Advanced cementitious composites facade elements: static/cyclic behaviour

Advanced cementitious materials, such as High Performance Fiber Reinforced Concrete (HPFRC) and Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC), are increasingly used in non-structural applications like facade panels due to their superior mechanical properties, aesthetic versatility, and ability to achieve slender profiles. However, the design and application of these materials face significant challenges, including tensile behaviour characterization, size effect in bending, and cyclic performance. These aspects are critical for developing reliable design approaches, especially considering that the dimensions and cyclic performance of panels significantly influence their practical use. Large panels are often preferred to meet aesthetic and construction efficiency requirements, as they expedite installation processes. At the same time, building envelopes are subjected to cyclic loads, such as wind action. To address these challenges, three experimental campaigns were conducted. The first investigated the tensile behaviour of HPFRC and UHPFRC through direct and indirect tensile tests, highlighting the influence of testing configurations on material characterization. The second focused on size effects in bending, using four-point bending tests on thin HPFRC slabs with varying dimensions. The results demonstrated a significant size effect, with reduced nominal stress as the length of specimens increased, underscoring the need to account for these effects in design. Furthermore, Weibull’s theory was proposed as a representative model to describe this phenomenon. The third campaign examined cyclic behaviour, performing static and cyclic tests on thin HPFRC slabs pre-cracked at different crack opening displacement values and subjected to varying load levels. The study revealed that pre-cracking stages and load levels significantly affect cyclic creep and fatigue performance. Additionally, a particular focus was placed on the evolution of damage under cyclic loads and X-ray imaging was employed to analyse fibre orientation, elucidating its role in governing mechanical performance variability. Numerical analyses were also performed to calibrate tensile constitutive laws, offering a simplified approach to model the bending behaviour of HPFRC and UHPFRC elements. Furthermore, considerations regarding the design of structural behaviour and the size effect were addressed. The findings of this thesis enhance understanding of the mechanical performance of HPFRC and UHPFRC, offering insights that support their effective application in non-structural cladding systems. By addressing tensile characterization, size effects, and cyclic behaviour, this research contributes to the development of design methodologies that ensure the safety and efficiency of these materials in construction.

I materiali cementizi avanzati, come il calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (HPFRC) e il calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC), sono sempre più utilizzati in applicazioni non strutturali, come i pannelli di facciata, grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, alla versatilità estetica e alla capacità di ottenere profili sottili. Tuttavia, la progettazione e l’applicazione di questi materiali affrontano sfide significative, tra cui la caratterizzazione del comportamento a trazione, l’effetto scala a flessione e il comportamento ciclico. Questi aspetti sono cruciali per sviluppare approcci progettuali affidabili, specialmente considerando che le dimensioni e le prestazioni cicliche dei pannelli influenzano in modo determinante la loro applicazione pratica. Pannelli di grandi dimensioni sono spesso richiesti per soddisfare esigenze estetiche e per efficienza costruttiva, poiché riducono i tempi di installazione. Inoltre, l’involucro edilizio è soggetto a carichi ciclici, come l’azione del vento. Per affrontare queste sfide, sono state condotte tre campagne sperimentali. La prima è volta a determinare il comportamento a trazione di HPFRC e UHPFRC attraverso prove di trazione diretta e indiretta, evidenziando l’influenza delle configurazioni di prova sulla caratterizzazione del materiale. La seconda si è concentrata sull’effetto scala a flessione, utilizzando prove di flessione a quattro punti su lastrine sottili in HPFRC di diverse dimensioni. I risultati hanno dimostrato un significativo effetto scala, con una riduzione dello sforzo nominale all’aumentare della lunghezza dei provini, sottolineando la necessità di considerare tale effetto in fase di progettazione. Inoltre, la teoria di Weibull è stata proposta come modello rappresentativo per descrivere l’effetto scala. La terza campagna ha esaminato il comportamento ciclico, includendo prove statiche e cicliche su lastrine sottili in HPFRC pre-fessurate con diverse aperture di fessura e sottoposte a vari livelli di carico. Lo studio ha rivelato che le fasi di pre-fessurazione e i livelli di carico influenzano l’evoluzione dell’apertura di fessura in funzione del numero di cicli e la resistenza a fatica. Inoltre, è stata posta particolare attenzione all’evoluzione del danno sotto carichi ciclici e sono state impiegate tecniche a raggi X per analizzare l’orientamento delle fibre, il quale è risultato avere un’influenza significativa sulle prestazioni meccaniche. Sono state infine effettuate analisi numeriche per calibrare le leggi costitutive a trazione, offrendo un approccio semplificato per modellare il comportamento a flessione di elementi in HPFRC e UHPFRC. Inoltre, sono stati affrontati aspetti relativi alla progettazione del comportamento strutturale e all’effetto scala. I risultati di questa ricerca migliorano la comprensione delle prestazioni meccaniche di HPFRC e UHPFRC, fornendo indicazioni utili per la loro efficace applicazione nei sistemi di rivestimento non strutturali. Affrontando la caratterizzazione a trazione, l’effetto scala e il comportamento ciclico, questo studio contribuisce allo sviluppo di metodologie di progettazione che garantiscano la sicurezza e l’efficienza di questi materiali in ambito edilizio.