Caratterizzazione sperimentale del comportamento meccanico di calcestruzzi fibrorinforzati e modellazione FEM del loro impiego in pavimentazioni industriali

In recent decades, the development of increasingly innovative materials, such as fiber-reinforced composites, has attracted considerable interest in numerous fields of application, including civil engineering. This thesis analyzes a specific type of composite material, fiber-reinforced concrete (FRC), consisting of a cementitious matrix within which steel fibers are dispersed. The addition of fibers, in addition to increasing the material's ductility, provides the concrete with significant residual tensile strength, known as toughness, which controls the process of crack initiation and propagation in the post-cracking phase. Among the various fields of application of FRC is industrial flooring, i.e., concrete slabs supported on a continuous support. The use of fibers in these two-dimensional elements helps reduce cracking and deformations during the service phase, which can reach significant levels, and also makes it possible to reduce, or even completely eliminate, the need for conventional reinforcement. This thesis's primary objective is to characterize two fiber-reinforced concrete mixtures, described by the same mix design except for the different fiber content. The experimental work was conducted at the EcamRicert laboratory (VI), in collaboration with the company La Matassina (VI), which supplied the high-carbon steel fibers for the various tests. Through compression and three-point bending tests performed on the FRC specimens, it was possible to classify the two mixtures, achieve the required performance, and analyze their mechanical properties. Secondly, finite element modeling of an FRC plate on an elastic Winkler support was performed using Midas software. Once the material's constitutive law was defined, obtained from the experimental tests, a complete nonlinear elastic analysis was implemented to evaluate the material's nonlinear behavior beyond the elastic limit, up to final failure.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo di materiali sempre più innovativi, come i compositi fibrorinforzati, ha suscitato grande interesse in numerosi ambiti di applicazione, tra cui quello dell’ingegneria civile. Il presente lavoro di tesi analizza una specifica tipologia di materiale composito, il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC, Fiber Reinforced Concrete), costituito da una matrice cementizia all’interno della quale sono disperse fibre in acciaio. L’aggiunta delle fibre, oltre ad accrescere la duttilità del materiale, conferisce al calcestruzzo una significativa resistenza residua a trazione, definita tenacità, la quale controlla il processo di apertura e propagazione delle fessure in fase post-fessurativa. Tra i vari campi applicativi degli FRC vi è quello delle pavimentazioni industriali, ossia piastre di calcestruzzo appoggiate su un supporto continuo. L’utilizzo di fibre in questi elementi bidimensionali contribuisce a ridurre le fessurazioni e deformazioni durante la fase di esercizio, che possono raggiungere anche valori significativi, e rende inoltre possibile una riduzione, fino alla completa eliminazione, dell’armatura convenzionale. Questo lavoro di tesi ha come primo obiettivo la caratterizzazione di due miscele di calcestruzzo fibrorinforzato, descritte dallo stesso mix design ad eccezione del diverso quantitativo di fibre. L’attività sperimentale è stata condotta presso il laboratorio EcamRicert (VI), in collaborazione con l’azienda La Matassina (VI) che ha fornito le fibre in acciaio ad alto tenore di carbonio per effettuare le varie prove. Attraverso test a compressione e a flessione su tre punti eseguite sui provini in FRC, è stato possibile classificare le due miscele, raggiungere le prestazioni richieste e analizzarne le proprietà meccaniche. In secondo luogo, è stata eseguita una modellazione agli elementi finiti di una piastra in FRC su supporto elastico alla Winkler, tramite il software Midas. Definito il legame costitutivo del materiale, ottenuto a partire dalle prove sperimentali, è stata implementata un’analisi elastica non-lineare completa, al fine di valutare il comportamento non lineare del materiale oltre il limite elastico, fino alla rottura definitiva