Reinforced concrete in fire : from materials behaviour to spalling sensitivity and structural modelling

The increasing use of High-Performance Concrete in many structures exposed to extreme environmental conditions (tunnels, off-shore platforms, Liquefied Natural Gas terminals, containment shells), and the need to repair/strengthen many existing structures in order to meet the most recent code provisions or to increase their service life (e.g. nuclear power plants), bring in new problems, which go beyond the excellent knowledge we have on the behavior of ordinary concrete in extreme conditions. In the specific case of high temperature, which also includes fire with its very high heating rates, at least two topics need to be further investigated: (a) concrete hot mechanical behavior, and (b) concrete spalling, which consists in the more or less explosive and extended expulsion of concrete pieces due to thermal stresses and vapor pressure in the pores. The second topic mainly concerns High-Performance Concretes. These cementitious materials, in fact, on the one hand have denser matrices (which ensure better durability and mechanical properties, at the cost of greater brittleness and sensitivity to high temperature), on the other hand justify the optimization of the mix design in terms of aggregates, fibers and other constituents. High-Performance Concretes are definitely promising, but their behavior in fire denotes a greater sensitivity to heating, mostly because of their denser matrix. As a matter of fact, the ensuing lower porosity and - even more – the lower permeability are advantageous in ordinary environmental conditions (because concrete durability is improved), but bring in higher pore pressures due to water vaporization, because the release of vapour pressure is impaired by the lower permeability (so, making these concretes very sensitive to spalling). Generally speaking, the study of R/C structures exposed to high temperature requires the solution of a hygro-thermo-mechanical problem with many facets: (a) concrete microstructure (porosity and permeability, water saturation and fluid transfer, all strictly related to the development of pore pressure); (b) concrete thermal properties (whose knowledge is instrumental in evaluating the in-time evolution of the thermal field in any structural member); and (c) the mechanical behavior of the materials (in compression and tension) and how it is affected by high temperature and pore pressure. Dealing with a hygro-thermo-mechanical problem as such, however, is no simple matter and often goes beyond the objective of structural engineering. Hence, a possible approach is to treat the thermo-mechanical problem separately from the hygro-thermal problem. In this way, the first step is to investigate the hot mechanical response of the materials as such and within the structural context, neglecting the spalling phenomenon (i.e. the hygral problem); once the thermo-mechanical behavior is known, specific experimental and numerical studies make it possible to optimize the concrete mix design in order to limit or avoid spalling. Starting from the above mentioned issues, the present research project aims to contribute to the knowledge of cementitious materials and structures in three main directions: • definition of a numerical procedure for the static analysis of R/C structures exposed to fire (thermo-mechanical problem), by using and comparing a number of constitutive models available in the literature, in order to numerically model full-scale tests on columns; • development of an experimental method to assess concrete sensitivity to spalling, and to evaluate the pore pressure due to high temperature; • understanding of the influence of pore pressure on the hot tensile behavior of concrete, for different concrete grades and aggregate types, with/without polymeric fibers. Concrete mechanical behavior at high temperature is made increasingly complex because of the nonlinearity induced by further temperature-related strain components, like thermal creep and transient strains (which are mostly irreversible and occur only during the first heating). These temperature-related load-induced strains make concrete response definitely less stiff, and bring in a relaxation of the self-stresses (which is generally advantageous) and an increase of second-order effects (detrimental to members stability). These somewhat contradictory aspects require nonlinear structural analyses to be performed, but introducing properly concrete kinematic properties at high temperature is no easy matter, as experimentation to evaluate thermal creep and transient strains is rather complex. For instance, transient tests with the temperature increasing under sustained loads are required. Hence, a thorough and critical study of the concrete constitutive models available in the literature is mandatory, to check – through systematic applications to well-documented structural cases – the efficacy of each model and to understand whether certain parameters play a minor role and may be neglected, to simplify the models or to identify the most effective model, as the best compromise in terms of fitting the test results and numerical handiness. An ad hoc software has been developed by using FORTRAN solver and GID as pre- and post-processors; fifty-five R/C columns tested in the laboratories of the Technical University of Braunschweig (39 tests; Hass, 1986) and of the University of Ghent (16 tests; Dotreppe et al., 1996) were modelled numerically, and the time to failure was calculated according to four models, taking into account second-order effects. The systematic study performed and documented in this project allows to clarify and understand (a) the relevance of the different approaches to model thermal creep and transient strains, implicitly or explicitly; and (b) the role of second-order effects. As already mentioned, the hygral problem (evaluation of pore pressure) is not introduced in this first step of the analysis (so, spalling is neglected). Spalling phenomena, however, strongly affect the fire resistance of most structural members, because of the ensuing reduction of the cross sections and - in most cases - of the exposure of the reinforcement to the flames. However, in spite of the many studies performed in the last twenty years on spalling, to what extent pore pressure may affect concrete tensile behavior is still not totally understood. To contribute to a better understanding of pore pressure-tensile strength connection, an innovative technique has been developed at the Politecnico di Milano and two experimental investigations have been carried out on different classes of concrete (fc = 40, 60 and 90 MPa), with three types of aggregate (natural mixed/calcareous/basalt aggregate), with or without polymeric/metallic fibers; in the first and in the second experimental campaign one concrete mix and eleven concrete mixes were investigated, respectively. Testing has been accompanied by numerical modeling in order to study the role of the thermal stresses (induced by the restrained thermal dilation). The first experimental campaign was focused on the optimization of the testing procedure, and on the roles of both thermal stresses and heating rates, while the second more comprehensive experimental campaign aimed at understanding firstly how pore pressure may affect concrete behavior in tension and secondly what is the role (if any) of concrete grade, aggregate type, and fiber type and content. The experimental results give fresh - and largely new - information on: (a) concrete tensile behavior, that is strongly affected by pore pressure; and (b) the role of aggregate type, as well as that of fiber type and content, on pore pressure, this role being substantial in modifying the interaction between pore pressure and concrete behavior in tension. This information is instrumental in understanding spalling phenomena, with the aim of giving cement producers, designers and contractors the guidelines to improve the fire performance of R/C structures.

Il crescente utilizzo di Calcestruzzi ad Alte Prestazioni in molte strutture esposte a condizioni ambientali estreme (gallerie, piattaforme off-shore, terminali per il gas naturale liquefatto, muri e serbatoi di contenimento), e la necessità di riparare/rinforzare le tante strutture esistenti, al fine di soddisfare le più recenti disposizioni normative o aumentarne la vita utile (nel caso, ad esempio, delle centrali per l’energia nucleare), hanno introdotto nuove problematiche, che vanno al di là dell'ottima conoscenza raggiunta sul comportamento del calcestruzzo ordinario in condizioni estreme. Nel caso specifico dell’alta temperatura, che comprende anche la situazione d’incendio con le sue elevate velocità di riscaldamento, almeno due aspetti devono essere ulteriormente approfonditi: (a) il comportamento meccanico a caldo del calcestruzzo, e (b) il fenomeno dello spacco esplosivo del calcestruzzo (explosive spalling), il quale consiste nella più o meno violenta espulsione di blocchi/strati di calcestruzzo ad opera delle autotensioni termiche e della pressione di vapore che si sviluppa nei pori. La seconda tematica riguarda in particolare i Calcestruzzi ad Alte Prestazioni. Tali materiali cementizi, infatti, da un lato hanno matrici caratterizzate da elevata densità (il ché assicura maggiore durabilità e migliori prestazioni meccaniche, a costo, però, di maggiore fragilità e sensibilità alle alte temperature), e dall’altro giustificano l'ottimizzazione del mix design in termini di aggregati, fibre e altri costituenti. I Calcestruzzi ad Alte Prestazioni sono decisamente promettenti, ma il loro comportamento al fuoco denota una maggiore sensibilità al riscaldamento, proprio a causa della loro matrice particolarmente densa, poiché la conseguente minore porosità e - ancor più - la minore permeabilità sono vantaggiose in condizioni ambientali normali (per il miglioramento in termini di durabilità), ma portano ad avere valori più elevati di pressioni nei pori (indotte dall'evaporazione dell'umidità), essendo il rilascio del vapore limitato dalla bassa permeabilità (rendendo, dunque, tali calcestruzzi molto sensibili al fenomeno dello spalling). In generale, lo studio delle strutture in c.a esposte ad alte temperature richiede la soluzione di un problema igro-termo-meccanico, in cui si intrecciano molteplici aspetti: (a) la microstruttura del calcestruzzo (porosità e permeabilità, saturazione dei pori ad opera dell’umidità, fenomeni di trasporto di massa, strettamente legati allo sviluppo di pressione nei pori), (b) proprietà termiche del calcestruzzo (la cui conoscenza è fondamentale per valutare l'evoluzione nel tempo del campo termico in qualsiasi punto degli elementi strutturali), e (c) il comportamento meccanico dei materiali (in compressione e trazione), e come esso è influenzato da riscaldamento e pressione nei pori. Affrontare un problema igro-termo-meccanico, tuttavia, non è semplice e spesso va al di là dello scopo della progettazione strutturale. Un possibile approccio è, quindi, quello di trattare il problema termo-meccanico separatamente da quello igro-termico. In tal modo, il primo passo si focalizza sulla valutazione della risposta meccanica a caldo dei materiali come tali e nel contesto strutturale, trascurando il fenomeno dello spalling (ovvero il problema del trasporto di umidità), e, una volta noto il comportamento termo-meccanico, è possibile ottimizzare la miscela di calcestruzzo al fine di limitare o evitare lo spalling, attraverso specifici studi sperimentali e/o numerici. Partendo dalle tematiche appena descritte, il presente progetto di ricerca si propone di contribuire alla conoscenza sul calcestruzzo armato e sul comportamento strutturale, in tre direzioni principali: • definizione di una procedura numerica per l'analisi statica di strutture in c.a. esposte ad incendio (problema termo-meccanico), utilizzando e confrontando una serie di modelli costitutivi disponibili in letteratura, sulla base di prove in scala reale effettuate su pilastri in c.a. soggetti a riscaldamento; • sviluppo di un metodo sperimentale per valutare la sensibilità allo spalling del calcestruzzo, nonché la pressione nei pori indotta dal riscaldamento; • studio dell'influenza della pressione dei pori sul comportamento a trazione del calcestruzzo a caldo, per differenti velocità di riscaldamento, classi di calcestruzzo, tipologie di aggregati, in presenza o meno di fibre polimeriche. Il comportamento meccanico del calcestruzzo ad alta temperatura è reso ancora più complesso in condizioni di incendio a causa della non linearità indotta da ulteriori componenti di deformazione generate dal riscaldamento, come la viscosità termica e la deformazione transiente (le quali sono per lo più irreversibili e si verificano solo durante il primo riscaldamento). Tali ulteriori contributi deformativi indotti dal carico e dalla temperatura, rendono la risposta del calcestruzzo decisamente meno rigida, portando ad un rilassamento delle autotensioni termiche (il ché rappresenta un vantaggio) e ad un incremento degli effetti del secondo ordine (a discapito della stabilità strutturale). Questi aspetti tra loro contrastanti, richiedono analisi strutturali non lineari, nelle quali non è semplice l’introduzione corretta delle proprietà cinematiche del calcestruzzo, essendo difficile valutare sperimentalmente deformazione viscosa e transiente. Sono, ad esempio, necessarie prove di compressione in regime transitorio in cui la temperatura aumenta per valori di sforzo applicato costanti. Uno studio approfondito e critico sui modelli costitutivi disponibili in letteratura per il calcestruzzo è, dunque, necessario, al fine di verificare - attraverso il confronto sistematico sulla base di casi strutturali ben documentati - l'efficacia di ciascun modello e di comprendere se alcuni parametri giocano un ruolo secondario e possono essere trascurati, con l’obiettivo di semplificare i modelli costitutivi e/o identificare il modello più efficace, come miglior compromesso in termini di consistenza con i risultati sperimentali e onere computazionale. Per mezzo di un software realizzato ad hoc, utilizzando il risolutore FORTRAN e GID come pre- e post-processore, cinquantacinque colonne in c.a. testate nei laboratori dell'Università di Braunschweig (39 prove; Hass, 1986) e dell'Università di Ghent (16 test; Dotreppe et al, 1996) sono state modellate numericamente e il tempo di collasso è stato calcolato utilizzando quattro modelli costituivi per il calcestruzzo ad alta temperatura, tenendo conto degli effetti del secondo ordine. Lo studio sistematico effettuato e documentato nel presente progetto permette di chiarire: (a) la rilevanza dei diversi approcci per tener conto della viscosità termica e della deformazione transiente, attraverso formulazioni implicite o esplicite, e (b) il ruolo degli effetti del secondo ordine. Come già accennato, il problema del trasporto di massa e dell’evaporazione dell’umidità (per la valutazione della pressione nei pori) non è stato tenuto in considerazione in questa prima fase di analisi (ovvero si è trascurato il fenomeno dello spacco esplosivo). Lo spalling, tuttavia, influenza in maniera sostanziale la resistenza al fuoco degli elementi strutturali in c.a., a causa della conseguente riduzione delle sezioni resistenti e - in molti casi - dell'esposizione diretta alle fiamme delle barre di armatura. Nonostante i numerosi studi condotti negli ultimi venti anni sul fenomeno dello spalling, non è ancora chiaro in che misura la pressione dei pori influenzi il comportamento a trazione del calcestruzzo. In questo contesto, per contribuire ad una migliore comprensione dell’interazione tra pressione nei pori e resistenza a trazione del calcestruzzo, una innovativa tecnica sperimentale è stata sviluppata al Politecnico di Milano e due indagini sperimentali sono state condotte su diverse classi di calcestruzzo (fc = 40, 60 e 90 MPa), con tre differenti tipologie di aggregati (misto naturale / calcareo / basaltico), in presenza o meno di fibre polimeriche/metalliche; nella prima e nella seconda campagna sperimentale sono state studiate una e undici miscele di calcestruzzo, rispettivamente. Le prove sperimentali sono state affiancate da modellazione numerica per studiare il ruolo delle autotensioni termiche (indotte dalla dilatazione termica impedita). La prima campagna sperimentale era focalizzata sull’ottimizzazione della procedura sperimentale, e sul ruolo giocato sia dalle autotensioni termiche che dalla velocità di riscaldamento, mentre la seconda più ampia campagna sperimentale era finalizzata a comprendere, in primo luogo, come la pressione nei pori influenzi il comportamento a trazione del calcestruzzo, e in secondo luogo, il ruolo di classe del calcestruzzo, tipologia degli aggregati, e tipologia e contenuto di fibre. I risultati sperimentali danno nuove informazioni su due fronti principali: (a) il comportamento a trazione del calcestruzzo, il quale risulta fortemente condizionato dalla pressione dei pori, e (b) il ruolo di tipologia degli aggregati, così come quello della tipologia e del contenuto di fibre, sui valori di pressione nei pori, essendo, inoltre, tale ruolo sostanziale nel modificare l'interazione tra pressione nei pori e comportamento a frattura del calcestruzzo. Tali evidenze sperimentali sono fondamentali al fine di comprendere il fenomeno dello spalling, con l'obiettivo di offrire ai produttori di calcestruzzo e ai progettisti indicazioni atte al miglioramento delle prestazioni in caso di incendio delle strutture in c.a.