Experimental testing on form pressure variation in time for the optimization of formworks for tunnel

This thesis report the design procedure and the results analysis of an experimental campaign performed in the laboratories of the Politecnico di Milano on behalf of an Italian industry leader in construction of formwork for tunnels (CIFA s.p.a.). The experimental tests want to investigate the time variation of the form pressure exerted by concrete on formwork at varying of temperature and casting rate. The specimen and the instrumentation for testing has been defined, for the specific case presented in the report, on the base of the requests made by CIFA. Its main interest is the construction of a mathematical model which can define the stress distribution acting on formwork and that can be adopted in order to perform an advantageous dimensioning of the elements, under an economical and structural point of view. That model, which would replace the stress distributions suggested by the codes, should be capable to put in evidence the influence of the temperature, the casting rate, as well as the rheological characteristic of concrete. Also the hardening procedure plays a fundamental role in the analysis; an accurate identification of the setting time of the mixture can be exploited for the definition of the static scheme of formwork and is relevant for the demoulding planning. Under a more ambitious point of view, the developed test can be useful for the definition of a standard procedure for the performance classification of concrete mixtures. In standard condition the results obtained by the test can be adopted in order to associate the concrete type to a specific class of thrust. In future many studies can be launched, investigating and classifying also very flowable mixtures like self-compacting concrete (SCC).

La presente tesi di laurea ha lo scopo di illustrare il progetto e l’analisi dei risultati di una campagna sperimentale messa in atto presso i laboratori del Politecnico di Milano e commissionata da un’azienda nazionale leader nella produzione di casseforme in acciaio per conci di galleria (CIFA s.p.a). Nello specifico i test intendono caratterizzare la variazione temporale della pressione applicata dal getto di calcestruzzo sulle casseforme, ponendo particolare attenzione all’influenza esercitata da parametri quali la velocità di posa e la temperatura dell’impasto. Le dimensioni del provino e le caratteristiche della strumentazione ad esso legata sono state definite sulla base delle esigenze della ditta commissionante l’analisi. L’obiettivo primario dell’indagine, infatti, è la costruzione di un modello matematico che permetta di tracciare la distribuzione di sforzo effettivamente agente in opera sulle casseforme. Essa potrà essere sfruttata per una ottimizzazione di tali elementi da un punto di vista economico e strutturale, riducendone la sezione e accelerando la procedura di movimentazione. Attualmente, i codici internazionali forniscono distribuzioni standard di sforzo per il dimensionamento dei casseri che simulano l’azione del getto semplificandone e sovrastimandone gli effetti; essi applicano un tipico approccio da normativa che non tiene conto della variazione nel tempo delle azioni. Prima di procedere alla descrizione del test sperimentale verranno quindi ampiamente analizzate le caratteristiche delle casseforme per getti di calcestruzzo, focalizzando l’attenzione sulle particolarità degli elementi per conci di galleria. In seguito si prenderanno in considerazione i principali studi compiuti negli scorsi anni in materia di spinta esercitata dal calcestruzzo sui casseri, analizzando singolarmente tutti i parametri tecnici che ne possono provocare la variazione e il modo in cui ne influenzano l’intensità. Allo scopo di comparare le differenti procedure di dimensionamento verranno inoltre elencate le prescrizioni previste dei principali codici internazionali di riferimento: le norme europee DIN EN, e le norme americane ACI e CSA. Si entrerà in seguito nell’ambito delle analisi sperimentali, dapprima evidenziando le scelte che hanno portato al dimensionamento del provino ed alla caratterizzazione della strumentazione e procedendo in seguito alla costruzione di modelli preliminari di previsione dei risultati. L’analisi e la comparazione dei risultati ottenuti dai vari test permetteranno di costruire il modello matematico obiettivo della ricerca; esso risulterà funzione delle variabili di interesse della sperimentazione, principalmente temperature e velocità di posa, ma senza trascurare le proprietà reologiche e meccaniche dell’impasto. Il calcolo accurato del tempo di presa della miscela indagata gioca un ruolo chiave nell’analisi; l’identificazione dell’affondamento in corrispondenza del quale il calcestruzzo può essere considerato solido permette non solo di considerare un diverso schema statico della cassaforma ma anche di definire con maggiore chiarezza le tempistiche di scassero. Un’eventuale riduzione del tempo complessivo di realizzazione dell’opera comporterebbe un immediato vantaggio economico. In aggiunta all’analisi specifica commissionata da CIFA è possibile, osservando il test con uno spirito più ambizioso, ampliare gli obiettivi dello studio. La procedura sperimentale progettata può essere standardizzata e sfruttata per definire una classificazione prestazionale del calcestruzzo. L’idea è quella di associare ad ogni miscela una precisa classe di spinta in relazione ai risultati ottenuti tramite la prova sperimentale in condizioni standard. In tal modo è possibile procedere, nell’immediato futuro, allo studio e alla classificazione di calcestruzzi speciali ad alta lavorabilità come il calcestruzzo auto compattante (SCC), oggi ampliamente utilizzato nella costruzione di grandi opere.