Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Giovanni Plizzari e Luca Facconi Università di Brescia, Departimento DICATAM giovanni.plizzari@unibs.it UTILIZZO DEL CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO NELLE CABINE DI TRASFORMAZIONE MT/BT IN C.A.V. Milano 1 Giugno 2018
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 2/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 3/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 4/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 5/86
Effetti delle fibre nel calcestruzzo Fibers activate after cracking of the concrete matrix. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 6/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 7/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 8/86
Normative Durability per la of progettazione FRC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 9/86
Normativa per la progettazione UNI 11188, 2006: Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d acciaio. CNR DT 204, Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato M LL. PP. Normativa tecnica per le costruzioni Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 10/86
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 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 11/86
Istruzioni CNR Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture in Calcestruzzo Fibrorinforzato INDICE 1 PREMESSA 2 MATERIALI 3 CONCETTI BASILARI 4 VERIFICA DI RESISTENZA ALLO SLU 5 STATO LIMITE DI ESERCIZIO 6 DURABILITA 7 RESISTENZA AL FUOCO 8 MONITORAGGIO E CONTROLLO DI PRODUZIONE Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 12/86
fib Model Code 2010 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 13/86
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 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 14/86
fib Model Code 2010: 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 fib TG 8.3 Fiber reinforced concrete and fib TG 8.6 Ultra high performance fiber reinforced concrete Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 15/86
Ultimate Limit States (ULS) Verification The bending failure is considered to occur when one of the following conditions arises: attainment of the maximum compressive strength, cu, in the FRC; attainment of the maximum tensile strength su, in the steel (if present); attainment of the maximum tensile strength, Fu, in the FRC. cu f cd f cd x x A sl su y f Fts / F M N Sd Rd Fu hardening softening f Ftu / F Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 16/86
fib Model Code 2020 Special focus on rehabilitation of existing structures (work in progress) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 17/86
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 31/05/2018 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 18/86
Base requirement for structural design Engineers can design structures with new materials only if they are performance based! Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 19/86
Structural design of concrete in tension Concrete class C40/50 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 20/86
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 31/05/2018 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 21/86
Hardening and softening materials in tension P P P P P P (a) (b) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 22/86
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, 2003. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 23/86
FRC classification (3PBT) EN 14651 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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 24/86
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 (representing the ratio f 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] 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 SLS ULS The designer has to specify the class, the residual strength ratio and the material of the fibre Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 25/86
Performance classes 5 4 σ N [MPa] f R1k =2.2 MPa f R3k =1.8 MPa f R3k /f R1k = 0.82 ----- 2b 3 2 f R1k e d c b a f R3k 1 0 CMOD1 CMOD2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 CMOD [mm] Minimum requirements for structural applications: Fibres can substitute conventional reinforcement (rebars) only if the following relationship is fulfilled: Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 26/86 CMOD3 CMOD4 f R1k /f Lk > 0.4 f R3k /f R1k >0.5
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 f Ftu f Ftu rigid-plastic f Ftu f Fts w u CMOD 3 ( f Fts 0.5 f R3 0.2 f R1) 0 w u w Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 27/86
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 e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 28/86
Partial safety factors ULS: FRC in compression FRC in tension Ordinary quality control As plain concrete SLS: F = 1 FRC in tension (residual strength) F = 1.5 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 29/86
Eurocode 2 Annex to EN 1992-1-1 CEN TC 250/SC2/WG1/TG2 SFRC - Steel Fibre Reinforced Concrete This draft annex to EN 1992-1-1is currently being prepared by CEN TC 250/SC2/WG1/TG2. It describes all additions and changes to EN 1992-1-1, required for the application of SFRC within the scope of EN 1992-1-1. Unchanged parts of EN 1992-1-1 remain valid. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 30/86
Le nuove NTC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 31/86
Il FRC nelle nuove NTC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 32/86
Le nuove linee guida per la progettazione di elementi in FRC Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici Servizio Tecnico Centrale Linee guida per l identificazione, la qualificazione, la certificazione d idoneità tecnica all impiego ed il controllo di accettazione dei fibrorinforzati FRC (Fiber Reinforced Concrete) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 33/86
Le nuove linee guida per la progettazione di elementi in FRC 1. SCOPO e CAMPO DI APPLICAZIONE 2. CARATTERISTICHE DEL COMPOSITO E DEI RELATIVI COMPONENTI 3. QUALIFICAZIONE INIZIALE DELLA PRODUZIONE IN STABILIMENTO E CONTROLLO PERMANENTE DELLA PRODUZIONE 4 PROCEDURA DI QUALIFICAZIONE 5. PROCEDURE DI ACCETTAZIONE IN CANTIERE Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 34/86
Le nuove linee guida per la progettazione di elementi in FRC Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici Servizio Tecnico Centrale Linee guida per la progettazione, messa in opera, controllo e collaudo di elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato FRC (Fiber Reinforced Concrete) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 35/86
Le nuove linee guida per la progettazione di elementi in FRC SCOPO E CAMPO DI APPLICAZIONE PROPRIETA MECCANICHE DEL FRC COEFFICIENTI DI SICUREZZA PARZIALI ORIENTAMENTO DELLE FIBRE VERIFICHE AGLI STATI LIMITE ULTIMI VERIFICHE AGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO REQUISITI MINIMI PER LA DUTTILITA STRUTTURALE PROCEDURE DI ACCETTAZIONE IN CANTIERE Prove preliminari sul prodotti premiscelati Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 36/86
Normative Durability sulof materiale FRC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 37/86
Standards sul materiale EN 14889-1, Fibres for concrete Part 1: Steel fibres Definition, specifications and conformity EN 14889-2, Fibres for concrete Part 2: Polymer fibres Definition, specifications and conformity UNI 11039: Calcestruzzo rinforzato con fibre d acciaio; (1a) Parte I: Definizioni, classificazione e designazione; (1b) Parte II: Metodi di prova. CEN EN 14651 Test method for metallic fibre concrete Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual). EN 14721, Precast concrete products - Test method for metallic fibre concrete - Measuring the fibre content in fresh and hardened concrete. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 38/86
Standards sul materiale EN 14845-1, Test methods for fibres in concrete - Part 1: Reference concretes EN 14845-2, Test methods for fibres for concrete Part 2 Effect on concrete. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 39/86
Verifica della distribuzione delle fibre Le fibre devono presentare una distribuzione omogenea all interno dell impasto. Il raggiungimento di tale condizione può essere ostacolato dalla formazione di accumuli di fibre, comunemente indicati con i termini di grumi, ciuffi o grovigli. In particolare, la loro presenza, seppur limitata, può provocare occlusioni tali da rendere difficoltose le operazioni di pompaggio. La distribuzione uniforme delle fibre nell impasto può essere verificata con la EN 14721 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 40/86
Durability Design concepts of FRC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 41/86
Optimized reinforcement: definition Place the best performing reinforcement (fibers and/or rebars) where required by tensile stresses in the structural elements Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 42/86
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 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 43/86
Wide Shallow Beams with b=750 mm W750 PC W750 FRC25 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 44/86
Wide Shallow Beams with b=1000 mm W1000 MSR W1000 FRC35 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 45/86
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). Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 46/86
Fibers for Durability durability of of FRC beams Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 47/86
Cracking and durability Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 48/86
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 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 49/86
Materials (UNI 11039) 300 7 14 14 7 3 25 25 3 10 52 2 Ø14 10 25 294 18 3Ø14 18 294 Longitudinal bars Diameter Yield strength (MPa) Ultimate strength (MPa) 14mm 520 614 Stirrups 8mm 567 600 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 50/86
Tests for determining material properties (UNI 11039) LOAD (kn) 12 10 8 6 4 0.6% steel V f =0,6% V f =0,9% 06S 09P TQ065 2 0.9% polyester 0 0 500 1000 1500 2000 CTOD (microns) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 51/86
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) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 52/86
Cracking monitoring 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 pp1 pp2 st1 st2 tq 0.05 0 0 50 100 150 200 250 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. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 53/86
Crack width (mm) Cracking monitoring Average of crack widths between the loading points 0.35 0.30 PC 0.31 0.25 0.20 0.15 steel 0.14 0.14 polyester 0.16 0.13 0.10 0.05 0.00 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% Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 54/86
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 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 55/86
FRC for Durability structural of rehabilitation FRC Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 56/86
Rinforzo Pila da Ponte CASO STUDIO: viadotto esistente Azione sismica Azione sismica H = 22,40 m V c = 210 m 3 V r = 44 m 3 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 57/86
UHPFRC Fibre in acciaio INOX Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 58/86
Sismicità recente Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 59/86
Rinforzo Pila da Ponte Incremento della capacità portante Incamiciatura con calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC) Spessore rinforzo 120 mm Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 60/86
Prova Sperimentale Setup prova sperimentale Provino in scala 1:4 100 t 50 t Spessore rinforzo 30 mm Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 61/86
Pila rinforzata Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 62/86
Comportamento della pila prima e dopo il rinforzo Reinforced Reference (theoretical) Increment of load bearing capacity (+74%) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 63/86
Terremoto nell Italia Centrale Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 64/86
Terremoto nell Italia Centrale Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 65/86
Edifici in muratura: rinforzo delle pareti portanti mediante intonaci fibrorinforzati Edificio in muratura soggetto ad azione sismica Accelerazione sismica Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 66/86
Edifici in muratura: rinforzo delle pareti portanti mediante intonaci fibrorinforzati Edificio in muratura soggetto ad azione sismica Riparazione con intonaco fibrorinforzato (Bioglob) Fessure diagonali negli elementi portanti Accelerazione sismica Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 67/86
Caratteristiche della malta fibrorinforzata MALTA AD ALTE PRESTAZIONI FIBRORINFORZATA A BASE DI ALLUMINA + FIBRE METALLICHE (Vf = 0,82%) BASSISSIMO VALORE DI ASSORBIMENTO D ACQUA A PRESSIONE ATMOSFERICA ELEVATO VALORE DI PERMEABILITÀ AL VAPOR D ACQUA LUNGHEZZA L f [mm] DIAMETRO Ff [mm] RAPPORTO D'ASPETTO L f / Ff [-] RESISTENZA A TRAZIONE [MPa] FORMA L f, F f 15 0,40 38 > 2400 Uncinate Resistenza a trazione per flessione media (a) (EN 1015-11,2007) 6MPa Resistenza a compressione media (b) (EN 1015-11,2007) 48,3MPa alore medio modulo elastico 33600MPa (EN 12390-1) Resistenza a trazione (EC2) 3,85MPa (a) (b) Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 68/86
Obiettivo dell attività di ricerca Utilizzo di sottili strati di intonaco fibrorinforzato per migliorare la resistenza nel piano di elementi strutturali in muratura Sezione di un edificio tipo a due piani in muratura non rinforzata Sottili strati di SFRM Carichi verticali Carico orizzontale (azione sismica) Parete portante di spina Accellerazione sismica Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 69/86
Tipologia di pareti in muratura testate Muratura in Mattoni Forati (Poroton P600) Muratura in Mattoni Pieni Muratura in Mattoni Forati con fori orizzontali Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 70/86
Risultati del test sull edificio senza intonaco Taglio alla base vs. spostamento in sommità Curva sperimentale Inviluppo della curva sperimentale V=383kN Quadro fessurativo sperimentale rilevato al termine della prova Rottura per taglio Rottura per taglio Collasso flessionale + scorrimento Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 71/86
Risultati della simulazione numerica Confronto del quadro fessurativo sperimentale e numerico Quadro fessurativo sperimentale Rottura per taglio Quadro fessurativo numerico Collasso flessionale + scorrimento Rottura per taglio No fessure di taglio Il confronto mette in evidenza come l impiego dell intonaco abbia consentito di minimizzare i danneggiamenti per taglio originariamente osservati nei sopraporta e nei maschi murari tozzi dell edificio; oltre ai benefici legati al miglioramento della resistenza nel piano della muratura, è importante ricordare come l intonaco consenta di migliorare sensibilmente il comportamento fuori piano dei maschi murari Collasso flessionale + scorrimento Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 72/86
Simulazione numerica dell edificio Analisi pushover con programma ad elementi finite Diana 9.4 Elemento finito shell Interno edificio Esterno edificio Spessore muratura = 320mm Spessore intonaco = 25mm Elementi finiti tipo shell layered Intonaco: malta nanocomposita rinforzata con fibre d acciaio ad elevata resistenza Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 73/86
Risultati della simulazione numerica Confronto tra la curva di capacità sperimentale dell edificio senza intonaco e quella numerica relativa all edificio rinforzato con intonaco fibrorinforzato V=582kN Incremento di capacità laterale (+50%) dell edificio +52% V=383kN Base shear Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 74/86
Simulazioni numeriche Edificio non rinforzato Edificio con intonaco fibrorinforzato FESSURAZIONE A TAGLIO DI MASCHI E FASCE MURARI ELIMINAZIONE DELLE FESSURE A TAGLIO FESSURE AGLI ANGOLI DELLE APERTURE Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 75/86
Test su edificio in scala reale APPLICAZIONE DELLA TECNICA DI RINFORZO CON SFRM AD UN EDIFICIO IN SCALA REALE STRUTTURA Muratura in mattoni forati Impalcati e copertura in legno Cappa e cordoli in C.A. per riprodurre un diaframma di piano AZIONE SISMICA Applicazione quasi statica di carichi orizzontali tramite un martinetto elettromeccanico fissato alla torre di contrasto e opportuni ripartitori verticali Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 76/86
Caratteristiche dell edificio TIPOLOGIA DI MATTONE CONDIZIONE DI CARICO ORIZZONTALE Spessore=200mm; Foratura 60% Proporzionale alla massa di piano CONFIGURAZIONE DELLE APERTURE 1 porta + 8 finestre Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 77/86
Sistema di carico MARTINETTO ELETTROMECCANICO F 2 = 40%F tot RIPARTITORE VERTICALE F tot F 1 = 60%F tot Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 78/86
Test setup and protocol δ [mm] 4 3 2 1 0-1 Test Protocol Maximum drift = 0.055% Drift [%] 0.0700 0.0525 0.0350 0.0175 0.0000-0.0175 HORIZONTAL LOADS PROPORTIONAL TO FLOOR MASSES 40% 60% δ -2-3 -4-0.0350-0.0525-0.0700 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Time [s] LONGITUDINAL WALLS INSTRUMENTATION West East Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 79/86
Load [kn] Experimental results CYCLIC RESPONSE OF UNSTRENGTHENED BUILDING 200 150 100 50 Positive loading direction Negative loading direction K S [kn/mm] 134 128 V cracking [kn] 120 128 V peak [kn] 180 179 0-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50-50 -100-150 -200-250 Displacement [mm] Drift 0.0550 Drift 0.0450 Drift 0.0350 Drift 0.0250 Drift 0.0225 Drift 0.0200 Drift 0.0175 Drift 0.0150 Drift 0.0125 Drift 0.0100 Drift 0.0050 δ peak [kn] 2.4 3.4 FAILURE MODE: In-plane longitudinal walls response Diagonal shear failure of masonry piers at ground floor Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 80/86
Load [kn] Experimental vs numerical results LATERAL LOAD DISPLACEMENT ENVELOPE 200 150 100 50-18% Experimenta l Numerical K + S [kn/mm] 134 129 (-4%) K - S [kn/mm] 128 153 (+20%) V + cracking [kn] 120 114 (-5%) 0-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 V - cracking [kn] 128 112 (-12%) V + peak [kn] 180 147 (-18%) -50 Numerical curve V - peak [kn] 179 145 (-19%) -19% -100 Experimental curve Numerical initial stiffness closed to the experimental one -150 First cracking and maximum numerical loads slightly understimated -200 Displacement [mm] Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 81/86
Experimental vs numerical results CRACK PATTERNS AT THE END OF EXPERIMENTL TEST (inside view of east façade at ground floor): Pier 1 Pier 2 Pier 3 FAILURE MODE: Diagonal shear failure of central pier (Pier 2) Rocking mechanism of the external piers (Pier 1 and Pier 3) Incipient diagonal shear crack of Pier 1 TENSILE CRACKING STRAIN AT THE COLLAPSE OF NUMERICAL ANALYSIS (outside view of east façade): Pier 3 Pier 2 Pier 1 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 82/86
Numerical simulation Unstrengthened building Strengthened building SHEAR CRACK IN MASONRY WALLS NO MORE SHEAR CRACKS CRACK FROM THE WINDOW CORNERS Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 83/86
Numerical simulation of the masonry building strengthened with 1 layer of SFRM No coating 1 layer of SFRM North side Numerical - unstrengthened Numerical 1 layer coating East side South side Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 84/86
Results of the finite element analyses Damage pattern after the experimental test Numerical crack pattern of the unstrengthened specimen Numerical crack pattern of the specimen strengthened with 1 layer of SFRM Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 85/86
Thank you for your kind attention! University of Brescia, Italy Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 86/86
Documents regarding FRC tunnel segments ITA report n. 16 (2016), Twenty years of FRC tunnel segments practice: lessons learnt and proposed design principles, April 2016, ISBN 978-2-970-1013-5-2, 71 p. ACI Committee 544 (2016). Report on Design and Construction of Fiber Reinforced Precast Concrete Tunnel Segments, ACI 544.7R-16, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, pp. 36. fib Working Party 1.4.1. Tunnels in fiber reinforced concrete, under publication. Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 87/86
Fiber Reinforced Concrete, FRC The use of FRC for precast tunnel segments: from 80s 78 tunnels FRC & RC/FRC (Hybrid) precast tunnel segments: case studies over the years 2011-2017 2006-2010 2000-2005 '90s '80s Hybrid RC/FRC FRC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 88/86
Segmental lining Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 89/86
Design features in tunnel segments Modelling the loading/boundary conditions generally adopted by designers Ring joint Modelling the loading/boundary conditions representing possible irregularities Bearing pad Design of an optimized reinforcement Outer/Inner eccentricities Irregular supports 2 chords 350mm 350mm Inside tunnel Inside tunnel Inside tunnel StiirupsF6@200mm Eccentricity Outside tunnel Outside tunnel Eccentricity inside Longitudinal joint Outside tunnel Eccentricity outside 50/1,0-V f =0,57% 45 kg/m 3 RC+50/0,75-V f =0,32% 122 kg/m 3 50/0,75-V f =0,32% 25 kg/m 3 RC 97 kg/m 3 F14 =0,22% RCO+50/0,75-V f =0,32% 71 kg/m 3 Introduzione al FRC e principali aspetti normativi Milano, 1 Giugno 2018 90/86