Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica. quaderni del dottorato 3

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1 Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica quaderni del dottorato 3

2 Ph.D. Thesis, Ph.D course in Structural Rehabilitation and Maintenance of Ancient and Modern Buildings, University of Brescia Supervisors: Prof. Giovanni A. Plizzari University of Brescia Prof. Nemkumar Banthia University of British Columbia Cristina Zanotti Ph.D. in Structural Rehabilitation and Maintenance of Ancient and Modern Buildings University of Brescia Via Branze 43, Brescia (Italy)

3 Cristina Zanotti High Performance FRC for R/C Structure Strengthening

4 Copyright MMXIV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) isbn I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: giugno 2014

5 SOMMARIO La tesi riguarda l applicazione di calcestruzzi fibrorinforzati ad elevate prestazioni (High Performance Fiber Reinforced Concretes, HPFRC) per il recupero di strutture in c.a. esistenti. E ben noto che l aggiunta di fibre ad una matrice cementizia ne incrementa la tenacità, principalmente grazie alla capacità delle fibre di cucire le fessure limitandone l apertura e lo sviluppo. Gli HPFRC si distinguono da tutti gli altri composti cementizi per la capacità di esibiire un comportamento incrudente a trazione (tension strain hardening), considerato di fatto la loro proprietà più importante, risultato della sinergia di diversi fattori, tra cui l adozione di elevati contenuti di fibre, o di particolari tipologie di fibre, e di speciali accorgimenti nel progetto e nella preparazione della miscela. Il comportamento incrudente a trazione dopo la fase elastica è reso possibile da una duttilità interna del materiale, in cui si verifica una ridistribuzione di sforzi mediante meccanismi di trasferimento tra fibre e matrice, grazie ai quali si osserva l insorgere di una fessurazione multipla anziché l immediata propagazione instabile di un unica fessura. La capacità di sopportare maggiori deformazioni e di esibire stabilità al di fuori del campo elastico ha aperto la strada a svariate applicazioni. In particolare, la possibilità di raggiungere buone prestazioni strutturali con spessori relativamente sottili, contenendo dunque pesi e ingombri, rende l adozione degli HPFRC particolarmente attrattiva nell ambito del recupero e del rinforzo di costruzioni esistenti. Nonostante siano stati fatti grandi passi avanti nello sviluppo e nello studio del materiale e delle possibili applicazioni strutturali negli ultimi decenni, la risposta a breve e a lungo termine delle strutture in HPFRC è ancora un tema aperto, in particolare per quanto riguarda il settore del recupero strutturale, dove l interazione tra l esistente e il nuovo costituisce un ulteriore importante quesito. L attività di ricerca si è suddivisa in due fasi principali. Nella prima fase, svolta presso l Università degli Studi di Brescia, sono stati condotti studi sperimentali e numerici finalizzati a sviluppare e verificare la fattibilità di alcune tecniche di intervento, nello specifico: la realizzazione di diaframmi di piano sottili per il miglioramento sismico degli edifici esistenti e l incamiciatura per il rinforzo o il miglioramento sismico di travi in c.a. e di pile da ponte. Per quanto riguarda la prima applicazione, sono state effettuate analisi monotone non lineari mediante il programma a elementi finiti DIANA9.2 per lo studio del comportamento di diaframmi di piano in calcestruzzo fibrorinforzato ordinario (FRC). L idea di base è quella di poter sostituire l ordinaria rete d acciaio per il

6 rinforzo a taglio del diaframma con le fibre distribuite nella miscela. Eliminando l esigenza del copriferro minimo si potrebbe minimizzare lo spessore del diaframma in base a requisiti strutturali anziché costruttivi, con il principale vantaggio di poter ridurre i pesi e l effetto delle sollecitazioni sismiche sull edificio. In questo caso, il composto cementizio adottato non è da considerarsi ad elevate prestazioni per l assenza di tension strain hardening; si osserva solo un elevata tenacità, dovuta principalmente all effetto di cucitura delle fessure offerto dalle fibre d acciaio. Le analisi numeriche hanno consentito di analizzare e confrontare la risposta dei diaframmi in c.a. ordinario e dei diaframmi in FRC, indagare i meccanismi resistenti che si sviluppano nei due casi, e stimare delle soglie minime per quanto riguarda lo spessore dei diaframmi in FRC, al variare del rischio sismico considerato e del contenuto in fibre. E stato inoltre condotto uno studio sul rinforzo di travi in c.a. mediante incamiciatura in calcestruzzo fibrorinforzato ad elevate prestazioni (HPFRC), caratterizzato da elevata resistenza a compressione oltre che da un comportamento incrudente a trazione. Le prove sperimentali su travi in scala reale sono state affiancate da analisi numeriche non lineari, eseguite sempre con il programma DIANA9.2, per una miglior comprensione dei meccanismi che governano la risposta delle travi. I risultati ottenuti con questo primo studio hanno consentito di utilizzare gli stessi modelli per simulazioni numeriche del comportamento di una pila da ponte esistente. In particolare, si è voluto stimare l effetto dell incamiciatura del fusto della pila sulla risposta monotona a presso flessione per diverse combinazioni di carico orizzontale e verticale e sul dominio resistente di interazione carico orizzontale-carico verticale. Nonostante le evidenti potenzialità degli HPFRCs nel campo delle nuove costruzioni così come nel settore del recupero, ad oggi rimangono ancora alcune questioni irrisolte riguardanti principalmente la durabilità dell intervento, ovvero, la capacità dell opera di mantenere le prestazioni e la sicurezza richieste a lungo termine. Nel settore del recupero, oltre a tutte le problematiche generali riguardanti il comportamento a lungo termine delle opere in c.a. ordinario, risultano di fondamentale importanza l interazione tra il vecchio substrato e il nuovo materiale, ovvero la compatibilità e la risposta del sistema composto a deformazioni lente oltre che a quelle indotte dai carichi, e il comportamento all interfaccia tra i due materiali. La seconda parte del lavoro, eseguita presso la University of British Columbia, si è quindi focalizzata sul problema locale dell aderenza tra il vecchio e il nuovo materiale. La prestazione finale dell opera rinforzata, infatti, è significativamente influenzata dal comportamento dell interfaccia tra i due

7 materiali, definita tipicamente come l anello debole della catena. Il tema dell aderenza è stato ampiamente studiato in passato; le indagini sperimentali condotte hanno consentito di definire i principali fattori influenzanti l aderenza e mettere a punto tecniche per l ottimizzazione della stessa. Un problema ancora aperto, invece, riguarda il comportamento a lungo termine dell interfaccia substrato-materiale di rinforzo, il cui grado di danneggiamento influenza non solo l aderenza, ma anche la resistenza dell opera al degrado indotto da corrosione, ritiro, e, più in generale, da tutti quei fenomeni che risentono della permeabilità del sistema composto. L indagine condotta aveva dunque l obiettivo di valutare se l impiego di composti cementizi con elevate prestazioni in fase postfessurativa può migliorare la prestazione a lungo termine (durabilità) dell interfaccia. A tal fine, sono state eseguite prove di aderenza attraverso splitting tests e slant shear tests propriamente modificati e messi a punto per la costruzione del diagramma di inviluppo taglio-trazione dell interfaccia e la derivazione del relativo coefficiente d attrito e della coesione secondo il modello di Mohr-Coulomb. Lo studio è stato condotto su provini in condizioni standard di laboratorio e su provini danneggiati da severi cicli wet-dry. Inoltre, sono state eseguite prove sperimentali di frattura in modo I (trazione), mediante Contoured Double Cantilever Beam (CDCB) test per analizzare la resistenza alla propagazione della fessura (crack growth resistance) lungo l interfaccia. Le prove sono state supportate da analisi non lineari effettuate in ambiente Matlab per la derivazione dei parametri di frattura dell interfaccia. Infine, l osservazione dell interfaccia mediante Scanning Electron Microscope (SEM) ha consentito l individuazione del sottile strato (spesso solo pochi microns) di materiale maggiormente poroso all interfaccia, che costituisce appunto la zona di debolezza meccanica del sistema composto, meglio nota come Interfacial Transition Zone (ITZ).

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9 a Claudio e Daniela

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11 The path has infinite patience. It will always be there for those who decide to travel it. (The Sacred Tree, Four Worlds International Institute for Human and Community Development)

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13 ACKNOWLEDGMENTS I am greatly thankful to Prof. G.A. Plizzari and Prof. N. Banthia for offering me the chance to grow through research and sustaining me during the path. My studying experiences at the University of Brescia and at the University of British Columbia were both uplifted by meeting of special collegues and friends. I would like to thank Prof. A. Marini for her priceless support and friendship. A special acknowledgment goes to Prof. A. Meda for his friendly and continuous advice. Thanks to Drs. Elisa Sala, Consuelo Beschi, Nicola Bettini, Luca Cominoli, Giovanni Metelli, Fausto Minelli, and Marco Preti for sharing hard work and funny breaks. I would really like to acknowledge Sudip Talukdar, Tasnuba Islam, Ricky Ratu, Sahar Ranjbar, and Jane Wu for making my stay at UBC so pleasant. Thanks to Bettina, Barbara, Silvia, Fabiola, Renée, Veronica, Giulia, Francesco, Céline, Yared, Aurelia, and all those special friends who grace my life and contribute to my human development. Finally, I am greatly thankful to my parents, to Gianni and Maria, and to my sister Sara. Thank you for your invaluable caring support.

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15 CONTENTS 1. INTRODUCTION HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORCED CONCRETE (HPFRC) Mix-design and properties Tensile behavior Conditions for tension strain hardening References FRC FLOOR DIAPHRAGMS FOR SEISMIC ENHANCEMENT OF EXISTING BUILDINGS Floor diaphragms in the structural rehabilitation field an overview Design of floor diaphragms Traditional techniques Fiber Reinforced Concrete diaphragms FE analysis of R/C and FRC floor diaphragms Case study and diaphragm proportioning FE modeling and analysis procedure Response of R/C diaphragms Response of FRC diaphragms Comparison and discussion Concluding remarks References R/C ELEMENT STRENGTHENING BY MEANS OF HPFRC JACKETS Strengthening of R/C beams by HPFRC jacketing... 49

16 Case study and experimental program Specimen preparation Material properties Plain concrete Steel reinforcement HPFRC Preliminary adhesion test Full-scale beam testing apparatus and procedure Response of ordinary R/C beam Response of plain concrete beam with HPFRC jacket Response of R/C beam with HPFRC jacket Comparison and discussion Response of R/C beam with HPFRC jacket applied after damage FE analysis procedure and modeling HPFRC modeling Plain concrete modeling Steel reinforcement modeling Analysis of un-notched HPFRC beam Analysis of full-scale R/C beam Analysis of full-scale R/C beam with HPFRC jacket HPFRC jacketing of R/C bridge pier column Case study FE analysis procedure and modeling Results Interaction diagrams

17 Results Column monotonic behavior (response curves, strain and stress development, and crack patterns) Lateral influence of confinement Modeling the effect of lateral confinement Results Concluding remarks R/C beam jacketing R/C bridge pier columns jacketing References PERFORMANCE AND DURABILITY OF CONCRETE SUBSTRATE- CEMENTITIOUS REPAIR INTERFACE Materials Specimen preparation Interface bond strength Introduction to the slant-shear tests performed Test set-up Failure mode Bond strength under combined normal-shear stress conditions Effect of wet-dry cycles and repair fiber content on bond strength Interface mode-i crack growth resistance Mode-I crack growth resistance of brittle and quasi-brittle materials basic concepts CDCB test for mode-i fracture analysis CDCB test set-up Determination of fracture parameters

18 Splitting (indirect) tension test Results and discussion Splitting tensile strength Crack growth resistance Substrate-repair imaging through Scanning Electron Microscope (SEM) Concluding remarks References

19 HIGH PERFORMANCE FRC FOR R/C STRUCTURE STRENGTHENING

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21 1. INTRODUCTION The present work deals with the use of High Performance Fiber Reinforced Concretes (HPFRCs) for R/C structure strengthening. It is well known that adding fibers to a cementitious matrix provides a significant toughness increase, mainly due to the crack bridging effect of fibers. The major difference between HPFRC and ordinary plain or fiber reinforced cement composites lies in the tensile strain hardening behavior of the former. Tension strain hardening - considered, in fact, the main property of HPFRC outcomes from the synergy of several factors, such as high fiber contents, particular types of fibers, and special admixtures and details for mix design and preparation. Nonlinear tensile strain hardening follows the conventional elastic stage as result of a certain internal ductility; as a matter of fact, stress transfer mechanisms between fibers and matrix promote multiple cracking rather than sudden unstable propagation of one main crack. A general introduction to HPFRCs is provided in Chapter 2. Tensile stability after first cracking and enhanced strain capacity opened the path to several applications. HPFRC is considered a valuable option for construction repair and strengthening, for high structural performance may be achieved with limited material volumes, and, thus, with limited increment of element size, dead load, and seismic actions. Although both HPFRC and its applications have been widely studied and developed within the last decades, short and long-term behavior of HPFRC structures is still considered a subject matter nowadays. So far as concerning the field of structure rehabilitation, interaction between old and new materials is a major issue. The research activity presented herein can be subdivided into two main stages. The first part - carried out at the University of Brescia was focused on experimental and numeric surveys aimed at assessing the feasibility of some strengthening techniques, namely: (i) thin FRC diaphragms for seismic enhancement of existing buildings, and (ii) R/C beam and bridge pier column strengthening by means of HPFRC jackets. The nonlinear quasi-static monotonic analysis performed with DIANA9.2 FE program for studying the behavior of FRC floor diaphragms are described in Chapter 3. The proposed strengthening solution is based on the idea that, in certain circumstances, fibers could effectively substitute the ordinary steel mesh adopted as shear reinforcement. Eventually, the minimum concrete cover requirement would be removed and the diaphragm thickness could be designed with reference to structural rather than construction needs. As major advantage, dead load and

22 seismic actions are reduced. The cement composite adopted in this first study is not to be considered an high performance FRC, provided that fibers added to the mix only increase toughness (by bridging cracks), while no tension strain hardening occurs. FE simulations provided means to study and compare the response of R/C and FRC diaphragms, analyze the resistant mechanisms involved, and estimate the FRC diaphragm thickness minimization as a function of seismic hazard and fiber content. The effectiveness of R/C beam strengthening by applying a HPFRC jacket is discussed in Chapter 4; beyond exhibiting a tension strain hardening behavior, the HPFRC adopted is characterized by high compressive strength. Experimental tests on full-scale beams were supported by nonlinear FE analysis with DIANA9.2 program for investigating the beam behavior. Eventually, those same material models were applied to numeric simulations of the behavior of an existing bridge pier. Aim of the study was to assess the effect of column jacketing on the pier monotonic response to different combinations of vertical and horizontal loads and on the resulting horizontal-vertical load interaction diagrams. In spite of the clear HPFRC capabilities for both new construction and repair, some concerns are still left to be solved, mainly regarding durability of the intervention, that is, the ability to keep defined levels of performance and safety for a long-term. In case of repair,. beyond all the matters affecting durability of ordinary R/C constructions, major factors to be accounted for are the interaction between old substrate and repair (i.e., material compatibility, and long-term response of the composite system to imposed deformations and loading) and substrate-repair interface behavior. The second part of the research - carried out at the University of British Columbia - was focused on the local problem of bond between substrate and repair and is described in Chapter 5. The final performance of a strengthened structure, indeed, is strongly affected by the performance of the interface, typically referred to as the weakest link of the chain. Old concrete-new cementitious repair bond was widely studied in the past; several experiments allowed for assessing the most influencing factors as well as developing techniques for bond optimization. Conversely, the long-term interface performance has not been completely clarified yet. The level of soundness around the interface affects long-term substrate-repair bond and permeability, which, in turn, is a key factor in determining damage and degradation induced by environmental phenomena such as shrinkage and corrosion. The main scope of the study was to verify if the adoption of a cement composite with high performance in tension may improve the interface long-term performance. Shear-normal bond strength interaction diagrams were obtained by 4

23 1. INTRODUCTION means of splitting and slant shear tests with different inclinations of the bond plane. With reference to the Mohr-Coulomb approach, adhesion strength and internal friction were computed. Tests were performed on samples settled under standard lab conditions and after imposing severe damage by wet-dry cycles. Furthermore, interface mode-i crack growth resistance was assessed by means of the Contoured Double Cantilever Beam (CDCB) test. Tests were supported by nonlinear analysis in Matlab for computing the interface fracture properties. Finally, Scanning Electron Microscope (SEM) analysis of the interface allowed for observing the thin porous interfacial layer, known as Interfacial Transition Zone (ITZ) that, in fact, provides mechanical weakness to the composite system. 5