Comportamento a taglio di elementi murari rinforzati con compositi FRCM in fibre naturali
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Venneri, Assunta
Olivito, Renato S.
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Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, Ciclo XXIV,a.a. 2008-2011; Nel presente lavoro, svolto nell’ambito del dottorato di ricerca, si è affrontato
l’argomento della progettazione strutturale sostenibile attraverso lo studio di
un sistema di rinforzo costituito da materiali a basso impatto ambientale. È
stata analizzata, in particolare, la possibilità di sviluppo di un nuovo
composito a matrice cementizia da impiegare nel campo della riabilitazione
strutturale e dell’adeguamento sismico come rinforzo esterno di elementi in
muratura. La fase fibrosa è rappresentata anch’essa da materiali non
convenzionali ed eco-sostenibili, composti da fibre naturali di canapa e di lino
nella forma di nastri e tessuti uni e bi-direzionali.
Riguardo l’uso dei sistemi FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix),
costituiti da leganti inorganici idraulici in sostituzione delle resine epossidiche
dei più tradizionali FRP (Fiber Reinforced Polymer), numerosi sono ormai gli
studi sperimentali presenti nella letteratura scientifica che li vedono accoppiati
a fibre di natura sintetica (vetro, carbonio, PBO, etc.). Tali indagini hanno dimostrato buone caratteristiche di adesione alla muratura, buona resistenza
alle alte temperature e, con un’opportuna scelta della fase di rinforzo, buone
caratteristiche meccaniche. Meno apprezzabile è risultata invece la
compatibilità con le fibre. Prove sperimentali di delaminazione eseguite su
murature e/o su elementi resistenti in laterizio/pietra rinforzati, hanno
evidenziato, infatti, la frequenza di una modalità di crisi per perdita di
aderenza tra la matrice e l’elemento di rinforzo. Il problema dello
“scollamento” delle fibre dall’adesivo (debonding) è alla stregua del
fenomeno del distacco del materiale composito dalla parte superficiale del
supporto murario (peeling, tipico dei sistemi con FRP), poiché entrambe le
tipologie di rottura si manifestano all’interfaccia tra gli strati impedendo al
materiale di rinforzo di lavorare al massimo delle proprie prestazioni a
trazione.
Nell’ambito delineato, la scelta di impiegare fibre lunghe naturali (NF) in
sostituzione delle fibre artificiali sintetiche comunemente impiegate nel
campo dei rinforzi strutturali con compositi rappresenta un’innovazione
assoluta. Si tratta di materiali con modeste caratteristiche meccaniche ed
elastiche ma del tutto paragonabili alle fibre di vetro di medie prestazioni. L’attività sperimentale condotta per il presente studio ha avuto lo scopo di indagare preliminarmente la compatibilità di tali fibre con una matrice
cementizia specifica per sistemi di consolidamento esterno e,
successivamente, di valutare l’efficacia del materiale composito ottenuto
(NFRCM) quando applicato a elementi in muratura di mattoni pieni sottoposti
ad azioni di taglio nel piano.
Più specificamente, dopo una prima fase di caratterizzazione a trazione dei
nastri, affiancata a una campagna di prove di tipo pull-out su elementi in
laterizio fibrorinforzati, si è proceduto a una serie di prove di compressione
diagonale su campioni di muratura privi di rinforzo e su campioni rinforzati,
consentendo di rilevare l’efficacia del rinforzo in termini di capacità resistente
e rigidezza al taglio. Le strisce di materiale composito sono state applicate su
ambo le superfici regolarizzate dei pannelli murari secondo le disposizioni
geometriche in diagonale e a reticolo a maglie quadrate. Le prove di aderenza
e quelle di taglio nel piano sono state ripetute utilizzando un tessuto in fibre di
vetro immerso nella stessa matrice in cui sono state impregnate le fibre
naturali, allo scopo di eseguire un confronto con i materiali di rinforzo
comunemente impiegati nei sistemi FRCM.
Alla campagna sperimentale, infine, è stata accostata un’analisi numerica atta
a fornire dei modelli capaci di descrivere il comportamento sperimentale
esibito dai provini murari durante le prove di laboratorio. In particolare, i
pannelli sono stati discretizzati all’interno del codice di calcolo LMGC90 e le
strisce di composito modellate tenendo conto solo della modalità di rottura a
trazione delle fibre nell’ipotesi di perfetta aderenza al supporto murario. Il
codice risulta essere particolarmente adatto alla modellazione della muratura,
basandosi su un metodo agli elementi distinti (DEM) che adotta un algoritmo
di risoluzione completamente implicito (Non Smooth Dynamic Contact
method). In particolare, esso è utilizzato per modellare il comportamento
globale di sistemi discreti considerando il comportamento dinamico proprio di
ogni componente in interazione con gli altri elementi. Le analisi numeriche
risultano in buon accordo con le risultanze sperimentali, mostrando la validità
di questo primo approccio di modellazione numerica per la muratura
rinforzata.
Parole chiave: Muratura, Rinforzo, FRCM, Fibre naturali, Compressione
diagonale,Modellazione; Università degli Studi della CalabriaSoggetto
Scienza delle costruzioni; Materiali compositi
Relazione
ICAR/08;