Meccanica del cemento armato sotto carico sismico

Il cemento armato è un materiale composito che combina l'elevata resistenza alla compressione del cemento con la resistenza alla trazione del rinforzo in acciaio. In condizioni di servizio normali, questo abbinamento si esegue in modo affidabile. Tuttavia, il carico sismico introduce forze rapide, cicliche e spesso imprevedibili che spingono il materiale oltre i suoi limiti elastici. La sfida consiste nel fatto che il terremoto è fragile in tensione e solo moderatamente duttile necessario in compressione, mentre il rinforzo in acciaio.

La risposta dello stress-strain del cemento armato sotto carichi sismici differisce notevolmente dal carico statico. I tassi di strana possono aumentare per ordine di grandezza, che interessa sia il cemento che l'acciaio. Il cemento mostra una maggiore resistenza apparente sotto carico rapido, ma questo viene con una duttilità ridotta. Il rinforzo dell'acciaio, mentre generalmente duttile, può sperimentare la fatica a basso ciclo quando è sottoposto a rese ripetute.

Meccanismi di fallimento primario in cemento armato

Il fallimento dei materiali nelle strutture in cemento armato sotto carichi sismici si manifesta attraverso diversi meccanismi distinti, che spesso interagiscono, con un tipo di guasto che ne innesca un altro.

Fallimento flessibile

In un fascio o colonna sottoposta a carichi laterali sismici, la tensione si sviluppa su un solo volto e la compressione sul volto opposto. La tensione è resistita da rinforzo in acciaio, mentre la compressione è portata dal cemento. Se l'acciaio si produce prima delle franture in cemento, il guasto è duttile, caratterizzato da grandi deflettori e da un'improvvisa flessione.

Guasto di taglio

In cemento armato, la cesoia è resistita da calcestruzzo nella zona di compressione, l'interlock aggregato attraverso crepe, l'azione del dowel di rinforzo longitudinale, e il rinforzo trasversale insufficiente (stirrups o ties). In carico sismico, la retromarcia ciclica delle forze di taglio può degradare questi meccanismi di resistenza crepe forma e di propagazione diagonale del fascio.

Fallimento di legame e di ancoraggio

Il trasferimento di stress tra rinforzo in acciaio e cemento circostante si basa sui meccanismi di legame, tra cui l'adesione chimica, l'attrito e l'interlock meccanico dalla superficie a coste di barre deformate. Sotto carico sismico ciclico, gli stress obbligazionari possono superare la capacità disponibile, portando a scivolare e perdere l'azione composita.

Insufficienza di compressione e schiacciamento cemento

Quando le tensioni di compressione superano la schiacciante tensione del cemento, il materiale perde la sua capacità di carico-portante. Nel carico sismico, il fallimento di compressione si verifica spesso in regioni di alto momento e carico assiale, come le estremità delle colonne e le core articolari.

Analisi dettagliata delle modalità di fallimento in condizioni sismiche

Ogni modalità di guasto mostra i modelli e la progressione caratteristici che possono essere analizzati attraverso l'osservazione, il test e la simulazione numerica.

Cracking Patterns e Propagazione

Il cracking è il primo segno di disagio in cemento armato sotto carichi sismici. Le crepe flessografiche formano perpendicolari all'asse membro in posizioni di alto momento, tipicamente vicino a metà della superficie in travi e a estremità della colonna. Come il caricamento continua e inversa, queste crepe si allargano e si estendono più in profondità nella sezione.

Meccanismi di spalling e perdita di copertura

Lo spalling si riferisce al distacco della copertura di cemento dallo strato di rinforzo. Si verifica quando lo stress di trazione dalla flessione, combinato con pressioni interne dall'espansione della corrosione o dal carico ciclico, supera la resistenza alla trazione della copertura di precipitazione del calcestruzzo. In eventi sismici, la spalling è più comune nelle regioni di cerniera di plastica dove si concentrano grandi deformazioni inelastiche.

Reinforcement in acciaio Rendimento e Frattura

Il rinforzo in acciaio produce tensioni quando gli stress di trazione raggiungono la resistenza al rendimento, tipicamente a ceppi di 0,002 a 0,003 per gradi standard. La snervatura non è un guasto immediato, ma segna l'inizio del comportamento inelastic.

Deteriorazione di Bond e Slip

Inizialmente, interruzioni di adesione chimica, seguita da schiacciamento delle chiavi di cemento tra costole a barre. Come i cicli continuano, la barra inizia a scivolare rispetto al cemento circostante, e la distribuzione di stress di legame diventa non uniforme. Slip aumenta deflettori e riduce la rigidità, causando il membro ammorbidire.

Fattori che amplificano il rischio di fallimento sotto carichi sismici

Diversi fattori materiali, di progettazione e di carico possono aumentare la probabilità o la gravità di guasto nelle strutture in cemento armato durante i terremoti.

Qualità e progettazione di miscela

La qualità del calcestruzzo influisce direttamente sulla sua resistenza, rigidità e durata. Il cemento ad alta resistenza alla compressione fornisce generalmente una migliore resistenza alla frantumazione e alla spalling, ma può anche essere più fragile. Il tipo aggregato, la dimensione e la gradazione influenzano il meccanismo di interblocco aggregato che contribuisce alla resistenza allo sforzo.

Rinforzo dettaglio e configurazione

Il rapporto tra la quantità, la spaziatura e la disposizione del rinforzo sono determinanti critici delle prestazioni sismiche. L'insufficiente rinforzo longitudinale riduce la capacità flessorale e assiale. L'insufficienza di rinforzo trasversale, o le rotture distanziate troppo distanti, può portare a guasto di taglio e a un confinamento basso del calcestruzzo di base. L'uso di barre rotonde semplici invece di barre deformate riduce la capacità di legame.

Configurazione strutturale e irregolarità

Le irregolarità nel piano, come gli angoli re-entrant, i tagli grandi, o la disposizione asimmetrica di elementi di resistenza laterale-carica, possono causare la risposta torsionale e le concentrazioni di stress. Le irregolarità verticali, comprese le storie morbide, le storie deboli, o brusche variazioni di rigidità o massa, creano zone di elevata domanda che sono inclini a guasto corto.

Condizioni di caricamento e caratteristiche di movimento terra

I terremoti non impongono le stesse esigenze su una struttura. Il contenuto di frequenza, la durata e l'ampiezza del movimento terra influiscono tutti sulla probabilità e il tipo di guasto. I terremoti a velocità con impulsi possono imporre elevate esigenze di duttilità alle strutture, aumentando il rischio di bassa fatica di ciclo in rinforzo.

Metodi analitici per la prevenzione e la valutazione del fallimento

Gli ingegneri utilizzano una gamma di metodi analitici e sperimentali per prevedere il fallimento dei materiali nelle strutture in cemento armato sotto carichi sismici, fornendo informazioni sui meccanismi di guasto, la capacità e la domanda quantificabili e le decisioni di progettazione guida.

Analisi degli elementi finiti

L'analisi degli elementi finiti è uno strumento potente per simulare la risposta non lineare delle strutture in cemento armato. I modelli costitutivi avanzati catturano il comportamento del calcestruzzo sotto gli stati di stress multiassiale, tra cui la crepatura, la frantumazione e l'ammorbidimento delle tensioni.

Metodi di prova sperimentale

I test di lettura sono stati effettuati in modo da garantire la massima sicurezza e la sicurezza dei ricercatori, che hanno permesso di valutare la risposta alla deformazione della forza, la dissipazione dell'energia e i modelli di danno.

Approcci empirici e basati su codici

I codici di costruzione come ASCE 7 e ACI 318 forniscono requisiti prescrittivi e metodi di analisi semplificati per il design sismico. Questi includono l'analisi della forza laterale equivalente, l'analisi dello spettro di risposta e l'analisi non lineare di pushover statico.

Strategie di Mitigazione e Design per prestazioni sismiche migliorate

Ridurre il rischio di guasti materiali sotto carichi sismici richiede un approccio proattivo che integra i principi di progettazione del suono, dettagli accurati e la costruzione della qualità.

Approccio di progettazione della capacità

Il design delle capacità è una filosofia che garantisce una modalità di guasto prevedibile e duttile progettando deliberatamente alcuni membri o sezioni per essere più deboli di altri. In una tipica implementazione, la resa flessografica è consentita in regioni di cerniera plastica designate di travi, mentre colonne e articolazioni sono progettate per rimanere essenzialmente elastiche. Questa gerarchia di resistenza mostra che le deformazioni inelastiche si verificano in luoghi che possono essere dettagliatamente terremoti per duttilità, impedendo un guasto in elementi critici.

Dutility e dissipazione energetica

La duttilità è la capacità di un materiale, un membro o una struttura per subire deformazione inelastica senza una perdita significativa di forza. Per cemento armato, la duttilità è raggiunta attraverso il contenimento del nucleo di cemento assorbito con un rinforzo trasverso strettamente distanziato, l'uso di rinforzo in acciaio duttile con una capacità di allungamento adeguata, e l'elusione di cesoia precoce o guasto di legame.

Tecniche di retrò sismica

Le strutture esistenti che non soddisfano gli standard sismici attuali possono essere restituite per migliorare le loro prestazioni. Le tecniche di retrofitting comuni includono l'aggiunta di giacche in cemento o acciaio a colonne e travi per aumentare la resistenza e il confinamento, l'installazione di bracing in acciaio esterno o pareti di taglio per fornire ulteriore resistenza al carico laterale, e l'utilizzo di polimero rinforzato a fibra per migliorare la configurazione di contenimento e flessione.

Controllo della qualità e pratiche di costruzione

Per garantire un corretto posizionamento di rinforzo, una copertura adeguata del calcestruzzo, e una corretta spaziatura e ancoraggio delle barre è essenziale per raggiungere le prestazioni sismiche previste. Le misure di controllo della qualità includono l'ispezione di casseforme e il rafforzamento prima di concretizzare, il test di forza e di lavorabilità del calcestruzzo, e la verifica del dettaglio della conformità con i disegni di progettazione.

Studi e lezioni di casi da parte dei principali terremoti

Gli eventi storici del terremoto forniscono lezioni inestimabili sul fallimento materiale nelle strutture in cemento armato. Il terremoto del 1985 Città del Messico ha rivelato la vulnerabilità degli edifici con storie morbide e confinamento inadeguato, portando a fallimenti di colonne e collassi di pancake. Il terremoto del 1994 in California ha evidenziato il rischio di insufficienza delle strutture trasversali registrate di recente.

Conclusioni

Il miglioramento delle capacità di costruzione del cemento e delle strutture di compressione sono fattori complessi, che si basano sull'interazione tra cracking concreto, resa in acciaio, deterioramento delle obbligazioni e frantumazione della compressione.