From bidimensional towards monodimensional modeling of sound and damaged reinforced concrete structures

Reinforced and Prestressed Concrete Structures exposed to aggressive environments, more or less severe, exhibit a progressive deterioration that reduce their bearing capacity over time, as well as their residual service life. Carbonation, spalling, cracking, corrosion due to chlorides and consequent reduction of bar and tendon areas are what we are used to see in surveying buildings and bridges forty/fifty years old. The social and economic relevance of the safety of the structure and infrastructures gave rise to an intense research activity and was the motivation that led to undertake the present work. After having deepened the main physical and mechanical aspects that rule the time variant capacity of a structure, the attention have been focused on the effects induced by the most frequent damaging causes on the behavioral and collapse mechanisms of RC elements. Such a problem involves (I) a representative modeling of the damage diffusion inside the volume of the RC element; (II) a reliable and robust modeling of RC cracked element working in membrane state and (III) a methodology of coupling the physical and the mechanical behaviors over time. The mechanical aspects are prevailing. Therefore, the work starts by examining different approaches to the analysis of RC frame and membrane structures. These approaches have been introduced and developed through ad hoc computer codes, then tested and compared. In particular, two renowned RC smeared approaches for bidimensional FE analyses and hands-on verifications have been reviewed and a wide set of comparisons with experiments concerning shear critical panels and beams have been carried out. As known, a FE bidimensional analysis is quite heavy to do for practice. So, in order to search for a synthetic approach, a shear flexible beam column RC element has been proposed. With reference to the infinitesimal segment of beam, the evolution of the sectional kinematic from the Navier-Bernoulli, to Timoshenko and to the Generalized Beam Theory is analyzed, showing how each new grade of refinement requires necessarily a more refined stress-strain relationship (linear or non-linear). Hence, by proposing two particular section state determinations, the structural analysis moved from bidimensional towards monodimensional one. The element formulation is accomplished with proposal that allows computing the stresses in the stirrups and representing, in a conventional way, the crack pattern in the web of the beam. Also such a model has been validated with reference to a set of experimental results. After the analyses oriented to sound RC structures, the damage diffusion process and its modeling through the diffusivity equation is presented. The diffusion problem is solved through the Cellular Automata algorithm. Introductory examples show the effectiveness of such a numerical approach. The effects of the damage are then specialized to Reinforced Concrete Elements. New damage indexes, concerning both steel and concrete, are introduced and then tested for different reinforcement assemblies. A wide set of applications confirm the soundness of both of theoretic proposals and of the algorithms used to reduce the problems to a numerical form. Moreover, significant comparisons have been made between the results given by non-linear analyses and those given by the limit analyses. Such comparisons led to introduce an efficiency factor that takes into account the different nature of these two approaches, as well as the different criteria to model the material properties with respect to the ultimate behavior. The types of applications stand out the effectiveness of all the proposed models in dealing with actual and complex structures, both in sound and damaged conditions, and show their usefulness among the methodologies for life-cycle appraisals.

Le strutture in Calcestruzzo Armato e Calcestruzzo Armato Precompresso, in ambienti aggressivi, subiscono una processo di deterioramento che progressivamente riduce sia la capacità portante sia la vita residua. Effetti come la carbonatazione, la fessurazione, la corrosione indotta da cloruri e la conseguente riduzione di sezioni di acciaio resistente sono fenomeni molto comuni in edifici e ponti che presentano quaranta/cinquanta anni di età. L’importanza sociale ed economica legata al tema della sicurezza strutturale ha portato allo sviluppo di diverse attività di ricerca ed è la motivazione alla base del presente lavoro. In seguito alla descrizione dei diversi aspetti fisico/meccanici che influenzano la variazione delle prestazioni strutturali nel tempo, l’attenzione è rivolta alle principali cause che interessano il comportamento a rottura di elementi in CA. Tale problema richiede (I) una modellazione rappresentativa dell’evoluzione del danno all’interno del dominio; (II) una robusta e affidabile modellazione di elementi in CA in regime di membrana e (III) una metodologia in grado di accoppiare, nel tempo, i processi di degrado con il comportamento meccanico. Gli aspetti meccanici sono dominanti. Pertanto, il lavoro inizia richiamando ed esaminando le diverse teorie e tecniche di modellazione dedicate a strutture in Calcestruzzo Armato. I diversi approcci presentati sono stati implementati in specifici codici di calcolo automatico interamente sviluppati, testati e validati in questa sede. In particolare, si richiamano dapprima due teorie diffuse dedicate al CA, utilizzabili non solo per lo sviluppo di elementi finiti piani non lineari, ma anche per calcoli manuali. Le due teorie sono state confrontate con riferimento a diverse travi e pannelli critici a taglio. Come è noto, una modellazione completa bidimensionale ad elementi finiti si presenta come una soluzione troppo lontana dalla pratica ingegneristica quotidiana, non solo per i tempi computazionali, ma soprattutto per la difficile fase di interpretazione dei risultati. Per questi motivi e con l’obiettivo di proporre un approccio più sintetico ed efficace, è stato proposto un nuovo elemento finito di trave in CA che, oltre ad includere le non linearità meccaniche e geometriche, è anche sensibile agli effetti del taglio. Le ipotesi cinematiche di Navier-Bernoulli, di Timoshenko e la cosiddetta teoria di trave generalizzata sono state presentate ed esaminate, mostrando come ad ogni raffinamento progressivo siano richiesti legami costitutivi progressivamente più raffinati. Successivamente, vengono proposte e confrontate due diverse tecniche che consentono di formulare l’elemento di trave in CA e passare così da una modellazione bidimensionale ad una monodimensionale. La formulazione dell’elemento, inoltre, è accompagnata da una proposta che consente, in forma convenzionale, di tracciare l’evoluzione del quadro fessurativo. Dopo aver trattato gli aspetti meccanici, il lavoro continua presentando il modello di degrado nel quale il problema della diffusione dell’agente aggressivo all’interno del dominio in Calcestruzzo è affrontato mediante la tecnica dell’Automa Cellulare. Una volta nota l’evoluzione della specie aggressiva all’interno del dominio e nel tempo, mediante specifici indici di danno è possibile trattare non solo gli effetti della corrosione sull’acciaio (riduzione di area resistente e di duttilità), ma anche quelli indotti sul calcestruzzo (riduzione della resistenza e spalling del copriferro). La robustezza delle teorie proposte e della relativa traduzione in forma algebrica è confermata da un esteso set di applicazioni. Inoltre, viene presentato un confronto critico fra analisi limite e analisi non lineare e una proposta per la valutazione del cosiddetto fattore di efficienza e la sua evoluzione nel tempo. Le applicazioni proposte, oltre a confermare l’efficacia dei modelli sviluppati nell’affrontare lo studio di sistemi strutturali complessi, sia in condizioni sane sia in condizioni ammalorate, mostrano l’utilità della metodologia messa a punto nell’affrontare valutazioni a ciclo di vita.