Introduzione al Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC)

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1 Introduzione al Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC) Prof. Collegio dei tecnici dell Industrializzazione edilizia

2 Calcestruzzo Fibrorinforzato (CNR DT 204) Il calcestruzzo fibrorinforzato è un materiale composito caratterizzato da una matrice cementizia e da fibre discrete (discontinue). La matrice è costituita da calcestruzzi o da malte, normali o ad alte prestazioni. Le fibre possono essere di acciaio, di materiale polimerico, di carbonio, di vetro o di materiale naturale. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

3 Main FRC uses Many structural and non structural elements are designed and reinforced with FRC, as PARTIAL or TOTAL substitution of conventional reinforcement: Factory pavements, highways, parking areas Heavy prefabrication structural elements Light prefabrication elements Tunnel linings Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

4 Principali vantaggi del FRC CONSTRUCTIVES: AVOID CONVENTIONAL REINFORCEMENT (WELDED MESH) LABOR REDUCTION REDUCTION OF CHECKING TIME REINFORCEMENT CORRECTLY PLACED STRUCTURALS: SMALLER CRACK WIDTH OPENINGS LONGER DURABILITY BETTER IMPACT AND ABRASION STRENGTH BETTER FATIGUE STRENGTH Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

5 Fibre per il calcestruzzo Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

6 Fibre per il calcestruzzo Elemento di rinforzo caratterizzato geometricamente da una dimensione prevalente rispetto alle altre, avente superficie liscia o ruvida, di forma rettilinea o sagomata, in grado di essere disperso omogeneamente nell impasto. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

7 Effetti delle fibre nel calcestruzzo Fibers activate after cracking of the concrete matrix. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

8 Rottura o sfilamento delle fibre Fibre sintetiche Fibre di acciaio Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

9 Effetti delle fibre nel calcestruzzo Fibre content V f 1% plain res (w) Fibre effects durability (cracking control) anchorage lengths deformability (tension stiffening) stress limits in P/C elements minimum reinforcements (N, M,V) fatigue shrinkage D regions (spalling, bursting, splitting) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

10 Fibre per calcestruzzo Si differenziano in base al tipo di forma e di materiale di cui sono costituite Fibre di Acciaio Fibre di Alluminio Fibre di Vetro Fibre di Carbonio Fibre di Polipropilene Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

11 Caratteristiche di alcune tipologie di fibra Lunghezza [mm] medio [ m] f t [MPa] E [MPa] Acciaio Polipropilene x Carbonio > Vetro Polipropilene Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

12 Tipi di fibre per il calcestruzzo Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

13 Fibre di acciaio Le fibre d acciaio costituiscono un elemento resistente AD ELEVATO MODULO ELASTICO, diffuso CAPILLARMENTE ed OMOGENEAMENTE nel calcestruzzo Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

14 Alcuni tipi di fibre in acciaio Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Tipo 5 Tipo 6 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

15 Tipi di fibre di acciaio Uncinate Ondulate Incollate Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

16 Caratteristiche geometriche delle fibre di acciaio Lunghezza L: distanza tra le due estremità della fibra Diametro (o diametro equivalente) D e : diametro del filo, per fibre da filo, oppure il diametro del cerchio di area uguale a quella della sezione trasversale della fibra Rapporto d aspetto L/D e : rapporto tra la lunghezza L ed il diametro (o diametro equivalente) Resistenza a trazione: si può riferire al semilavorato di partenza (filo) o al prodotto finito (fibra) Forma: la fibra può essere sagomata, in senso trasversale o longitudinale, o rettilinea L L/d >> 1 d L d L/d = 1 UNI 11037: Fibre di acciaio da impiegare nel confezionamento di conglomerato cementizio rinforzato Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

17 Tipi di sagomatura alle estremità Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

18 Produzione delle fibre di acciaio filo di acciaio trafilato a freddo ottenuto da vergella nastro laminato a freddo di acciaio non legato o legato Fibre fresate Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

19 Effetti della deformazione alle estremità La sagomatura delle fibre è fondamentale per la dissipazione di energia nella fase di sfilamento della fibra Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

20 Fibre sintetiche Controllo della Fessurazione da Ritiro Micro-fibre Bassi dosaggi Miglioramento della resistenza al fuoco Micro-fibre Bassi dosaggi Impieghi strutturali Macro fibre Dosaggi maggiori Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

21 Fibre sintetiche per impieghi strutturali Lunghezza = mm Rapporto d Aspetto = Resistenza trazione 700 MPa Modulo Elastico 9.5 GPa Dosaggi consigliati: 0.32 % 1.00 % (3 kg/m 3 ) (10 kg/m 3 ) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

22 Macro fibre in polipropilene Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

23 Macro fibre in polipropilene monofilamento Lunghezza mm Rapporto d Aspetto = Resistenza trazione = MPa Modulo Elastico 9.5 GPa Peso Specifico kg/dm 3 Dosaggi consigliati: 0.05 % 0.5 % (0.5 kg/m 3 ) (4.55 kg/m 3 ) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

24 Fibre in PVA (Polyvinyl Alcohol ) Estremamente leggere; Maggiore deformabilità rispetto ad altre fibre; Maggiore capacità di sopportare le deformazioni. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

25 Caratteristiche meccaniche delle fibre in PVA PVA Carico di Rottura a (MPa) Trazione (Kg/mm 2 ) 143 Modulo Elastico a (GPa) 29 Trazione (Kg/mm 2 ) Allungamento a Rottura Assorbimento d'acqua (%) 6,0 (%) 4,0 Densità gr/cm 3 1,2 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

26 Fibre di vetro (GFRC) Di recente diffusione sono le fibre di vetro alcalo-resistenti ad elevato modulo elastico Modulo di elasticità [MPa] Resistenza ultima a trazione [MPa] 2000 Lunghezza [mm] Diametro [mm] Aspect Ratio Variabile Variabile Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

27 Applicazioni delle fibre di vetro Vantaggi impiego GFRC: Inorganiche, incombustibili; Superfici finali dei manufatti lisce con densità tale da limitare il passaggio dell acqua. Impieghi diffusi di GFRC: Casseforme permanenti Pannelli leggeri di rivestimento Manufatti leggeri per il contenimento dell acqua Pannelli di luci 1 2 m Tunnel, Ponti Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

28 Lunghezza L e Forma Lunghezza L (mm): E la distanza tra le due estremità della fibra misurata in proiezione geometrica sull asse dominante della stessa Forma: Una fibra si definisce rettilinea quando presenta sull asse longitudinale deformazioni localizzate minori di L/30 ma, in ogni caso, non maggiori del diametro equivalente Assialmente, la forma può essere rettilinea o sagomata; trasversalmente, la fibra può avere sezione circolare, rettangolare o varia Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

29 UNI Fibre di acciaio per il cls Le fibre possono essere lisce o sagomate, ottenute da: Filo di acciaio trafilato a freddo ottenuto da vergella fabbricata secondo la norma UNI EN ,2,4 o UNI EN Nastro laminato a freddo di acciaio non legato.. Altri tipi di fabbricazione (quali, ad esempio, fresatura di un blocco d acciaio) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

30 La normativa UNI per le fibre di acciaio Processo produttivo Composizione chimica Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

31 Resistenza a trazione delle fibre di acciaio Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

32 Prove di trazione sulle fibre di acciaio Cos è il valore R p0,2? E la Tensione allo 0,2 % di deform. residua Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

33 Caratteristiche geometriche delle fibre Diametro De e rapporto d aspetto l Metodo diretto: Per fibre ottenute da filo, il diametro equivalente De è pari al diametro nominale del filo di partenza o della fibra finita: De = Dn Metodo indiretto geometrico: Per fibre ottenute da lamiera o comunque a sezione trasversale costante, il diametro equivalente De è pari al diametro del cerchio avente area uguale a quella della sezione trasversale circolare media della fibra data dalla seguente formula: De = (4 A / p) Metodo indiretto gravimetrico: Per fibre ottenute da altri metodi produttivi, con sezione costante o variabile assialmente, quale che sia la forma longitudinale: De = (4 m 10 6 / p L r) Semplificando: De = 12,74 (m / L) l = L/De = 0,0785 (L 3 / m) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

34 Tolleranze dimensionali pren Fibres for concrete Part. 1 Steel fibres Tolerances on fibre length and diameter Property Symbol Deviation of the individual value relative to the declared value Deviation of the average value relative to the declared value Length and developed length L, L d (if applicable) ± 10% >30 mm 5% 30 mm 1.5 mm (Equivalent) Diameter De ± 10% >0.30 mm 5% 0.30 mm mm Length/Diameter ratio λ ± 15% ± 7.5% Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

35 Caratteristiche delle fibre di acciaio Di una Fibra per il rinforzo del calcestruzzo, bisogna conoscere: Lunghezza L (UNI 11037) Diametro equivalente De ( ) Rapporto d aspetto l ( ) Resistenza a trazione Ri ( ) Forma ( ) Processo produttivo e composizione chimica ( ) Rivestimento superficiale ( ) Allungamento a rottura e = DL/L Modulo elastico E Tensione allo 0,2 % di deformazione residua R p0,2 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

36 Caratteristiche delle fibre d acciaio Lunghezza L 6 L 70 (mm) Diametro equivalente De 0.15 De 1.20 (mm) Rapporto d aspetto l = L/De (0) Resistenza a trazione R1...3 (N/mm 2 ) Forma rettilinea o sagomata Processo produttivo e composizione chimica basso o alto contenuto di carbonio, inox (A1...3, B1...3, C1...3) Rivestimento superficiale Esempio di designazione: UNI A x 33 R2 sagomata Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

37 FRC Mix Design Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

38 Calcestruzzo a prestazioni (EN 206) Il calcestruzzo strutturale deve essere richiesto con riferimento a parametri prestazionali che possono essere facilmente misurati Quali sono le prestazioni richieste al calcestruzzo? resistenza; lavorabilità pompabilità tenacità resistenza alla fessurazione da ritiro resistenza alle brevi stagionature resistenza agli urti resistenza alla fatica Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

39 Scelta della tipologia di fibra Polipropilene (modesta aderenza e modulo elastico) PVA (buona aderenza e buon modulo elastico) Acciaio (rettilinee) (modesta aderenza ed elevato modulo elastico) Acciaio (sagomate) (buona aderenza e elevato modulo elastico) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

40 Considerazioni generali Le regole generali che guidano il mix design del calcestruzzo non cambiano Possono in alcuni casi essere necessari alcuni accorgimenti volti a: garantire il requisito di omogeneità della dispersione delle fibre; compensare l evenetuale riduzione di lavorabilità collegata all aggiunta di fibre Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

41 Mix design Il problema si pone per calcestruzzi a prestazione garantita che deve essere specficato secondo la UNI: classe di resistenza a compressione così come indicato nella UNI EN 206; classe di consistenza così come indicato nella UNI EN 206; classe di esposizione così come indicato nella UNI EN 206 prospetto III; dimensione massima nominale dell aggregato; classe di resistenza di prima fessurazione; classe di duttilità. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

42 Mix design In sintesi i requisiti prestazionali possono essere specificati come segue: consistenza (S3 / S4 / S5 SCC) Allo stato fresco resistenza alla fessurazione da ritiro in fase plastica resistenza a compressione Allo stato indurito resistenza di prima fessurazione tenacità Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

43 Calcestruzzo di base Consistenza del SFRC Per ogni tipologia di fibra esiste una soglia critica di dosaggio oltre la quale la consistenza dell impasto è ridotta anche sensibilmente. Per le fibre polimeriche normalmente sono accettati dosaggi fino a kg/m³; S4 Per le fibre metalliche, anche al dosaggio minimo di 25 kg/m³ generalmente si assiste ad una riduzione di almeno una classe di consistenza. S3 S2 0 Dosaggio fibre[kg/m³] Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

44 Esempio di Mix Design S4 Calcestruzzo di base Rck = 35 MPa CEM = 330 kg/m³ a/c 0.55 Additivo = 0 % S3 S2 0 Calcestruzzo fibrorinf. Rck = 35 MPa CEM = 330 kg/m³ a/c 0.55 Additivo = 0 % Dosaggio [kg/m³] Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

45 Come migliorare la lavorabilità Favorsice la dispersione delle fibre Di più agevole impiego e talvolta più efficace Coadiuvante S4 Incremento della pasta Aumento dosaggio CEM a/c costante Additivo = 0% Impiego additivo Aumento dosaggio add. Scelta classe superiore add. Aggregato Modificare la natura degli aggregati, il loro fuso granulometrico e il Ømax S3 Calcestruzzo fibrorinf. Rck = 35 MPa CEM = 330 kg/m³ a/c 0.55 Additivo = 0 % S2 Dosaggio [kg/m³] Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

46 Tecnologia di produzione Per ottenere una dispersione uniforme delle fibre è opportuno ricordare che Le fibre tendono a formare grovigli prima e durante la miscelazione. La tendenza alla formazione di grovigli aumenta con il rapporto d aspetto. Le fibre vanno generalmente aggiunte nel mixer (max 45 Kg/min) dopo che gli altri costituenti sono già stati miscelati; durante l aggiunta il mixer deve ruotare alla massima velocità possibile, terminata l aggiunta l impasto deve essere ancora miscelato per almeno 50 giri del mixer. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

47 Vincoli geometrici Dimensione max degli aggregati Spessore minimo elemento strutturale Dimensione max degli aggregati F max 0,5 L Fibra S min 1,5 L Fibra F max 1/3 S min Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

48 Distribuzione delle fibre nella struttura Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

49 Omogeneità dell impasto Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

50 Fibre distribution control - non-destructive test light destructive test (the damage is easily reparable) Es. Raggi X Drilling Diameter s 16 mm 43 mm 92 mm 190 mm Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

51 Fibre content evaluation Crashing of the core Fiber removal and weight Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

52 Validation on a 12m long element Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

53 Distribuzione delle fibre di normale resistenza Contenuto fibre [kg/m 3 ] 50 0 Sezione 1 Sezione 2 Sezione 3 Sezione 4 Sezione 5 Sezione 6 Sezione 7 Sezione 8 TAVOLA 47,10 37,93 42,77 36,58 48,90 37,33 40,18 44,49 ALA BASSA 42,41 29,61 51,68 51,41 42,02 53,50 43,15 40,26 ALA ALTA 50,39 49,52 46,58 48,18 48,29 45,53 50,81 53,06 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

54 Distribuzione delle fibre ad alta resistenza Contenuto fibre [kg/m 3 ] 50 0 Sezione 1 Sezione 2 Sezione 3 Sezione 4 Sezione 5 Sezione 6 Sezione 7 Sezione 8 TAVOLA 50,79 45,08 41,41 46,35 43,26 40,01 49,56 41,41 ALA BASSA 42,42 66,28 43,26 42,42 51,97 41,28 41,18 82,73 ALA ALTA 43,84 47,35 45,03 46,16 48,74 42,41 48,96 46,16 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

55 Distribuzione: confronto NG-PL SCC 50 KG DRAMIX GENERALE DOSAGGIO (Kg/mc) 50 47,88 57,71 47,11 50,0351,14 50,20 45,13 46,5147,22 39,54 52,33 43,07 52,55 61,96 55,21 48,85 44,75 36,83 57,46 54,91 54,47 48,85 51,21 49,82 49, CAROTE 24 MEDIA Average value Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

56 Influenza del diametro della carota 100 Contenuto fibre [kg/m 3 ] ,02 60,07 32,46 60,72 54,49 43,28 SPESSORE S=40mm Dosaggio nominale 50 kg/m 3 45,39 40,01 33,99 Contenuto massimo Contenuto medio Contenuto minimo 47,91 44,56 38, mm = chosen diameter Diametro campione [mm] 190 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

57 Fibre content effect Slab s=40mm s=60mm Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

58 Proprietà del FRC Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

59 Caratteristiche meccaniche del FRC Resistenza a compressione Resistenza a trazione Modulo elastico Tenacità Resistenza a fatica Resistenza all usura Problemi di impatto Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

60 Compr. Stress [MPa] Fiber effects in concrete High Fiber Content Low Fiber Content Plain Concrete Strain [x10-3 ] Fibres: activate after concrete cracking by linking the crack face provide an increased residual tensile strength better control of cracking process Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

61 A cosa serve il fibrorinforzo? AD AUMENTARE LA TENACITA (impatto e fatica) AD AUMENTARE LA RESISTENZA AL FUOCO A LIMITARE LE FESSURAZIONI DA RITIRO Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

62 Altre proprietà fisiche e meccaniche L aggiunta di fibre metalliche generalmente migliora anche: la resistenza all usura (pavimentazioni in calcestruzzo); la resistenza all urto la resistenza alla cavitazione (opere idrauliche). Il comportamento ai cicli di gelo/disgelo non è significativamente influenzato dall aggiunta di fibre La conduttività termica può aumentare Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

63 Tenacità È la resistenza opposta dal materiale all avanzamento del processo di frattura (statico, dinamico o per urto) per effetto della sua capacità di dissipare energia di deformazione. E una proprietà intrinseca del materiale A livello strutturale si manifesta con una risposta più o meno duttile della struttura dopo la fessurazione della matrice. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

64 Fattori che controllano la tenacità Caratteristiche meccaniche della fibra Dosaggio di fibre Lunghezza delle fibre (rapporto di aspetto) Geometria delle fibre Composizione della matrice Aderenza matrice-fibra Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

65 Influenza della matrice di calcestruzzo NSC HSC 5 NORMAL STRENGTH CONCRETE COMPARISON 6 HIGH STRENGTH CONCRETE COMPARISON 4 5 Stress w [MPa] NSC NSC-SFR Stress w [MPa] HSC HSC-CFR HSC-SFR Crack Opening Displacement [ m] Crack Opening Displacement [ m] w 40 m w 10 m Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

66 Risposta del materiale e della struttura average tension t (MPa) zoom w = 0.20 mm TRA0 med TRA4 med TRA8 med displacement w (mm) statically determined 0.8% 0.4% plain load P (KN) % 0.4% plain zoom w = 5.00 mm FLE0 med FLE4 med FLE8 med deflection f (mm) statically undetermined S.L.S. performance increase stress redistribution { S.L.S. performance increase + S.L.U. mechanical contribution? exp (w) d (w or e) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

67 Crack development in a SFRC slab on grade Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

68 Carichi (kn) Carichi (kn) Prove di estrazione su una singola fibra La sagomatura delle fibre è fondamentale per la dissipazione di energia nella fase di sfilamento della fibra Fibra diritta Fibra sagomata Spostamenti (mm) Spostamenti (mm) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

69 Rottura o sfilamento della fibra E importante affinché vi sia sfilamento e non rottura. Essa è tanto più importante quanto maggiore è l Aderenza tra acciaio e cls, cioè quanto più alta è la classe di resistenza del cls (f ck,cyl / f ck,cube ) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

70 Prove per la caratterizzazione del FRC Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

71 Base requirement for structural design Engineers can design structures with new materials only if they are performance based! Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

72 Structural design of concrete in tension Concrete class C40/50 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

73 FRC classification A performance approach is chosen: the material has to be tested as composite, because the mechanical response cannot be properly identified by knowing the mix design and the mechanical characteristics of each component UNIAXIAL TENSION TEST BENDING TEST 08/02/2017 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

74 FRC classification (3PBT) EN h sp = 125 mm b = 150 mm Linear stress distribution f = R, j 3 F 2 b h l j 2 sp Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

75 FRC classification (3PBT) CTOD Gauge notch depth a 0 = 25 mm CTOD or CMOD) Gauge CMOD Gauge Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

76 FRC performance classes (New fib Model Code) Post-cracking residual strength can be classified by using two parameters, namely fr1k (representing the strength interval) and a letter a, b, c, d or e (representing the ratio fr3k/fr1k). The strength interval is defined by two subsequent numbers in the series: 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0 [MPa] while the letters a, b, c, d and e correspond to the ratios: a if 0.5 f R3k /f R1k 0.7 b if 0.7 f R3k /f R1k 0.9 c if 0.9 f R3k /f R1k 1.1 d if 1.1 f R3k /f R1k 1.3 e if 1.3 f R3k /f R1k The designer has to specify SLS the class, the residual strength ratio and the material of the fibre Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98 UL S

77 Performance classes 5 4 σ N [MPa] f R1k =2.2 MPa f R3k =1.8 MPa f R3k /f R1k = b 3 2 f R1k e d c b a f R3k 1 0 CMOD1 CMOD CMOD [mm] Minimum requirements for structural applications: Fibres can substitute conventional reinforcement (rebars) only if the following relationship is fulfilled: Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98 CMOD3 CMOD4 f R1k /f Lk > 0.4 f R3k /f R1k >0.5

78 Effetti delle fibre in una prova UNI Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

79 Constitutive law in uniaxial tension: -w Experimental result: N CMOD w f Ft =f ct f Fts hardening f Fts f Ftu f Ftu Simplified constitutive law - w softening f Ftu w u w f = Fts 0.45 f R1 w e f Ftu f Ftu rigid-plastic f Ftu wu = f Fts ( f Fts 0.5 f R3 0.2 f R1) CMOD 3 0 w u w Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

80 Stress-strain relationship ε 1 = ε SLS = CMOD 1 /l cs ε 2 = ε ULS = w u /l cs (=2% or 1%) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

81 Material parameter identification P/2 P/2 NLFM CMOD MERLIN P Experimental Inverse Analysis P (Roelfstra et al.,1986) fct w fct w = + wc w wc w Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

82 Material parameter identification Nominal Stress [MPa] HyFRC - Fiber Steel-1 (50/1,0) + Poly-3 (20/0,18) - V f =0,49% Experimental FEA s B w B w + 2 FIBRE IBRIDE 0.19% + s B CTOD m [mm] A tri-linear law may better represent the post-cracking behaviour for HyFRC Different fibres may activate at different crack openings s B s B w B w 2 = w Bw w 2 w B 2 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

83 Partial safety factors ULS: FRC in compression FRC in tension Ordinary quality control As plain concrete SLS: g F = 1 FRC in tension (residual strength) g F = 1.5 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

84 From material to structural behavior Naaman, A.E. and Reinhardt, H. (eds), High Performance fiber reinforced cement composites HPFRCC4 RILEM Proceedings, PRO30, Rilem Publications S.A.R.L., Bagneux, France, Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

85 High Performance FRC Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

86 Fibre Ibride Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

87 Hybrid Fiber Reinforced Concrete COMBINATIONS OF DIFFERENT FIBERS IN A CONCRETE TO OPTIMIZE PHYSIC AND MECHANICAL PROPERTIES FOR SPECIFIC APPLICATION (HPFRC): Improved processing (HyFR-SCC) Improved mechanical performance (ductility/toughness) Improved durability (permeability) Reduced cost Different Geometry L L/d >> 1 d L d L/d = 1 Different material Steel - Plastic - Carbon - Glass Fibers Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

88 Why Hybrid? Steel Polymeric Carbon + + Hybrid FRC Synergistic Performances: TOUGHNESS FATIGUE RESISTANCE IMPACT RESISTANCE PERMEABILITY& DURABILITY JOINT INTEGRITY PLASTIC SHRINKAGE CRACK CONTROL GREATER ABRASION RESISTANCE THERMAL EXPANSION & ELECTRICAL CONDUCTIVITY Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

89 Ruolo delle fibre nella matrice di calcestruzzo Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

90 Shah et. al., 2000 Stress (MPa) mm 195 mm 75 mm 75 mm ½% Macrofiber Loading pin LVDT ½% Macrofiber + ½% Microfiber B Specimen ½% Microfiber B Steel Plate for Load Transfer Flow Rate (ml/sec.) Plain mortar ½% Macrofiber ½% Microfiber B ½% Macrofiber + ½% Microfiber B 0 Plain mortar Displacement (mm) Loading Fixture Displacement (mm) Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

91 Optimization of mechanical properties of HyFRC Improve composite strength by bridging micro-cracks MICRO-FIBRES MACRO-FIBRES Improve post-peak toughness by bridging macro-cracks Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

92 Hybrid FRC Markovic, van Mier and Walraven (2001) ~~ +40% Intensive micro-cracking process around the fiber hook Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

93 CTOD Hybrid FRC Plizzari, Meda, Banthia and Sorelli (2002) 0.38 % % Serviceability state Structure with failure at small c.o.d % 0.19 % Microfibers control Microcracks Macrofibers control Macrocracks Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

94 Legame costitutivo s B + s B w B w 2 w B w 2 = s B s B + w B w B w 2 w 2 Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

95 Material Parameter Identification 6 C40/50 - Comparison FF1 Nominal Stress s N [MPa] Nominal Stress s N [MPa] FF1-Experimental FF1-Numerical CTODm [mm] C40/50 - Comparison FF1-MC CTOD m [mm] FF1-MC1 - Experimental FF1-MC1 - Numerical f ct 1* 1 2* matrix W 1 * w 1 Experimental Inverse Analysis (Roelfstra and Wittmann, 1986) microfiber (w1*- 1*; w2*- 2*) w 2* macrofiber (w1-1) wcr w Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

96 Early experimental results: Bending tests Load F [kn] ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 CMOD [mm] Combinations of micro and macro-fibers show synergistic effect Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

97 Considerazioni conclusive esistono diverse tipologie di fibre; le fibre offrono una nuova possibilità di rinforzo distribuito nell impasto (riduzione dei tempi di posa); le fibre riducono la fessurazione e migliorano diverse proprietà del calcestruzzo (resistenza al fuoco, etc); le proprietà del fibrorinforzato devono essere misurate direttamente sul composito (in quando dipendono dalla fibra, dalla matrice e dall interfaccia); si possono migliorare più prestazioni contemporaneamente utlizzando fibre ibride. Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

98 Grazie per la Vostra attenzione!! Introduzione al FRC Lecce, 9 Febbraio, /98

99 Introduzione al Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC) Università di Brescia Brescia 27 Novembre 2015