Analisi numerico-sperimentale di materiali compositi a matrice cementizia (FRCM) per il rinforzo di elementi strutturali in C.A.

Il presente elaborato di tesi verte sullo studio di sistemi di rinforzo a matrice cementizia addizionata con fibre inorganiche, conosciuti come FRCM (Fiber-Reinforced Cementitious Matrix). Il materiale investigato, impiegato per il rinforzo di elementi strutturali in cemento armato e muratura, è stato solo recentemente introdotto sul mercato, non è ancora normato in tutti i paesi ed è pertanto oggetto di numerosi studi e ricerche al fine di caratterizzarne in modo approfondito il comportamento meccanico e l’interazione col supporto. In relazione a ciò, la ricerca è stata condotta seguendo due filoni principali. Il primo filone è stato rivolto alla modellazione e simulazione numerica del comportamento meccanico del materiale e degli elementi rinforzati con questa tecnica, mentre il secondo ha riguardato l’esecuzione di una serie di prove sperimentali volte alla determinazione delle proprietà meccaniche del composito e dei suoi componenti, in particolare della malta cementizia. Dopo aver analizzato la letteratura tecnico-scientifica relativa sia ai sistemi di rinforzo più tradizionali che agli FRCM, si è proceduto allo sviluppo di un legame costitutivo per lo studio del materiale composito. In particolare, si è adottato un approccio continuo in cui, nei diversi stadi del materiale (prima e dopo la comparsa della fessurazione), i contributi irrigidenti legati alla matrice e alla rete sono valutati separatamente e poi combinati tra loro in modo da formare la matrice di rigidezza del materiale, implementata in un codice di calcolo ad elementi finiti. Nello stadio non fessurato si è assunta l’ipotesi di perfetta aderenza tra la malta e la rete di rinforzo, considerando un comportamento elastico-lineare per entrambi i materiali. Nella fase fessurata, la deformazione totale è assunta pari alla somma della deformazione del materiale tra le fessure e di quella della fessura. L’efficacia del modello è stata quindi verificata effettuando dei confronti con numerosi risultati sperimentali reperiti in letteratura scientifica, relativi sia a tiranti in FRCM, che a travi in c.a. rinforzate a flessione. Tali confronti hanno messo in luce un ottimo accordo tra i risultati numerici e sperimentali. Al fine di meglio indagare alcuni parametri utili per la messa a punto di idonei legami costitutivi presenti nel modello meccanico proposto, è stato deciso di effettuare una campagna di prove sperimentali rivolta alla caratterizzazione meccanica della malta, nonché dell’intero composito FRCM. Nello specifico, si sono eseguite prove a flessione su prismi di sola malta per la determinazione della resistenza a trazione per flessione e per ottenere l’energia specifica di frattura. Al fine di integrare i dati ottenuti e per avere una correlazione analitica tra la resistenza a trazione diretta e quella flessionale apposita per il materiale in questione, si è proceduto ad eseguire ulteriori prove di trazione diretta su provini a “osso di cane” di sola malta. Oltre a ciò, si è studiato il comportamento dell’intero composito, eseguendo delle prove a trazione diretta su provini prismatici in FRCM. Le prove sono state eseguite nel laboratorio di “Prove materiali e strutture” dell’Università di Parma e le rielaborazioni sono state eseguite anche mediante l’uso della DIC (Digital Image Correlation). Dalla campagna sperimentale si è ottenuta una serie di dati utili per una corretta calibrazione del legame costitutivo. Tra questi si annoverano, per la malta cementizia, il coefficiente di Poisson e il modulo di elasticità normale, nonché l’energia specifica di frattura. Per quanto concerne l’intero composito FRCM, si sono ottenute informazioni utili in termini di carico-spostamento e soprattutto una conoscenza della distanza e dell’apertura di fessura che sono dati difficilmente reperibili in letteratura.