Creep deflection of low-strength reinforced concrete flexural members strengthened with carbon fiber composite sheets

The low-strength concrete is defined as a concrete where the compressive cubic strength is less than 15 MPa. Since the beginning of the last century, many low-strength concrete buildings and bridges have been built all over the world. Being short of deeper study, composite sheets are prohibited in strengthening of low-strength reinforced concrete members (CECS 146; ACI 440). Moreover, there are few relevant information about the long-term behavior and durability of strengthened RC members. This fact undoubtedly limits the use of the composite materials in the strengthening applications, therefore, it is necessary to study the behaviours of low-strength concrete elements strengthened with composite materials (FRP) for the preservation of historic constructions and innovation in the strengthening technology. Deformability is one of criteria in the design of concrete structures, and this for functionality, durability and aesthetics reasons. Civil engineer possibly encounters more deflection problems in the structural design than any other type of problem. Many materials common in structural engineering such as wood, concrete and composite materials, suffer creep; if the creep phenomenon is taken into account, checks for serviceability limit state criteria can become onerous, because the creep deformation in these materials is in the same order of magnitude as the elastic deformation. The thesis presents the results of an experimental study on the long-term behavior of low-strength reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber composite sheets (CFRP). The work has investigated the accuracy of the long-term deflection predictions made by some analytical procedures existing in literature, as well as by the most widely used design codes (Eurocode 2, ACI-318, ACI-435).

Experimental Study on Friction between Saline Ice and Steel

Understanding the interaction of sea ice with offshore structures is of primary importance for the development of technology in cold climate regions. The rheological properties of sea ice (strength, creep, viscosity) as well as the roughness of the contact surface are the main factors influencing the type of interaction with a structure. A device was developed and designed and small scale laboratory experiments were carried out to study sea ice frictional interaction with steel material by means of a uniaxial compression rig. Sea-ice was artificially grown between a stainless steel piston (of circular cross section) and a hollow cylinder of the same material, coaxial to the former and of the same surface roughness. Three different values for the roughness were tested: 1.2, 10 and 30 μm Ry (maximum asperities height), chosen as representative values for typical surface conditions, from smooth to normally corroded steel. Creep tests (0.2, 0.3, 0.4 and 0.6 kN) were conducted at T = -10 ºC. By pushing the piston head towards the cylinder base, three different types of relative movement were observed: 1) the piston slid through the ice, 2) the piston slid through the ice and the ice slid on the surface of the outer cylinder, 3) the ice slid only on the cylinder surface. A cyclic stick-slip motion of the piston was detected with a representative frequency of 0.1 Hz. The ratio of the mean rate of axial displacement to the frequency of the stick-slip oscillations was found to be comparable to the roughness length (Sm). The roughness is the most influential parameter affecting the amplitude of the oscillations, while the load has a relevant influence on the their frequency. Guidelines for further investigations were recommended. Marco Nanetti - seloselo@virgilio.it

Analisi sperimentale degli effetti di temperature elevate sul comportamento strutturale dei rinforzi in FRP

In questa tesi si è voluta porre l’attenzione sulla suscettibilità alle alte temperature delle resine che li compongono. Lo studio del comportamento alle alte temperature delle resine utilizzate per l’applicazione dei materiali compositi è risultato un campo di studio ancora non completamente sviluppato, nel quale c’è ancora necessità di ricerche per meglio chiarire alcuni aspetti del comportamento. L’analisi di questi materiali si sviluppa partendo dal contesto storico, e procedendo successivamente ad una accurata classificazione delle varie tipologie di materiali compositi soffermandosi sull’ utilizzo nel campo civile degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) e mettendone in risalto le proprietà meccaniche. Considerata l’influenza che il comportamento delle resine riveste nel comportamento alle alte temperature dei materiali compositi si è, per questi elementi, eseguita una classificazione in base alle loro proprietà fisico-chimiche e ne sono state esaminate le principali proprietà meccaniche e termiche quali il modulo elastico, la tensione di rottura, la temperatura di transizione vetrosa e il fenomeno del creep. Sono state successivamente eseguite delle prove sperimentali, effettuate presso il Laboratorio Resistenza Materiali e presso il Laboratorio del Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali, su dei provini confezionati con otto differenti resine epossidiche. Per valutarne il comportamento alle alte temperature, le indagini sperimentali hanno valutato dapprima le temperature di transizione vetrosa delle resine in questione e, in seguito, le loro caratteristiche meccaniche. Dalla correlazione dei dati rilevati si sono cercati possibili legami tra le caratteristiche meccaniche e le proprietà termiche delle resine. Si sono infine valutati gli aspetti dell’applicazione degli FRP che possano influire sul comportamento del materiale composito soggetto alle alte temperature valutando delle possibili precauzioni che possano essere considerate in fase progettuale.

Valutazione del comportamento differito di una trave inflessa realizzata in due fasi

La presente tesi analizza il comportamento differito in una prova di flessione su quattro punti su una trave prefabbricata con getto di soletta integrativa in opera. Sono riportati i risultati della prova di carico e di rottura sulla trave. Le prove sono state eseguite presso il Laboratorio di Prove Strutture (DISTART) dell'Università di Bologna. La trave è composta di due tipi di calcestreuzzo, realizzati in tempi diversi e con proprietà meccaniche diverse. L'obiettivo della campagna sperimentale è studiare l'effetto delle fasi di costruzione sull'evoluzione delle tensioni e delle deformazioni nel tempo e sulla resistenza ultima della trave. Il comportamento sperimentale è stato confrontato con i risultati numerici ottenuti con un modello a fibre in grado di cogliere anche i fenomeni legati al creep.

Analisi del comportamento a caldo dell'acciaio AISI - H11 per la stima della vita utile di matrici per estrusione

The effect of process parameters on the creep-fatigue behavior of a hot-work tool steel for aluminum extrusion die was investigated through a technological test in which the specimen geometry resembled the mandrel of a hollow extrusion die. Tests were performed on a Gleeble thermomechanical simulator by heating the specimen using joule’s effect and by applying cyclic loading up to 6.30 h or till specimen failure. Displacements during the tests at 380, 490, 540 and 580°C and under the average stresses of 400, 600 and 800 MPa were determined. In the first set of test a dwell time of 3 min was introduced during each of the tests to understand the creep behavior. The results showed that the test could indeed physically simulate the cyclic loading on the hollow die during extrusion and reveal all the mechanisms of creep-fatigue interaction. In the second set a pure fatigue laod were induced and in the third set a static creep load were induced in the specimens. Furher type of tests, finite element and microstructural analysis were presented.

Modellazione numerica del comportamento viscoso fessurato di elementi in CCA

Questo studio mira ad affinare modelli numerici a fibre che siano in grado di valutare il comportamento differito viscoso fessurato di elementi in conglomerato cementizio armato. Il modello numerico iterativo a fibre è stato calibrato e raffrontato con due campagne sperimentali che hanno studiato il fenomeno del creep in due travi in ca gettate in due fasi. E' in grado di valutare le deformzioni differite di sezioni e travi gettate e caricate in più fasi.

Heave of large excavations in clay: modelling and analysis of two british case-histories

ABSTRACT Il presente lavoro vuole introdurre la problematica del rigonfiamento del terreno a seguito di grandi scavi in argilla. Il sollevamento del terreno dopo lo scavo può passare inosservato ma sono numerosi i casi in cui il rigonfiamento dura per molti anni e addirittura decenni, Shell Centre, London, Lion Yard, Cambridge, Bell Common, London, ecc. Questo rigonfiamento il più delle volte è impedito dalla presenza di fondazioni, si genera quindi una pressione distribuita che se non considerata in fase di progetto può portare alla fessurazione della fondazione stessa. L’anima del progetto è la modellazione e l’analisi del rigonfiamento di grandi scavi in argilla, confrontando poi i risultati con i dati reali disponibili in letteratura. L’idea del progetto nasce dalla difficoltà di ottenere stime e previsioni attendibili del rigonfiamento a seguito di grandi scavi in argilla sovraconsolidata. Inizialmente ho esaminato la teoria e i fattori che influenzano il grado e la velocità del rigonfiamento, quali la rigidezza, permeabilità, fessurazione, struttura del suolo, etc. In seguito ho affrontato lo studio del comportamento rigonfiante di argille sovraconsolidate a seguito di scarico tensionale (scavi), si è evidenziata l’importanza di differenziare il rigonfiamento primario e il rigonfiamento secondario dovuto al fenomeno del creep. Il tema centrale del progetto è l’analisi numerica tramite Flac di due grandi scavi in argilla, Lion Yard, Cambridge, e, Bell Common, London. Attraverso una dettagliata analisi parametrica sono riuscito a trovare i migliori parametri che modellano il comportamento reale nei due casi in esame, in questo modo è possibile arrivare a stime e previsioni attendibili del fenomeno rigonfiante del terreno a seguito di grandi scavi. Gli scavi modellati Lion Yard e Bell Common sono rispettivamente in Gault Clay e London Clay, grazie a famosi recenti articoli scientifici sono riuscito a evidenziare la principali propietà che diversificano i due terreni in esame, tali propietà sono estremamente differenti dalle normali caratteristiche considerate per la progettazione in presenza di terreno argilloso; sono così riuscito a implementare i migliori parametri per descrivere il comportamento dei due terreni nei diversi modelli. Ho inoltre studiato l’interazione terreno-struttura, la pressione esercitata dal rigonfiamento del terreno è strettamente funzione delle caratteristiche di connesione tra fondazione superficiale e muro di sostegno, tale pressione non deve essere ignorata in fase progettuale poichè può raggiungere importanti valori. Nello scavo di Lion Yard, considerando la presenza delle fondazioni profonde ho evidenziato il fatto che il rigonfiamento crea una forza distribuita di taglio tra i pali di fondazione ed il terreno, anche tale sollecitazione dovrebbe essere considerata ai fini della progettazione. La problematica non si ferma solo sull’interazione terreno-fondazioni, infatti durante gli scavi di importanti fondazioni londinesi lo scarico tensionale ha creato uno spostamento significativo positivo verso la superfice di tratti di tunnel della metropolita, questo fenomeno può creare seri problemi di sicurezza nella rete dei trasporti pubblici. Infine sono stati messi a confronto i risultati del programma Flac con quelli di metodi semplificati, ho trovato che utilizzando il metodo iterativo di O’Brien i risultati sono simili alla realtà e il tempo di calcolo è molto inferiore di quello richiesto utilizzando Flac, 2-3 giorni. In conclusione posso affermare che grazie ad una dettagliata analisi parametrica è stato possibile stimare il rigonfiamento del terreno, argilla sovraconsolidata, nei due casi analizzati.

Studio parametrico del comportamento di opere di sostegno flessibili mediante modellazione numerica

Oggetto di questa tesi è lo studio parametrico del comportamento di paratie mediante modellazione numerica agli elementi finiti. Si è anche analizzato l’aspetto normativo relativo ad esse ed in particolare si è applicato il D.M. 2008 ad una paratia sottolineando le innovazioni nella progettazione geotecnica. Le paratie sono opere di sostegno flessibili interagenti con i fronti di scavo e costituite da una porzione fuori terra, soggetta a condizioni di spinta attiva, e una porzione interrata che contrappone la resistenza passiva del terreno. Le opere di sostegno flessibile si dividono in due categorie: diaframmi e palancole che differiscono molto fra loro sia per il materiale con cui sono realizzate, sia per la tecnica di messa in opera, sia per la geometria, ma hanno in comune il meccanismo di funzionamento. Sono stati illustrati i metodi di calcolo per lo studio delle paratie: metodi dell’equilibrio limite a rottura, metodi a molle e metodi agli elementi finiti. I metodi agli elementi finiti negli ultimi anni hanno avuto maggior successo grazie alla possibilità di definire il modello costitutivo sforzi-deformazioni, le condizioni al contorno e le condizioni iniziali. Esistono numerosi programmi di calcolo che si basano sul metodo agli elementi finiti, tra i quali è da annoverare il programma Plaxis che viene molto usato grazie alla presenza di vari modelli costitutivi in grado di simulare il comportamento del terreno. Tra i legami costitutivi presenti nel programma Plaxis, sono stati presi in esame il modello Mohr-Coulomb, l’Hardening model e il Soft Soil Creep model e sono poi stati applicati per eseguire uno studio parametrico del comportamento delle paratie. Si è voluto comprendere la sensibilità dei modelli al variare dei parametri inseriti nel programma. In particolare si è posta attenzione alla modellazione dei terreni in base ai diversi modelli costitutivi studiando il loro effetto sui risultati ottenuti. Si è inoltre eseguito un confronto tra il programma Plaxis e il programma Paratie. Quest’ultimo è un programma di calcolo che prevede la modellazione del terreno con molle elasto-plastiche incrudenti. Il lavoro di tesi viene illustrato in questo volume come segue: nel capitolo 1 si analizzano le principali caratteristiche e tipologie di paratie mettendo in evidenza la complessità dell’analisi di queste opere e i principali metodi di calcolo usati nella progettazione, nel capitolo 2 si è illustrato lo studio delle paratie secondo le prescrizioni del D.M. 2008. Per comprendere l’argomento è stato necessario illustrare i principi base di questo decreto e le caratteristiche generali del capitolo 6 dedicato alla progettazione geotecnica. Le paratie sono poi state studiate in condizioni sismiche secondo quanto previsto dal D.M. 2008 partendo dall’analisi degli aspetti innovativi nella progettazione sismica per poi illustrare i metodi pseudo-statici utilizzati nello studio delle paratie soggette ad azione sismica. Nel capitolo 3 si sono presi in esame i due programmi di calcolo maggiormente utilizzati per la modellazione delle paratie: Paratie e Plaxis. Dopo aver illustrato i due programmi per comprenderne le potenzialità, i limiti e le differenze, si sono analizzati i principali modelli costituitivi implementati nel programma Plaxis, infine si sono mostrati alcuni studi di modellazione presenti in letteratura. Si è posta molta attenzione ai modelli costitutivi, in particolare a quelli di Mohr-Coulomb, Hardening Soil model e Soft Soil Creep model capaci di rappresentare il comportamento dei diversi tipi di terreno. Nel capitolo 4, con il programma Plaxis si è eseguita un’analisi parametrica di due modelli di paratie al fine di comprendere come i parametri del terreno, della paratia e dei modelli costitutivi condizionino i risultati. Anche in questo caso si è posta molta attenzione alla modellazione del terreno, aspetto che in questa tesi ha assunto notevole importanza. Dato che nella progettazione delle paratie è spesso utilizzato il programma Paratie (Ceas) si è provveduto ad eseguire un confronto tra i risultati ottenuti con questo programma con quelli ricavati con il programma Plaxis. E’ stata inoltra eseguita la verifica della paratia secondo le prescrizioni del D.M. 2008 dal momento che tale decreto è cogente.

Time-dependent behaviour of reinforced concrete slabs

In this thesis is studied the long-term behaviour of steel reinforced slabs paying particular attention to the effects due to shrinkage and creep. Despite the universal popularity of using this kind of slabs for simply construction floors, the major world codes focus their attention in a design based on the ultimate limit state, restraining the exercise limit state to a simply verification after the design. For Australia, on the contrary, this is not true. In fact, since this country is not subjected to seismic effects, the main concern is related to the long-term behaviour of the structure. Even if there are a lot of studies about long-term effects of shrinkage and creep, up to date, there are not so many studies concerning the behaviour of slabs with a cracked cross section and how shrinkage and creep influence it. For this reason, a series of ten full scale reinforced slabs was prepared and monitored under laboratory conditions to investigate this behaviour. A wide range of situations is studied in order to cover as many cases as possible, as for example the use of a fog room able to reproduce an environment of 100% humidity. The results show how there is a huge difference in terms of deflections between the case of slabs which are subjected to both shrinkage and creep effects soon after the partial cracking of the cross section, and the case of slabs which have already experienced shrinkage effects for several weeks, when the section has not still cracked, and creep effects only after the cracking.

Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

Progetto e realizzazione di inserti acetabolari di spessore sottile in UHMWPE reticolato additivato con vitamina E

Il basso tasso d'usura e l'alta resistenza meccanica dell'UHMWPE reticolato e additivato ha posto l'attenzione verso l'uso di teste femorali con diametri maggiori per diminuire il rischio d'impingement e dislocazioni. Questo richiede l'utilizzo d'inserti acetabolari più sottili di quelli attualmente in commercio. In quest'ottica è necessario porre particolare attenzione alla resistenza meccanica d'inserti più sottili, e all'efficacia della vitamina E nel combattere l'effetto dell'ossidazione che si manifesta in seguito al processo di reticolazione. Lo scopo del lavoro è quindi di studiare un inserto più sottile di quelli attualmente in commercio per verificarne le performance. Tale studio è svolto su una serie di taglie (compreso inserto prodotto ad-hoc con spessore di 3,6 mm) con spessore di 5,6 mm e di 3,6 mm dalle quali viene isolato il worst-case tramite analisi FEM. Con prove sperimentali è testata la resistenza meccanica del worst-case, e sono monitorate le deformazioni subite e l'ossidazione del campione. Dagli studi FEM è risultato che le tensioni sono mediamente le stesse in tutti i campioni, anche se si sono registrate tensioni leggermente superiori nella taglia intermedia. A differenza delle attese la taglia in cui si sono riscontrate le tensioni massime è la F (non è l'inserto che ha diametro inferiore). A seguito della messa a punto del modello FEM si è identificato un valore d'attrito inferiore a quello atteso. In letteratura i valori d'attrito coppa-inserto sono più grandi del valore che si è identificato tramite simulazioni FEM. Sulla base dei risultati FEM è isolato il worst-case che viene quindi sottoposto a un test dinamico con 6 milioni di cicli atto a valutarne le performance. Gli inserti di spessore ridotto non hanno riportato alcun danno visibile, e la loro integrità strutturale non è stata modificata. Le considerazioni preliminari sono confermate dalla verifica al tastatore meccanico e dall'analisi chimica, dalle quale non si sono evidenziate particolari problematiche. Infatti, da queste verifiche si rileva che l'effetto del creep nella prova accelerata è pressoché trascurabile, e non si riscontrano variazioni dimensionali rilevanti. Anche dall'analisi chimica dei campioni non si evidenzia ossidazione. I valori d'ossidazione dell'inserto testato sono analoghi a quelli del campione non testato, anche quando viene confrontato con l'inserto in UHMWPE vergine si evidenzia un'ossidazione di molto superiore. Questo prova che la vitamina E inibisce i radicali liberi che quindi non causano l'ossidazione con susseguente fallimento dell'inserto. Dai risultati si vede che i campioni non subiscono danni rilevanti, le deformazioni elastiche monitorate nel test dinamico sono pressoché nulle, come gli effetti del creep misurati analizzando i dati ottenuti al tastatore meccanico. Grazie alla presenza della vitamina E non si ha ossidazione, quella rilevata è vicina a zero ed è da imputare alla lavorazione meccanica. Secondo tali considerazioni è possibile affermare che la riduzione dello spessore degli inserti da 5,6 mm a 3,6 mm non ha conseguenze critiche sul loro comportamento, e non comporta un fallimento del dispositivo.

The behaviour of osteocyte dendritic processes in bone under cyclic load (il comportamento dei processi dendritici degli osteociti nel tessuto osseo sottoposti a carico ciclico)

Bone is continually being removed and replaced through the actions of basic multicellular units (BMU). This constant upkeep is necessary to remove microdamage formed naturally due to fatigue and thus maintain the integrity of the bone. The repair process in bone is targeted, meaning that a BMU travels directly to the site of damage and repairs it. It is still unclear how targeted remodelling is stimulated and directed but it is highly likely that osteocytes play a role. A number of theories have been advanced to explain the microcrack osteocyte interaction but no complete mechanism has been demonstrated. Osteocytes are connected to each other by dendritic processes. The “scissors model" proposed that the rupture of these processes where they cross microcracks signals the degree of damage and the urgency of the necessary repair. In its original form it was proposed that under applied compressive loading, microcrack faces will be pressed together and undergo relative shear movement. If this movement is greater than the width of an osteocyte process, then the process will be cut in a “scissors like" motion, releasing RANKL, a cytokine known to be essential in the formation of osteoclasts from pre-osteoclasts. The main aim of this thesis was to investigate this theoretical model with a specific focus on microscopy and finite element modelling. Previous studies had proved that cyclic stress was necessary for osteocyte process rupture to occur. This was a divergence from the original “scissors model" which had proposed that the cutting of cell material occurred in one single action. The present thesis is the first study to show fatigue failure in cellular processes spanning naturally occurring cracks and it's the first study to estimate the cyclic strain range and relate it to the number of cycles to failure, for any type of cell. Rupture due to shear movement was ruled out as microcrack closing never occurred, as a result of plastic deformation of the bone. Fatigue failure was found to occur due to cyclic tensile stress in the locality of the damage. The strain range necessary for osteocyte process rupture was quantified. It was found that the lower the process strain range the greater the number of cycles to cell process failure. FEM modelling allowed to predict stress in the vicinity of an osteocyte process and to analyse its interaction with the bone surrounding it: simulations revealed evident creep effects in bone during cyclic loading. This thesis confirms and dismisses aspects of the “scissors model". The observations support the model as a viable mechanism of microcrack detection by the osteocyte network, albeit in a slightly modified form where cyclic loading is necessary and the method of rupture is fatigue failure due to cyclic tensile motion. An in depth study was performed focusing on microscopy analysis of naturally occurring cracks in bone and FEM simulation analysis of an osteocyte process spanning a microcrack in bone under cyclic load.