Advanced cementitious composites for structural retrofitting

Strengthening of existing traditional concrete structures is becoming one of the most important issue for the structural engineering. The necessity to make safe old buildings comes mainly from that they were not designed for earthquake loads. This performance can be obtained either by adding new lateral load resisting members or by strengthening the existing structure. This is the most common and feasible alternative. A large number of techniques have been developed such as RC or steel jacketing, advanced material such fibre reinforced concrete and textile reinforced concrete: the last solution has been investigated from only few years. Traditional methods of seismic retrofitting fall for two main causes: the request for an increase of strength and stiffness on one hand and on the other hand a mass reduction. This problem has encouraged researchers to develop new materials and new retrofitting techniques. The traditional solutions include the Reinforced Concrete (RC) jacketing or externally glued steel. These techniques have some limits. In particular the use of RC jacket implies thickness greater than 60 or 70 mm that can increase too much the section and the mass of the element. The use of glued steel may have some problem in the case of fire resistance. New solutions are called for. One of these is textile reinforced concrete (TRC). It is a good combination of high compressive and tensile strength that can lead to suitable load carrying capacity. This strengthening material allows the design of thin structure elements. Another solution is the use of Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). In this case the high tensile strength and ductility are due to the presence of steel fibres that can be oriented during the casting procedure to improve its performance. In both alternative proposals thin layer of retrofitting material can be used also due to the absence of a concrete cover requirement. This research aims to investigate the contribution offered by retrofitting materials applied on damage concrete element. The tensile strength contribution makes the concrete behaviour ductile. The improved performance of traditional concrete occurs due to the transmission of tangential stresses through the contact surface which should be treated to increase bond mechanism. Shrinkage problem can be lead to detachment of the materials. The mechanical properties of fiber reinforced concrete are determined for both stress strain states in tension and compression. A lot of time was spend to the design of textile reinforced concrete to find a proper combination between the fabric and the cement matrix. The parameters that influence the behavior of the cementitious composite are multiple. The fabric can be varied for the geometry, the tensile strength, the warp and weft, the nature of the fibre and the way that they can be woven. The matrix must have a good workability to penetrate in the mesh of the fabric as well as a high tensile strength. The thesis is aimed of suggesting the best possible solution in terms of performances, cost, casting procedure. To reach this goal, several parameters have been analyzed by means of experimental investigations. The mechanical characterization of TRC and UHPFRC was carried out by traditional test in compression and in tension while the coupling behavior of retrofitting materials with weakly reinforced concrete was investigated through a technique called Double Edge Wedge Splitting (DEWS) that usually is adopted to investigate the post-peak tensile strength of fiber reinforced concrete.

Il rinforzo di strutture esistenti costituite da calcestruzzo tradizionale sta diventando uno dei temi più importanti per l'ingegneria strutturale. La necessità di mettere in sicurezza vecchi edifici deriva principalmente dal fatto che non sono stati progettati per sostenere carichi sismici. Il rinforzo strutturale può essere ottenuto aggiungendo nuovi elementi che permettono di assorbire i carichi orizzontali o rafforzando la struttura esistente. Quest’ultima è la soluzione più comune e fattibile. Un gran numero di tecniche sono state sviluppate come incamiciature di calcestruzzo, acciaio, o materiali cementizi avanzati rinforzati con fibre o reti: l'ultima soluzione viene studiata da pochi anni. Metodi tradizionali di rinforzo strutturale falliscono per due cause principali: da un lato la richiesta di aumento di resistenza e rigidezza e dall'altro una riduzione della massa. Questo problema ha incoraggiato i ricercatori a studiare nuovi materiali e nuove tecniche di retrofitting. Le soluzioni tradizionali comprendono strati di calcestruzzo armato, o piastre in acciaio incollate esternamente. Queste tecniche presentano alcuni limiti. In particolare l'uso di incamiciature in calcestruzzo tradizionale comporta l’utilizzo di spessori di circa 60 o 70 mm che possono aumentare di molto la sezione e la massa dell'elemento. L'utilizzo di piastre in acciaio incollate può avere qualche problema nel caso di resistenza al fuoco. Nuove soluzioni sono necessarie. Una di queste è il calcestruzzo rinforzato con reti di diversa natura comunemente chiamato Textile Reinforced Concrete (TRC) che combina un’ottima resistenza a compressione con un’alta resistenza a trazione. Questo materiale di rinforzo consente la progettazione di elementi strutturali molto sottili. Un'altra alternativa è l'uso di calcestruzzi ad alte prestazioni rinforzati con fibre di acciaio noti con il nome di Ultra High Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). In questo caso l’elevata resistenza a trazione e l’elevata duttilità sono garantite dalla presenza di fibre di acciaio, e queste prestazioni possono essere migliorate orientando le fibre nella fase di getto. In entrambe le proposte strati sottili di materiale possono essere utilizzati in particolare perché non è necessario uno strato di copriferro. Questa ricerca si propone di studiare il contributo offerto dai materiali di rinforzo applicati sull'elemento di calcestruzzo danneggiato. La superficie di contatto tra il materiale di supporto e quello di retrofitting deve essere opportunamente trattata e resa ruvida per aumentare l’aderenza tra i due strati in modo tale da permettere la trasmissione degli sforzi tangenziali dal calcestruzzo tradizionale al materiale di rinforzo garantendo così l’efficacia di quest’ultimo. Il ritiro della matrice di calcestruzzo può provocare un preventivo distacco del materiale di retrofitting. Le proprietà meccaniche del calcestruzzo fibrorinforzato sono state determinate per entrambi gli stati di sforzo sia in trazione che in compressione. Molto tempo è stato dedicato alla progettazione del TRC per trovare una buona combinazione tra la rete e la matrice cementizia. I parametri che influenzano il comportamento del materiale composito cementizio sono molteplici. La rete può variare per la geometria, la resistenza a trazione, il passo dell'ordito e della trama, la natura della fibra e gli intrecci. La matrice deve avere una buona lavorabilità per penetrare all’interno delle maglie della rete, nonché una elevata resistenza a trazione. Questo progetto di tesi ha lo scopo di definire una soluzione ottimale in termini di prestazioni, costi e modalità di messa in opera. Per raggiungere questo obiettivo, diversi parametri sono stati analizzati tramite prove sperimentali. La caratterizzazione meccanica dei materiali UHPFRC e TRC è stata effettuata tramite test tradizionali sia in compressione che in trazione mentre l’efficacia degli strati di rinforzo sullo strato supporto in calcestruzzo è stata valutata tramite l’utilizzo della tecnica chiamata DEWS (Double Edge Wedge Splitting) usata per caratterizzare la resistenza a trazione post picco di materiali fibrorinforzati.