Metaconcrete : indagine sperimentale su campioni con inclusioni disomogenee

Metaconcrete is an engineered concrete in which traditional aggregates are partially replaced by bimaterial inclusions, with the aim of improving the dynamic performance of traditional concrete. The basic principle is that a dynamic signal containing frequencies close to the resonance frequencies of the inclusions is attenuated and that the energy associated with the signal is reduced without resorting to dissipation phenomena. The concept of metaconcrete has gathered considerable interest in Civil Engineering, as evidenced by the growing number of publications which consider its potential variants and applications. The aim of the thesis is to characterize in a quantitatively more precise way the already observed attenuation properties of metaconcrete, through a vast and structured experimental campaign that uses new metaconcrete specimens with non-homogeneous inclusions. The study aims at clarifying some aspects not yet elucidated by the works already appeared in the literature. The spherical bimaterial inclusions consist of a high-density inner core coated with a material with a reduced modulus of elasticity compared to that of the cement matrix. Their dimensions can be appropriately chosen according to the frequencies to be filtered out. This effect can be attributed to two phenomena that occur at the same time: depending on the frequency which invest the aggregate, the inner core may oscillate around its equilibrium configuration or, in the case of higher frequencies, the coating layer may be affected by stationary waves that induce its vibration. Both phenomena allow part of the mechanical energy applied to the system to be trapped in the inclusions, thus reducing the stresses on the cement matrix. At a global scale this results in an overall dynamic response in "counterphase", associated to a kind of negative effective mass. As a distinctive and innovative element of this experimental investigation compared to previous studies, two types of inclusions, different in size and materials, were used in the specimens, with the aim of establishing the influence of non-homogeneous mixtures on the attenuation phenomenon. The two types of inclusions have a spherical steel core coated with polydimethylsiloxane (type 1-inclusions) and a natural rubber compound (type 2-inclusions) respectively. The second type of inclusions has been produced, completely free of charge, by the company Isopren srl based in Cusano Milanino. During the experimental tests, the dynamic response, at low excitation level, of ten standard size cylindrical metaconcrete specimens was recorded. Of the ten samples, all made with the same cement mixture, one is without resonant inclusions, while the other nine can be classified in three groups of three specimens. Group 1 was made with inclusions of both types present in equal number, Group 2 was made with only type 1-inclusions, while Group 3 was made with only type 2-inclusions. The three samples of each group differ in the number of inclusions contained, 20, 28 and 36 respectively. In order to define with a sufficient level of accuracy the frequency range to be applied in the dynamic tests, using the finite element method, modal analyses of the individual inclusions immersed in a cubic cement cell were performed using the ABAQUS software, identifying the first resonance frequencies of the aggregates. The ten specimens were subjected to dynamic excitation at increasing frequencies (frequency sweeps) within the intervals centred on numerically obtained resonance frequencies. The elastic wave was applied to the sample by means of a small mechanical actuator and recorded by means of four uniaxial piezoelectric accelerometers. The acquired data have been post-processed with a frequency analysis code specifically developed in Matlab. The attenuation capacity of the metaconcrete was assessed through the definition of transmissibility diagrams. From the comparison between the various samples of metaconcrete and the one made out of traditional concrete, the reduction of the elastic wave at the single inclusion natural frequencies, obtained numerically, is evident. The obtained results confirm the marked improvement in the dynamic behaviour, compared with traditional concrete, induced by the presence of inclusions. The results also clarify aspects of the performance of metaconcrete that had not yet been investigated, proving that non-homogeneous inclusions, randomly arranged within the cement matrix, widen the width of the attenuation band. The survey methodology adopted in this study lays the foundations for the realization of large-scale tests with the aim of identifying specific possibilities for the use of metaconcrete in different fields of Civil Engineering. Finally, some aspects of difficult interpretation of the experimental results suggest further investigations to be conducted in order to understand the importance of the size of the specimen, the intensity of the excitation and the influence of support conditions on the recorded signal, but the efficiency of metaconcrete is by far out of question.

Il metaconcrete è un calcestruzzo ingegnerizzato in cui gli aggregati tradizionali sono parzialmente sostituiti da inclusioni bimateriale, con l’obiettivo di migliorare il comportamento dinamico del calcestruzzo tradizionale. Il principio di base è che un segnale dinamico contenente frequenze vicine alle frequenze di risonanza delle inclusioni venga attenuato e che l’energia associata al segnale sia ridotta senza chiamare in causa fenomeni di dissipazione. Il concetto di calcestruzzo risonante (un buon alias italiano per il termine inglese metaconcrete) ha raccolto un discreto interesse nel settore dell’Ingegneria Civile, come testimonia il numero crescente di pubblicazioni che ne studiano le potenziali varianti ed applicazioni. Questa tesi si prefigge come obiettivo di caratterizzare in modo quantitativamente più preciso le già osservate proprietà di attenuazione del metaconcrete, attraverso una campagna sperimentale vasta e strutturata che utilizza nuovi provini di metaconcrete con inclusioni disomogenee. Lo studio si propone di chiarire alcuni aspetti non ancora delucidati dai lavori già apparsi in letteratura. Le inclusioni bimateriale, di forma sferica, sono costituite da un nucleo interno ad alta densità rivestito da un materiale con un ridotto modulo di elasticità rispetto alla matrice di cemento. Le loro dimensioni possono essere opportunamente scelte in funzione delle frequenze che si intendono filtrare. Il filtro delle frequenze si può attribuire a due fenomeni che si manifestano in contemporanea: a secondo della frequenza che investe l’aggregato, il nucleo interno può oscillare intorno alla sua configurazione di equilibrio o, nel caso di frequenze più alte, lo strato di rivestimento può essere interessato da onde stazionarie che ne inducono la vibrazione. Entrambi i fenomeni consentono di intrappolare nelle inclusioni parte dell’energia meccanica che viene applicata al sistema, riducendo di conseguenza gli sforzi sulla matrice cementizia. Quello che si osserva a livello globale è una risposta dinamica complessiva in “controfase”, attribuibile a una specie di massa effettiva negativa (Milton e Willis). Come elemento distintivo ed innovativo della presente indagine sperimentale rispetto agli studi precedenti, nel confezionamento dei provini si sono utilizzati due tipi di inclusioni, diverse per dimensioni e composizione, con l’obiettivo di stabilire l’influenza di misture disomogenee sul fenomeno di attenuazione. I due tipi di inclusioni hanno un nucleo sferico di acciaio rivestito di polidimetilsilossano (inclusioni di tipo 1) e di un composto a base di gomma naturale (inclusioni di tipo 2). Il secondo tipo di inclusione è stato prodotto, a titolo completamente gratuito, dall’azienda Isopren s.r.l. di Cusano Milanino. Nel corso delle prove sperimentali si è registrata la risposta dinamica, a basso livello di eccitazione, di dieci provini cilindrici di dimensioni standard. Dei dieci provini, tutti realizzati con la stessa miscela cementizia, uno è privo di inclusioni risonanti, mentre gli altri nove sono realizzati in metaconcrete e sono stati suddivisi in tre gruppi di tre provini. Il Gruppo 1 è stato realizzato con inclusioni di entrambe le tipologie presenti in egual numero, il Gruppo 2 è stato realizzato con sole inclusioni di tipo 1, mentre il Gruppo 3 è stato realizzato con sole inclusioni di tipo 2. I tre provini di ciascun gruppo si differenziano per il numero di inclusioni contenute, ovverosia rispettivamente 20, 28 e 36. Il provino privo di aggregati è stato usato come riferimento per interpretare i risultati ottenuti. Per definire con sufficiente certezza l’intervallo di frequenze da applicare nelle prove dinamiche ai dieci provini, sono state eseguite analisi modali ad elementi finiti delle singole inclusioni immerse in una cella cubica di cemento Abaqus, individuando le prime frequenze proprie degli aggregati. I dieci provini sono stati sottoposti ad eccitazione dinamica a frequenze crescenti (sweep in frequenza) entro gli intervalli definiti dalle frequenze proprie ottenute numericamente. L’onda elastica è stata applicata al campione mediante un attuatore meccanico di piccole dimensioni e registrata mediante quattro accelerometri monoassiali di tipo piezoelettrico. I dati acquisiti sono stati rielaborati con un codice di analisi in frequenza appositamente sviluppato in Matlab. La capacità di attenuazione del metaconcrete è stata misurata attraverso la definizione di diagrammi di trasmissibilità. Dal confronto tra i vari provini di metaconcrete e quello in calcestruzzo tradizionale appaiono evidenti gli abbattimenti dell’onda elastica in corrispondenza delle frequenze naturali, ottenute numericamente, delle singole inclusioni. I risultati ottenuti confermano le spiccate proprietà di miglioramento del comportamento dinamico del metaconcrete rispetto al calcestruzzo tradizionale. I risultati inoltre chiariscono aspetti del comportamento del metaconcrete che non erano ancora stati indagati, dimostrando che inclusioni disomogenee, disposte in modo casuale all’interno della matrice cementizia, abbattono notevolmente le onde elastiche impartite ai provini. La metodologia di indagine adottata in questo studio pone le basi per la realizzazione di test su larga scala con l’obiettivo di individuare particolari possibilità di impiego del metaconcrete in diversi ambiti dell’Ingegneria Civile. Infine, alcuni aspetti di difficile interpretazione dei risultati sperimentali suggeriscono ulteriori indagini da condurre al fine di comprendere l’importanza delle dimensioni del provino, dell’intensità dell’eccitazione e delle condizioni di supporto dello stesso.