Ultrasonic real-time monitoring of concrete damage and spalling progression in fire tests

Concrete elements structural performance at high temperatures can be generally considered satisfactory, thanks to some inherent properties, such as incombustibility and thermal insulation; however this important advantage can be literally burned out by the phenomenon of spalling. It consists in the violent expulsion of shards in correspondence of the heated surface triggered by: • the pore pressure increase, due to the water vaporization; • the presence of stresses, which could be traced back to the application of external loads and/or thermal gradients. Fracture tests on hot concrete under sustained pore pressure showed that a combination of these two factors is required to trigger such an unstable propagation of cracks. Spalling can be very dangerous since it leads to the reduction of the cross-section of the concrete members and it could provoke the direct exposure of the rebars to the flames: since established predictive models are not available yet experimental studies are in fact the best way to approach and study this phenomenon. For this reason a specific setup had been developed in Politecnico di Milano. It had been conceived to perform medium scale tests under strictly controlled boundary conditions on concrete slabs subjected to biaxial membrane compression and exposed to fire at bottom face. The test permits to investigate concrete sensitivity to explosive spalling evaluating the contribute of service loads to its propagation. Simultaneously the pore pressure and the temperature are monitored in correspondence of specific points inside the slab. The UPE method, which basically consist in generating short pulses traveling across the investigated element and monitoring their reflection in correspondence of discontinuities, can be applied during the test by arranging some specific instrumentation at the cold side of the concrete plate. The final aim of this work thesis consists in the implementation of a numerical procedure allowing the real-time monitoring of the concrete damage and spalling progression on the basis of experimental data obtained by carrying out UPE investigations of structural elements subjected to heat load. The development of such a kind of tool had been basically performed by: • assessing the time of flight evolution of the UPE signal, that is emitted by a transmitter in correspondence of the instrumented face (i.e. the upper one), is reflected at the hot bottom side and then reach the receiver at the cold face; • detecting and characterizing any possible spalling event considering that the progressive delay of the reflected pulse is ascribable to the thermally-induced damage underwent by the concrete while its eventual sudden advances are mainly due to shards detachments in correspondence of the hot face. The final results are rather good since the total thickness detached is in general assessed with sufficient accuracy. The main advantage of the procedure that had been numerically implemented consists in allowing the monitoring of concrete elements spalling progression in any fire test in which the heat transmission is substantially unidimensional, that is true in general.

Le prestazioni degli elementi strutturali in calcestruzzo ad alte temperature possono essere considerate in genere soddisfacenti grazie ad alcune proprietà intrinseche quali l’incombustibilità e un buon isolamento termico; tuttavia tali importanti benefici possono letteralmente andare in fumo qualora si verifichi il fenomeno dello spalling. Esso consiste nel distacco violento di porzioni di calcestruzzo in corrispondenza del lato esposto ad incendio e ed è causato sostanzialmente da due fattori: • aumento della pressione nei pori, dovuta alla vaporizzazione dell’acqua; • presenza di sforzi riconducibili all’applicazione di carichi esterni oppure di gradienti termici. Test di frattura effettuati su calcestruzzi riscaldati hanno dimostrato che la combinazione di tali fattori porta alla propagazione instabile di fessure che è poi alla base del fenomeno di spalling. Lo spalling può rivelarsi estremamente dannoso in quanto provoca la riduzione di sezione degli elementi strutturali in calcestruzzo causando talvolta la diretta esposizione alle fiamme delle barre di armatura: poiché modelli numerici in grado di prevedere e caratterizzare gli eventuali distacchi esplosivi non sono disponibili ad oggi, gli studi sperimentali costituiscono di fatto l’approccio migliore allo studio di questo fenomeno. Per questo motivo uno specifico set-up è stato messo a punto al Politecnico di Milano. E’ stato concepito al fine di effettuare test di media scala imponendo condizioni al contorno completamente controllate su piastre in calcestruzzo soggette a compressione membranale biassiale aventi faccia inferiore esposto al fuoco. Il test permette di valutare la propensione del calcestruzzo al fenomeno di spalling nonché il contributo del carico di servizio alla sua propagazione. Parallelamente la pressione nei pori e la temperatura vengono monitorate in corrispondenza di punti specifici all’interno della piastra. Il metodo UPE, che consiste nella generazione di brevi impulsi che si propagano attraverso l’elemento investigato e nel monitoraggio della loro riflessione in corrispondenza di discontinuità, può essere applicato durante il test disponendo specifiche strumentazioni sul lato freddo della piastra in calcestruzzo. Lo scopo finale di questo elaborato di tesi consiste nell’implementazione di una procedura numerica che permetta il monitoraggio in tempo reale del danno e della progressione di spalling in elementi in calcestruzzo esposti ad incendio sulla base dei dati sperimentali ottenuti effettuando investigazioni UPE. Ciò è stato possibile, fondamentalmente: • valutando l’evoluzione del tempo di volo del segnale UPE che, emesso da trasmettitore sulla faccia fredda si riflette in corrispondenza del lato inferiore caldo per poi raggiungere il ricevitore (anch’esso posizionato sulla faccia superiore); • individuando e caratterizzando ogni singolo evento di spalling considerando che il progressivo ritardo dell’impulso riflesso è riconducibile al danno termico sperimentato dal calcestruzzo mentre i sui eventuali improvvisi anticipi sono dovuti in genere al distacco di frammenti in corrispondenza della faccia esposta. I risultati finali sono piuttosto soddisfacenti in quanto lo spessore tolte distaccato è in genere stimato con sufficiente accuratezza. Il vantaggio principale offerto dalla procedura che è stata implementata numericamente consiste nel permettere il monitoraggio della progressione di spalling in elementi in calcestruzzo nel contesto di qualsiasi test di esposizione ad incendio in cui sia prevista trasmissione di calore sostanzialmente monodimensionale, cioè nella maggioranza dei casi.