Modelli di resistenza per predire il comportamento sia degli overlays in HPFRCC/UHPFRC sia dell'interfaccia di collegamento di strutture composite riabilitate in NSC - HPFRCC/UHPFRC

The first part of this phD thesis will present a generalized model that predicts the compressive, tensile and bending flexural responses of any HPFRCC/UHPFRC, as the matrix strength, the aspect ratio and the amount of fibers change. The model has been calibrated on the basis of a comprehensive experimental investigation carried out on both lab specimens and full-scale structural beams made of different fiber-reinforced-concretes. The proposed model not only extends the range of application of the existing ones to the family of UHPFRC materials, but also introduces the prediction of the post-cracking tensile response. An analytical calculation based on the ``Composite Material Theory" (CMT) can estimate the bending flexural response once the compressive and the tensile behaviors are predicted by the model. The model may therefore be useful to correlate the different mechanical tests of characterization requested for a given product; for example, if the compressive and tensile responses of a given HPFRCC or UHPFRC are measured or predicted by the model, the latter can estimate the results of bending flexural tests. Moreover, the model permits to minimize the manufacturing costs of the commercial product, by detecting the optimal type and the minimal dosage of fibers necessary to meet the mechanical performances required. The model has been adopted in a practical case in order to virtually optimize the type and the dosage of fibers embedded in an existing UHPFRC structure. The second part of this PhD thesis will present a theoretical cohesive-based model that predicts the load carrying capacity of an existing concrete structure overlaid with a layer of HPFRCC/UHPFRC, by varying both the type of overlay and the moisture level of the substrate surface prior to overlay. Several bond tests were designed by the author in order to accurately characterize the peeling-crack (mode I), the shear-slip (mode II) relationships and the coupling factor between mode I and II. The experimental data were used for calibrating the model. A further experimental campaign was carried out for confirming the reliability of the model. A FEM was developed in order to numerically reproduce the propagation of the damage process at the interface. The numerical simulations were compared with the experimental results. The FE interface was modeled with a proper nonlinear cohesive law which couples the relationships of mode I with mode II on the basis of the experimental data.

La prima parte di questa tesi di dottorato presenterà un modello generalizzato che predice la risposta alla compressione, alla trazione e al momento flettente di qualunque HPFRCC/UHPFRC, al variare della resistenza della matrice, del rapporto di aspetto e dal dosaggio di fibre. Il modello è stato calibrato sulla base di un estesa indagine sperimentale effettuata sia su provini di laboratorio che su travi in scala reale composti da differenti calcestruzzi fibro rinforzati. Il modello proposto non solo estende il campo di applicazione dei modelli esistenti alla famiglia dei materiali UHPFRC, ma introduce la predizione del comportamento post fessurativo a trazione. Un calcolo analitico basato sulla ``Teoria del Materiale Composito" (CMT) può stimare la risposta a flessione una volta che le risposte alla compressione e alla trazione sono state predette dal modello. Il modello può quindi essere utile per correlare i differenti test di caratterizzazione richiesti per un dato prodotto; per esempio, se le risposte alla compressione e alla trazione di un HPFRCC o UHPFRC sono state misurate o predette dal modello, questo può stimare i risultati dei test a flessione. Inoltre il modello permette di minimizzare il costo di produzione del prodotto commerciale, individuando il tipo ottimale e il dosaggio minimo di fibre necessarie per soddisfare le esigenze prestazionali richieste. Il modello è stato adottato in un caso pratico al fine di ottimizzare virtualmente il tipo e il dosaggio di fibre immerse in una struttura esistente in UHPFRC. La seconda parte di questa tesi di dottorato presenterà un modello teorico di principio coesivo che predice la capacità di carico del collegamento di interfaccia di una struttura di calcestruzzo esistente ricoperta da uno strato di HPFRCC/UHPFRC, al variare sia del tipo dello strato superiore, sia del livello di umidità superficiale del substrato prima della posa dello strato superiore. Differenti test sul collegamento sono stati concepiti dall'autore al fine di caratterizzare accuratamente le relazioni di peeling-apertura di fessura (modo I), taglio-scorrimento (modo II) e il fattore di accoppiamento tra il modo I e II. I dati sperimentali sono stati usati per calibrare il modello. Una ulteriore indagine sperimentale è stata compiuta per confermarne l'attendibilità. Un modello FEM è stato sviluppato al fine di riprodurre numericamente il processo di propagazione di danneggiamento in interfaccia. Le simulazioni numeriche sono state comparate coi risultati sperimentali. L'interfaccia agli elementi finiti è stata modellata mediante l'uso di un'appropriata legge coesiva non lineare che correla le relazioni di modo I con quelle di modo II sulla base dei dati sperimentali.