Browsing by Author "Ombres, Luciano"

Now showing 1 - 3 of 3

La meccanica della frattura nelle applicazioni ai calcestruzzi fibrorinforzati
(2014-06-13) Colosimo, Emanuela; Ombres, Luciano; Bruno, Domenico
The advent of modern computing technology over the last 20 years has permitted to the researchers and engineers to solve very difficult structural problems using sophisticated techniques. The use of finite element method (FEM) in the analysis and design of reinforced concrete structures is one of these various successful techniques. As a matter of fact, the FEM is a powerful computational tool which can be used to simulate the response of structures, structural components and materials when submitted to a specified load. In particular its ability to capture the nonlinear behaviour of RC has made the finite element method a very powerful tool in understanding the behaviour of structures and to quantify its load carrying capacity, stress distribution and cracking path. The fiber reinforced concrete (FRC) have been introduced recently in buildings materials to improve the durability of conventional RC structures. Actually, it is well known that the concrete is a relatively brittle material, that could not support tensile strength. As a consequence, concrete member reinforced with continuous reinforcing bars were used to withstand tensile stresses but they don’t provide a concrete with homogeneous tensile properties. The additional of steel reinforcement significantly increases the strength of concrete but without producing an homogeneous material due to the developments of microcracks and voids in the body. The introduction of fibres randomly distributed throughout the concrete can overcome cracks more effectively. The formation of cracks is undoubtedly one of the most important non linear phenomena which govern the behaviour of concrete structures. Ever since the finite element method has been applied to concrete, the formation of cracks has received much attention. The nonlinear fracture mechanics theory has been used to simulate the quasi-brittle fracture of concrete. The discrete and the smeared crack models are the most used in the literature to model the concrete fracture. The first is especially suitable to simulate the failure in concrete structures where fracture is governed by the occurrence of a small number of cracks with a path that can be predicted. The second crack approach is more appropriate than the first to simulate fracture in concrete structures with a reinforcement ratio that ensures crack stabilization. The main purpose of this research is to analyze short fibres in structural concrete; in particular, according to a nonlinear fracture mechanics approach based on smeared crack models, comparisons in terms of fiber amount between concrete containing no fibres and concrete with fibres are proposed. Starting from an investigation in the fracture mechanics frameworks (LEFM and NLFM), and on fiber reinforced concrete concepts, the work presents the results based on finite methodology, performed consistently with the distributed-crack concept and implemented Diana FE code. In particular the results of simulation of four point bending tests on polymeric and steel fiber reinforced concrete beams were presented in this work of thesis. A 2D plane stress model for analysing the development of cracks is employed; this approach, named rotating crack model, within the smeared crack concept, is based on the total strain crack model. The total strain crack model describes the tensile and compressive behaviour of concrete beams with one stress-strain relationship. With the use of Diana FE program, a standard nonlinear, incremental, iterative approach is performed. The employed theory of the smeared crack concept describes the deterioration of simple concrete and of fiber reinforced concrete characterized by the tensile strength , energy release rate , crack band width , and the shape of the stress-strain curve of the material in the crack band during softening. The smeared crack models are modelled based on concepts using linear and exponential tension-softening constitutive law. tffGh The cracks are defined in the integration points of the elements, i.e., discrete points to compute the elemental mechanical behaviour, are numerically simulated by an adjustment of the compliance matrix at the integration point level and then are modelled according to the rotating model in which the direction of the crack may change during the loading process. The loading process is considered as a sequence of quasi-static loading steps (increments). The theory of linearity is assumed until the maximum local principal stress reached the strength limit of the material, whereafter initiation of mode I cracking in the plane normal to the maximum principal stress will occur. The model is able to simulate multiple crack propagation predicted cracking processes as well as distributed crack pattern, in agreement with experimental observations. Moreover, load-deflection curves are accurately predicted and as well as these corresponding to a linear tension softening assumption of the model. The results show how the proposed approach predicts accurately the maximum loads for the two different class of beam employed as well as it is able to make reasonably good predictions of load and displacement throughout the bending tests. The advantages provided by the short fibers to the properties of concrete improves mainly its post-cracking behaviour (ductility,cracking control and performance under dynamic loading) and can also alter tensile strength. These advantages vary according to the type and volume of fiber added to the matrix. The characteristics of the concrete are strictly dependent from the amount of fiber volume fraction. Fibres have the ability to prevent crack formation and to increase the ultimate load capacity of the concrete structures. KEYWORDS : fracture mechanics, smeared crack models, tension-softening; fiber reinforced concrete, steel fibres, polymeric fibres; four point bending test.
New composite materials for masonry rehabilitatiom: SRG and FRCM mechanical characterization
(2018-06-01) Mazzuca, Stefania; Critelli, Salvatore; Ombres, Luciano; Nanni, Antonio
La caratterizzazione meccanica dei materiali è un processo necessario per la standardizzazione della metodologia di prova, per determinare le proprietà dei materiali necessarie per la progettazione e per valutare le loro prestazioni. Gli SRG rappresentano la più recente tecnologia di riparazione nel contesto dei materiali fibro-rinforzati. Sono un altro strumento tra i metodi di rinforzo del calcestruzzo e della muratura, insieme agli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) e FRP (Fiber Reinforced Polymer) esistenti. Gli SRG sono emersi come tecnologia promettente e conveniente per il rafforzamento esterno delle strutture. Essi sono costituiti da un tessuto di rinforzo unidirezionale realizzato con trefoli in acciaio ultra resistente, immerso in una matrice cementizia, e sono applicati sulla superficie esterna degli elementi strutturali. Gli SRG forniscono un significativo miglioramento della capacità degli elementi strutturali con un aumento minimo della massa, grazie all’ elevato rapporto tra resistenza e peso. Infatti, l’uso di fibre in acciaio ultra resistente aumenta la duttilità degli elementi rinforzati, favorendo in tal modo le applicazioni in caso di problemi sismici. Inoltre, l’impiego di tessuti a bassa o media densità di massa, consente anche l’uso di matrici a base di cemento. Ciò implica vantaggi in termini di costo, resistenza al fuoco e semplicità nell’applicazione, che sono i tipici limiti dell’uso dei materiali compositi tradizionali. Dato l’attuale livello di conoscenza degli SRG, maggiori investigazioni risultano necessarie. Pertanto, ai fini di questa ricerca, due diversi tipi di tessuto in acciaio, impregnati con due diverse tipologie di matrice, sono stati selezionati. Le maglie del tessuto sono costituite da trefoli di microfili di acciaio ad alta resistenza con diversa densità di massa, ovvero G6 (600 g/m2) e G12 (1200 g/m2). Il tessuto G6 è caratterizzato da una densità di 1,57 trefoli/cm. I trefoli sono ugualmente distanziati di circa 6 mm per ottenere un tessuto con uno spessore equivalente di 0,084 mm. Al contrario, la rete G12 ha una densità di 3,19 trefoli/cm e 0,169 mm di spessore equivalente. Essa è costituita da coppie di trefoli distanti circa 4 mm dalle successive coppie di trefoli, in modo da promuovere l’incastro tra tessuto e matrice. Le matrici sono una malta a base cementizia, GLT, ed una malta a base di calce idraulica, GCF. I tessuti di acciaio, G6 e G12, e le malte, GLT e GCF, sono state combinate per produrre un totale di quattro sistemi SRG, denominati GLT-G6, GLT-G12, GCF-G6 e GCF-G12. Il seguente lavoro, che mira a far avanzare lo stato della metodologia di prova dei materiali compositi a base di matrice cementizia, con l’obiettivo verso la standardizzazione, è stato suddiviso in due parti, a loro volta divise in quattro capitoli. La Prima Parte riporta i seguenti capitoli:Un capitolo introduttivo, che fornisce una breve panoramica dei compositi, concentrandosi sulla classificazione dei compositi a matrice fragile, per fornire un quadro contestuale all'interno del quale gli FRCM e gli SRG sono differenziati. 2. Il secondo capitolo fornisce un contesto evolutivo dei materiali compositi come sistema di rinforzo. Infatti, i materiali compositi fibro-rinforzati a base di matrice cementizia (FRCM) sono una valida alternativa ai compositi fibro-rinforzati a base polimerica (FRP) e hanno acquisito un certo interesse nell'ultimo decennio. In particolare, la necessità di metodi di rinforzo efficaci, versatili ed economicamente vantaggiosi ha incoraggiato i produttori a sviluppare e vendere tessuti in acciaio per scopi di riabilitazione strutturale, in altre parole sistemi di rinforzo in acciaio (SRG). 3. Dato il crescente interesse per l'utilizzo di sistemi compositi a base di matrice cementizia per applicazioni di rinforzo strutturale, le loro proprietà meccaniche devono essere specificate. Nel terzo capitolo, è stato discusso lo sviluppo dei criteri di accettazione per il rinforzo della muratura e del calcestruzzo mediante l’applicazione dei sistemi compositi FRCM e con l'acciaio rinforzato SRG. 4. Programma sperimentale, che valuta la metodologia della prova di trazione, utilizzata per caratterizzare le proprietà del materiale FRCM, in particolare il meccanismo di presa che consente il trasferimento del carico, vale a dire l’afferraggio di tipo clevis o clamp. La Seconda Parte presenta, invece, i risultati degli esperimenti di caratterizzazione eseguiti sui sistemi SRG. Al fine di comprendere il comportamento meccanico dei sistemi di materiale composito a base di matrice cementizia, e quindi di valutarne le prestazioni e la compatibilità con substrati di calcestruzzo e muratura, le seguenti prove sono state effettuate: 1. Prove di compressione della malta cementizia usata come matrice del sistema composito. 2. Prove di trazione del sistema composito; 3. Prove di taglio interlaminare del sistema composito; 4. Prove di legame del sistema composito (Pull-off tests); Tutte le prove sono state eseguite sotto condizioni ambientali di laboratorio (T = 20° e U.R. = 50%). 1. Prove di compressione. Due tipi di matrice, specificamente progettate per il rinforzo strutturale, sono state scelte tra quelle presenti sul mercato, ovvero la malta a base cementizia (GLT) e quella a base di calce idraulica (GCF). Per ogni tipologia di malta, sono stati realizzati cinque provini per mezzo di stampi cubici con lunghezza laterale di 50 mm secondo quanto previsto dalla normativa. I campioni sono stati rimossi dagli stampi dopo un periodo di maturazione di tre, sette, quattordici e ventotto giorni e infine testati con l’aiuto di una macchina di prova universale. Infine, il carico massimo sopportato dal provino durante la prova è stato registrato ed il tipo di rottura è stato annotato. La principale modalità di collasso è stata la rottura a compressione del cubo che risulta avere la struttura conica come desiderato. Sulla base dei test sperimentali svolti, la resistenza della malta a base cementizia, GLT, soddisfa i requisiti della sezione 4.3 del AC434, corrispondente a 17 MPa a 7 giorni e 24 MPa a 28 giorni di stagionatura. Per quanto riguarda la resistenza della malta idraulica a base di calce, GCF, anch’essa soddisfa i requisiti standard, ovvero che la resistenza media a compressione di almeno tre cubi da 50 mm non deve essere inferiore a 1,7 N/mm2 e non superiore di 10,3 N/mm2 a 28 giorni di stagionatura. 2. Prove di trazione. Provini rettangolari con dimensione nominale 510 x 51 x 10 mm sono stati realizzati in casseforme di vetro, applicando un primo strato di malta cementizia (5 mm), il tessuto in fibra e un secondo strato di malta cementizia (5 mm). Dopo un periodo di maturazione di 28 giorni nella camera di umidità, i test sono stati eseguiti utilizzando un telaio di prova universale. Il carico di trazione uni-assiale è stato applicato a tutti gli esemplari mediante il meccanismo di afferraggio di tipo clevis. Il carico è stato applicato sotto modalità di spostamento controllato ad una velocità di 0,25 mm/min e registrato dalla cella di carico integrata nella macchina di prova. La deformazione assiale è stata misurata per mezzo di due estensometri con una lunghezza di 100 mm e 50 mm, posizionati nella regione centrale del campione. I risultati dei test per ciascun coupon testato sono presentati in termini di diagramma resistenza a trazione-deformazione. Dai risultati sperimentali sono state ottenute la forza massima di trazione e la deformazione ultima. Noti questi valori, la resistenza ultima a trazione e il modulo elastico del tratto fessurato sono stati calcolati per mezzo delle equazioni riportate in AC434. Infine, è stata descritta la modalità di collasso per ciascun campione testato. I provini della serie GLT-G6 hanno mostrato una modalità di rottura caratterizzata dalla formazione di una prima fessura all’estremità della zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Questo perché la malta non è penetrata bene nel tessuto e non lo ha impegnato in modo efficace, facilitando quindi lo scorrimento delle fibre. Nel caso della serie GLT-G12, nella zona centrale del provino si è verificata una serie di fessure, monitorate dall’estensometro. Altre fessure si sono formate nella zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Il motivo è che la malta non è stata in grado di penetrare facilmente nel tessuto, perché esso è caratterizzato da una elevata densità di massa (1200 g/m2). I provini della serie GCF-G6 hanno sviluppato due fessure profonde nelle estremità della lunghezza di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo delle fessure è continuato per tutta la lunghezza. Il collasso non è stato uguale per tutti i campioni. Infatti, in alcuni casi, la modalità di rottura è caratterizzata dal distacco della matrice attorno ai trefoli; in altri casi, il collasso è dovuto al distacco della piastra dal provino o per lo scorrimento delle fibre. I provini della serie GCF-G12 hanno mostrato una modalità di rottura caratterizzata una serie di fessure nella zona centrale del campione monitorata dall'estensometro. Altre fessure si sono formate nella zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Il motivo è che la malta non è stata in grado di penetrare facilmente nel tessuto, perché il tessuto è caratterizzato da una elevata densità di massa (1200 g/m2). Il collasso non è stato uguale per tutti i campioni. Infatti, in alcuni casi, la modalità di rottura è caratterizzata dal distacco della matrice attorno ai trefoli con conseguente scorrimento delle fibre o allargamento delle fessure, che hanno causano la rottura del provino in più pezzi. 3. Prove di taglio interlaminare. Questo test è una prova di flessione a tre punti su un provino denominato short-beam, e ha lo scopo di determinare la resistenza di taglio interlaminare dei materiali compositi fibro-rinforzati. I campioni sono stati ritagliati da pannelli di dimensioni nominali 330 x 508 mm, dopo una stagionatura di 28 giorni nella camera di umidità. Ogni campione è stato rinforzato con due strati di fibre incorporati in due strati di malta cementizia di 4 mm. Le fibre erano a loro volta divise da un altro sottile strato di malta. Per ciascun prodotto, cinque test sono stati testati sotto condizioni ambientali di controllo. Noto il carico massimo registrato durante la prova, la resistenza ultima della short-beam è stata calcolata per mezzo dell’equazione riportata in ASTM-D2344. Anche in questo caso, le modalità di rottura sono state annotate. I provini rinforzati con il tessuto di acciaio G6 hanno presentato una rottura dovuta alla fessurazione della matrice nel lato sottoposto a tensione. Infatti, in tutti i provini, l'inizio della rottura è caratterizzata da una singola fessura che si propaga dall’intradosso della short-beam verso la regione centrale. Nel caso dei sistemi confezionati con la rete di acciaio G12, la modalità primaria di rottura è stata il taglio interlaminare. Infatti, si è potuto osservare lo sviluppo di due fessure all'interfaccia matrice-fibre che si propagano dal centro del campione alle estremità. La ragione è perché il tessuto G12 ha una densità di massa superiore a quella del tessuto G6 e quindi non consente la completa penetrazione della matrice tra le fibre. Pertanto, il legame all’interfaccia matrice-fibre non è stato efficiente. 4. Prove di pull-off. Per indagare il legame all’ interfaccia rinforzo SRG-substrato, 28 test di pull-off sono stati effettuati su diversi tipi di substrato, ossia blocchi di calcestruzzo, mattoni di argilla e unità di muratura cementizia indicati rispettivamente con la sigla “BTC”, “BTY” e “BTU”. Il rinforzo è stato applicato sul substrato, precedentemente pulito, per uno spessore minimo di 63 mm. Dopo 28 giorni di maturazione, tagli circolari ed esagonali sono stati eseguiti perpendicolarmente al substrato del campione in modo da circoscrivere il disco metallico utilizzato per il test, secondo quanto previsto dalla normativa. I dischi metallici sono stati fissati mediante colla epossidica alla superficie di rinforzo e rappresentano il mezzo attraverso il quale l’area circolare è stata estratta. Il carico di trazione uni-assiale è stato applicato perpendicolare alla superficie di prova utilizzando una macchina di prova pull-off. Il dispositivo di carico a trazione è stato collegato al disco metallico per mezzo di un meccanismo di accoppiamento. La forza di trazione è stata applicata al disco fino a quando non si verifica la rottura. Data il carico ultimo registrato durante la prova, la resistenza massima è stata calcolata per mezzo dell’equazione riportata in ASTM-C1583.La modalità di rottura è stata annotata. Come ci si aspettava, i campioni confezionati con la matrice a base cementizia (GLT) hanno raggiunto i massimi livelli di carico e resistenza. In particolare, il provino BTC-GLT-G6 ha raggiunto il massimo livello di carico e resistenza. Il motivo è che la resistenza a trazione della malta GLT è superiore a quella della malta GCF (malta a base di calce idraulica). Inoltre, la densità del tessuto d’acciaio G6 è inferiore a quella della rete G12, pertanto la malta può penetrare più facilmente tra i trefoli di acciaio. Per quanto appena menzionato, la resistenza a trazione media della serie BTC-GLT-G6 è superiore a quella di BTC-GLT-G12. La modalità principale di collasso del composito SRG è la rottura all’interfaccia matrice-rinforzo, quindi la densità del tessuto è un parametro fondamentale. Infatti, più bassa è la densità di massa e maggiore è la forza di legame. Per questo motivo la serie BTC-GLT-G6 raggiunge un elevato valore di resistenza, perché la matrice può penetrare più facilmente tra i trefoli e aumentare la forza di legame. Tuttavia, nessuna serie raggiunge il limite di resistenza imposto dalla normativa AC434, ad eccezione del campione BTC-GLT-G6. In conclusione, sulla base delle ipotesi che i compositi SRG abbiano una prestazione a lungo termine desiderabile, essi possono essere considerati come una soluzione per il rinforzo delle strutture esistenti in muratura e calcestruzzo. Le considerazioni preliminari ottenute da questo studio rappresentano quindi un primo passo verso lo sviluppo di formule di progettazione adeguate per la caratterizzazione dei sistemi SRG. Tuttavia, ulteriori indagini sperimentali risultano necessarie
Studio teorico sperimentale del comportamento meccanico delle travi prefabbricate reticolari miste (PREM)
(2012-11-29) Sorrenti, Fabio; Olivito, Renato S.; Ombres, Luciano