A holistic life-cycle design approach to structures with advanced cement based materials

Nowadays, current national and international codes define design procedures for durability design that aim at limiting exposure consequences to environments with highly corrosive agents. The provisions are based on a prescriptive logic that only defines mix-design recipe limits and minimum concrete cover, with particular reference to ordinary concrete. Despite the increasing sensitivity to environmental themes yielded a stronger synergy between construction industry and sustainability concept, life-cycle is still excluded from the workflow. In recent times, ultra-high performance concretes (UHPC) have been increasingly studied, leading to more durable constructions with the use of smaller quantities of raw material. In the present Thesis, both elements are merged into a holistic life-cycle design, focusing on the concepts of durability and sustainability. The exploration of such themes is elaborated regarding the case-study of a geothermal water basin located in the Chiusdino (SI) Enel Green Energy plant and the specific scenario refers to chloride corrosion. Starting with an initial analysis of the structure, it follows a first redesign phase by means of ordinary reinforced concrete, tackling durability with a purely prescriptive logic. The effectiveness can be evaluated by means of a semi probabilistic approach, with reference to the evolution of the resisting bending moment over time, enforcing both uniform and hemispherical pit models of chloride corrosion. Subsequently, it is introduced a novel ultra-high performance fibre reinforced concrete and three structural design alternatives are proposed: same initial geometry and UHPC without reinforcement bars, same initial geometry and UHPC with reinforcement bars and finally a thin walled slab solution with buttresses. Durability is embedded in the workflow following a semi-probabilistic approach, as code prescriptions are automatically satisfied by the concrete composition itself. Each solution is then integrated in a life-cycle analysis focusing on both the environmental sustainability and the overall costs during the service life of the structure.

Oggi, i codici nazionali ed internazionali raccomandano una progettazione attenta a limitare le conseguenze derivanti dall’esposizione in ambienti caratterizzati da elevate concentrazioni di agenti corrosivi. Con riferimento alla durabilità, la normativa si fonda su una logica prescrittiva basata su indicazioni a priori di mix-design e spessori di copriferro, riservando particolare attenzione ai calcestruzzi ordinari. Malgrado la crescente sensibilità ambientale abbia reso sempre più tangibile la sinergia tra l’industria delle costruzioni e il concetto di sostenibilità, dal flusso di lavoro rimangono esclusi concetti rilevanti quale quello di ciclo di vita. Negli ultimi anni infatti i calcestruzzi ad elevatissime prestazioni (UHPC) sono stati trattati con crescente attenzione dal mondo accademico e progettuale, rendendo manifesti i benefici connessi all'impiego di simili materiali: costruzioni più durevoli e realizzate con volumi minori di materiale. In questa Tesi i due elementi sono fusi in una progettazione olistica del ciclo di vita, focalizzandosi sia sul concetto di sostenibilità sia su quello di durabilità. L’esplorazione di tali tematiche, in particolare, avviene nell’ambito del caso studio di una vasca di raccolta di acque geotermiche della centrale Enel Green Power di Chiusdino (SI) e lo scenario di studio esaminato è quello della corrosione da cloruri. Partendo da un’analisi iniziale della struttura esistente, segue una prima fase di riprogettazione con calcestruzzo ordinario e durabilità affrontata tramite una logica puramente prescrittiva. L’efficacia è valutata con un approccio semiprobabilistico, con riferimento allo sviluppo del momento resistente nel tempo, usando modelli di corrosione uniforme e di pitting emisferico. Viene quindi introdotto un nuovo calcestruzzo fibrorinforzato ad elevate prestazioni e si propongono tre soluzioni strutturali: stessa geometria iniziale e UHPC senza armatura, stessa geometria iniziale e UHPC con armatura ed infine una soluzione che prevede l’uso combinato di piastre sottili in UHPC sostenute ai lati da contrafforti in calcestruzzo ordinario rinforzato. La durabilità è inserita nel flusso di lavoro attraverso una logica semiprobabilistica poiché le prescrizioni normative risultano automaticamente soddisfatte dalle caratteristiche del materiale stesso. Tutte le soluzioni descritte sono quindi integrate in un’analisi a ciclo di vita che contempla sia la sostenibilità ambientale i costi duranti la vita utile della struttura.