Caratterizzazione meccanica e modellazione numerica di calcestruzzo fibrorinforzato per conci prefabbricati di galleria

The objective of this thesis is the mechanical characterization and consequent definition of the constitutive relationship of a fiber-reinforced concrete composite with steel fibers, for use in the design of final tunnel linings. Fiber-reinforced concrete, better known by the acronym FRC, is a cementitious composite with added fibers to improve the post-cracking properties of concrete, providing residual tensile strength that is normally absent in ordinary concrete. This material is currently attracting considerable interest in the underground sector, both for the construction of prefabricated elements, such as segments, and for cast-in-place linings. In addition to having a beneficial effect on structural behavior, fiber reinforcement improves the industrialized production of prefabricated segments, which is why there is growing interest in the use of this material in tunnels. In this thesis, the mechanical performance of fiber-reinforced concrete is evaluated with experimental analyses using three-point bending tests in accordance with Linee Guida 2021. Following the characterization of the composite and the satisfaction of the minimum performance requirements of the FRC under examination for the design of final tunnel linings even in the absence of traditional reinforcement, the tensile constitutive model was determined based on the results of the bending tests. The constitutive laws describing the behaviour of the material under investigation were then calibrated numerically using a numerical model of the notched beam. Following the calibration of the model, the constitutive relationships of the FRC under study were incorporated into the numerical block model in order to evaluate the flexural behaviour and the effectiveness of the fibres in controlling crack opening.

L'obiettivo del presente lavoro di tesi è la caratterizzazione meccanica e la conseguente definizione del legame costitutivo di un composito di calcestruzzo fibrorinforzato con fibre d’acciaio, per l'utilizzo nella progettazione di rivestimenti finali di gallerie. Il calcestruzzo fibrorinforzato, meglio noto con la siglia FRC, è un composito cementizio additivato da fibre, al fine di migliorare le proprietà post-fessurative del calcestruzzo, apportando una resistenza a trazione residua normalmente assente nel calcestruzzo ordinario. Questo materiale suscita oggi un grande interesse nell’ambito dell’underground, sia per la realizzazione di elementi prefabbricati, come i conci, sia per rivestimenti gettati in opera. Il rinforzo fibroso, oltre ad apportare un effetto benefico sul comportamento strutturale, permette di migliorare la produzione industrializzata di conci prefabbricati, motivo per cui vi è un interesse sempre maggiore nell’utilizzo di questo materiale nelle gallerie. In questa tesi, le prestazioni meccaniche del calcestruzzo fibrorinforzato vengono valutate con analisi sperimentali mediante prove a flessione su tre punti in conformità alle Linee Guida 2021. A seguito della caratterizzazione del composito e del soddisfacimento dei requisiti minimi prestazionali dell’FRC in esame per la progettazione di rivestimenti finali di gallerie anche in assenza di rinforzo tradizionale, è stato determinato il legame costitutivo a trazione, costruito a partire dai risultati delle prove a flessione. Le leggi costitutive che descrivono il comportamento del materiale in esame sono state quindi calibrate numericamente attraverso un modello numerico del travetto intagliato. In seguito alla calibrazione del modello, i legami costitutivi del FRC studiato sono stati inseriti all’interno del modello numerico concio, al fine di valutare il comportamento flessionale e l’efficacia delle fibre nel controllo dell’apertura di fessura.