Enhancing the use of externally bonded FRP laminates with FRP anchor spikes

Fiber reinforced polymer (FRP) is an ideal composite material system for the repair and strengthening of existing concrete structures. The efficiency of the strengthening system largely depends on adequate bond between the FRP laminate and the concrete substrate. Among all the anchoring techniques which could improve the bond, carbon FRP anchor spikes are studied in details in this research, due to their efficiency, easy handling, high strength, compatibility with FRP laminates and their capability to avoid stress concentration. An FRP anchor consists of bundles of strands of carbon fibers with one end inserted into an epoxy-filled hole in the concrete substrate and the other end fanned out on the externally bonded FRP laminate. Currently, no specific criteria or guidelines exist to help the designer to understand the improvement in terms of strengthening of the existing concrete structure after the installation of FRP anchors. The aim of this research is to deepen the knowledge of the fundamental behavior of the FRP anchor spikes and to identify the key parameters that affect the performance of the FRP laminates using FRP anchors. Three types of test are performed in the laboratory. The first test is a pullout test in which the resistance of the anchor under pure tension load is measured. The second test is another pullout test in which the chamfer radius of curvature of the concrete at the hole is analyzed. The last test is a double shear test in which different anchor fan configurations are studied. Based on the experimental results, design guidelines for carbon FRP anchor spikes are developed. These guidelines intend to provide engineers with the necessary information to make design decisions when incorporating FRP anchors to enhance the bond of externally-bonded FRP laminates.

I sistemi compositi FRP (materiali compositi fibrorinforzati) sono materiali ideali per il rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo. L’efficienza del sistema di rinforzo dipende principalmente da un’adeguata adesione tra la lamina di FRP ed il substrato di calcestruzzo. Tra tutte le tecniche di ancoraggio che potrebbero migliorare tale legame, in questa tesi vengono analizzati gli ancoraggi in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) per la loro efficienza, facile maneggevolezza ed alta resistenza. Essi permettono alla lamina di raggiungere deformazioni ben oltre quelle di “debonding” creando così i presupposti per una miglior efficienza del rinforzo strutturale. Inoltre, essendo le lamine fabbricate con lo stesso materiale degli ancoraggi stessi, questi ultimi hanno un ulteriore pregio, cioè quello di non essere corrosivi e pericolosi per il sistema di rinforzo. Un ancoraggio in FRP consiste in un fagotto di fibre di carbonio con un’estremità inserita nel foro nel substrato di calcestruzzo precedentemente riempito di resina epossidica, e con l’altra aperta a ventaglio sulla lamina di FRP. In generale, gli ancoraggi sono sottoposti a due tipi di azione: trazione e taglio. La loro efficacia largamente dipende dalla loro resistenza a tali sollecitazioni. Attualmente non esistono criteri o linee guida che possano aiutare gli ingegneri a quantificare il miglioramento, in termini di resistenza della struttura esistente, in seguito all’installazione degli ancoraggi nei sistemi di rinforzo esterno in FRP. Lo scopo della mia ricerca è di comprendere a fondo il comportamento di tali ancoraggi e di identificare i parametri chiave che ne influenzano l’efficacia. La campagna sperimentale prevede quindi diversi tipi di esperimenti volti allo studio del loro funzionamento. Inizialmente viene effettuato un primo pullout test volto alla determinazione della resistenza degli ancoraggi sottoposti a pura trazione. A questo test è seguito un altro pullout test in cui il parametro analizzato è il raggio di curvature della smussatura del foro. Infine, viene eseguito un double shear test in cui vari tipi di configurazione del ventaglio dell’ancoraggio sono stati analizzati. Sulla base dei risultati ottenuti, verrà redatta una linea guida per l’utilizzo degli ancoraggi in FRP che possa dare informazioni agli ingegneri riguardo l’utilizzo degli ancoraggi durante la fase di progettazione del rinforzo strutturale per strutture esistenti.