESSIONE NEL PIANO
01D01D02B
02B
11D
11D
B02
B02
C04C04 D01D01
D06D06
E06
E06
06D06D
0
1
2
3
4
5
6
N°elementi
VERIFICA PRESSOFLESSIONE FUORI DAL PIANO
01D01D02B
02B11D
11D
B02
B02
C04
C04
D01
D01
D06
D06
E06
E0606D
06D
0
1
2
3
4
5
6
N°elementi
S.
M A
R T
I N
O
I N
C
A S
O L
E
(B
O)
45
Teatro Ebe Stignani a Imola - 1T
E
A
T
R
O
S
T
I G
N
A
N
I
B B
B
2° ORDINE DEI PALCHI
46
Teatro Ebe Stignani a Imola - 2
0.00
SEZIONE D-D
T
E
A
T
R
O
S
T
I
G
N
A
N
I
47
Teatro Ebe Stignani - Viste
48
Teatro Ebe Stignani a Imola - 3T
E
A
T
R
O
S
T
I G
N
A
N
I
49
Teatro Ebe Stignani a Imola - 4
m-
msd
m+
T
E
A
T
R
O
S
T
I
G
N
A
N
I
50
Teatro Ebe Stignani a Imola - 5T
E
A
T
R
O
S
T
I G
N
A
N
I
51
Teatro Ebe Stignani a Imola - 6T
E
A
T
R
O
S
T
I G
N
A
N
I
52
Teatro Ebe Stignani a Imola - 7
.50 .25.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50
.42
.50
.44.50
.42
.50
.42
.25
.50
.50
.50
.50
.50
.50 .52
.43 .46 .45.50
.50.50
.50.50
.51 .50 .50
.45.43
.42
.42.43
.41
.43
.42
.42
.41
.41
.50
.36
.35 .97 .80 .48
Pianta 1° ordine di palchi
12345
6
7
8
9
11
12
13
1415 16 17 18
19
T
E
A
T
R
O
S
T
I
G
N
A
N
I
53
Teatro Ebe Stignani a Imola - 8
Pianta 3° ordine di palchi
.18.37.37.37.37.37.37.37.37.37.37.37.37.51.40.41.41.41.41
.41.41
.41.41
.41.41
.42
.41
.41
.42
.42
.24
.17.66.79.82.27
.42
.58
.55
.53
.51
.49
.47
.46
.45
.44
.50
.54
.54
1.2
7
.57 1.82 1.81 .11
.71
.38
.31.35.35.35.35.35
.35.35
.35.35
.35.35
.35.35
.35
.35
.35
.35
.35
.35
.35.35
.35.35
.35.35
.35.35
.35.35
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.31
.50
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Teatro Ebe Stignani a Imola - 9T
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Teatro Ebe Stignani a Imola - 10
Pianta Galleria
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0.4
0.4
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0
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.40
1.79
1.78
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1.74
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Teatro Ebe Stignani a Imola - 11T
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Teatro Ebe Stignani a Imola - 12T
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