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Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC)per la durabilità delle strutture

University of Brescia (Italy),Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica

[email protected]

Giovanni Plizzari

CIAS - Vicenza – 7 Ottobre 2016

Fino a quando deve essere garantita la sicurezza?

2

Vita nominale delle strutture

Classi d’uso

3

Azioni entropiche

Effetti di degrado esogeno della struttura: alterazione a seguito di agenti esterni alla struttura delle caratteristiche dei materiali (solfati, cloruri, gelo-disgelo, 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.

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.

5

Durabilità

La durabilità , definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle

strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezzavengano garantiti durante tutta la vita dell’opera , deve essere garantita attraverso una opportuna scelta de i

materiali e un opportuno dimensionamento delle strutture, comprese le eventuali misure di protezion e e

manutenzione. I prodotti ed i componenti utilizzati pe r le opere strutturali devono essere chiaramente identif icati in

termini di caratteristiche meccanico-fisico-chimich e indispensabili alla valutazione della sicurezza e dota ti di idonea qualificazione, così come specificato al Cap. 11

delle presenti norme.

Durabilità (Normativa Tecnica)

6

Durabilità (Normativa Tecnica)

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.

Durabilità

Al fine di ottenere la prestazione richiesta il pro gettista potrà fare utile riferimento alle indicazioni contenute nelle «linee guida »,

ovvero nelle norme UNI EN 206-1 e UNI 11104.

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Durabilità delle opere in c.a.

Per garantire durabilità delle strutture in c.a. es poste 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’impiegoDefinita la vita utile della struttura

Determinare le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare(composizione e resistenza)Determinare i valori del copriferroDefinire le regole di maturazione

Linee Guida sul calcestruzzo strutturale (Servizio Tecnico C.S.LL.PP.) e Norme UNI EN 206-1

Quale alternativa?

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PREPARAZIONE DEI PROVINI

STRATO SUPERFICIALEDI RESINA EPOSSIDICA

(3 cm liberi)

CREAZIONE FESSURA

(Lamierino da 1 mm)

CORROSIONE ACCELERATA IN ELEMENTI FESSURATI

comuneTest

la soluzione di cloruri al 5%

Interruttore

Barra

Test

Grafite

Provino1

3

2

Alimentatore

-+

Vasca contenente

Potenziometro

SCHEMA DEL CIRCUITO REALIZZATO

ALIMENTATORE

Prove di corrosione

BARRE BLACK

BARRE ZINCATE

Effetti della corrosione

9

Caratteristiche meccaniche delle barre corrose

SIMULAZIONE DELLA CORROSIONE

DIAMETRI FRESE:

8 mm

12 mm

16 mm

20 mm

Simulazione della corrosione localizzata

( ) ( )ββαα senRsenRAAA pasp −⋅+−⋅=+= 2222

21.

CFBCBFh +==

−⋅=−=2

cos1β

RCGRBC

−⋅=−=2

cos1α

PP RCARCF

−⋅+

−⋅=2

cos12

cos1αβ

pRRh

−⋅+

⋅−⋅=

2cos1

2senarcsencos1

ααp

p RR

RRh

D

Dp

C

F

E

B

A

G

h

RpRp

A2

A1

Noti:-Dp =diametro della fresa-Dnom =diametro nominale della barra

10

Risultato ottenuto con la fresatura

STRUMENTAZIONE

la

la

l0 la+l0

Caratteristiche dei materiali

Diam. fsy fst[mm] [MPa] [MPa]12 526 61316 513 60620 ls 491 57020 ms 534 61020 hs 550 62824 555 597

Programma sperimentale

11

Diagrammi carico-spostamento

Diameter=12 mm - Dr=8 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12Displacement [mm]

Load

[kN

]

%=0.95

%=0.90

%=0.8

%=0.7

%=0.6

%=0.5

Risultati sperimentali

Diagrammi sforzo-spostamento


0

100

200

300

400

500

600

700

800


Str

ess

[MP

a]

%=1

%=0 .95

%=0 .90

%=0 .8

%=0 .7

%=0 .6

%=0 .5


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900


Str

ess

[MP

a]

%=1

%=0.9 5

%=0.9 0

%=0.8

%=0.7

%=0.6

%=0.5


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900


Str

ess

[MP

a]

%=1

%=0.95

%=0.90

%=0.8

%=0.7

%=0.6

%=0.5


0

100

200

300

400

500

600

700

800


Str

ess

[MP

a]

%=1

%=0.95

%=0.90

%=0.8

12

Bar diameter = 12 mm

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1%A res

Dis

plac

emen

t d

0.99

[m

m]

Undamaged Bar

Dr=10 mm

Dr=8 mm

Dr=6 mm

Dr=4 mm


0

2

4

6

8

10

12

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1%A res

Dis

plac

emen

t d

0.99

[m

m]

Dr = 10 mm

Dr = 8 mm

Dr = 6 mm

Dr = 4 mm


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1%A res

Dis

plac

emen

t d

0.99

[m

m] High S tre ng th

Me d ium S tre n gth

Lo w S tre n g th


0

2

4

6

8

10

12

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1%A res

Dis

plac

emen

t d

0.9

9 [

mm

]

Unda ma ge d Ba r

Dr=10 mm

Dr=8 mm

Dr=6 mm

Dr=4 mm

Deformazione ultima delle barre corrose

Durabilità e progettazione

Armature rinnovabilio protette

S.I.C.(P.Schießl)

13

Drenaggio



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La prevenzione si basa anzitutto su

- qualità del calcestruzzo - spessore di copriferro

Prevenzione

� Rapporto acqua /cemento

� Tipo di cemento

� Minimo contenuto di cemento

� Copriferro

In sede di progettazione

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� Controllo copriferri

� Costipazione

� Maturazione

� Particolari costruttivi

In sede di costruzione

La progettazione del calcestruzzo

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Il calcestruzzo può essere specificato a:-prestazione garantita ;-composizione .

Prestazione garantita Composizione (richiesta)

Calcestruzzo le cui proprietà richieste e caratteristiche addizionali sono specificate al produttore il quale è responsabile della fornitura di un calcestruzzo conforme alle proprietàrichieste e alle caratteristiche addizionali.

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 più diffusa, in particolare per le grandi opere

Rappresenta la modalità di specifica del calcestruzzo nel caso di lavori di modesta entità.

Specifica del calcestruzzo

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’aggregato1;

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/m3

Calcestruzzo pesante: MV > 2600 kg/m3

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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/m3

Calcestruzzo pesante: MV > 2600 kg/m3

Specifica del calcestruzzo a prestazione

@ cls a composizione

@ cls a prestazione garantita

Prescrizioni per il calcestruzzo

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CLS STRUTTURALE

DURABILITA' UNI 11104

BENESTARE STC

Classi di resistenza del calcestruzzo

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]

S1 10 – 40 S2 50 – 90 S3 100 – 150 S4 160 – 210 S5 > 220

CLASSE DI SPANDIMENTO

CLASSE DIAMETRO SPANDIMENTO [mm]

F1 ≤340 F2 350 – 410 F3 420 – 480 F4 490 – 550 F5 560 – 620 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

Classi di consistenza

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• 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)

• Indotta da cloruri in ambiente non marino (classe XD)

• Attacco del gelo e disgelo (classe XF)

• Attacco chimico (classe XA)

La classe di esposizione del calcestruzzo viene specificata mediante classi in accordo a UNI EN 206.

Classi di esposizione

1 – ASSENZA DI RISCHIO DI CORROSIONE

XO

Per calcestruzzo privo di armatura o inserti metallici: tutte le esposizioni eccetto dove c’è gelo/disgelo,

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 PR OVENIENTI 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


20

4 – CORROSIONE INDOTTA DA CLORURI PRESENTI NELL’ACQ UA 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


falda freatica

PT aperto

XC1

XC3

XC2;imp. (a/c

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Ruolo del rapporto acqua/cemento

Classi di esposizione Corrosione da cloruri Nessun

rischio di corrosione o attacco

Corrosione da carbonatazione Acqua marina

Altri cloruri (diversi dall’acqua

di mare)

Attacco gelo/disgelo Ambienti chimici

aggressivi

X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 Rapporto massimo a/c

- 0.65 0.60 0.55 0.50 0.50 0.45 0.45 0.55 0.55 0.45 0.55 0.55 0.50 0.45 0.55 0.50 0.45

Classe di resistenza minima

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 C35/45

Contenuto minimo di cemento [kg/m3]

- 260 280 280 300 300 320 340 300 300 320 300 300 320 340 300 320 360

Contenuto minimo di aria [%]

- - - - - - - - - - - - 4.0a) 4.0a) 4.0a) - - -

Altri requisiti

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 SO42- 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.

Valori limite raccomandati dalla UNI EN 206-1

I valori si riferiscono all’uso di cemento CEM I 32.5 R e aggregato con 20 < Dmax < 32 mm

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Individuate le tipologie di esposizione, le relative classi di aggressività sono individuate attraverso valori limite dettati dalle normative vigenti (UNI EN 206 – UNI 8981-1, UNI 8981-2, …, UNI 8981-8).A titolo d’esempio si riportano i prospetti indicati nelle UNI 8981-2 e UNI 8981-5.

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

Nelle acque

mg/l

Nei terreni

mg/kg Classi di aggressività

SO4-- Mg ++ NH4

+ SO4--

XA1 Bassa 200-600 300-1000 15-30 2000-3000

XA2 Moderata 600-3000 1000-3000 30-60 3000-12000

XA3 Alta > 3000 e ≤ 6000 > 3000 > 60 e ≤ 100 >12000 e ≤ 24000

Attacco chimico o da cloruri

Valori limite raccomandati dalla UNI 11104

I valori si riferiscono all’uso di cemento CEM I 32.5 R e aggregato con 20 < Dmax < 32 mm

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RESISTENZA

CONSISTENZA

DURABILITÀ

CEMENTO

REQUISITI

AGGREGATI

ADDITIVI

AGGIUNTE

SISTEMI DI RINFORZO(LOCALIZZ./DIFFUSO)

SCELTACOSTITUENTI

La formulazione del calcestruzzo discende dai requisiti di:

MASSA VOLUMICA

DIMENSIONE MASSIMAAGGREGATO

DOSAGGIO COSTITUENTI

a/c

DISTRIBUZIONEGRANULOMETRICA

RAPPORTI DI MISCELA

La formulazione del calcestruzzo

Resistenza e rapporto a/c

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Il progetto della miscela di calcestruzzo

Cracks in a beam

25

Il Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC)

Ristorante submarino - Valencia

Il FRC per la durabilità delle strutture 50/126CIAS - Vicenza, 7 Ottobre, 2016

G. Plizzari

Calcestruzzo Fibrorinforzato (CNR DT 204)

“Il calcestruzzo fibrorinforzato è un materiale composito caratterizzato dauna matrice cementizia e da fibre discrete (discontinue). La matrice ècostituita da calcestruzzi o da malte, normali o ad alte prestazioni. Le fibrepossono essere di acciaio, di materiale polimerico, di carbonio, di vetro o dimateriale naturale.”

26


G. Plizzari

Many structural and non structural elements are designed andreinforced with FRC, as PARTIAL or TOTAL substitution ofconventional reinforcement:

• Factory pavements, highways, parking areas• Heavy prefabrication structural elements• Light prefabrication elements• Tunnel linings

Main FRC uses


G. Plizzari

Principali vantaggi del FRC

• AVOID CONVENTIONAL REINFORCEMENT (WELDED MESH)• LABOR REDUCTION• REDUCTION OF CHECKING TIME• REINFORCEMENT CORRECTLY PLACED

CONSTRUCTIVES:

STRUCTURALS:

• SMALLER CRACK WIDTH OPENINGS

• LONGER DURABILITY

• BETTER IMPACT AND ABRASION STRENGTH

• BETTER FATIGUE STRENGTH

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G. Plizzari

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.


G. Plizzari

Effetti delle fibre nel calcestruzzo

Fibers activate after cracking of the concrete matrix.

28


G. Plizzari

Rottura o sfilamento delle fibre

Fibre sintetiche Fibre di acciaio


G. Plizzari

Effetti delle fibre nel calcestruzzo

Fibre content

Vf ≤ 1%

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)

σres(w)plain

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G. Plizzari

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

CNR – DT 204


G. Plizzari

Istruzioni CNR

Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Co ntrollo 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

30


G. Plizzari

CNR-DT 204 - 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


G. Plizzari

fib Model Code 2010

31


G. Plizzari

• Fibre di Acciaio • Fibre di Alluminio

• Fibre di Carbonio

• Fibre di Vetro

• Fibre di Polipropilene

Si differenziano in base al tipo di forma e di materiale di cui sono costituite

Fibre per calcestruzzo


G. Plizzari

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

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G. Plizzari

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”

fib Model Code: Index


G. Plizzari

11/10/2016

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

33


G. Plizzari

Base requirement for structural design

Engineers can design structures with new materials only if they are

performance based!


G. Plizzari

Structural design of concrete in tension

Concrete class

C40/50

34


G. Plizzari

11/10/2016

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


G. Plizzari

FRC classification (3PBT)

2sp

jj,R

hb2

lF3f =

EN 14651

hsp = 125 mm

b = 150 mm

Linear stress distribution

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G. Plizzari

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 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.7

b if 0.7 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.9

c if 0.9 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.1

d if 1.1 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.3

e if 1.3 ≤ fR3k/fR1k

The designer has to specify the class, the residual strength ratio and thematerial of the fibre

SLS ULS


G. Plizzari

Performance classes

0

1

2

3

4

5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

CMOD [mm]

CM

OD

1

CM

OD

2

CM

OD

3

CM

OD

4

fR1k =2.2 MPa

fR3k =1.8 MPa fR3k /fR1k = 0.82 ----- 2b

fR1k

abcd

fR3k

σN

[MPa]

e

fR1k/fLk > 0.4fR3k/fR1k >0.5

Minimum requirements for structural applications:Fibres can substitute conventional reinforcement (rebars) only if the following relationship is fulfilled:

36


G. Plizzari

Constitutive law in uniaxial tension: σ-w

• Experimental result: σN – CMOD σ – w

σ

ε

fFts

fFtu

fFt=fct

w

Simplified constitutive law σ - w

wu

σ hardening

softening

w

fFts

fFtu

fFtu

σ

w

rigid-plasticfFtufFtu

wu

145.0 RFts ff =

0)2.05.0( 133

≥+−−= RRFtsu

FtsFtu fffCMOD

wff


G. Plizzari

Stress-strain relationship

ε1 = εSLS = CMOD1/lcsε2 = εULS = wu/lcs (=2% or 1%)

37


G. Plizzari

Partial safety factors

ULS:

SLS: γF = 1

Ordinary quality control

FRC in compression As plain

concreteFRC in tension

FRC in tension (residual strength)

γF = 1.5


G. Plizzari

Place the best performing reinforcement (fibers and/or rebars) where required by

tensile stresses in the structural elements

Optimized reinforcement: definition

38


G. Plizzari

• 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

Reinforcement use in structural elements


G. Plizzari

Shear in beams without stirrups

V = Vc + Vf

In FRC elements there is an additional contribution to shear resistance provided by fiber reinforcement:

Vc represents the concrete contribution.Vf represents the fiber contribution (post cracking strength).

39


G. Plizzari

W750 PC

Wide Shallow Beams with b=750 mm

W750 FRC25


G. Plizzari

W1000 MSR

Wide Shallow Beams with b=1000 mm

W1000 FRC35

40


G. Plizzari

Example of Application for Shear

2Ø24 Bars

500

mm

p = 35 kN/md

6 m

2Ø24 Deformed Bars

500

200

35 / ( )

500 ; 460

30 ; 500

1.5; 1.15

30 50020 ; 435

1.5 1.52 ( 2)

u

ck yk

c s

cd yk

ctk

p kN m ULS

h mm d mm

f MPa f MPa

f MPa f MPa

f MPa EC

γ γ

== =

= =

= =

= = = =

=

2 2max

max

2

1 135 6 157.5

8 81 1

35 6 1052 2

9040.98%

200 460

161

sl

w

u

M p l kN m

V p l kN

A mm

b d mm mm

M kN m

ρ

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =

= = =⋅ ⋅

= ⋅


G. Plizzari


13

, 1

0.18(100 ) 0.15 49

WRd ct ck CPc

V k f b d kNρ σγ

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ =

1.6 1.4

Minimum Shear Reinforcement

3.2 meters requiring design shear reinforcement ; 2.8 meters requiring minimum shear reinforcement .

Design Shear Reinforcement:

, , 56

321

2 8@300

swR ds yd Rd Rd ct

AV z f V V kN

ss mm

mm

= ⋅ ⋅ = − =

≤⇒ Φ

,min

0.75 345

0.08 0.0009

2 6 @300

ckw

yk

s d mm

f

f

mm

ρ

≤ ⋅ =

= =

⇒ Φ

Minimum Shear Reinforcement:

41


G. Plizzari


dbff

fkV

WCPckctk

uFtk

cFRd ⋅⋅

⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅⋅= σρ

γ15.0))5.71(100(

18.03

1,1,

13

,

0.18 200 0.901 (100 0.0098 (1 7.5 ) 20) 200 460 81

1.5 460 2Rd FV kN

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =

Minimum Shear Reinforcement

2.30.7

ckFtuk

300 27

20 20

ff . MPa≥ = =

, , 24 2 6@300420

swR ds yd Rd Rd ct

AV z f V V kN

mmss mm

= ⋅ ⋅ = − = ⇒ Φ

≤

Assume 30 kg/m3 of steel fibers having l/φ =67 and fFtk,u=0.90 MPa (tested at the University of Brescia)

Minimum shear reinforcement

OK

Design Shear Reinforcement


G. Plizzari

Example of optimized shear reinforcement

2Ø8@300mm 2Ø6@300mm

2Ø6@300mm

Plain concrete

FRC

42


G. Plizzari

Piastre in FRC


G. Plizzari

Slab on piles

Example: Slab on piles

Pressure

Maximum principal stresses acting on the top surfac e

Minimum principal stresses acting on the top surfac eOptimized reinforcement

FRC

Local rebars

43


G. Plizzari

Case study

GeometryElevated slab made with Steel Fiber Reinforced Conc rete

Loads

1. Dead weight (G1)

2. Overload (Q)Overload (Q)


G. Plizzari

Reinforcement optimization

Contour of the principal tensile stresses detected in the elastic stage

Top view Bottom view

[MPa] [MPa]

Most stressed lines

44


G. Plizzari

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

Hypothesis: top and bottom reinforcement have the same effective area

Reinforcement placed within diagonal and longitudinal chords


G. Plizzari

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

45


G. Plizzari

Parametric study

Mechanical properties according MC2010

Tensile properties of SFRC

fct =2MPa

Fiber content fR1,k fR3,k [kg/m3] [MPa] [MPa]

30 2.3 2.6 50 3.0 2.8 70 3.7 3.1


G. Plizzari

Parametric study

Mechanical properties according MC2010

Compression properties of SFRC

fck=30MPafck

Tensile properties of conventional reinforcement

σt

εt

[MPa]

617519

13%210GPa

46


G. Plizzari

Results of the parametric study

Typical Overload (Q) – Deflection (δ) curve obtained from the simulations

Qmax = maximum overload


G. Plizzari


Summary of the analysis program

Diagonal reinforcement ratio (ρd)

Longitudinal reinforcement ratio (ρl)

AsB dρ =

·100

B=400mm ; d=170mm

47


G. Plizzari

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Max

imum

Ove

rload

(Q

max

) [k

g/m

2 ]

Total Rebars Content (TRC) [kg/m3]

Fiber Content = 30kg/m^3


Fiber Content =70kg/m^3

Q = 606+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.97

Q = 330+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.98

Q = 850+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.94


Effect of the total rebars content (longitudinal+diagonal) on the slab capacity (Qmax)

The diagram may be used to design the optimal Hybrid Reinforcement for the slab


G. Plizzari

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 500 1000 1500 2000 2500

Tota

l Reb

ars

Con

tent

red

uctio

n ( ∆

TR

C)

[k

g/m

3 ]

Maximum Overload (Qmax) [kg/m2]

TRC30 - TRC50

TRC30 - TRC70

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Max

imum

Ove

rload

(Q

max

) [k

g/m

2 ]

Total Rebars Content (TRC) [kg/m3]




Q = 606+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.97

Q = 330+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.98

Q = 850+(5965·TRC)0.53

R2 = 0.94


Increment of the Total Rebars Content (TRC) at a fixed loading level

The diagram highlights the additional rebars content (∆TRC) that has to be employed with respect to the slab with 30kg/m3 of fibres to ensure the same maximum overload level.

48


G. Plizzari


Total reinforcement (fibres + rebars) vs. Maximum overload

30

50

70

90

110

130

150

170

190

210

230

250

500 1000 1500 2000

Tota

l Reb

ars

Con

tent

(T

RC

) +

Fib

re c

onte

nt

[kg/

m3 ]

Maximum Overload (Qmax) [kg/m2]




Qmax,1 Qmax,2

Optimal reinforcement for the load level Qmax,1

Optimal reinforcement for the load level Qmax,2


G. Plizzari


∆TRC [%] = +10% ∆Q [%] = +36%

Effectiveness of the diagonal reinforcement on the slab response

Comparison of the slab reinforced only with fibres

∆Q [%] = +83%

49


G. Plizzari

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).


G. Plizzari

Durability of FRCCrack development in RC elements

50


G. Plizzari

Experimental Program II

Two fiber typologies:

Macro (M): Hook ended, 30 mm long, 0.62 mm

diameter

Micro (m): Straight, 13 mm long, 0.2 mm

diameter mm

95

0

Reinforcement

b

LVDT

900

Base of measurement 4 LVDTs, one for each sideof the specimen

b

b


G. Plizzari

Four point bending tests on a beam

Constant Moment:

reinforcement and

surrounding concrete like a

tension tie

Beam Cross-Section Sample

Experimental Program

51


G. Plizzari

vIl

φ Vf b

[mm]

As

[mm2]

Ac,eff

[mm2]

Reinf.

Ratio (%)

Clean

cover

[mm]

Denomination # of

specimens

φ 10

0*

50 79 2421 3,24 20

N 50/10 - 0 3

0,5%* N 50/10 - 0,5/M 3

1,0 %* 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

φ 10

0*

80 79 6321 1,24 35

N 80/10 - 0 2

0,5%* N 80/10 - 0,5/M 3

1,0 %* 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

φ 20

0*

100 314 9686 3,24 40

N 100/20 - 0 3

0,5%* N 100/20 - 0,5/M 3

1,0 %* 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

φ 20

0*

150 314 22186 1,41 65

N 150/20 - 0 3

0,5%* N 150/20 - 0,5/M 3

1,0 %* 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

φ 30

0*

150 707 21793 3,24 60

N 150/30 - 0 3

0,5% N 150/30 - 0,5/M 3

1,0 % 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

φ 30

0*

200 707 39293 1,80 85

N 200/30 - 0 2

0,5% N 200/30 - 0,5/M 3

1,0 % 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

505

080

80

1501

50

95

0

11

50

100

100

150 200

15

0

20

0

Reinforcement

b

Variation of the specimen

size, b

Variation of the longitudinal

steel ratio, ρ=3,24% to 1,24%

Varia

tion o

f the re

bar d

iam

ete

r

Experimental Program III


G. Plizzari

Experimental Results

Comparison specimens N 50/10 - Φ 10 - ρ = 3,24%

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5Average strain [‰]

Axi

al lo

ad, 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%

Comparison specimens N 80/10 - Φ 10 - ρ = 1,24%

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5Average strain [‰]

Axi

al lo

ad, N

[kN

] Bare bar Ф 10 Average response plainAverage response Vf=0,5%Average response Vf=0,5%+0,5%Average response Vf=1%ΔN PlainΔN SFRC Vf=0,5%ΔN SFRC Vf=0,5%+0,5%ΔN SFRC Vf=1%

∆N: combined effect of tension stiffening and residual tensile stresses

52


G. Plizzari

Plain Concrete FRC

Results

w


G. Plizzari

Average crack spacing: comparison with standard formulations

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 300 600 900 1200 1500 1800φ/ρ eff [mm]

Ave

rage

cra

ck s

paci

ng [m

m]

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

Comparison against code provisions

eff

21b

mρ

kk10

sc2s

φ⋅⋅+

+⋅=

CEB, FIP Model Code 1978:

eff

mρ3.63

2s

⋅φ⋅=

CEB, FIP Model Code 1993:

53


G. Plizzari

Comparison specimens : average crack spacing

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

Φ=10,ρeff=3,24%

Φ=10,ρeff=1,24%

Φ=20,ρeff=3,24%

Φ=20,ρeff=1,41%

Φ=30,ρeff=3,24%

Φ=30,ρeff=1,80%

Ave

rage

cra

ck s

paci

ng [m

m]

PlainSFRC Vf=0,5%SFRC Vf=0,5%+0,5%SFRC Vf=1%SFRC Vf=1%+1%

ratiogreinforcin

diameterBar

ρeff=φ

Crack Spacing Comparison

-51% -69%

-27% -45% -24%-46%

-51% -25%


G. Plizzari

Crack Spacing and Experimental Residual Stress

050100150200250300

Φ=10, ρeff=3,24%

Φ=10, ρeff=1,24%

Φ=20, ρeff=3,24%

Φ=20, ρeff=1,41%

Average crack spacing [mm]

SFRC Vf=1%

SFRC Vf=0,5%+0,5%

SFRC Vf=0,5%

Plain

res

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

%

%

%

%

fres [MPa]

Comparison specimens: average crack spacing and estimated residual post-cracking strength f res

050100150200250300

Φ=10, ρeff=3,24%

Φ=10, ρeff=1,24%

Φ=20, ρeff=3,24%

Φ=20, ρeff=1,41%

Average crack spacing [mm]

SFRC Vf=1%

SFRC Vf=0,5%+0,5%

SFRC Vf=0,5%

Plain

res

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

%

%

%

%

fres [MPa]

Comparison specimens: average crack spacing and estimated residual post-cracking strength f res

54


G. Plizzari

Durability of FRCFibers for durability of RC beams


G. Plizzari

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

55


G. Plizzari

Materials

(UNI 11039)

3Ø14 18

2 Ø14

18

30025

294

25

25

7 7

10

14 14

10

294

3

3

52

DiameterYield strength

(MPa)Ultimate strength

(MPa)Longitudinal

bars14mm 520 614

Stirrups 8mm 567 600


G. Plizzari

Tests for determining material properties

(UNI 11039)

0 500 1000 1500 2000

0

2

4

6

8

10

12

06S 09P TQ065

LOA

D (

kN)

CTOD (microns)

0.6% steel

0.9% polyester

Vf=0,6%

Vf=0,9%

56


G. Plizzari

Crack monitoring

Crack width, crack length andcrack position have beenmeasured during the exposureperiod. The crack width has beenmeasured with a digitalmicroscope (200x magnification)


G. Plizzari

Cracking monitoring

In FRC beams the crack widths were in the range of 0.1 to 0.2 mm, without overcome thethreshold of 0.2 mm. In plain beam the 93.3% of cracks had a crack width over 0.1 mm, whilethe 60% over 0.2 mm.

57


G. Plizzari

Cracking monitoring

Average of crack widths between the loading points

Beams Dw /%

ST1-2_E 54%

POL1-2_E 53%

0.31

0.14 0.14

0.16

0.13

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

TQ1_E ST1_E ST2_E POL1_E POL2_E

Cra

ck w

idth

(m

m)

Crack width reduction of the FRC beams respectto the plain beam (Dw /%).

steel polyester

PC


G. Plizzari

Cracking behavior at SLS

SLE (50kN)

ST1-2 35%

POL1-2 28%

SHORT TERM BEAMS

LONG TERM BEAMS

SLE (50kN)

ST1-2_E 43%

POL1_E 37%

POL2_E 43%

Crack width reduction of the FRC beams respect to the plain beam.

58


G. Plizzari

Cracking behavior at ULS

SLU(100kN)

ST1-2_E 56%

POL1_E 25%

POL2_E 54%

SLU(100kN)

ST1-2 41%

POL1-2 39%

Crack width reduction of the FRC beams respect to the plain beam.

SHORT TERM BEAMS

LONG TERM BEAMS


G. Plizzari

Carbonation depth

CARBONATION DEPTH CHLORIDE CONTENT

59


G. Plizzari

Carbonation depth between the cracks


G. Plizzari

Carbonation depth at cracks

K (mm/anni

^0.5)

t armature

(anni)

TQ_E 19.4 2.4

ST1_E 12.7 5.6

ST2_E 13.4 5.0

POL1_E 12.5 5.8

POL2_E 14.7 4.2

60


G. Plizzari

Thank you for your kind attention!Thank you for your kind attention!

University of Brescia, ItalyUniversity of Brescia, Italy

il calcestruzzo fibrorinforzato (frc) per la durabilità ... - frc.pdf · opere strutturali devono...

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