Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) per la durabilità delle strutture

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1 Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) per la durabilità delle strutture Giovanni Plizzari University of Brescia (Italy), Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica giovanni.plizzari@unibs.it CIAS - Vicenza 7 Ottobre 2016 Fino a quando deve essere garantita la sicurezza? 1

2 Vita nominale delle strutture Classi d uso 2

3 Azioni entropiche Effetti di degrado esogeno della struttura: alterazione a seguito di agenti esterni alla struttura delle caratteristiche dei materiali (solfati, cloruri, gelodisgelo, anidride carbonica, sostanze chimiche di provenienza industriale) Degrado La struttura deve essere progettata così che il degrado nel corso della sua vita nominale, purché si adotti la normale manutenzione ordinaria, non pregiudichi le sue prestazioni in termini di resistenza, stabilità e funzionalità, portandole al di sotto del livello richiesto dalle presenti norme. Le misure di protezione contro l eccessivo degrado devono essere stabilite con riferimento alle previste condizioni ambientali. La protezione contro l eccessivo degrado deve essere ottenuta attraverso un opportuna scelta dei dettagli, dei materiali e delle dimensioni strutturali, con l eventuale applicazione di sostanze o ricoprimenti protettivi, nonché con l adozione di altre misure di protezione attiva o passiva. 3

4 Degrado del cls Costo globale di una struttura (relativo all intero ciclo di vita) Una struttura durevole deve soddisfare tutte le richieste di buon comportamento in esercizio, resistenza e stabilità per tutta la sua vita attesa, senza eccessive perdite di utilità e senza la necessità di prevedere manutenzioni eccessive. 4

5 Durabilità Durabilità (Normativa Tecnica) La durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano garantiti durante tutta la vita dell opera, deve essere garantita attraverso una opportuna scelta dei materiali e un opportuno dimensionamento delle strutture, comprese le eventuali misure di protezione e manutenzione. I prodotti ed i componenti utilizzati per le opere strutturali devono essere chiaramente identificati in termini di caratteristiche meccanico-fisico-chimiche indispensabili alla valutazione della sicurezza e dotati di idonea qualificazione, così come specificato al Cap. 11 delle presenti norme. 5

6 Durabilità (Normativa Tecnica) Durabilità L impiego di un calcestruzzo durevole fa aumentare il costo del materiale del 10-20%, ma il costo dell opera per non più dell 1%. Tuttavia i costi di restauro per un opera in calcestruzzo non durabile possono essere pari a 100 volte il costo originale dell opera quando il degrado è così avanzato da rendere la stessa inservibile per le originali funzioni. Al fine di ottenere la prestazione richiesta il progettista potrà fare utile riferimento alle indicazioni contenute nelle «linee guida», ovvero nelle norme UNI EN e UNI

7 Durabilità delle opere in c.a. Per garantire durabilità delle strutture in c.a. esposte all azione ambientale, si devono adottare provvedimenti atti a limitare gli effetti del degrado indotto dall attacco chimico-fisico e dalla corrosione delle armature. Il Progettista deve: Valutate le condizioni ambientali e d impiego Definita la vita utile della struttura Determinare le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare (composizione e resistenza) Determinare i valori del copriferro Definire le regole di maturazione Linee Guida sul calcestruzzo strutturale (Servizio Tecnico C.S.LL.PP.) e Norme UNI EN Quale alternativa? 7

8 Prove di corrosione CORROSIONE ACCELERATA IN ELEMENTI FESSURATI PREPARAZIONE DEI PROVINI Test comune Interruttore SCHEMA DEL CIRCUITO REALIZZATO Test Grafite Provino Barra 1 3 Potenziometro Alimentatore ALIMENTATORE Vasca contenente la soluzione di cloruri al 5% CREAZIONE FESSURA (Lamierino da 1 mm) STRATO SUPERFICIALE DI RESINA EPOSSIDICA (3 cm liberi) Effetti della corrosione BARRE BLACK BARRE ZINCATE 8

9 Caratteristiche meccaniche delle barre corrose SIMULAZIONE DELLA CORROSIONE DIAMETRI FRESE: 8 mm 12 mm 16 mm 20 mm Simulazione della corrosione localizzata A2 Rp Dp A B C Rp E h 2 2 R p R A = A + A = asp Noti: -Dp =diametro della fresa -Dnom =diametro nominale della barra ( α sen α ) + ( β sen β ) A1 F BC D G β = R CG = R 1 cos 2 h = BF = BC + CF β α h = R 1 cos + R p 1 cos 2 2 R p α h = R 1 cos arcsen sen + R R 2 α CF = R CA = R 1 cos P P 2 p α 1 cos 2 9

10 Risultato ottenuto con la fresatura STRUMENTAZIONE la l0 la+l0 la Programma sperimentale Caratteristiche dei materiali Diam. f sy f st [mm] [MPa] [MPa] ls ms hs

11 Risultati sperimentali Diagrammi carico-spostamento Load [kn] Diameter=12 mm - Dr=8 mm %=0.95 %=0.90 %=0.8 %=0.7 %=0.6 %= Displacement [mm] Diagrammi sforzo-spostamento Stress [MPa] Diameter=12 mm - Dr=10 mm Displacement [mm] %=1 %=0.9 5 %=0.9 0 %=0.8 %=0.7 %=0.6 %=0.5 Stress [MPa] Diameter=12 mm - Dr=8 mm Displacement [mm] %=1 %=0.9 5 %=0.9 0 %=0.8 %=0.7 %=0.6 %=0.5 Stress [MPa] Diameter=12 mm - Dr=6 mm Displacement [mm] %=1 %=0.95 %=0.90 %=0.8 %=0.7 %=0.6 %=0.5 Stress [MPa] Diameter=12 mm - Dr=4 mm Displacement [mm] %=1 %=0.95 %=0.90 %=0.8 11

12 Deformazione ultima delle barre corrose Displacement d 0.99 [mm] Bar diameter = 12 mm Undamaged Bar Dr=10 mm Dr=8 mm Dr=6 mm Dr=4 mm %A res Displacement d 0.99 [mm] Dr = 10 mm Dr = 8 mm Dr = 6 mm Dr = 4 mm Bar diameter = 16 mm %A res Displacement d 0.99 [mm] High S tre ngth Me d ium S tre n gth Lo w S tre n g th Bar diameter = 20 mm %A res Displacement d 0.99 [mm] Unda ma ged Ba r Dr=10 mm Dr=8 mm Dr=6 mm Dr=4 mm Bar diameter = 24 mm %A res Durabilità e progettazione Armature rinnovabili o protette S.I.C. (P.Schießl) 12

13 Durabilità e progettazione Drenaggio Durabilità e progettazione 13

14 Prevenzione La prevenzione si basa anzitutto su - qualità del calcestruzzo - spessore di copriferro In sede di progettazione Rapporto acqua /cemento Tipo di cemento Minimo contenuto di cemento Copriferro 14

15 In sede di costruzione Controllo copriferri Costipazione Maturazione Particolari costruttivi La progettazione del calcestruzzo 15

16 Specifica del calcestruzzo Il calcestruzzo può essere specificato a: -prestazione garantita; -composizione. Prestazione garantita Calcestruzzo le cui proprietà richieste e caratteristiche addizionali sono specificate al produttore il quale è responsabile della fornitura di un calcestruzzo conforme alle proprietà richieste e alle caratteristiche addizionali. Rappresenta la modalità di specifica del calcestruzzo più diffusa, in particolare per le grandi opere Composizione (richiesta) Calcestruzzo la cui composizione e i materiali componenti da utilizzare sono specificati al produttore il quale ha la responsabilità di produrre un calcestruzzo con la composizione specificata. Rappresenta la modalità di specifica del calcestruzzo nel caso di lavori di modesta entità. Calcestruzzo a composizione: Requisiti di base a) Una richiesta di conformità alla UNI EN 206; b) Il dosaggio di cemento; c) Il tipo e la classe di resistenza del cemento; d) Il rapporto a/c o la consistenza espressa come classe o, in casi speciali, come valore di riferimento; e) Il tipo, le categorie e il contenuto massimo di cloruri nell aggregato; nel caso di calcestruzzo leggero oppure pesante, anche la massa volumica massima o rispettivamente minima dell aggregato 1 ; f) La dimensione massima nominale dell aggregato ed eventuali limitazioni granulometriche; g) Il tipo e la quantità di additivo e l aggiunta, se impiegata; h) Se vengono impiegati additivi, o aggiunte, la provenienza di tali componenti e del cemento, in sostituzione delle caratteristiche non altrimenti definibili. Requisiti aggiuntivi possono essere richiesti qualora ritenuti necessari (Es: Temperatura di getto) 1- Calcestruzzo leggero: MV 2000 kg/m 3 Calcestruzzo pesante: MV > 2600 kg/m 3 16

17 Specifica del calcestruzzo a prestazione Calcestruzzo a prestazione - Requisiti di base a) Una richiesta di conformità alla UNI EN 206; b) La classe di resistenza a compressione; c) Le classi di esposizione (omissis); d) La dimensione massima nominale dell aggregato e la classe di contenuto in cloruri; e) La massa volumica (limitatamente ai calcestruzzi leggeri o pesanti) 1 ; f) La classe di consistenza (per il calcestruzzo preconfezionato o confezionato in cantiere); Requisiti aggiuntivi possono essere richiesti qualora ritenuti necessari (Es: Sviluppo di calore) 1- Calcestruzzo leggero: MV 2000 kg/m 3 Calcestruzzo pesante: MV > 2600 kg/m 3 Prescrizioni per il cls a cls a prestazione garantita 17

18 Classi di resistenza del calcestruzzo CLS STRUTTURALE DURABILITA' UNI BENESTARE STC Classi di consistenza La consistenza del calcestruzzo viene specificata mediante classi di consistenza in accordo a UNI EN 206. CLASSE DI ABBASSAMENTO AL CONO (SLUMP) CLASSE ABBASSAMENTO AL CONO [mm] S S S S S5 > 220 CLASSE DI SPANDIMENTO CLASSE DIAMETRO SPANDIMENTO [mm] F1 340 F F F F F6 620 Lo slump test è idoneo per impasti plastico-fluidi. La prova di spandimento è idoneo per impasti fluidi. Per gli impasti SCC si impiegano specifiche modalità di prova 18

19 Classi di esposizione La classe di esposizione del calcestruzzo viene specificata mediante classi in accordo a UNI EN 206. Assenza di rischio di corrosione (classe XO) Indotta dalla carbonatazione (classe XC) Presenza di rischio di corrosione Indotta da cloruri in ambiente marino (classe XS) Attacco del gelo e disgelo (classe XF) Attacco chimico (classe XA) Indotta da cloruri in ambiente non marino (classe XD) Classi di esposizione 1 ASSENZA DI RISCHIO DI CORROSIONE Per calcestruzzo privo di armatura o inserti metallici: tutte le esposizioni eccetto dove c è gelo/disgelo, XO abrasione o attacco chimico. Per calcestruzzo con armatura o inserti metallici: molto asciutto. 2 CORROSIONE INDOTTA DA CARBONATAZIONE Nel caso in cui il calcestruzzo contenente armature o inserti metallici sia esposto all aria e all umidità, l esposizione è classificata secondo il modo seguente. XC1 Asciutto o permanentemente bagnato XC2 Bagnato, raramente aciutto XC3 Umidità moderata XC4 3 CORROSIONE INDOTTA DA CLORURI ESCLUSI QUELLI PROVENIENTI DA ACQUA DI MARE Ove il calcestruzzo contenente armature o altri inserti metallici è soggetto al contatto con acqua contenente cloruri, inclusi i sali antigelo, con origine diversa dall acqua di mare, l esposizione è classificata come segue. XD1 Umidità moderata XD2 Bagnato, raramente aciutto XD3 Ciclicamente bagnato e asciutto 19

20 Classi di esposizione 4 CORROSIONE INDOTTA DA CLORURI PRESENTI NELL ACQUA DI MARE Quando il calcestruzzo contenente armature o altri inserti metallici è soggetto al contatto con cloruri presenti nell acqua di mare oppure con aria che trasporta sali derivanti dall acqua di mare, l esposizione è classificata come segue. XS1 Esposto a nebbia salina ma non in contatto diretto con acqua di mare XS2 Permanentemente sommerso XS3 Zone esposte alle onde oppure alla marea 5 ATTACCO DEI CICLI GELO/DISGELO Quando il calcestruzzo bagnato è esposto ad un attacco significativo dovuto a cicli di gelo /disgelo, l esposizione è classificata come segue. XF1 Moderata saturazione d acqua, senza impiego di agente antigelo XF2 Moderata saturazione d acqua, con impiego di agente antigelo XF3 Elevata saturazione d acqua, senza impiego di agente antigelo XF4 Elevata saturazione d acqua, con impiego di agente antigelo oppure acqua di mare 6 ATTACCO CHIMICO Quando il calcestruzzo è esposto all attacco chimico che si verifica nel terreno naturale e nell acqua del terreno, l esposizione è classificata come segue. XA1 Ambiente chimico debolmente aggressivo XA2 Ambiente chimico moderatamente aggressivo XA3 Ambiente chimico fortemente aggressivo Classi di esposizione XC XC1 XC4 PT aperto XC3 falda freatica XC2; imp. (a/c<0,5) XC2+XA1 terreno con solfati 20

21 Ruolo del rapporto acqua/cemento Valori limite raccomandati dalla UNI EN Rapporto massimo a/c Classe di resistenza minima Contenuto minimo di cemento [kg/m 3 ] Contenuto minimo di aria [%] Altri requisiti Classi di esposizione Nessun Corrosione da cloruri rischio di Corrosione da Altri cloruri Ambienti chimici Attacco gelo/disgelo corrosione carbonatazione Acqua marina (diversi dall acqua aggressivi o attacco di mare) X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA C12/15 C20/25 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45 C35/45 C30/37 C30/37 C35/45 C30/37 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C30/37 C35/ a) 4.0 a) 4.0 a) Aggregati conformi al pren12620:2000 con sufficiente resistenza al gelo/disgelo Cemento resistente ai solfati b) a) Quando il calcestruzzo non contiene aria aggiunta, le sue prestazioni dovrebbero essere verificate conformemente ad un metodo di prova appropriato rispetto ad un calcestruzzo per il quale è provata la resistenza al gelo/disgelo per la relativa classe di esposizione. b) Qualora la presenza di SO4 2- comporti le classi di esposizione XA2 e XA3, è essenziale utilizzare un cemento resistente ai solfati. Se il cemento è classificato a moderata o ad alta resistenza ai solfati, il cemento dovrebbe essere utilizzato in classe di esposizione XA2 (e in classe di esposizione XA1 se applicabile) e il cemento ad alta resistenza ai solfati dovrebbe essere utilizzato in classe di esposizione XA3. I valori si riferiscono all uso di cemento CEM I 32.5 R e aggregato con 20 < D max < 32 mm 21

22 Attacco chimico o da cloruri Individuate le tipologie di esposizione, le relative classi di aggressività sono individuate attraverso valori limite dettati dalle normative vigenti (UNI EN 206 UNI , UNI ,, UNI ). A titolo d esempio si riportano i prospetti indicati nelle UNI e UNI Classi di aggressività Nelle acque Nei terreni mg/l mg/kg SO4 -- Mg ++ NH4 + SO4 -- XA1 Bassa XA2 Moderata XA3 Alta > 3000 e 6000 > 3000 > 60 e 100 >12000 e Tipi di calcestruzzo e condizioni di esposizione Ione cloruro ammesso in %, sulla massa del cemento* Calcestruzzo armato in ambiente asciutto 1,0 Calcestruzzo armato in ambiente umido 0,40 Calcestruzzo precompresso a cavi scorrevoli 0,20 Calcestruzzo precompresso a fili aderenti 0,10 * Per la malta di iniezione dei cavi, vale quanto stabilito nella UNI EN 447 Valori limite raccomandati dalla UNI I valori si riferiscono all uso di cemento CEM I 32.5 R e aggregato con 20 < D max < 32 mm 22

23 La formulazione del calcestruzzo La formulazione del calcestruzzo discende dai requisiti di: SCELTA COSTITUENTI RAPPORTI DI MISCELA RESISTENZA CONSISTENZA CEMENTO AGGREGATI DOSAGGIO COSTITUENTI REQUISITI DURABILITÀ MASSA VOLUMICA ADDITIVI AGGIUNTE a/c DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA DIMENSIONE MASSIMA AGGREGATO SISTEMI DI RINFORZO (LOCALIZZ./DIFFUSO) Resistenza e rapporto a/c 23

24 Il progetto della miscela di calcestruzzo Cracks in a beam 24

25 Il Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC) Ristorante submarino - Valencia 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. Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 25

26 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 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 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 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 26

27 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. Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Effetti delle fibre nel calcestruzzo Fibers activate after cracking of the concrete matrix. Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 27

28 Rottura o sfilamento delle fibre Fibre sintetiche Fibre di acciaio Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Effetti delle fibre nel calcestruzzo plain Fibre effects Fibre content V f 1% σ res (w) durability (cracking control) minimum reinforcements (N, M,V) anchorage lengths fatigue deformability (tension stiffening) shrinkage stress limits in P/C elements D regions (spalling, bursting, splitting) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 28

29 CNR DT 204 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE COMMISSIONE INCARICATA DI FORMULARE PARERI IN MATERIA DI NORMATIVA TECNICA RELATIVA ALLE COSTRUZIONI Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Istruzioni CNR Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture in Calcestruzzo Fibrorinforzato 1 PREMESSA 2 MATERIALI 3 CONCETTI BASILARI INDICE 4 VERIFICA DI RESISTENZA ALLO SLU 5 STATO LIMITE DI ESERCIZIO 6 DURABILITA 7 RESISTENZA AL FUOCO 8 MONITORAGGIO E CONTROLLO DI PRODUZIONE Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 29

30 CNR-DT Appendici 1. Sulla resistenza a trazione: identificazione dei parametri costitutivi 2. Sul controllo e sui criteri di conformità 3. Sulle prove di caratterizzazione meccanica per materiali incrudenti 4. Sulla resistenza dei materiali: calcolo dei valori caratteristici per la progettazione delle strutture 5. Sulla determinazione sperimentale dei coefficienti di degrado Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 fib Model Code 2010 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 30

31 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 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 fib Model Code: new contents New types of concrete (FRC) New types of reinforcement (fibres) New design criteria Design for service life Upgrading of structures Defined performance design Quality of execution Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 31

32 fib Model Code: Index 1. Scope 2. Terminology 3. Basic Principles 4. Design Principles 5. Materials 6. Interface characteristics 7. Design 8. Construction 9. Conservation 10. Dismantlement 5.1. Concrete 5.2. Reinforcing steel 5.3. Prestressing steel 5.4. Prestressing systems 5.5. Non-metallic reinforcement 5.6. Fibres / fibre reinforced concrete Joint chapters prepared by fibtg 8.3 Fiber reinforced concrete and fib TG 8.6 Ultra high performance fiber reinforced concrete Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Main goal of the fib Model Code To provide guidance to engineers to properly (and safely) design FRC structural elements both at serviceability and ultimate limit states, based on the state-of-the-art knowledge CLASSIFICATION 11/10/2016 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 32

33 Base requirement for structural design Engineers can design structures with new materials only if they are performance based! Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Structural design of concrete in tension Concrete class C40/50 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 33

34 FRC classification A performance approachis 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 11/10/2016 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 FRC classification (3PBT) EN h sp = 125 mm b = 150 mm Linear stress distribution f = R,j 3F 2bh l j 2 sp Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 34

35 FRC performance classes (New fib Model Code) Post-cracking residual strength can be classified by using two parameters, namely f R1k (representing the strength interval) and a letter a, b, c, d or e (representingtheratiof R3k /f R1k ). 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] whilethelettersa,b,c,dandecorrespondtotheratios: a if0.5 f R3k /f R1k 0.7 b if0.7 f R3k /f R1k 0.9 c if0.9 f R3k /f R1k 1.1 d if1.1 f R3k /f R1k 1.3 e if1.3 f R3k /f R1k SLS ULS The designer has to specify the class, the residual strength ratio and the material of the fibre Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 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 CMOD CMOD [mm] Minimum requirements for structural applications: Fibres can substitute conventional reinforcement (rebars) only if the following relationship is fulfilled: CMOD2 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 CMOD3 CMOD4 f R1k /f Lk > 0.4 f R3k /f R1k >0.5 35

36 Constitutive law in uniaxial tension: σ-w Experimental result: σ N CMOD σ w σ hardening σ f Ftu fft=fct f Fts f Fts softening f Ftu Simplified fftu constitutive law σ-w w u w f = f Fts Ftu 0.45 f R1 wu = f Fts ( f Fts 0.5 f R f R1) 0 CMOD 3 w ε σ f Ftu f Ftu rigid-plastic w u w Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Stress-strain relationship ε 1 = ε SLS = CMOD 1 /l cs ε 2 = ε ULS = w u /l cs (=2% or 1%) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 36

37 Partial safety factors ULS: SLS: γ F = 1 FRC in compression FRC in tension FRC in tension (residual strength) Ordinary quality control As plain concrete γ F = 1.5 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Optimized reinforcement: definition Place the best performing reinforcement (fibers and/or rebars) where required by tensile stresses in the structural elements Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 37

38 Reinforcement use in structural elements In structural elements both distributed and localized stresses are generally present Conventional rebars represent the best reinforcement for localized stresses Fibers represent the best reinforcement for diffused stresses Structural optimization generally requires the use of a combination of rebars and fibers Structural ductility is generally enhanced Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Shear in beams without stirrups In FRC elements there is an additional contribution to shear resistance provided by fiber reinforcement: V = V c + V f V c represents the concrete contribution. V f represents the fiber contribution (post cracking strength). Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 38

39 Wide Shallow Beams with b=750 mm W750 PC W750 FRC25 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Wide Shallow Beams with b=1000 mm W1000 MSR W1000 FRC35 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 39

40 Example of Application for Shear p = 35 kn/m 200 d 2Ø24 Bars 6 m 500 mm 500 2Ø24 Deformed Bars p = 35 kn / m ( ULS) u h = 500 mm; d = 460mm f = 30 MPa; f = 500 MPa ck yk γ = 1.5; γ = 1.15 c s fcd = = 20 MPa; f yk = = 435 MPa f = 2 MPa ( EC2) ctk M max = p l = = kn m Vmax = p l = 35 6 = 105 kn As 904 mm ρl = = = 0.98% b d 200 mm 460 mm M u w = 161 kn m Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Example of Application for Shear VRd, ct = k (100 ρ1 fck ) σcp b d = 49 kn W γ c Minimum Shear Reinforcement meters requiring design shear reinforcement; 2.8 meters requiring minimum shear reinforcement. Minimum Shear Reinforcement: Design Shear Reinforcement: s 0.75 d = 345 mm Asw VR, ds = z fyd = VRd VRd, ct = 56 kn f s ck ρw,min = 0.08 = f s 321 mm yk mm 2Φ8@ 300 mm Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 40

41 Example of Application for Shear Assume 30 kg/m 3 of steel fibers having l/φ =67 and fftk,u=0.90 MPa (tested at the University of Brescia) V V Rd, F Rd, F 0.18 f Ftk, u = k (100 ρ ( ) fck ) σ CP b W c f 1 γ ctk Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 d = + + = Minimum shear reinforcement f ck f Ftuk = = MPa Design Shear Reinforcement 1 1 ( (1 7.5 ) 20) OK Asw VR, ds = z fyd = VRd VRd, ct = 24 kn s 2 Φ 6@300 mm s 420 mm 0.7 kn Minimum Shear Reinforcement 2.3 Example of optimized shear reinforcement 2Ø8@300mm 2Ø6@300mm Plain concrete 2Ø6@300mm FRC Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 41

42 Piastre in FRC Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Slab on piles Example: Slab on piles Maximum principal stresses acting on the top surface Pressure Minimum principal stresses acting on the top surface Optimized reinforcement Local rebars FRC Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 42

43 Case study Elevated slab made with Steel Fiber Reinforced Concrete Geometry Loads 1. Dead weight (G1) 2. Overload (Q) Overload (Q) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Reinforcement optimization Contour of the principal tensile stresses detected in the elastic stage Top view Most stressed lines Bottom view [MPa] [MPa] Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 43

44 Reinforcement optimization Optimized reinforcement: combination of steel fibers and rebars placed in the most stressed areas of the slab Proposal of an optimal reinforcement layout Reinforcement placed within diagonal and longitudinal chords Hypothesis: top and bottom reinforcement have the same effective area Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Parametric study Parameters investigated by numerical simulations: 1. longitudinal reinforcement ratio; 2. diagonal reinforcement ratio; 3. steel fiber content. 3D f.e. model implemented in the program Diana 9.6 1/4 of the whole slab Rebars layout Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 44

45 Parametric study Mechanical properties according MC2010 Tensile properties of SFRC Fiber content f R1,k f R3,k [kg/m 3 ] [MPa] [MPa] f ct =2MPa Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Parametric study Mechanical properties according MC2010 Compression properties of SFRC fck fck=30mpa Tensile properties of conventional reinforcement σ t [MPa] GPa 13% ε t Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 45

46 Results of the parametric study Typical Overload (Q) Deflection (δ) curve obtained from the simulations Q max = maximum overload Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Results of the parametric study Summary of the analysis program Diagonal reinforcement ratio (ρ d ) Longitudinal reinforcement ratio (ρ l ) As ρ = 100 B d B=400mm ; d=170mm Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 46

47 Results of the parametric study Effect of the total rebars content (longitudinal+diagonal) on the slab capacity (Qmax) 2800 Maximum Overload (Q max ) [kg/m 2 ] Q = 850+(5965 TRC) 0.53 R 2 = 0.94 Fiber Content = 30kg/m^3 Fiber Content = 50kg/m^3 Fiber Content =70kg/m^3 Q = 606+(5965 TRC) 0.53 Q = 330+(5965 TRC) 0.53 R 2 = 0.98 R 2 = 0.97 The diagram may be used to design the optimal Hybrid Reinforcement for the slab Il FRC per la durabilità Total delle Rebars strutture Content (TRC) CIAS [kg/m - Vicenza, 3 ] 7 Ottobre, /126 Results of the parametric study Increment of the Total Rebars Content (TRC) at a fixed loading level Maximum Overload (Q max ) [kg/m 2 ] Q = 850+(5965 TRC) 0.53 R 2 = 0.94 Fiber Content = 30kg/m^3 Fiber Content = 50kg/m^3 Fiber Content =70kg/m^3 Q = 606+(5965 TRC) 0.53 Q = 330+(5965 TRC) 0.53 R 2 = 0.98 R 2 = Total Rebars Content (TRC) [kg/m 3 ] The diagram highlights the additional rebars content ( TRC) that has to be employed with respect to the slab with 30kg/m 3 of fibres to ensure the same maximum overload level. Total Rebars Content reduction ( TRC) [kg/m 3 ] TRC30 - TRC50 TRC30 - TRC Maximum Overload (Q max ) [kg/m 2 ] Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 47

48 Results of the parametric study Total reinforcement (fibres + rebars) vs. Maximum overload Total Rebars Content (TRC) + Fibre content [kg/m 3 ] Optimal reinforcement for the load level Q max, Q max,1 Fiber Content = 30kg/m^3 Fiber Content = 50kg/m^3 Fiber Content =70kg/m^3 Q max,2 Optimal reinforcement for the load level Q max, Maximum Overload (Q max ) [kg/m 2 ] Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Results of the parametric study Effectiveness of the diagonal reinforcement on the slab response TRC [%] = +10% Q [%] = +36% Comparison of the slab reinforced only with fibres Q [%] = +83% Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 48

49 Elementi con fibre e armatura convenzionale La verifica di elementi di calcestruzzo fibrorinforzato con armatura convenzionale può essere eseguita con i metodi tradizionalmente adottati per il calcestruzzo armato; il contributo delle fibre può essere considerato adottando metodi di analisi non lineare (analisi limite, analisi non lineare evolutiva). Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Crack development Durability of in FRC elements Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 49

50 Experimental Program II b Two fiber typologies: b b LVDT Base of measurement 4 LVDTs, one for each side of the specimen Macro (M): Hook ended, 30 mm long, 0.62 mm diameter Reinforcement Micro (m): Straight, 13 mm long, 0.2 mm diameter mm Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Experimental Program Four point bending tests on a beam Beam Cross-Section Sample Constant Moment: reinforcement and surrounding concrete like a tension tie Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 50

51 Experimental Program III vil 950 b Reinforcement Variation of the longitudinal steel ratio, ρ=3,24% to 1,24% Variation of the specimen size, b Variation of the rebar diameter φ φ 10 φ 10 φ 20 φ 20 φ 30 φ 30 Vf b [mm] As [mm 2 ] Ac,eff [mm 2 ] Reinf. Ratio (%) Clean cover [mm] Denomination # of specimens 0* N 50/ ,5%* N 50/10-0,5/M 3 1,0 %* ,24 20 N 50/10-1/M 3 0,5%+0,5%* N 50/10-1/M+m 3 1%+1% N 50/10-2/M+m 3 0* N 80/ ,5%* N 80/10-0,5/M 3 1,0 %* ,24 35 N 80/10-1/M 3 0,5%+0,5%* N 80/10-1/M+m 3 1%+1% N 80/10-2/M+m 3 0* N 100/ ,5%* N 100/20-0,5/M 3 1,0 %* ,24 40 N 100/20-1/M 3 0,5%+0,5%* N 100/20-1/M+m 3 1%+1% N 100/20-2/M+m 3 0* N 150/ ,5%* N 150/20-0,5/M 3 1,0 %* ,41 65 N 150/20-1/M 3 0,5%+0,5%* N 150/20-1/M+m 3 1%+1% N 150/20-2/M+m 3 0* N 150/ ,5% N 150/30-0,5/M 3 1,0 % ,24 60 N 150/30-1/M 3 0,5%+0,5% N 150/30-1/M+m 3 1%+1% N 150/30-2/M+m 3 0* N 200/ ,5% N 200/30-0,5/M 3 1,0 % ,80 85 N 200/30-1/M 3 0,5%+0,5% N 200/30-1/M+m 3 1%+1% N 200/30-2/M+m 3 Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Experimental Results Comparison specimens N 50/10 - Φ 10 - ρ = 3,24% Comparison specimens N 80/10 - Φ 10 - ρ = 1,24% Axial load, N [kn] Bare bar Ф 10 Average response plain Average response Vf=0,5% Average response Vf=0,5%+0,5% Average response Vf=1% ΔN Plain ΔN SFRC Vf=0,5% ΔN SFRC Vf=0,5%+0,5% ΔN SFRC Vf=1% Axial load, N [kn] Bare bar Ф 10 Average response plain Average response Vf=0,5% Average response Vf=0,5%+0,5% Average response Vf=1% ΔN Plain ΔN SFRC Vf=0,5% ΔN SFRC Vf=0,5%+0,5% ΔN SFRC Vf=1% Average strain [ ] Average strain [ ] N: combined effect of tension stiffening and residual tensile stresses Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 51

52 Results Plain Concrete FRC w Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Comparison against code provisions Average crack spacing [mm] Average crack spacing: comparison with standard formulations Plain SFRC Vf=0,5% SFRC Vf=0,5%+0,5% SFRC Vf=1% CEB - FIP Model Code, 1978 Eurocodice 2, 1991 CEB - FIP Model Code, 1993 Eurocodice 2, 2003 CEB, FIP Model Code 1978: s φ s = 2 c + + k k b m ρeff CEB, FIP Model Code 1993: 2 φ sm = ρ eff φ/ρ eff [mm] Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 52

53 Crack Spacing Comparison Average crack spacing [mm] Φ=10, ρeff=3,24% φ = ρ eff Comparison specimens : average crack spacing Plain SFRC Vf=0,5% SFRC Vf=0,5%+0,5% SFRC Vf=1% SFRC Vf=1%+1% -51% -69% -27% -45% -24%-46% Φ=10, ρeff=1,24% Bardiameter reinforcing ratio Φ=20, ρeff=3,24% -51% -25% Φ=20, ρeff=1,41% Φ=30, ρeff=3,24% Φ=30, ρeff=1,80% Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Crack Spacing and Experimental Residual Stress Comparison specimens: average crack spacing and estimated residual post-cracking strength f res Φ=20, ρeff=1,41% % Φ=20, ρeff=3,24% % Φ=10, ρeff=1,24% % SFRC Vf=1% SFRC Vf=0,5%+0,5% SFRC Vf=0,5% Φ=10, ρeff=3,24% % Plain Average crack spacing [mm] 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 f res [MPa] Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 53

54 Fibers for Durability durability of of FRC beams Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Exposure in aggressive (marine) environment 10 beams has been exposed for more than 2 years in a coastal zone, under a load equal to 50% of the ultimate load Aim of the research: evaluate the influence of fibers on mechanical behaviour of FRC in short and long term bending test Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 54

55 Materials (UNI 11039) Ø Ø Longitudinal bars Diameter Yield strength (MPa) Ultimate strength (MPa) 14mm Stirrups 8mm Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Tests for determining material properties (UNI 11039) LOAD (kn) % steel V f =0,6% V f =0,9% 06S 09P TQ % polyester CTOD (microns) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 55

56 Crack monitoring Crack width, crack length and crack position have been measured during the exposure period. The crack width has been measured with a digital microscope (200x magnification) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Cracking monitoring In FRC beams the crack widths were in the range of 0.1 to 0.2 mm, without overcome the threshold of 0.2 mm. In plain beam the 93.3% of cracks had a crack width over 0.1 mm, while the 60% over 0.2 mm. Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 56

57 Cracking monitoring Average of crack widths between the loading points PC Crack width (mm) steel polyester TQ1_E ST1_E ST2_E POL1_E POL2_E Crack width reduction of the FRC beams respect to the plain beam (Dw /%). Beams Dw /% ST1-2_E 54% POL1-2_E 53% Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Cracking behavior at SLS ST1-2_E 43% POL1_E 37% POL2_E 43% Crack width reduction of the FRC beams respect to the plain beam. SLE (50kN) LONG TERM BEAMS SLE (50kN) ST1-2 35% POL1-2 28% SHORT TERM BEAMS Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 57

58 Cracking behavior at ULS Crack width reduction of the FRC beams respect to the plain beam. SLU (100kN) ST1-2_E 56% POL1_E 25% POL2_E 54% LONG TERM BEAMS SLU (100kN) ST1-2 41% POL1-2 39% SHORT TERM BEAMS Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Carbonation depth CARBONATION DEPTH CHLORIDE CONTENT Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 58

59 Carbonation depth between the cracks Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 Carbonation depth at cracks K (mm/anni ^0.5) TQ_E ST1_E ST2_E POL1_E POL2_E t armature (anni) Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 59

60 Thank you for your kind attention! University of Brescia, Italy Il FRC per la durabilità delle strutture CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, /126 60