Blog – Full Width

Il degrado del calcestruzzo e la valutazione della sicurezza di ponti: un approccio basato sulla apertura di fessura

Il lavoro oggetto di questa Technical News è stato presentato dall’autore in occasione della prima edizione del “Symposium on Concrete and Concrete Structures“, organizzato dal fib Italy YMG assieme alle associazioni CTE, aicap e fib, che si è tenuto il 15 Ottobre 2019 a Parma.

Durante il Symposium, questo lavoro è stato uno dei tre premiati con il riconoscimento “fib Italy YMG Award for best research advances in concrete and concrete structures”.

La pubblicazione originale è inclusa negli Atti del “1st fib Italy YMG Symposium on Concrete and Concrete Structures, Parma (2019)“, disponibili sul sito della fib International.

Sommario

Le opere infrastrutturali sono soggette a diversi tipi di degrado, che possono portare ad una progressiva perdita di prestazioni. Le difficoltà nell’identificare e quantificare la riduzione della capacità portante causano costi significativi associati ad ispezione, manutenzione, riparazione, consolidamento o decommissionamento di intere strutture. In casi estremi, il deterioramento ha portato al crollo di intere campate di ponti con conseguenze tragiche. La corrosione delle armature è spesso il tipo di deterioramento più critico nelle opere in calcestruzzo armato. Tra le sue conseguenze, la riduzione dell’aderenza delle barre e dell’interazione composita tra acciaio e calcestruzzo è uno dei fenomeni meno compresi scientificamente, e spesso il più deleterio per la capacità portante delle strutture. Questo aspetto è particolarmente critico in configurazioni dove le zone di ancoraggio delle armature sono soggette a particolari condizioni di confinamento, come nelle cosiddette ‘selle Gerber’. Tale tipo di giunto, caratterizzato da una riduzione dell’altezza di un elemento in corrispondenza degli appoggi, è molto diffuso in ponti e costruzioni prefabbricate. Nonostante i vantaggi costruttivi e progettuali, questi giunti presentano spesso problemi legati a disposizioni costruttive inadeguate, concentrazioni di sforzi, percolamento e infiltrazioni, con conseguente corrosione interna. La concomitanza di questi problemi rende le selle Gerber particolarmente critiche.

Nel presente lavoro, è stato studiato un nuovo approccio per la valutazione della resistenza residua di ponti in calcestruzzo in presenza di degrado. Tale approccio mette in relazione parametri visivi e misurabili sulla superficie esterna del calcestruzzo (apertura di fessura), processi di deterioramento locali nascosti all’interno della struttura (corrosione dell’armatura e degrado dell’aderenza acciaio-calcestruzzo) e le loro conseguenze globali (riduzione della capacità portante). I risultati di questo progetto di ricerca rappresentano un passo verso la valutazione della resistenza di opere esistenti basata sull’apertura di fessura, la chiave di volta per una nuova metodologia di gestione delle infrastrutture. Una teoria basata sul quadro fessurativo consente la traduzione di dati acquisiti con tecniche automatizzate di monitoraggio delle infrastrutture (e.g. droni) in parametri quantitativi di deterioramento. Queste informazioni possono a loro volta essere implementate in modelli di calcolo per ottenere stime più accurate della capacità resistente residua. Tale metodologia ha come obiettivo ultimo lo sviluppo di strategie avanzate di gestione delle risorse, in grado di ridurre i rischi per la sicurezza, i costi di manutenzione e l’impatto ambientale della rete infrastrutturale.

Biografia dell’autore

Tra il 2011 ed il 2017 lavora come Strutturista nella società di ingegneria Ove Arup & Partners ad Hong Kong e nel Regno Unito, specializzandosi nella progettazione di edifici alti. Consegue il PhD presso la University of Cambridge, discutendo nel 2020 una tesi sul degrado di ponti, sviluppata in collaborazione con Arup e Highways England. Rimane successivamente nello stesso ateneo come ricercatore associato, nell’ambito di un progetto di ricerca incentrato sulla sostenibilità ambientale di strutture in calcestruzzo innovative.

Bibliografia principale

Mak, M.W.T. and Lees, J.M. (Forthcoming) “Bond strength and confinement in reinforced concrete”.

Mak, M.W.T. and Lees, J.M. (2021) “Assessment of corrosion-induced bond deterioration in reinforced concrete: Towards a splitting crack-based approach”. Proceedings of the IABSE Congress – Resilient Technologies for Sustainable Infrastructure. 3-5 Feb 2021, 62-69. Online, Christchurch, New Zealand. https://doi.org/10.17863/CAM.58834

Mak, M.W.T., Sheasby M.P. and Lees, J.M. (2020) “Effects of anchorage deterioration on the shear behaviour of reinforced concrete half-joint beams”. Proceedings of the fib Symposium 2020, Concrete Structures for Resilient Society. 22-24 Nov 2020, 1786-1792. Online, Shanghai, China. https://doi.org/10.17863/CAM.58832

Anouna, J.A., Baratta, A., Convertino, L., Gast, L., Giustini, G., Grimaldi, P., Mak, M.W.T. and Mazzaglia, C. (2020) “Science, policy and the public in Italy 2019: Poster abstracts”. Cambridge Journal of Science & Policy, 1(2):137–141. University of Cambridge, UK. https://doi.org/10.17863/CAM.58569

Mak, M.W.T., Desnerck, P. and Lees, J.M. (2019) “Corrosion-induced cracking and bond strength in reinforced concrete”. Construction and Building Materials, 208:228-241. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.151

Mak, M.W.T. and Lees, J.M. (2019) “Bond degradation and reduced cover in concrete with transverse reinforcement”. Proceedings of the 1st fib Italy YMG Symposium on Concrete and Concrete Structures. 15 Oct 2019, 247-254. Parma, Italy. https://doi.org/10.17863/CAM.44540

Mak, M.W.T. and Lees, J.M. (2019) “Development of a novel bond test set-up for concrete with transverse reinforcement”. In Derkowski, W., Gwoździewicz, P., Hojdys, Ł., Krajewski, P., Pańtak, M. Editors, Proceedings of the fib Symposium 2019: Concrete – Innovations in Materials, Design and Structures. 27-29 May 2019, 560-567. Kraków, Poland. https://doi.org/10.17863/CAM.38091

Mak, M.W.T., Desnerck, P. and Lees, J.M. (2018) “Correlation between surface crack width and steel corrosion in reinforced concrete”. In Alexander, M.G., Beushausen, H., Dehn, F. and Moyo, P. Editors, MATEC Web of Conferences – 5th International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting (ICCRRR 2018). 19-21 Nov 2018, 199:04009. Cape Town, South Africa. EDP Sciences. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819904009

Valutazione della risposta strutturale del rivestimento in calcestruzzo di tunnel soggetti ad incendio: un approccio tridimensionale

Il lavoro oggetto di questa Technical News è stato presentato dall’autore in occasione della prima edizione del “Symposium on Concrete and Concrete Structures“, organizzato dal fib Italy YMG assieme alle associazioni CTE, aicap e fib, che si è tenuto il 15 Ottobre 2019 a Parma.

Durante il Symposium, questo lavoro è stato uno dei tre premiati con il riconoscimento “fib Italy YMG Award for best research advances in concrete and concrete structures”.

La pubblicazione originale è inclusa negli Atti del “1st fib Italy YMG Symposium on Concrete and Concrete Structures, Parma (2019)“, disponibili sul sito della fib International.

Sommario

La valutazione della sicurezza strutturale delle gallerie stradali e ferroviarie soggette ad incendio è un tema di grande attualità, considerando sia l’elevato numero di incendi che si sono sviluppati nel corso degli ultimi decenni in Europa, sia gli effetti potenzialmente catastrofici che un incendio può arrecare non solo in termini di danni finanziari, ma anche di perdita di vite umane. D’altronde lo studio delle gallerie soggette al fuoco è un problema assai complesso, non solo per le peculiari caratteristiche dello sviluppo di un incendio in galleria, ma anche a causa dell’ampio numero di effetti che influiscono sul comportamento del sistema di rinforzo delle gallerie soggette alle alte temperature. 

In tale contesto, il lavoro scientifico presentato durante la prima edizione del “fib Italia YMG Symposium” rappresenta il primo passo nello sviluppo di un modello che mira ad analizzare il comportamento meccanico del rivestimento in calcestruzzo durante tutte le principali fasi di vita della galleria: dallo scavo, con l’installazione del rivestimento, fino al possibile sviluppo di un incendio in condizioni di servizio, tenendo debitamente in conto anche dell’interazione terreno-struttura. Se durante la fase transitoria della costruzione della galleria i criteri fondamentali di progetto riguardano infatti la razionalizzazione delle tecniche di scavo e la sicurezza dell’ambiente di lavoro vicino al fronte di scavo, nella fase finale, in cui l’esecuzione dell’opera si è conclusa, oltre alla sicurezza e alla robustezza, alle strutture viene richiesto un buon comportamento non solo nei confronti della durabilità, ma anche e soprattutto in termini di resistenza al fuoco. In questo lavoro tali problematiche vengono affrontate attraverso analisi 3D agli elementi finiti che impiegano un legame costitutivo opportunamente sviluppato e permettono quindi una realistica rappresentazione delle fasi di scavo e di realizzazione del rivestimento, nonché delle fasi di sviluppo e propagazione dell’incendio, tenendo debitamente in conto sia il degrado delle caratteristiche del materiale alle alte temperature che l’influenza delle deformazioni termiche, anche in relazione all’interazione esistente tra terreno e struttura di rinforzo.

Biografia dell’autore

Sin dal dottorato, l’attività di ricerca ha riguardato principalmente la valutazione, mediante analisi numeriche non lineari, della risposta strutturale, fino a rottura, di elementi e strutture in cemento armato ordinario, rinforzati sia con armatura lenta che pre/post-tesa e/o fibre, considerando anche fenomeni particolarmente pericolosi per il c.a., quali ritiro, viscosità e fuoco. Recentemente i suoi interessi di ricerca si sono ampliati, includendo nuove aree di studio, quali lo sviluppo di materiali cementizi innovativi e sostenibili, attraverso attività sperimentale di caratterizzazione meccanica.

Bibliografia principale

Sirico A., Vecchi F., Sciancalepore C., Belletti B., Bernardi P., Malcevschi A., Milanese D. (2021). “Mechanical Properties of Concretes Containing Biochar and Recycled Plastic Aggregate”, fib Symposium 2021 “Concrete Structures: New Trends for Eco-Efficiency and Performance”, Lisbon, Portugal, 14-16 June 2021

Sirico A., Bernardi P., Michelini E., Cerioni R. (2021). “Effect of high temperatures on the behavior of concrete tunnel linings: a numerical study”, Italian Concrete Days Conference (AICAP/CTE Congress), Naples, Italy, 14-17 April 2021

Belletti B., Bernardi P., Fornoni P., Malcevschi A., Sirico A. (2021). “Development of sustainable cementitious materials by using biochar”, Italian Concrete Days Conference (AICAP/CTE Congress), Naples, Italy, 14-17 April 2021

Bernardi P., Cerioni R., Michelini E., Sirico A. (2020), “Transverse reinforcement optimization of a precast special roof element through an experimental and numerical procedure”, Engineering Structures, 203:109894; doi:10.1016/j.engstruct.2019.109894

Sirico A., Bernardi P., Belletti B., Malcevschi A., Dalcanale E., Domenichelli I., Fornoni P., Moretti, E.(2020), “Mechanical characterization of cement-based materials containing biochar from gasification”, Construction and Building Materials, 246:118490; doi:10.1016/j.conbuildmat.2020.118490

Bernardi P., Michelini E., Sirico A., Rainieri S., Corradi C. (2020), “Simulation methodology for the assessment of the structural safety of concrete tunnel linings based on CFD fire – FE thermo-mechanical analysis: a case study”, Engineering Structures, 225:111193; doi:10.1016/j.engstruct.2020.111193

Sirico A., Bernardi P., Belletti B., Malcevschi A., Restuccia L., Ferro G. A., Suarez-Riera D.(2020).“Biochar-based cement pastes and mortars with enhanced mechanical properties”, Frattura ed Integrità Strutturale, 14:297-316

Zanotto F., Sirico A., Vecchi F., Balbo A., Bernardi P., Belletti B., Malcevschi A., Grassi V., Merchiori S., Monticelli C. (2020). “Durability of reinforced concrete containing biochar”, Proceedings of fib CACRCS DAYS 2020 – Capacity Assessment of Corroded RC Structures, online, 1-4 December 2020, pp.65-72

Sirico A., Bernardi P., Cerioni R., Michelini E., (2019), “Evaluation of the response of concrete tunnel linings subjected to fire: a three-dimensional approach”, 1° Symposium on Concrete and Concrete Structures (fib Italy YMG), Parma, Italy, 15 October 2019, pp. 168–175

Belletti B., Bernardi B., Malcevschi A., Sirico A., (2019), “Experimental research on mechanical properties of biochar-added cementitious mortars”, fib Symposium 2019 “Concrete – Innovations in Materials, Design and Structures”, Krakov, Poland, 27-29 May 2019

Sirico A., Michelini E., Bernardi P., Cerioni R. (2017), “Simulation of the response of shrunk reinforced concrete elements subjected to short-term loading: a bi-dimensional numerical approach”, Engineering Fracture Mechanics, 174:64-79; doi:10.1016/j.engfracmech.2016.11.020

Bernardi P, Cerioni R, Michelini E, Sirico A. (2017), “NLFEA of tunnel lining under fire conditions”, 2nd International Fire Safety Symposium – IFireSS 2017, Naples, Italy, 7-9 June 2017

Bernardi P., Michelini E., Sirico A., Vantadori S., Zanichelli A. (2017), “Fracture toughness of fibre-reinforced concrete determined by means of numerical analysis”, Procedia Structural Integrity, 5:848-855

Bernardi P., Cerioni R., Michelini E., Sirico A. (2016), “Numerical modeling of the cracking behavior of RC and SFRC shear-critical beams”, Engineering Fracture Mechanics, 167:151-166; doi: 10.1016/j.engfracmech.2016.04.008

Bernardi P., Ferretti D., Michelini E., Sirico A. (2016), “Evaluation of crack width in RC ties through a numerical “range” model”, Procedia Structural Integrity, 2:2780-2787

Quali modelli di capacità adoperare per la valutazione della resistenza a taglio di pile da ponte a sezione cava esistenti?

Il lavoro oggetto di questa Technical News è stato presentato dall’autore in occasione della prima edizione del “Symposium on Concrete and Concrete Structures“, organizzato dal fib Italy YMG assieme alle associazioni CTE, aicap e fib, che si è tenuto il 15 Ottobre 2019 a Parma.

Durante il Symposium, questo lavoro è stato uno dei tre premiati con il riconoscimento “fib Italy YMG Award for best research advances in concrete and concrete structures”.

La pubblicazione originale è inclusa negli Atti del “1st fib Italy YMG Symposium on Concrete and Concrete Structures, Parma (2019)“, disponibili sul sito della fib International.

Sommario

La valutazione delle prestazioni sismiche dei ponti esistenti è oggi un aspetto di cruciale importanza per ambire ad ottenere comunità resilienti, in special modo in paesi, quali l’Italia, caratterizzati da notevole sismicità. La maggior parte dei viadotti italiani è stata realizzata mediante la tecnologia del cemento armato (c.a.) a cavallo tra gli anni ’50 e ’70 del secolo scorso ed è pertanto generalmente caratterizzata da carenze strutturali che ne determinano un’elevata vulnerabilità. La capacità sismica di tali opere è fortemente correlata alle performance delle pile da ponte, le quali sono spesso caratterizzate da percentuali di armatura trasversale insufficienti e, quando soggette a terremoti di elevata intensità, possono pertanto essere interessate da rottura a taglio. Una delle soluzioni più adoperate per le pile da ponte è rappresentata dalla sezione trasversale cava (hollow) a forma rettangolare o circolare. Per questa tipologia di elementi, che presenta una serie di peculiarità della risposta meccanica, le principali normative tecniche e linee guida nazionali o internazionali, nonché la letteratura scientifica, non forniscono formulazioni specifiche validate su una sufficientemente ampia base di dati. Pertanto, attualmente, un professionista chiamato a determinare la valutazione della resistenza a taglio di pile da ponte a sezione cava applica formulazioni non calibrate e validate per tali elementi. In tale contesto, il lavoro scientifico presentato durante la prima edizione del fib Italia YMG Symposium, prova ad offrire una risposta alla domanda: “quali modelli di capacità adoperare per determinare la capacità a taglio di pile da ponte a sezione cava?”. A tal fine, innanzitutto viene presentata una revisione dello stato dell’arte in merito ai principali modelli di capacità presenti in letteratura e normative tecniche. Quindi, con riferimento ai dati sperimentali relativi a prove condotte su elementi a sezione cava rettangolare e circolare, opportunamente collezionati per essere rappresentativi di pile di ponti esistenti, viene valutata la capacità di previsione di diversi modelli analitici. Infine, vengono proposte due formulazioni semplificate e calibrate sui dati sperimentali raccolti, che possono essere semplicemente implementate dai professionisti ai fini di assessment o nuova progettazione.

Biografia dell’autore

Impegnato, sin dal dottorato, principalmente nella valutazione della risposta di strutture in cemento armato, esistenti e di nuova progettazione, mediante attività sperimentali e numeriche sviluppate nell’ambito di numerosi progetti di ricerca, recentemente, si occupa anche dello studio del comportamento meccanico di elementi strutturali in materiale cementizio realizzati mediante stampa 3D e di sub-assemblaggi di muratura adobe, della digitalizzazione delle prestazioni di prodotti da costruzione, dello sviluppo di sensori smart per il monitoraggio strutturale.

Bibliografia principale

Cassese P., Fenu L., Asprone D., Occhiuzzi A., Parisi F., Experimental study on the in-plane response of adobe masonry wallets strengthened with textile reinforced matrix systems, 8th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering. Streamed from Athens, Greece, 28-30 June 2021.

Cassese P., Fenu L., Asprone D., Occhiuzzi A., Parisi F., Experimental in-plane lateral response of a full-scale adobe masonry wall with opening, 8th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering. Streamed from Athens, Greece, 28-30 June 2021.

Cassese P., Bilotta A., Bonati A., Occhiuzzi A., Cosenza E. Seismic Performances of Reinforced Concrete Sandwich Walls. Italian Concrete Days 2020, Naples, Italy – April 14th to 17th 2021.

Cassese P., Bilotta A., Bonati A., Occhiuzzi A., Cosenza E. Study on the shear capacity of cast-in-situ reinforced concrete sandwich walls. 17th World Conference on Earthquake Engineering, 17WCEE, Sendai, Japan – September 27th to October 2th 2021.

Cassese, P., De Risi, M. T., Verderame, G. M. (2020) Seismic Assessment of Existing Hollow Circular Reinforced Concrete Bridge Piers. Journal of Earthquake Engineering, 24(10), 1566-1601. (DOI: 10.1080/13632469.2018.1471430)

Cassese, P., Bonati, A., De Risi, M. T., Verderame, G. M., & Cosenza, E. Which capacity models for shear-critical reinforced concrete hollow piers? Proceedings of the 1° fib Italy YMG Symposium on Concrete and Concrete Structures, Oct 15, 2019, Università di Parma, Parma, Italy. (Vincitore del riconoscimento internazionale “fib Italy YMG Award for Best Research Advances in Concrete and Concrete Structures”)

Cassese P., Bonati A., De Risi M.T., Verderame G.M., Cosenza E., On the assessment of the shear strength of existing hollow circular reinforced concrete members, Proceedings of the 7th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering. Crete, Greece, 24-26 June 2019.

Cassese P., De Risi M.T., Verderame G.M. (2019) A modelling approach for existing shear-critical RC bridge piers with hollow rectangular cross section under lateral loads, Bulletin of Earthquake Engineering, 17(1): 237-270, https://doi.org/10.1007/s10518-018-0429-2

Cassese P., De Risi M.T., Verderame G.M. (2018) A degrading shear strength model for R. C. columns with hollow circular cross-section, International Journal of Civil Engineering, 1-19, (DOI: 10.1007/s40999-018-0381-1)

Cassese P. , Ricci P., Verderame G.M. (2017) Experimental study on the seismic performance of existing reinforced concrete bridge piers with hollow rectangular section. Engineering Structures, 144: 88-106(DOI:10.1016/j.engstruct.2017.04.047)

Cassese P., De Risi M.T., Verderame G.M., Capacity models for shear-critical RC bridge piers with hollow cross-section, Proceedings of the 6th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Rhodes Island, Greece, 15–17 June 2017.

Cassese P., De Risi M.T., Verderame G.M., Seismic behaviour of poorly detailed R.C. bridge piers with hollow cross-section, COMPDYN 2017 (paper ID 18615), Proceedings of the 6th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Rhodes Island, Greece, 15–17 June 2017.

Esempio di prefabbricazione a servizio dell’architettura

La nuova sede della società Elettronica FM di Guidizzolo (MN) è un esempio di realizzazione in cui la prefabbricazione incontra con successo (in termini di risultato finale e di tempistica) esigenze architettoniche personalizzanti. Il complesso è costituito dall’edificio industriale e da annessa palazzina uffici. Dal punto di vista architettonico, l’elemento caratterizzante è l’ampio porticato antistante la palazzina realizzato con pilastri a sezione ogivale e da solai piani con estradosso sagomato e appoggio puntuale sui pilastri stessi. Il porticato ed i prospetti interni dell’edificio industriale sono realizzate con calcestruzzi bianchi speciali fotocatalitici, al fine di garantire nel tempo una miglior pulizia delle superfici a vista.

Realizzazione strutture prefabbricate: MAGNETTI BUILDING S.p.A. 

La pubblicazione originale è disponibile negli Atti degli “Italian Concrete Days” 2018.

Precast concrete foundation for wind tower

This is a concrete foundation totaly prefabricated for wind tower, subject to an international patent.
It is composed of single elements divided into primary and secondary, which vary in number according to the loads and geometry of the towers.
After the assembly on site of all the elements , the mololithicity is made with the post-tension cables.
A part of the cables is positioned in the slab joins the secondary elements to the primary.
A part of the cables is positioned in the central ring joins the primary elements together.
It is the axial force of the post-tension cables that holds all the elements together
All prefabricated elements are produced in the factory, they are made in metal formwork to ensure compliance with tolerances.

Manufacturer of prefabricated works: ARTEPREF SL – GERARDO DE LA CALLE GROUP – SPAIN
Structural designer of concrete works: dott.ing. Stefano Knisel – ITALY