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Claudio Mazzotti

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ICAR/09 TECNICA DELLE COSTRUZIONI

Temi di ricerca

Parole chiave: calcestruzzo autocompattante sistemi prefabbricati materiali compositi identificazione dinamica danneggiamento del calcestruzzo calcestruzzo fibrorinforzato viscosità del calcestruzzo prove sulla muratura vulnerabilità sismica monitoraggio strutturale calcestruzzo geopolimerico BIM

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

6.3         Metodologie speditive per la valutazione della vulnerabilità sismica



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.