Effetti del degrado sulle prestazioni sismiche di strutture in calcestruzzo

The degradation phenomena of RC structures in aggressive environment, may lead to a reduction of the global structural performance and to a significant change in the safety coefficients. The degradation process may be induced by various types of attack (physical, chemical, biological or mechanical), but in concrete the most serious deterioration mechanisms are those leading to the corrosion of reinforcing bars. Load carrying capacity and ductility properties of RC structures decrease as the level of rebar corrosion increases. Such effects become of great concern especially for structures located in seismic areas. The purpose of this study is to evaluate the consequences of degradation on the seismic performance of concrete buildings. In addition, another aim of the study is to understand how the level of these effects may depend on the choice of structural typology. For this reason, three case studies are analysed: a monolithic frames, a hinged frame and a dual system i.e. a monolithic frame plus a wall. After illustrating some models of the degradation processes, a propagation model over time is assumed in order to change the sectional properties of the structure according to the corrosive attack, in terms of bending moment versus curvature relationship. Push-over analyses are carried out to assess the global lifetime structural performance, using a structural model based on lumped plasticity finite elements, which allows to assign the appropriate laws in terms of bending moment versus curvature relationship at each critical section as a function of the level of corrosion of the reinforcement. The results are discussed in the terms of capacity curves and show a significant reduction in strength, stiffness and ductility for the three structural systems herein analyzed. Moreover, the comparison of the results shows that the choice of the structural system can influence its seismic performance over lifetime, depending on how the resisting structural elements are exposed to degradation.

I fenomeni di degrado, a cui sono sottoposte le strutture in calcestruzzo in ambienti aggressivi, possono portare ad una diminuzione della capacità di resistenza dell’intero sistema strutturale e ad una progressiva riduzione dei margini di sicurezza. Il degrado può essere indotto da vari tipi di attacco (fisico, chimico, biologico o meccanico), ma, nelle strutture in calcestruzzo armato, l’attacco più pericoloso è quello che porta alla corrosione delle armature. All’aumentare del livello di corrosione, la capacità di una struttura di resistere alle sollecitazioni agenti si riduce notevolmente. Questo effetto diventa particolarmente pericoloso per strutture situate in zona sismica. Lo scopo del presente lavoro è di valutare gli effetti del degrado sulle prestazioni sismiche di edifici in calcestruzzo. Inoltre, ci si pone l’obbiettivo di capire in che modo la portata degli effetti del degrado possa dipendere dalla tipologia strutturale scelta. Per tale motivo si sono analizzati tre diversi sistemi strutturali: un telaio monolitico, un telaio a pilastri isostatici e un sistema strutturale misto equivalente a pareti. Dopo aver illustrato alcuni modelli dei processi di degrado ad oggi sviluppati, per modificare le capacità strutturali in funzione dell’attacco corrosivo si usa un modello di propagazione nel tempo, che ha come variabile la variazione delle proprietà della sezione in termini di momento-curvatura. Per valutare l’evoluzione della risposta sismica nel tempo, si eseguono analisi statiche non lineari utilizzando un modello strutturale composto da elementi finiti a plasticità concentrata, che permette di assegnare opportune leggi di momento-curvatura ad ogni zona critica come funzione del livello di corrosione delle armature. I risultati sono espressi in forma di curve di capacità e mostrano una significativa riduzione in termini di resistenza, rigidezza e duttilità comune ai tre sistemi strutturali. Inoltre, il confronto fra questi evidenzia come la scelta del sistema strutturale può condizionare l’evoluzione delle prestazioni sismiche nel tempo, in funzione dell’esposizione a degrado degli elementi resistenti.