Fibre orientation and variability of residual tensile strength in SFRC slabs

Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC) is increasingly used in structural applications due to its ability to improve the post-cracking behaviour of concrete. The mechanical contribution of steel fibres depends not only on their quantity, but also on their distribution and orientation within the cementitious matrix, which contribute significantly to the variability of the residual tensile behaviour. This thesis investigates the relationship between fibre orientation and the variability of residual tensile strength in SFRC slabs through an experimental approach combining image analysis and indirect tensile testing. Fibre orientation was evaluated through image analysis of the external specimen surfaces, while the mechanical response was characterised through Montevideo tests performed on cubic specimens extracted from two different SFRC slabs. An effective fibre density parameter was defined combining fibre density and orientation information. The parameter was then correlated with the residual loads obtained from the Montevideo tests to investigate the relationship between fibre arrangement and post-cracking behaviour. The results showed weak correlations when the complete dataset was considered. However, stronger relationships emerged when the specimens were analysed in subsets according to their main characteristics. The strongest correlations were observed for specimens characterised by a vertical notch and a ductile post-cracking response, highlighting the importance of the compatibility between crack propagation and fibre orientation. Overall, the results indicate that incorporating fibre orientation information captures more effectively the variability of the residual tensile behaviour compared to the use of fibre density alone.

Il calcestruzzo fibrorinforzato con fibre d'acciaio (SFRC) è sempre più utilizzato nelle applicazioni strutturali grazie alla sua capacità di migliorare il comportamento post-fessurativo del calcestruzzo. Il contributo meccanico delle fibre d'acciaio dipende non solo dalla loro quantità, ma anche dalla loro distribuzione e dal loro orientamento all'interno della matrice cementizia, fattori che contribuiscono in modo significativo alla variabilità del comportamento residuo a trazione. La presente tesi analizza la relazione tra l'orientamento delle fibre e la variabilità della resistenza residua a trazione in piastre di SFRC, attraverso un approccio sperimentale che combina analisi d'immagine e prove di trazione indiretta. L'orientamento delle fibre è stato valutato mediante analisi d'immagine delle superfici esterne dei provini, mentre la risposta meccanica è stata caratterizzata attraverso prove Montevideo eseguite su provini cubici estratti da due differenti piastre di SFRC. È stato definito un parametro di densità efficace delle fibre, ottenuto combinando informazioni relative alla densità e all'orientamento delle fibre. Tale parametro è stato successivamente correlato ai carichi residui ottenuti dalle prove Montevideo, al fine di investigare la relazione tra la disposizione delle fibre e il comportamento post-fessurativo. I risultati hanno evidenziato correlazioni deboli considerando l'intero insieme dei dati. Tuttavia, relazioni più marcate sono emerse quando i provini sono stati analizzati in sottoinsiemi in funzione delle loro caratteristiche principali. Le correlazioni più elevate sono state osservate nei provini caratterizzati da un intaglio verticale e da una risposta post-fessurativa di tipo duttile, evidenziando l'importanza della compatibilità tra la propagazione della fessura e l'orientamento delle fibre. Nel complesso, i risultati indicano che l'inclusione delle informazioni relative all'orientamento delle fibre consente di cogliere più efficacemente la variabilità del comportamento residuo a trazione rispetto al solo utilizzo della densità delle fibre.