On the load induced thermal strain for plain and steel fiber reinforced concrete subjected to uniaxial loading

The thesis aims to investigate transient creep in concrete structures. In the first part, transient creep theoretical fundaments are introduced and discussed. A new semi-empirical model in terms of LITS, which can be adopted for plain or steel fiber reinforced concrete, is proposed. A comparison among different empirical models is carried out. The proposed semi-empirical model is compared both with experimental results and empirical models from other authors, demonstrating its reliability. The experimental investigation of transient creep was carried out by means of steel fiber reinforced concrete cast in 2005. In order to analyze the effects of long-term aging on the material, a mechanical characterization was performed on SFRC beams. The mechanical characterization aims to observe changes in concrete tensile properties, especially the residual post-cracking tensile strength, due to long-term aging. For this purpose, flexural tests together with indirect tensile tests by means of Double Edge Wedge Splitting (DEWS) procedure were performed. The results of ten-year-old specimens are compared with the ones obtained at one-year-old. The numerical investigation was developed by means of a 2D three-phase mesoscopic analysis, using finite element modeling (FEM). A parametric analysis is carried out in order to validate the numerical model and estimate its sensitivity due to different aggregate distributions and variations on the mechanical properties of the concrete phases. The path dependence is analyzed on preloaded and pre-heated specimens. LITS is uncoupled by recognizing the influence of the aggregate geomechanical properties decay due to the temperature increase (LITSagg), the matrix thermomechanical properties evolution as function of temperature (LITSmat) and the effect of the boundary conditions (thermal expansion restraint imposed by the sustained compressive load) on concrete (LITSbc). A comparison between numerical and the proposed LITS semi-empirical model results is performed in order to further validate the model. Creep tests at high temperature were carried out in preloaded and pre-heated cylindrical specimens cored from the beams after the mechanical characterization. A comparison between the experimental results and the new LITS (Load Induced Thermal Strain) semi-empirical model proposed in the thesis is carried out. A prediction of creep at high temperature on pre-heated specimens (basic creep) is performed by introducing in the Kelvin-Voigt model a temperature adjusted parameter that takes into account the effect of high temperature on creep. The path dependence is analyzed by comparing the experimental results obtained from the difference between creep in preloaded and pre-heated specimens with LITSbc function derived in the numerical investigation. A prediction of creep at high temperature on preloaded specimens (LITS during heating and basic creep during constant temperature) is developed both by means of the proposed LITS semi-empirical model and by introducing the effect of the boundary conditions (LITSbc) in the adapted Kelvin-Voigt model. Finally, significant results on the reversible mechanical properties of SFRC subjected to high temperature and a sustained compressive load are highlighted. The limits of validity of the proposed LITS semi-empirical model when used to predict SFRC behavior are discussed.

La tesi si propone di indagare lo scorrimento viscoso transitorio (ad alta temperatura) in strutture in calcestruzzo semplice e fibrorinforzato. Nella prima parte, i fondamenti teorici dello scorrimento viscoso transitorio vengono introdotti e discussi. Un nuovo modello semi-empirico in termini di LITS (Load Induced Thermal Strain), che può essere adottato per calcestruzzo normale o rinforzato con fibre di acciaio, viene proposto. A valle di un confronto tra i diversi modelli empirici disponibili in letteratura, il modello semi-empirico proposto è confrontato con i risultati sperimentali e modelli empirici di altri autori, allo scopo di dimostrarne la sua affidabilità.L'indagine sperimentale relativa allo scorrimento viscoso transitorio è stata effettuata su provini in calcestruzzo rinforzato con fibre in acciaio, gettato nel 2005. Al fine di analizzare gli effetti di invecchiamento a lungo termine sul materiale, è stata condotta una caratterizzazione meccanica su travi in calcestruzzo fibrorinforzato. La caratterizzazione meccanica intende quantificare i cambiamenti nelle proprietà a trazione del calcestruzzo dovuta all'invecchiamento a lungo termine, con particolare riferimento alla resistenza a trazione residua post-fessurazione. A tal fine, prove di flessione insieme a prove di trazione indiretta mediante la procedura Double Edge Wedge Splitting (DEWS) sono state realizzate. I risultati dei campioni a dieci anni di invechiamento vengono confrontati con quelli ottenuti a un anno di maturazione.L'indagine numerica è stata sviluppata mediante un’ analisi mesoscopica 2D trifasica, utilizzando il programma agli elementi finiti Abaqus. Un’ analisi parametrica è stata effettuata al fine di validare il modello numerico e stimare la sua sensibilità nei riguardi delle diverse distribuzioni degli aggregati e delle variazioni delle proprietà meccaniche delle diversi fasi del calcestruzzo (matrice, aggregati ed interfacce). La dipendenza dello scorrimento viscoso dai diversi percorsi di carico viene analizzata su campioni precaricati e preriscaldati. La deformazioni LITS è disaccoppiata in tre componenti, a causa del riconoscimento: a) della l'influenza del deperimento delle proprietà geomeccaniche dell’ aggregato dovuto all'aumento della temperatura (LITSagg); b) dell’ evoluzione delle proprietà termomeccaniche della matrice in funzione della temperatura (LITSmat); c) dell’ effetto delle condizioni dal contorno (dilatazione termica ritenuta a causa della imposizione di un carico di compressione sostenuto) sul calcestruzzo (LITSbc). Un confronto tra i risultati numerici e quelli provenienti dal modello semi-empirico proposto viene eseguito per convalidare ulteriormente il modello. I test di scorrimento viscoso transitorio ad alta temperatura sono stati effettuati su campioni cilindrici precaricati e preriscaldati estratti dalle travi dopo la caratterizzazione meccanica. Un confronto tra i risultati sperimentali e il nuovo modello semi-empirico di LITS proposto viene effettuato. Una previsione dello scorrimento viscoso ad alta temperatura sui campioni preriscaldati (scorrimento base) viene eseguita, introducendo nel modello Kelvin-Voigt un parametro che tiene conto dell'effetto dell’alta temperatura sullo scorrimento viscoso. La dipendenza dello scorrimento viscoso dai diversi percorsi di carico viene analizzata confrontando i risultati sperimentali ottenuti dalla differenza tra campioni precaricati e preriscaldati con la funzione LITSbc derivata nell'indagine numerica. Una previsione dello scorrimento viscoso ad alta temperatura sui campioni precaricati (LITS durante il riscaldamento e scorrimento viscoso di base a temperatura costante) viene sviluppata sia attraverso dello modello LITS proposto, sia introducendo l'effetto delle condizioni di contorno (LITSbc) nel modello adattato di Kelvin-Voigt. Risultati significativi sulle proprietà meccaniche reversibili del calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio soggetto ad elevate temperature e ad un carico di compressione sono evidenziati. I limiti di validità del modello semi-empirico di LITS proposto per prevedere il comportamento del calcestruzzo fibrorinforzato sono infine discussi.