The current production of concrete shell structures presents some critical issues in terms of productivity. In fact, the whole construction process is characterized by a high level of required time and manpower, and several inefficiencies are related to the formwork, especially in series production, because if the geometry of the shell varies, new formworks are needed, and this may result in additional stocking spaces and in additional depreciation costs. All these reasons have been pushing some companies to re-think the whole construction process of such kind of structures. A possible solution that can help to solve all these production issues can be represented by 3D concrete printing, with some benefits in terms of time, manpower and productivity. This thesis has analysed for the first time the feasibility of a 3D printed concrete cylindrical shell, which is reinforced with a carbon fiber textile applied on the printed structure through shotcrete. This solution, besides being quick to implement, requires a low incidence of labour, especially because it does not require the use of formwork. A 3D printed cross-section is not homogeneous due to the high number of cold joints between filaments. Moreover, carbon fiber textile is a pretty new material and no studies are available for the specific combination between these two different construction techniques. Stress analysis was carried out by following Timoshenko's shell theory, and it revealed that a bidirectional reinforcement is needed to cope with bending moment and direct tension. Since there are no specific design criteria for this very particular composite material, most of the pre-design methodologies employed were taken from the approaches for steel reinforced concrete, making some modifications from case to case in order to consider carbon reinforcement instead of steel. Serviceability and Ultimate Limit State verifications have been performed, focusing respectively on the cracking phenomenon, mainly in terms of crack width, and on their ultimate limit strength. The main uncertainties are related to a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. For this reason, a coefficient α has been introduced in order to take into account a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. Then, uncertainties arise also for the bond strength between concrete and carbon fiber, which has important consequences on crack width and on Serviceability Limit State verifications. Currently, no analytical methods are available to calculate the bond strength between concrete and carbon fiber, which is affected by the geometry of the textile and by the method employed to perform laboratory tests. Thus, a bond strength value has been taken from the literature. Pre-design results have shown that all the small shell structures, because the amount of reinforcement needed can be embedded in the shotcrete cover. On the other hand, the realization of big shell structures is more questionable, since the amount of reinforcement needed to bear direct tension is too high, and it is not possible to arrange it in the cover. Moreover, if the 3D printing drastically affects shear strength (and thus α is very low), the cross-section required to fulfil shear verification may be too thick and this may represent a problem for printing. An accurate campaign of laboratory tests is needed in order to verify the validity of the assumption made in this project. A 3D printed cross-section is not homogeneous due to the high number of cold joints between filaments. Moreover, carbon fiber textile is a pretty new material and no studies are available for the specific combination between these two different construction techniques. In particular, two different tanks were analysed: the first one is equal to 2 m diameter and 2 m high and has been called "small tank"; the second one, instead, is equal to 10 m diameter and 5 m high, and it has been indicated as "big tank"; moreover, the tanks can be above or below the ground level. Stress analysis was carried out by following Timoshenko's shell theory, and it revealed that a bidirectional reinforcement is needed to cope with bending moment and direct tension. Since there are no specific design criteria for this very particular composite material, most of the pre-design methodologies employed were taken from the approaches for steel reinforced concrete, making some modifications from case to case in order to consider carbon reinforcement instead of steel. Serviceability and Ultimate Limit State verifications have been performed, focusing respectively on tanks the cracking phenomenon, mainly in terms of crack width, and on their ultimate limit strength. The main uncertainties are related to a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. For this reason, a shear strength reduction coefficient α has been introduced in order to take into account a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. Then, uncertainties arise also for the bond strength between concrete and carbon fiber, which has important consequences on crack width and on Serviceability Limit State verifications. Currently, no analytical methods are available to calculate the bond strength between concrete and carbon fiber, which is affected by the geometry of the textile and by the method employed to perform laboratory tests. Thus, a bond strength value has been taken from the literature. Pre-design results have shown that all the small tanks are feasible, either above or below the ground level, because the amount of reinforcement needed can be embedded in the shotcrete cover. On the other hand, the realization of big tanks is more questionable, since the amount of reinforcement needed to bear direct tension is too high, and it is not possible to arrange it in the cover. Moreover, if the 3D printing drastically affects shear strength (and thus α is very low), the cross-section required to fulfil shear verification may be too thick and this may represent a problem for printing. An accurate campaign of laboratory tests is needed in order to verify the validity of the assumption made in this project.
L'attuale produzione di strutture a guscio in calcestruzzo armato presenta alcune criticità intrinsecamente legate al loro processo produttivo. L'intera fase costruttiva, infatti, è caratterizzata da un forte dispendio di tempo e manodopera e diverse sono le inefficienze legate all'impiego delle casseforme, specialmente nell'ambito produzione in serie, dove alla minima variazione nella geometria del manufatto da costruire consegue l'impiego di nuove casseforme, con un aumento di spazio necessario per il loro accatastamento e maggiori costi d'ammortamento. Tutti questi motivi hanno spinto alcune aziende del settore a ripensare l'intero processo di costruzione di questo genere di strutture. Una possibile soluzione per risolvere tali problemi può essere rappresentata dalla stampa tridimensionale di calcestruzzo, con alcuni conseguenti vantaggi in termini di tempo, manodopera e produttività. Questa tesi ha analizzato per la prima volta la fattibilità di strutture a guscio di forma cilindrica in calcestruzzo stampato con tecnica 3D, le quali vengono armate con un rinforzo tessile in fibra di carbonio applicato sulla struttura stampata mediante uno strato realizzato con spritzbeton. Questa soluzione, oltre ad essere rapida da realizzare, richiede una bassa incidenza di manodopera, soprattutto perché essa non prevede l'impiego di casseforme. Una sezione di calcestruzzo stampata con tecnica 3D non è omogenea a causa dell'elevato numero di giunti freddi tra i filamenti. Inoltre, il rinforzo tessile in fibra di carbonio rappresenta una soluzione relativamente nuova e non sono disponibili studi per il suo uso combinato con la stampa 3D di calcestruzzo. L'analisi dello stato tensionale di queste strutture è stata condotta seguendo la teoria dei gusci sottili di Timoshenko, a fronte della quale si è reso necessario un rinforzo bidirezionale per far fronte al momento flettente e alla tensione che agisce in direzione perpendicolare alla circonferenza (detta anche tensione diretta). Poiché non esistono criteri di progettazione specifici per questo particolare materiale composito, la maggior parte delle metodologie di predimensionamento utilizzate sono state prese in prestito dagli approcci per il calcestruzzo armato ordinario (cioè rinforzato con acciaio), apportando alcune modifiche di verifica in verifica, al fine di considerare le proprietà meccaniche specifiche della fibra di carbonio. Sono state eseguite le verifiche per lo Stato Limite d'Esercizio e per lo Stato Limite Ultimo, concentrandosi rispettivamente sul fenomeno della fessurazione, principalmente espresso in termini di massima larghezza della fessura, e sulla loro resistenza meccanica ultima. Le principali incertezze del metodo seguìto sono legate ad una possibile riduzione in termini della resistenza a taglio della sezione dovuta al processo di stampa. Per questo motivo, è stato introdotto un coefficiente α, che tiene conto di una possibile riduzione in termini di resistenza a taglio dovuta al processo di stampa. In aggiunta, sorgono incertezze relative alla tensione d'aderenza tra calcestruzzo e fibra di carbonio, che ha importanti conseguenze sullo stato fessurativo. Attualmente, non sono disponibili metodi analitici per calcolare l'entità della tensione di aderenza tra fibra di carbonio e calcestruzzo, che è influenzata dalla geometria del rinforzo e dal metodo impiegato per eseguire i test di laboratorio. Pertanto, un valore della tensione tangenziale di aderenza è stato preso in considerazione dalla letteratura accademica. I risultati del predimensionamento hanno dimostrato che tutte le strutture a guscio cilindriche di piccole dimensioni sono fattibili, poiché la quantità di rinforzo necessaria può essere incorporata nello spessore realizzato con lo spritzbeton. D'altra parte, la realizzazione di strutture più grandi resta al momento senz'altro discutibile, poiché la quantità di rinforzo necessaria per sostenere la tensione diretta è troppo elevata e, pertanto, non è possibile disporla nello spessore di spritzbeton. Inoltre, se il processo di stampa 3D dovesse incidere significativamente sulla resistenza a taglio (e quindi α è molto basso), la sezione di calcestruzzo richiesta per soddisfare la verifica a taglio potrebbe essere troppo spessa, comportando un problema per la stampa. È necessaria un'accurata campagna di test di laboratorio al fine di verificare la validità delle assunzioni formulate in questo progetto. Una sezione di calcestruzzo stampata con tecnica 3D non è omogenea a causa dell'elevato numero di giunti freddi tra i filamenti. Inoltre, il rinforzo tessile in fibra di carbonio rappresenta una soluzione relativamente nuova e non sono disponibili studi per il suo uso combinato con la stampa 3D di calcestruzzo. L'analisi dello stato tensionale di queste strutture è stata condotta seguendo la teoria dei gusci sottili di Timoshenko, a fronte della quale si è reso necessario un rinforzo bidirezionale per far fronte al momento flettente e alla tensione che agisce in direzione perpendicolare alla circonferenza (detta anche tensione diretta). Poiché non esistono criteri di progettazione specifici per questo particolare materiale composito, la maggior parte delle metodologie di predimensionamento utilizzate sono state prese in prestito dagli approcci per il calcestruzzo armato ordinario (cioè rinforzato con acciaio), apportando alcune modifiche di verifica in verifica, al fine di considerare le proprietà meccaniche specifiche della fibra di carbonio. Sono state eseguite le verifiche per lo Stato Limite d'Esercizio e per lo Stato Limite Ultimo, concentrandosi rispettivamente sul fenomeno della fessurazione dei serbatoi, principalmente espresso in termini di massima larghezza della fessura, e sulla loro resistenza meccanica ultima. Le principali incertezze del metodo seguìto sono legate ad una possibile riduzione in termini della resistenza a taglio della sezione dovuta al processo di stampa. Per questo motivo, è stato introdotto un coefficiente di riduzione della resistenza a taglio α, che tiene conto di una possibile riduzione in termini di resistenza a taglio dovuta al processo di stampa. In aggiunta, sorgono incertezze relative alla tensione d'aderenza tra calcestruzzo e fibra di carbonio, che ha importanti conseguenze sullo stato fessurativo. Attualmente, non sono disponibili metodi analitici per calcolare l'entità della tensione di aderenza tra fibra di carbonio e calcestruzzo, che è influenzata dalla geometria del rinforzo e dal metodo impiegato per eseguire i test di laboratorio. Pertanto, un valore della tensione tangenziale di aderenza è stato preso in considerazione dalla letteratura accademica. I risultati della predimensionamento hanno dimostrato che tutti i serbatoi piccoli sono effettivamente realizzabili, sia al di sopra che al di sotto del livello del terreno, perché la quantità di rinforzo necessaria può essere incorporata nello spessore realizzato con lo spritzbeton. D'altra parte, la realizzazione di serbatoi più grandi resta al momento senz'altro discutibile, poiché la quantità di rinforzo necessaria per sostenere la tensione diretta è troppo elevata e, pertanto, non è possibile disporla nello spessore di spritzbeton. Inoltre, se il processo di stampa 3D dovesse incidere significativamente sulla resistenza a taglio (e quindi α è molto basso), la sezione di calcestruzzo richiesta per soddisfare la verifica a taglio potrebbe essere troppo spessa, comportando un problema per la stampa. È necessaria un'accurata campagna di test di laboratorio al fine di verificare la validità delle assunzioni formulate in questo progetto.
Mechanical behaviour of textile reinforced 3D printed concrete structures
Moiana, Francesco
2019/2020
Abstract
The current production of concrete shell structures presents some critical issues in terms of productivity. In fact, the whole construction process is characterized by a high level of required time and manpower, and several inefficiencies are related to the formwork, especially in series production, because if the geometry of the shell varies, new formworks are needed, and this may result in additional stocking spaces and in additional depreciation costs. All these reasons have been pushing some companies to re-think the whole construction process of such kind of structures. A possible solution that can help to solve all these production issues can be represented by 3D concrete printing, with some benefits in terms of time, manpower and productivity. This thesis has analysed for the first time the feasibility of a 3D printed concrete cylindrical shell, which is reinforced with a carbon fiber textile applied on the printed structure through shotcrete. This solution, besides being quick to implement, requires a low incidence of labour, especially because it does not require the use of formwork. A 3D printed cross-section is not homogeneous due to the high number of cold joints between filaments. Moreover, carbon fiber textile is a pretty new material and no studies are available for the specific combination between these two different construction techniques. Stress analysis was carried out by following Timoshenko's shell theory, and it revealed that a bidirectional reinforcement is needed to cope with bending moment and direct tension. Since there are no specific design criteria for this very particular composite material, most of the pre-design methodologies employed were taken from the approaches for steel reinforced concrete, making some modifications from case to case in order to consider carbon reinforcement instead of steel. Serviceability and Ultimate Limit State verifications have been performed, focusing respectively on the cracking phenomenon, mainly in terms of crack width, and on their ultimate limit strength. The main uncertainties are related to a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. For this reason, a coefficient α has been introduced in order to take into account a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. Then, uncertainties arise also for the bond strength between concrete and carbon fiber, which has important consequences on crack width and on Serviceability Limit State verifications. Currently, no analytical methods are available to calculate the bond strength between concrete and carbon fiber, which is affected by the geometry of the textile and by the method employed to perform laboratory tests. Thus, a bond strength value has been taken from the literature. Pre-design results have shown that all the small shell structures, because the amount of reinforcement needed can be embedded in the shotcrete cover. On the other hand, the realization of big shell structures is more questionable, since the amount of reinforcement needed to bear direct tension is too high, and it is not possible to arrange it in the cover. Moreover, if the 3D printing drastically affects shear strength (and thus α is very low), the cross-section required to fulfil shear verification may be too thick and this may represent a problem for printing. An accurate campaign of laboratory tests is needed in order to verify the validity of the assumption made in this project. A 3D printed cross-section is not homogeneous due to the high number of cold joints between filaments. Moreover, carbon fiber textile is a pretty new material and no studies are available for the specific combination between these two different construction techniques. In particular, two different tanks were analysed: the first one is equal to 2 m diameter and 2 m high and has been called "small tank"; the second one, instead, is equal to 10 m diameter and 5 m high, and it has been indicated as "big tank"; moreover, the tanks can be above or below the ground level. Stress analysis was carried out by following Timoshenko's shell theory, and it revealed that a bidirectional reinforcement is needed to cope with bending moment and direct tension. Since there are no specific design criteria for this very particular composite material, most of the pre-design methodologies employed were taken from the approaches for steel reinforced concrete, making some modifications from case to case in order to consider carbon reinforcement instead of steel. Serviceability and Ultimate Limit State verifications have been performed, focusing respectively on tanks the cracking phenomenon, mainly in terms of crack width, and on their ultimate limit strength. The main uncertainties are related to a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. For this reason, a shear strength reduction coefficient α has been introduced in order to take into account a possible reduction in terms of shear strength due to the printing process. Then, uncertainties arise also for the bond strength between concrete and carbon fiber, which has important consequences on crack width and on Serviceability Limit State verifications. Currently, no analytical methods are available to calculate the bond strength between concrete and carbon fiber, which is affected by the geometry of the textile and by the method employed to perform laboratory tests. Thus, a bond strength value has been taken from the literature. Pre-design results have shown that all the small tanks are feasible, either above or below the ground level, because the amount of reinforcement needed can be embedded in the shotcrete cover. On the other hand, the realization of big tanks is more questionable, since the amount of reinforcement needed to bear direct tension is too high, and it is not possible to arrange it in the cover. Moreover, if the 3D printing drastically affects shear strength (and thus α is very low), the cross-section required to fulfil shear verification may be too thick and this may represent a problem for printing. An accurate campaign of laboratory tests is needed in order to verify the validity of the assumption made in this project.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/165341