Studies and Researchers Vol. 33

Annual Review of Structural Concrete

POLITECNICO DI MILANO
Graduate School F.lli Pesenti

Editors: Antonio Migliacci, Pietro G. Gambarova, Paola Ronca

Foreword
The rather gloomy long spell, that several advanced countries are experiencing in Civil Engineering and specifically in the Construction Industry is paradoxically favoring the formation of Architects and Engineers, as any future upturn (hopefully for the better) of the actual economic situation will require more knowledge in certain specific fields like retrofitting, strengthening, seismic response, structural dynamics, fire engineering, durabilityand sustainability. As a result of these actual and future needs, Architects and Engineers are asked to do their best to improve their professional education, and the graduate schools, the professional societies and the technical associations are offering a variety of courses, to allow Architects and Engineers to be ready when the gleam at the end of the tunnel will become full daylight – the sooner the better!
Improving the formation is the main objective of the Master School “Fratelli Pesenti” of the Politecnico di Milano, that offers several advanced courses at the graduate and postgraduate level (MAS - Master in Advanced Studies). Other technical associations like AICAP – Italian Society of R/C and P/C Structures, CTE – Italian College of Construction Experts, ATE – Italian Association of Building Technicians and ACI – Italy Chapter (Italian Branch of American Concrete Institute), are active as well, through seminars and workshops.
All these institutions are – more or less – facing the same problem and sharing the same objective: how to facilitate the interaction between the Industry and the Professions on the one hand, and Higher Education on the other hand. This interaction is not always easy and the efforts of such schools as MAS to cover the aforementioned gap are welcome indeed.
However, there is still the belief in certain spheres – and in certain countries – that higher education (doctoral studies included) and practice be two parallel worlds, with unavoidable but often episodic connections, even if – generally speaking - at the highest levels. Such a belief is hardly justified, as high-level theoretical, numerical and experimental methodologies fly necessarily high because of the complexity of many engineering problems; in any case, paraphrasing Einstein, models should be simple but not too simple!
Favoring the mutual understanding among the Construction Industry, the Professions and Higher Education is the driving force behind a recent initiative aimed at gathering information about the doctoral dissertations on structural concrete and R/C-P/C structures, defended in Italy since 2012.
The roughly thirty dissertations, coming from sixteen Italian universities, clearly show that the focus is on four areas: (1) testing and (2) modeling of cementitious materials, and (3) static and (4) dynamic/seismic/impulsive structural behavior.
The subdivision between cementiti ous materials (42%), and R/C and P/C structures (58%) is rather balanced. In the former case, the dissertations on experimentation prevail (3 over 4), but modeling is coming out strongly (1 over 4). In the latter case, the static behavior and the dynamic/seismic/impulsive behavior are equally represented (a little less than 1/3 each over the total number of the dissertations).
In the area of testing cementitious composites, the keywords are: fiber-reinforced composites, recycled steel fibers, bar corrosion in R/C, nanotechnologies for stresssensitive concretes, concrete and R/C in fire, and sustainable concrete In the area of numerical modeling of cementitious composites, such topics as meso-structure of fiber-reinforced concrete, concrete thermo-hygro-chemo-mechanical behavior, and coupling environment-induced and mechanical damage are treated.
In the area of static structural behavior there is a widespread interest for: hybrid steelconcrete beams, beams retrofitting via ultra high-performance fiber-reinforced concrete, analysis of 1D and 2D undamaged and damaged R/C members, and shear and punching in R/C members.
Last but not least, in the area of dynamic/seismic/impulsive structural behavior the focus is on: seismic vulnerability of heritage buildings, lessons from the past on earthquake engineering applied to tall buildings, cyclic shear in squat members, design of precast buildings in seismic areas, irregular buildings subjected to seismic action, R/C beams under blast loading, and low-cycle fatigue and corrosion coupled with seismic action in R/C.
One may note that the vast majority of the above-mentioned topics are about actual design or construction issues, while others are related to the refinement of materials or structural modeling, something that only apparently is more distant from everyday life, as demonstrated by the growing use of increasingly complex and powerful numerical codes, especially in the domain of dynamic, seismic and impulsive loading.
In conclusion, more than in the past highly-educated people are nowadays getting out of Master and Doctoral Schools, ready to contribute to innovation and to improve structural design, on the basis of the most recent code provisions. Taking advantage of this opportunity is not only highly advisable, but is a must for any institution, association, design bureau, producer and public agency eager to turn its back on the actual entangled situation.
The nine technical papers and the two technical notes published in this volume are as many contributions to the solution of design problems or to structural monitoring.
The first three technical papers are about R/C members, whose performance is enhanced by using fibrous concretes (in the beam-column joints, Candido and Micelli), optimized mixes (in fire-exposed beams, Balázs et al.) and FRP reinforcement (again in fire-exposed beams, Nigro et al.).
The subsequent two papers are focused on steel reinforcement, from the view points of modeling cover-cracking due to corrosion (Šavija et al.) and measuring strain distribution by means of optical fibers (Khadour et al.).
Structural restoration and retrofitting are the subject of the papers by Gebre and Tsubaki (about existing R/C bridge decks) and by Crespi et al. (about heritage structures in seismic areas), while the two last papers are both about the so-called over-coring technique to measure the stresses in R/C columns (Campione and Minafò).
Last but not least, concrete physical and mechanical properties are treated in the two technical notes, with the focus on recycled aggregate – and concrete shrinkage - (Badr) and on the many problems characterizing the experimental evaluation of concrete elastic modulus (Hu?ka et al.).
As usual, the news of the School “Fratelli Pesenti” ends this volume.
Milan, October 2014
Pietro G. Gambarova, Antonio Migliacci and Paola Ronca

Premessa
Il lungo e grigio periodo che alcuni paesi avanzati stanno vivendo nel campo dell’Ingegneria Civile e più in particolare dell’Industria delle Costruzioni, sembra paradossalmente favorire la formazione di Architetti ed Ingegneri. Si prevede infatti che qualunque miglioramento della situazione economica richiederà maggiori conoscenze in certi specifici ambiti strutturali quali l’adeguamento statico e sismico, il rinforzo, la dinamica delle costruzioni, la protezione dall’incendio, la durabilità e la sostenibilità. Per tener dietro a queste attuali e future necessità, agli Architetti ed agli Ingegneri si chiede di fare del loro meglio per migliorare la preparazione professionale, sfruttando le molte iniziative delle università, degli ordini professionali e delle associazioni tecniche nel proporre corsi che permetteranno ad Architetti ed Ingegneri di essere pronti quando il lumicino alla fine del tunnel si trasformerà in piena luce, quanto prima tanto meglio!
Migliorare la formazione tecnica e professionale è la missione perseguita da decenni e tuttora l’obiettivo principale della Scuola Master “Fratelli Pesenti” del Politecnico di Milano, attraverso il connubbio fra formazione in aula e attività sul campo. Peraltro anche altre associazioni tecniche, più dedicate all’organizzazione di seminari e convegni, quali AICAP – Associazione Italiana del Calcestruzzo Armato e Precompresso, CTE – Collegio dei Tecnici dell’Edilizia, ATE – Associazione dei Tecnologi dell’Edilizia, ed ACI – Italy Chapter, ramo nazionale dell’American Concrete Institute, perseguono obiettivi simili. Tutte queste istituzioni hanno in comune lo stesso problema e perseguono, con percorsi paralleli, l’obiettivo di favorire l’incontro fra l’Industria e le Professioni da un lato, e l’Alta Formazione dall’altro. Questo incontro non è sempre facile e gli sforzi della Scuola Master F.lli Pesenti (attraverso corsi di Master in Advanced Studies) sono essenziali. Peraltro, sussiste tuttora in certi ambienti la convinzione che l’alta formazione (dottorato incluso) e la pratica ingegneristica siano due mondi paralleli, con inevitabili ma spesso episodici contatti, anche se in generale ad alto livello. Tale convinzione è poco giustificata, in quanto le metodologie teoriche, numeriche e sperimentali devono necessariamente volare alto per rispondere alla complessità dei problemi ingegneristici. Rimane truttavia l’esigenza di limitare - per quanto possibile – la complessità dei modelli, ricordando però che – come diceva Einstein – i modelli dovrebbero essere semplici, ma non troppo semplici!Proprio nella direzione di favorire la mutua comprensione fra Industria delle Costruzioni, Professioni ed Alta Formazione va una recente iniziativa avente l’obiettivo di raccogliere informazioni sulle più recenti tesi di dottorato discussein Italia (2012-14), relative al calcestruzzo strutturale ed alle strutture in c.a./c.a.p.
Le circa trenta tesi provenienti da sediciuniversità italiane ricadono in quattro ambiti: (1) sperimentazione e (2) modellazione in tema di materiali cementizi; e comportamento strutturale in presenza di azioni statiche(3) ovvero dinamiche/sismiche/impulsive (4).
Le tesi sono equamente suddivise framateriali cementizi (42%) e strutture in c.a./c.a.p. (58%). Nel primo caso c’è una prevalenza di lavori sperimentali (3 su 4), ma la presenza di lavori dedicati alla modellazione ècomunque significativa (1 su 4). Nel secondo caso, i comportamenti statici e dinamici/sismici/impulsivi riguardano ciascuno poco meno di 1/3 del numero complessivo delle tesi.
Nell’area della sperimentazione sui conglomerati le parole-chiave sono: compositi fibrorinforzati, riciclo di fibre metalliche, corrosione dell’armatura, nanotecnologie per calcestruzzi piezoresistivi, calcestruzzi e strutture in c.a. in presenza di incendio, sostenibilità.
Nell’area della modellazione dei conglomerati cementizi, gli argomenti più trattati sono:mesostruttura dei compositi fibrorinforzati, comportamento termo-igro-chemo-meccanicodel calcestruzzo, ed accoppiamento fra danno meccanico e danno ambientale.
Nell’area del comportamento strutturale statico, le travi ibride acciaio-calcestruzzo, il rinforzo con conglomerati cementizi ultraresistenti, il danno meccanico in elementi mono- e bi-dimensionali, il taglio ed il punzonamento negli elementi di c.a. sono di largo interesse.
Infine, nell’area del comportamento strutturale dinamico/sismico/impulsivo l’attenzione è rivolta a: vulnerabilità sismica degli edifici storici, lezioni del passato sulla progettazione sismicadi edifici alti, comportamento ciclico a taglio di elementi tozzi, progettazione di costruzioni prefabbricate in zona sismica, travi in c.a. soggette a scoppio, fatica oligociclicae corrosione accoppiate all’azione sismica.
Come è possibile osservare, la maggioranza dei temi appena menzionati riguardaproblemi progettuali e costruttivi.
Concludendo, si può dire che oggi – forse più che in passato – le scuole di master e di dottorato preparino diplomati di valore, pronti a contribuire all’innovazione nel campo delle costruzioni ed al miglioramento della progettazione strutturale, sulla base anche degli ultimi sviluppi normativi. Utilizzare al meglio le opportunità offerte da tali competenze è non solo auspicabile, ma anzi doveroso per istituzioni, associazioni, uffici di progettazione, produttori ed enti pubblicidesiderosi di voltare le spalle all’attuale critica situazione.
Le nove notescientifiche e le due note tecniche pubblicate in questo volume sono altrettanti contributi alla soluzione di problemi progettuali e di monitoraggio strutturale.
Le prime tre note scientifiche riguardano gli elementi strutturali in c.a. realizzati in calcestruzzo fibrorinforzato (giunti trave-colonna, Candido e Micelli), con mescole ottimizzate (travi esposte al fuoco, Balázs et al.), e con armatura a base di barre in FRP (di nuovo travi esposte al fuoco, Nigro et al.).
Le successive due note sono dedicate all’armatura metallica, con riferimento alla modellazione della fessurazione del copriferro a causa di corrosione (Šavija et al.) ed alla misura delle deformazioni con metodi sperimentali avanzati (fibre ottiche, Khadour et al.).
Il ripristino ed il rinforzo strutturale sono l’argomento delle note di Gebre and Tsubaki (sugli impalcati da ponte esistenti in c.a.) e di Crespi et al. (sulle strutture storiche in zona sismica), mentre le ultime note sono ambedue dedicate alla tecnica sperimentale minidistruttiva del carotaggio (over-coring) per la misura dello stato tensionale nelle colonne in c.a. (Campione e Minafò).
Infine, alcune proprietà fisiche e meccaniche del calcestruzzo sono l’oggetto delle due note tecniche, rispettivamente sui temi dell’aggregato riciclato – e dei conseguenti problemi di ritiro nel calcestruzzo (Badr) – e sui molti problemi caratterizanti la valutazione
sperimentale del modulo elastico (Hu?ka et al.).
Come da tradizione, il volume si chiude con le notizie sulla Scuola Master Pesenti.
Milano, Ottobre 2014
Pietro G. Gambarova, Antonio Migliacci e Paola Ronca