PARC_CL 2.1 crack model for the capacity assessment of new and existing reinforced concrete structures using non-linear finite element analysis

In Italia le strutture in calcestruzzo armato non duttili, progettate e costruite in zone dichiarate sismiche dalla attuale normativa, costituiscono una importante porzione del patrimonio edilizio. Tali strutture sono state progettate per resistere ai soli carichi gravitazionali, senza considerare le azioni indotte dal sisma; di conseguenza gli elementi strutturali di questi edifici sono spesso sottodimensionati e privi degli opportuni dettagli costruttivi. Queste carenze generano meccanismi di collasso tipicamente legati a rotture fragili lato calcestruzzo o all’instabilità delle barre verticali, non individuabili in edifici di nuova costruzione. Inoltre, la maggior parte di tali edifici risale al trentennio post-bellico e ha quindi raggiunto e superato la propria vita utile; si configurano pertanto scenari di degrado e decadimento anche delle proprietà meccaniche degli elementi strutturali. I recenti e passati eventi sismici (l’Aquila, 6 Aprile 2009; Finale Emilia; 20 Maggio 2012; Medolla, 29 Maggio 2012; Rieti, 24 Agosto 2016; Norcia, 30 Ottobre 2016) hanno mostrato l’elevata vulnerabilità del patrimonio edilizio italiano, rendendo il tema della modellazione di edifici esistenti di grande attualità e interesse. Questi sono stati i presupposti che hanno indotto alla realizzazione di un modello fessurativo per la previsione della risposta strutturale di edifici in cemento armato sia nuovi che esistenti denominato PARC_CL 2.1 (abbreviazione di Physical Approach for Reinforced Concrete under Cyclic Loading condition). Il modello PARC_CL 2.1 consente di valutare le deformazioni plastiche e irreversibili in fase di scarico-ricarico sia del calcestruzzo sia dell’acciaio. Tali fenomeni sono di rilevante importanza nelle analisi cicliche statiche e dinamiche in quanto in tali tipi di sollecitazione è sempre prevista una componente plastica ed irreversibile della deformazione. Il modello fessurativo PARC_CL 2.1 è stato implementato come user subroutine all’interno di un programma ad elementi finiti (ABAQUS) al fine di conciliare la necessità di un’accurata modellazione del comportamento del materiale con le potenzialità di un valido solutore commerciale. Il modello consente inoltre di valutare gli effetti indotti dal ritiro oltre che l’interazione tra acciaio e calcestruzzo fessurato (tension-stiffening). Il modello PARC_CL 2.1 è stato infine esteso alla valutazione del comportamento di strutture esistenti, implementando, in prima analisi, due legami costitutivi per l’acciaio capaci di simulare il danno delle armature longitudinali a compressione. L’instabilità (buckling) delle armature longitudinali può influenzare in modo consistente la risposta degli elementi strutturali in cemento armato specialmente quando si parla di edifici esistenti realizzati con scarsa qualità esecutiva e caratterizzati da staffature inadeguate o talvolta assenti. Infatti, le strutture in cemento armato, costruite prima dell’entrata in vigore dei codici sismici moderni, erano progettate per resistere ai soli carichi gravitazionali, senza perciò considerare le azioni indotte dal sisma. Gli elementi strutturali di tali edifici presentano generalmente una sezione trasversale sotto dimensionata che, quando sottoposta a grandi deformazioni trasversali e/o cicliche, subisce rotture per espulsione del copriferro con conseguente fenomeno di buckling delle armature longitudinali. Infatti, durante inversioni di carico il calcestruzzo nella zona compressa impedisce lo sviluppo di elevate deformazioni di compressione nell’acciaio, ma quando il calcestruzzo perde la sua resistenza, come nel caso di espulsione del copriferro, è probabile lo sviluppo di alte deformazioni di compressione nelle armature con conseguente rottura per buckling. L'unico fattore che si oppone all'inarcamento delle armature longitudinali sono le staffe trasversali che, se presenti, non devono però avere passi troppo elevati per essere efficienti. Nelle analisi non lineari agli elementi finiti il buckling delle armature può essere colto in diversi modi, ricorrendo ad esempio ad una modellazione dell’armatura discreta, inserendo elementi di interfaccia acciaio- calcestruzzo e considerando la non linearità geometrica. Nel caso di modelli fessurativi, come il modello PARC_CL 2.1, risulta invece necessario adottare un legame costitutivo per l’acciaio che sia in grado di considerare gli effetti indotti dal buckling. Il confronto delle evidenze sperimentali con i risultati ottenuti dalle analisi non lineari agli elementi finiti condotte con il modello fessurativo PARC_CL 2.1 ha dimostrato l’efficienza e le potenzialità del modello proposto. Futuri sviluppi saranno necessari per l’applicazione del modello alla valutazione del comportamento sismico di strutture degradate.