Experimental study on fiber-reinforced concrete panels subjected to shear , Introduzione - Tesi

Ricerche sperimentali hanno dimostrato che aggiungendo alla miscela di calcestruzzo,

una certa quantità di fibre, i valori di duttilità e resistenza a taglio possono essere

grandemente incrementati.

Il problema reale per quanto riguarda il calcestruzzo fibroreinforzato, è la mancanza di

una regolamentazione, di un disegno semplice che stimi i risultati; per questo motivo

non è comunemente utilizzato nel mondo delle costruzioni, anche se è invece

ampiamente utilizzato in situazioni particolari, dove il rinforzo dato dalle fibre non è

essenziale per l'integrità e la sicurezza della struttura e delle persone che ne fanno uso.

Tre differenti tipologie di calcestruzzo sono state preparate e testate nell’Università di

Toronto: un primo set di solo calcestruzzo, un secondo di calcestruzzo contenente 1.0%

di fibre d’acciaio rispetto al volume di calcestruzzo, e un terzo contenente 2.0% di fibre

in polipropilene rispetto al volume di calcestruzzo.

Come verrà successivamente descritto, quattro diversi tipi di campioni sono stati

esaminati: cilindri, dog-bones, prismi e pannelli.

In ogni set di calcestruzzo preparato, un pannello è stato testato, tre dog-bones, otto o

nove cilindri e due prismi: lo scopo dei cilindri era di valutare il comportamento e i

valori dei provini quando sottoposti a compressione (facendo così paragoni tra le tre

diverse composizioni, pre- e post-picco), i dog-bones sono stati costruiti e testati per

verificare se, come descritto nella letteratura analizzata, l’aggiunta di fibre migliora il

comportamento a trazione del provino, le relazioni sforzo-deformazione e sforzo-

fessurative (facendo anche qui dei confronti tra le tre diverse mixture); i prismi vengono

poi utilizzati per analizzare il comportamento tensionale degli elementi fibroreinforzati

quando sottoposti a momento flettente (valutandone così la rigidezza flessurale), mentre

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1. INTRODUCTION

i pannelli sottoposti a carichi di taglio nel piano, sono utilizzati come membri

infinitesimali per poter poi ampliare il loro comportamento a elementi di dimensioni

superiori, verificandone la resistenza e la differenza di risposta tra fibre in acciaio e

fibre macrosintetiche.

Il contributo più significativo delle fibre nel miglioramento del comportamento del

calcestruzzo è stato evidenziato nella risposta a compressione post-picco: un

comportamento duttile, mostrato da un progressivo decadimento della curva è stato

trovato e, inoltre, una elevata capacità di assorbimento di energia del calcestruzzo è

stata osservata (Susetyo, nel suo programma sperimentale, ha ottenuto miglioramenti di

circa il 300% per alcuni provini).

La percentuale di fibra aggiunto a una matrice di calcestruzzo non ha modificato il

comportamento a compressione del calcestruzzo, infatti anche con una percentuale di

0.5% per volume, non è stato osservato un miglioramento significativo nella risposta

post-picco del calcestruzzo.

Il rapporto di forma delle fibre è l’aspetto di analisi più importante invece, perché

Susetyo dimostra che le fibre con alto rapporto di forma, sono state molto più

performanti di fibre con un basso rapporto di forma.

L’influenza delle percentuali di contenuto di fibre nella matrice di calcestruzzo, inoltre,

cambia il comportamento di tutto il provino: aumentando la quantità di fibre nella

matrice cementizia, il comportamento a trazione del calcestruzzo migliora

sensibilmente.

Quando 0.5% in volume di fibre è stato aggiunto alla matrice, anche se una riduzione

della resistenza è stata osservata subito dopo la fessurazione, il calcestruzzo conserva

ancora una piccola quantità di forza residua (Susetyo, 2009). Aumentando la

percentuale di fibre presenti, fino a 1.0% e 1.5% la risposta pre-fessurativa del

calcestruzzo non subisce alcuna modifica rispetto allo 0,5% in volume di fibra, ma il

comportamento post-fessurativo subisce un ulteriore miglioramento

L'influenza del tipo di fibra è visibile dalle principali differenze ottenute: fibre di acciaio

più corte erano più efficaci di fibre più lunghe, a frazione di volume di 1.0%, forse a

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1. INTRODUCTION

causa del fatto che vi è un gran numero di singole fibre nella miscela per fibre di acciaio

più corte, ad una data frazione di volume.

Quando le fessure nel calcestruzzo aumentano, le fibre più corte cominciano a perdere

la capacità di supporto del carico rapidamente, e la sollecitazione residua decresce

velocemente, portando a risultati peggiori di quelli ottenute da fibre più lunghe.

La risposta dei campioni MSNFRC è stata diversa: il calo dopo la fessurazione era più

accentuato rispetto alle fibre in acciaio, indipendentemente dalla percentuale di fibre

contenute nell’impasto, inoltre, una grande larghezza delle fessure è stata richiesta

prima che le fibre macro-sintetiche iniziarono a supportare il carico.

Tuttavia, nonostante questo calo iniziale, la risposta delle MSNFRC è migliorata: nella

maggior parte dei casi la massima sollecitazione a trazione residua si è verificata a una

larghezza fessurativa molto maggiore rispetto al modello SFRC, molto più del 150%

della sforzo di ingaggio.

Ad una larghezza fessurativa da 2,4 mm a 2,8 mm, le fibre di acciaio hanno cominciato

a perdere forza di legame dovuto al raddrizzamento della curvatura, le fibre macro-

sintetiche hanno invece mostrato un comportamento più favorevole a questo livello di

fessurazione (Carnovale, 2013).

La flessibilità della fibra è una proprietà significativa che influenza l'impegno delle fibre

macro-sintetiche: a prima fessurazione, alcune fibre sono orientate in direzioni non

ortogonali alla fessura; queste fibre devono piegarsi intorno ai punti di ingresso della

matrice su entrambi i lati della fessura e divenire così allineate con la direzione del

carico, prima di diventare efficaci e supportare così il carico applicato: questo non

avviene istantaneamente e qualche altra fessura è necessaria per permettere che questo

allineamento si verifichi. Questo spiega la necessità di una grande apertura della fessura

prima che queste fibre vengano ingaggiate.

Pertanto, in presenza di una piccola fessura, solo fibre perfettamente allineate

perpendicolarmente alla crepa possono trasmettere significativo sforzo di trazione

attraverso la fessura stessa. 5

1. INTRODUCTION

Provini a momento flettente mostrano che fibre di acciaio corte sono più efficaci per una

residua capacità di carico perché più fibre sono ancora presenti a trasmettere il carico

attraverso la fessura: con un minimo di 1.0% in volume delle fibre corte si è trovato un

gran valore di incrudimento.

Fibre più lunghe hanno più duttilità.

Per la risposta delle fibre in polipropilene, la bassa larghezza fessurativa non permette il

repentino ingaggio delle fibre stesse: questo può essere attribuibile alla bassa rigidità

delle fibre, come notato nei dog-bones, ad un alto dislocamento mezzeria di oltre 4 mm.

Era evidente che le fibre macro-sintetiche, nonostante un maggiore calo improvviso di

carico dopo la fessurazione, hanno dato significativi miglioramenti nella residua

capacità di carico, tenacità e duttilità su calcestruzzo; questo miglioramento era simile a

quella del 1.0% in volume di fibre d'acciaio con la stessa lunghezza, in coerenza con i

risultati sperimentali di Richardson (2010).

In conclusione, i seguenti risultati possono essere scritti, come risultato di questo lavoro

sperimentale:

1. Il comportamento a compressione pre-picco è stato in qualche modo influenzato

dalla presenza delle fibre. Modulo di elasticità e forza compressiva presentano

alcune differenze: un valore inferiore di modulo elastico ed una forza peggiore

del picco in compressione;

2. Il comportamento a compressione post-picco del calcestruzzo è stato migliorato

grazie all’aggiunta di fibre: la deformazione a sollecitazione di picco è stata

aumentata per tutti i provini di calcestruzzo fibroreinforzato, con maggiori

risultati per duttilità e tenacità in compressione; fibre di acciaio corte hanno

esibito il comportamento migliore e ottenuto ulteriori miglioramenti nella

robustezza;

3. La risposta di 2.0% in volume di MSNFRC era simile a quello del 1.0% in

volume di SFRC;

4. Dopo la rottura, tutti i campioni FRC hanno esibito un rilascio graduale e duttile

del carico, poiché o la fibra era stata estratta gradualmente dal provino, o si era

rotta sempre gradualmente; 6

1. INTRODUCTION

5. Poche fibre macro-sintetiche si sono rotte, il che significa che sarebbe necessario

un carico di rottura più elevato per queste fibre, se rigidità e ancoraggio sono

migliorati;

6. In tensione flessionale, sono stati ottenuti gli stessi risultati: calcestruzzo

fibroreinforzato sottoposto a quattro punti di carico ha esibito incrudimento,

seguito da un rilascio controllato e duttile del carico;

7. Prove di taglio nel piano mostrano che la risposta ottenuta dal campione SFRC

contenente 1.0% in volume di fibre di acciaio era simile a quello di basse

quantità di staffe; la capacità di resistenza MSNFRC non era sufficiente per

ottenere lo stesso risultato;

8. Pannelli in MSNFRC hanno esibito una duttilità migliore rispetto al

convenzionale cemento armato e calcestruzzo fibroreinforzato.

In generale, i campioni di calcestruzzo fibroreinforzato hanno dato risultati migliori

in termini di forza post-fessurativa, mentre i campioni MSNFRC hanno esibito

risultati migliori in termini di duttilità e capacità di resistenza residua a livelli

significativi di fessura

I risultati di questa tesi, mostra una serie di possibili futuri lavori nella scoperta del

"mondo delle fibre":

1. Ulteriori indagini nello studio della fibra macro-sintetica sono indispensabili, per

comprendere meglio il comportamento e il legame per aumentare la rigidità e la

resistenza a trazione della fibra stessa.

2. Nuovi tipi di fibre possono essere studiati su vasta scala, come fatto in questo

programma sperimentale.

3. Sono necessari affidabili test di trazione su nuove generazioni di MSNFRC, per

determinare la forza di legame corretta, utilizzando poi tale valore nella

modellazione numerica e nella modellazione a elementi finiti.

4. Utilizzando i risultati del punto precedente, la letteratura analizzata e la ricerca

possono essere ulteriormente variati e verificati.

5. È necessaria una valutazione degli effetti delle fibre macro-sintetiche sul

comportamento di irrigidimento a tensione per il cemento armato. 7

1. INTRODUCTION

6. Cocktail di fibre possono essere studiati utilizzando acciaio e fibre macro-

sintetiche con la percentuale corretta, per mostrare se