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Analisi teorica/sperimentale di travi in calcestruzzo armato rinforzate con sistemi Steel-FRCM: caratterizzazione dei materiali/comportamento strutturale sotto carico monotono e ciclico/valutazione della deformazione di distacco intermedia
(Università della Calabria, 2021-06-25) Nisticò, Mattia; Conte, Enrico; Bencardino, Francesco
Il presente lavoro di tesi si propone di studiare il comportamento strutturale di travi di calcestruzzo armato (c.a.) in scala reale sottoposte a caricamento monotono e ciclico, rinforzate esternamente con sistema Steel-Fabric Reiforced Cementitious Matrix (S-FRCM). Le travi testate a flessione sono rinforzate con una tecnica tradizionale Externally Bonded (EB) e con una tecnica innovativa chiamata Inhibiting-Repairing-Strengthening (IRS) che prevede l’applicazione del sistema di rinforzo all’interno del ricoprimento di calcestruzzo con una opportuna matrice inorganica a base di polimeri di natura minerale, avente proprietà di inibizione dalla corrosione delle armature interne. I risultati sperimentali hanno evidenziato l’efficacia della tecnica IRS che, rispetto alla tecnica tradizionale EB, ha fatto registrare maggiori incrementi di carico ultimo e di fattore di duttilità. Inoltre, l’uso di una fibra di acciaio con scarsa capacità di impregnazione favorisce la modalità di collasso per debonding che ne riduce la capacità di rinforzo. Sono state, inoltre, condotte prove di adesione su provini di calcestruzzo e muratura allo scopo di indagare e comprendere il comportamento di interfaccia dei sistemi S-FRCM al variare della tipologia di fibra di acciaio e matrice di applicazione. Il distacco all'interfaccia fibra-matrice e fibra-supporto (senza asportazione della superficie di applicazione) sono le principali modalità di rottura osservate, oltre alla rottura per trazione della fibra. Dai risultati ottenuti sono state calibrate leggi coesive di interfaccia per le applicazioni dei sistemi di rinforzo su elementi di calcestruzzo da utilizzare nelle analisi teoriche. I risultati sperimentali delle travi sono stati confrontati con i risultati ottenuti da un modello numerico agli elementi finiti utile per validare le leggi di interfaccia e prevedere il comportamento strutturale delle travi rinforzate con sistema EB-IRS/S-FRCM. Infine, sono state effettuate considerazioni sulla valutazione della deformazione di distacco intermedia (intermediate debonding) di strisce di acciaio applicate su elementi di c.a. secondo le indicazioni riportate nel documento CNR-DT/215. I confronti sono stati eseguiti utilizzando i dati sperimentali ottenuti nello sviluppo della tesi ed un database di risultati collezionati dalla letteratura scientifica. Il confronto è effettuato anche con semplici formule predittive proposte da diversi autori. Da questi confronti si evince come le indicazioni del documento CNR-DT/215 forniscano risultati affidabili per le fibre con bassa densità ed al contrario errori non trascurabili XII nel caso di fibre di acciaio ad alta densità. Le formule predittive, caratterizzate dalla facilità d’uso, indicano valori accurati in combinazione con opportuni coefficienti parziali di sicurezza.
Impiego strutturale dei calcestruzzi fibro rinforzati modellazioni teoriche e verifiche sperimentali
(2014-06-04) Rizzuti, Lidia; Spadea, Giuseppe; Bencardino, Francesco; Bruno, Domenico
Recently researches, in the field of civil engineering, have been addressed to study high performance concrete materials. In particular Fiber Reinforced Concrete (FRC) materials are very promising. With the addition of fibers into the concrete matrix, a brittle material like concrete can be modified towards a composite material with some ductility properties, able to absorb notable impact energy due to the dynamic or cyclic actions, like the seismic action, in the “during and post” cracking stage. Although, several studies were developed further research is needed to investigate some topics. The present work deals with the study of FRC materials used for structural applications with reference to the material and structural behaviour. Initially, the compressive and the tensile behaviour of the FRC material were analyzed by experimental, theoretical and numerical approaches. Specifically, an experimental investigation and a numerical analysis were carried out with the aim to identify the parameters like fiber types and contents, that are able to improve the performance of FRC material with reference to the structural behaviour. The implications on the use of fibers added into the concrete matrix on the workability at the fresh state and on the toughness at the hardened state were also considered. The aim of the experimental investigation was to analyze and compare the mechanical and the fracture properties of FRC materials by varying some main parameters like matrix compressive strength, fiber types (steel/polypropylene), fiber volume content (Vf) and the length of steel fibers (Lf). Through the numerical analysis it was possible to investigate the influence of high steel fiber content on the tensile post-peak behaviour. The numerical results obtained were compared with the experimental ones and the reliability of the numerical procedure was checked. A comparative study was carried out between experimental and theoretical stress-strain relationships available in literature, with particular reference to compressive behaviour of FRC. The aim was to evaluate the reliability of the proposed models and their range of validity. Several experimental data available in literature were analyzed and collected in a database. The above database was integrated with further experimental results obtained in the Laboratory of the Department of Structural Engineering at the University of Calabria. At the same time, the analytical uniaxial stress-strain relationship available in literature were analyzed and collected. Each theoretical model was critically analyzed and the reliability was checked through a comparison with the experimental curves of the same author and other available in literature. Subsequently, the structural behaviour was studied. With reference to the behaviour of eccentrically loaded FRC columns interaction diagrams axial load (N) – bending moment (M) of the cross section were computed to highlight the role of some main parameters on the strength. The theoretical models proposed in the Italian guideline CNR-DT 204 (2006) and other models available in literature were used in the analysis. The reliability of the theoretical models to describe the real behaviour of fiber reinforced concrete elements was checked through a comparison with some experimental data on steel fiber reinforced concrete columns subjected to eccentric loads available in literature. With reference to a rectangular FRC cross section, symmetrically reinforced, interactions diagrams, using the relationships proposed in the CNR-DT 204 (2006), were computed by varying some parameters like fiber geometrical properties and contents. The aim was to provide interaction diagrams which can be useful to design/check the strength of the concrete members reinforced with fibers and traditional steel reinforcement. Keywords: Experimental investigation; Fiber reinforced concrete; Post-peak behaviour; Eccentric loads; Stress-strain relationships.
Verso la definizione della vulnerabilità urbana dei nuclei consolidati: un approccio metodologico per la sua indicizzazione
(2019-05-10) Castiglione, Federica; Bencardino, Francesco; Canonaco, Brunella; Bencardino, Francesco
Lo studio condotto nel percorso di dottorato si pone il problema del peculiare rapporto tra l’esigenza della conservazione e della riqualificazione architettonica e urbana dei tessuti storici e la necessità di conseguire, in tali ambiti, gli adeguati livelli di sicurezza e resilienza nei confronti degli eventi sismici. Si pone, quindi, il fine di definire un nuovo e rinnovato concetto di vulnerabilità sismica, esteso dal livello dell’edificio a quello dei centri storici nella loro complessità, e di proporre una metodologia speditiva per la sua indicizzazione che tenga in considerazione tanto gli aspetti strutturali, quanto quelli architettonici, urbani, evolutivi e di fruizione. Una tale procedura metodologica, quindi, viene proposta per porsi quale base per la programmazione di interventi, alla scala urbana e alla scala dell’edificato; al fine di guidarne le azioni progettuali volte alla riduzione del rischio sismico nel rispetto dei caratteri storici, tipologici e, in generale, identitari dei nuclei consolidati. La tematica analizzata dal progetto di dottorato, pertanto, va inquadrata non solo dal punto di vista culturale, per l’importanza che assumono i nuclei consolidati e per la salvaguardia dei valori di cui sono portatori ma, anche, nell’ambito delle iniziative legislative, sia cogenti che d’indirizzo, che promuovono un recupero complessivo dei comparti consolidati, nel rispetto della sicurezza sismica del patrimonio edilizio ma, soprattutto, dell’incolumità dei fruitori. È, inoltre, in linea con quanto previsto per la redazione di piani di evacuazione e per la pianificazione dell’emergenza: la procedura metodologica proposta, infatti, si pone quale base per la stesura di piani per la Condizione Limite di Emergenza (C.L.E). In tale panorama scientifico si colloca la ricerca condotta, che propone una lettura innovativa di “vulnerabilità”, intesa con accezione “urbana”, e una metodologia spediva e semi-quantitativa per il calcolo di un “indice di vulnerabilità complessiva strutturale-urbana” concepito in modo da tener conto dell’interrelazione tra tessuto urbano e tessuto costruito e delle reciproche influenze. Innanzitutto, la metodologia progettata viene letta, all’interno della tesi di dottorato, nell’ampio filone architettonico, ormai consolidato da decenni, della progettazione parametrica, di cui si ricordano, fra le altre, le sperimentazioni condotte da Luigi Moretti per gli stadi, da Sergio Musmeci per il ponte sul Basento (Potenza), da Le Corbusier e Iannis Xenakis per il Padiglione Philips nonché da Antoni Gaudì con lo studio delle volte. La comparazione con quanto già fatto in tale ambito e con i paradigmi e gli assiomi ormai assunti all’interno di tale approccio progettuale, normalmente applicato alle costruzioni ex novo, mette in luce l’innovazione del lavoro presentato nel rapportare la tematica della progettazione parametrica a quella della vulnerabilità dei contesti storici; facendo proprie le opportunità insite nei processi progettuali parametrici, integrando e gestendo una complessa serie di variabili proprie della vulnerabilità urbana dei contesti consolidati. Infatti, la metodologia di valutazione delineata trova riscontro nell’esplorazione e nella generazione di sistemi formali “aperti” e nel controllo della complessità. Inoltre, il contributo della seguente tesi vuole essere di nuovo respiro con la formulazione di una metodologia dai contributi innovativi. L’“indice di vulnerabilità complessiva strutturale-urbana”, per come definito infatti, dipende da innumerevoli parametri: non soltanto quelli prettamente strutturali (ad oggi gli unici ad essere analizzati nelle tematiche relative la vulnerabilità sismica dei nuclei consolidati) ma, anche, quelli riconducibili alle caratteristiche tipologiche, morfologiche, architettoniche ed evolutive dei siti di insediamento, dei percorsi e degli spazi aperti. La tesi di dottorato, poi, è stata finalizzata alla progettazione di una metodologia speditiva, che muove dalla scala urbana a quella dell’aggregato, di cui si sono esplicitati gli aspetti procedurali e processuali, le finalità, i campi e le modalità di applicazione nonché gli strumenti adoperabili per la sua applicazione su casi reali. La metodologia ideata, che gemma da uno stato dell’arte ancora esiguo in materia, consente l’estrapolazione di indici di vulnerabilità urbana, relativi ai differenti quartieri ovvero all’intero centro storico. Infatti, attraverso l’attribuzione di punteggi ai parametri identificati quali concorrenti alla vulnerabilità complessiva definita dalla tesi, la metodologia consente, in modo speditivo, di quantificarla per unità territoriali omogenee (per caratteristiche costruttive ed evolutive). Al fine di delineare l’approccio metodologico ma, soprattutto, per l’individuazione dei parametri da analizzare e per l’attribuzione dei punteggi è stata essenziale e determinante l’anamnesi approfondita dello stato dell’arte riferito a tre settori tematici: le modalità di valutazione della vulnerabilità sismica, la conoscenza di nuclei consolidati e delle loro caratteristiche peculiari (morfologiche, tipologiche, urbane, materiche, tecnologiche e costruttive) nonché lo studio degli eventi sismici,storici e moderni, al fine di evidenziarne le criticità. Proprio dallo studio approfondito dello stato dell’arte, riportato nella seconda parte della presente tesi, quindi, sono gemmate le considerazioni e le valutazioni confluite nella metodologia delineata. Al fine di consentire il calcolo numerico dell’indice di vulnerabilità complessiva e di delineare una metodologia applicabile nella pratica reale di governance del territorio, poi, sono stati progettati gli strumenti da utilizzare per l’applicazione del metodo: delle schede di catalogazione, compilative e informatizzate già predisposte con formule e punteggi per l’estrapolazione dei valori numerici. Infine, la ricerca condotta nella tesi di dottorato, ha visto lo sviluppo di due applicativi sperimentali: uno, di tipo numerico di modellazione strutturale, volto alla definizione di linee metodologiche per l’implementazione, con nuovi contributi, dell’approccio metodologico definito dalla tesi stessa; l’altro volto alla verifica e all’applicazione della metodologia proposta ad un caso studio, identificato nel centro storico della città di Cosenza e in un suo quartiere campione. Quest’ultimo ha permesso di validare, non solo, la procedura metodologica proposta dalla tesi di dottorato attraverso l’applicazione di tutte le fasi definite, ma anche gli indici di vulnerabilità proposti e, inoltre, ha consentito di verificare l’effettiva funzionalità dei fogli di calcolo informatizzati, progettati e implementati. Concludendo, quindi, il lavoro presentato, che ha condotto alla definizione di una metodologia, unica nel suo genere, finalizzata all’indicizzazione della vulnerabilità urbana dei nuclei consolidati (anch’essa proposta ex novo), vuole essere innovativo e all’avanguardia nel panorama scientifico attinente alla tematica affrontata e porsi quale primo passo verso la definizione di procedure di prevenzione consolidate e corroborate a servizio delle pratiche di progettazione e rigenerazione, architettonica e urbana, dei centri storici.