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Le strutture di calcestruzzo armato in zona sismica possono avere un comportamento strutturale non dissipativo o dissipativo. Nel primo caso, la progettazione è elastica e segue i principi comunemente impiegati per le combinazioni di azioni gravitazionali, tenendo conto di un’azione sismica il cui valore non è ridotto in quanto non si tiene conto delle capacità post-elastiche della struttura. Nel secondo caso, al fine di permettere l’espletamento di un comportamento di tipo dissipativo, si applica solitamente l’approccio della cosiddetta “progettazione in capacità”, eseguendo verifiche di duttilità locali tali da garantire una capacità globale in termini di spostamento della struttura coerente con la domanda sismica. Si impone l’espletamento di meccanismi di tipo duttile in corrispondenza di elementi opportunamente selezionati proteggendosi, al contempo, da crisi improvvise di tipo fragile.
La domanda in duttilità è funzione del fattore di comportamento “q”, assunto in fase di progetto e successivamente ottenuto mediante l’adozione di specifici accorgimenti progettuali (ad esempio in termini di dettagli costruttivi). La duttilità globale della struttura μd (intesa come capacità di sviluppare spostamenti oltre il limite elastico senza crisi di tipo fragile) è connessa alla duttilità a livello di elemento μθ (espressa solitamente in termini di rotazioni), alla duttilità a livello di sezione μχ (in termini di curvature) e, non da ultimo, alla duttilità di materiale μƐ (in termini di deformazioni). Nel caso di costruzioni di calcestruzzo armato, conseguentemente, risulta evidente come la capacità in termini di deformazione della barra di armatura influenzi significativamente il comportamento strutturale globale del manufatto.

Le normative attuali, di livello sia nazionale sia internazionale (D.M.17/01/2018; EN1998-1:2005; EN1992-1-1:2005), prescrivono requisiti minimi dei parametri meccanici delle barre d’armatura da impiegare per le costruzioni in zona sismica, in funzione della classe di duttilità (e conseguentemente delle prestazioni complessive) della struttura in cui si adottano. Sono quindi individuati valori minimi della tensione di snervamento – impiegata in fase di progetto – della duttilità in termini di deformazione a carico massimo (Agt) e in termini di rapporto di incrudimento (Rm/Re). Ad esempio, per costruzioni di c.a. realizzate in classe di duttilità alta, è consentito il solo impiego di armature longitudinali di classe “C”, aventi cioè valori minimi di Agt superiori a 7.5% e rapporto Rm/Re compreso tra 1.15 e 1.35.
Ad oggi, in Europa, la tipologia più diffusa di acciaio da barre d’armatura per costruzioni di c.a., in grado di soddisfare i limiti sopra citati garantendo al contempo costi di produzione relativamente contenuti, è il TempCore®.

Recenti pubblicazioni (e.g. Caprili et al “Cyclic behaviour of uncorroded and corroded steel reinforcing bars”, C.A. Apostolopulos et al “Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar”, W.Zang et al “Tensile and fatigue behaviour of corroded rebars”) hanno tuttavia evidenziato problemi di durabilità degli acciai tipo TempCore® in presenza di ambienti aggressivi (e.g. in presenza di fenomeni di corrosione) con conseguenti riduzioni significative della duttilità, talvolta al di sotto dei valori comunemente richiesti per le nuove costruzioni.
Negli ultimi anni, al fine di trovare una possibile soluzione al suddetto problema, sono state studiate alternative a livello di materiale, proponendone di nuovi con proprietà meccaniche comparabili a quanto attualmente richiesto da normativa – pertanto rapidamente impiegabili a livello progettuale – ed altresì caratterizzati da maggiore duttilità e, soprattutto, da una più elevata durabilità in presenza di corrosione.
Gli acciai Dual-Phase (DP), provvisti di una matrice di ferrite duttile in cui è inglobata una dura fase martensitica, ad oggi ampiamente utilizzati nel settore automobilistico per le loro eccellenti caratteristiche di resistenza, duttilità e durabilità, possono pertanto rappresentare una possibile valida strada da seguire.

Il lavoro svolto nella presente tesi si colloca all’interno delle più ampie tematiche del progetto di ricerca europeo NEWREBAR “NEW dual-phase steel Reinforcing Bars for enhancing capacity and durability of anti-seismic moment resisting frames” (RFS2-CT-2015-00023), finanziato dal Research Fund for Coal and Steel (RFCS) della Commissione Europea, avente lo scopo primario di sviluppare, caratterizzare ed applicare barre d’armatura tipo Dual-Phase al fine di migliorare la duttilità e la durabilità delle strutture di calcestruzzo armato.

L’obiettivo di questa tesi è duplice. Il primo obiettivo è quello di ottenere una caratterizzazione completa del comportamento strutturale di telai di c.a. armati con barre Dual Phase, il cui comportamento meccanico è stato già ampiamente caratterizzato all’interno del progetto NEWREBAR del quale si impiegano i risultati sperimentali. Inoltre, ci si propone di valutare l’efficacia dell’impiego degli acciai Dual-Phase in presenza di ambienti aggressivi (e.g. corrosione) a livello di sezione e di elemento.

A tal fine, i risultati della caratterizzazione sperimentale a livello di materiale, eseguita nei confronti di azioni monotone e cicliche su barre DP opportunamente prodotte, sono stati impiegati per l’effettuazione di un’analisi numerica del comportamento a livello di sezione e a livello di elemento. Sono state effettuate analisi parametriche su un elemento di riferimento (i.e. una mensola) per determinare l’influenza esercitata da alcuni parametri quali il rapporto geometrico di armatura, lo sforzo assiale, il diametro delle armature trasversali, il passo delle staffe e la lunghezza di cerniera plastica sulla risposta della sezione e dell’elemento, in termini di curvatura e rotazione. Il comportamento di elementi armati con barre Dual-Phase è stato paragonato a quello di elementi armati con barre ‘tradizionali’ quali quelle proposte dalle vigenti normative. È evidente altresì che la caratterizzazione del comportamento strutturale di elementi di c.a. con barre di nuova tecnologia necessita dell’esecuzione di prove sperimentali su campioni (e.g. sottostrutture tipo nodi trave-colonna, connessioni colonna-fondazione, ecc.) che possano permettere di comprendere a fondo le prestazioni di tali strutture. A tal fine, sono state eseguite prove sperimentali cicliche su prototipi in scala reale i cui risultati sono stati impiegati per la calibrazione di modelli numerici finalizzati a schematizzare il comportamento strutturale e a definire parametri/grandezze fondamentali quali rotazioni ultime, lunghezza di cerniera plastica, ecc.
Tenendo conto dei risultati della calibrazione dei modelli, sono state quindi svolte due applicazioni numeriche che prevedono l’utilizzo di acciai Dual-Phase: una relativa ad una struttura (caso studio) modellato in condizioni standard e una relativa ad un elemento di cemento armato modellato in condizioni di acciaio corroso.

Globalmente, i risultati del lavoro svolto mostrano che gli acciai Dual–Phase presentano interessanti caratteristiche dal punto di vista della duttilità e soprattutto della durabilità. In condizioni non corrose il comportamento di elementi e strutture armate con acciai DP e con acciai ‘tradizionali’ è paragonabile, permettendo pertanto il rapido impiego di acciai DP a livello di costruzioni civili. In presenza di ambienti aggressivi invece, si notano differenze comportamentali rilevanti, soprattutto per quanto riguarda la capacità rotazionale ultima dell’elemento. La microstruttura dei Dual-Phase infatti, fa sì che l’acciaio sia meno sensibile ai fenomeni di corrosione, dunque i parametri meccanici che lo caratterizzano degradano meno rispetto a quanto facciano quelli dell’acciaio tradizionale B450C, consentendo il mantenimento di migliori prestazioni anche per rilevanti livelli di corrosione.