Modellazione analitica con approccio coesivo di travi in acciaio rinforzate con lamine in CFRP

The reinforcement of historical or degraded structures is an actual argument of discussion in Italy like in international countries, particularly by using Fiber-Rinforced Polymer (FRP) laminates. The structural behavior of FRP-strengthened members is substantially different respect to un-strengthened members. In this work has been studied one of failure mechanisms, the so-called edge debonding. It grows from the concentration of interfacial stresses arising the at the termination of the strengthening plate. Early models of edge debonding adopted failure criteria based on interfacial stress or approaches based on Linear Elastic Fracture Mechanism (LEFM). This work focuses on the prediction of edge debonding for a beam retrofitted with a CFRP plate using an analytical energy-based approach. A cohesive elastic interface law is used to define the distribution of interfacial stresses, the axial FRP force and the relative longitudinal displacement. n Four different load conditions are analyzed, and. a new general formula to predict debonding strength is proposed, characterized by a geometric factor. It is an important goal for the design of rehabilitation projects. The analytical model is validated by a numerical one that shows that the approximation error rate is below 10%. Moreover, it is found that the actual normative doesn’t consider some geometry/material proprieties and this leads to overestimate the debonding load, reaching a significant error. For this reason a parametric analysis is developed to highlight the effect of every parameter on structural response. The variation of fracture energy, max shear stress, laminate axial stiffness are investigated. The debonding load increases with an increasing material proprieties (Gf and f) and decreases with an increasing of geometrical parameters (Lr and Af).

Il rinforzo di strutture di interesse storico o degradate dal tempo è un tema molto attuale sia in Italia che a livello internazionale, ed è rivolto in modo particolare all'utilizzo di lamine composite fibrorinforzate (FRP). Il comportamento strutturale di elementi rinforzati è differente rispetto allo stesso in condizione non rinforzata. In questo elaborato di tesi è stato studiato il meccanismo di crisi chiamato delaminazione, il quale deriva da un aumento della concentrazione degli sforzi di interfaccia agli estremi della lamina di rinforzo. I primi modelli per la delaminazione di estremità adottarono dei criteri di rottura basati sugli sforzi di interfaccia o su meccanismi di frattura lineare elastica (LEFM). In questo lavoro ci si concentra sulla previsione della delaminazione d’estremità per una trave rinforzata con una lamina in CFRP utilizzando un approccio analitico basato sull'energia di frattura. Si è utilizzata una legge di interfaccia elastica per ottenere l’andamento degli sforzi di interfaccia, dell’azione assiale nella lamina e dello spostamento relativo lungo lo sviluppo longitudinale del rinforzo. Si sono derivate le formule per la previsione dell’azione assiale massima nel rinforzo e per il carico ultimo della trave per quattro differenti condizioni di carico. È stata infine proposta una formula generale per la previsione del carico di delaminazione, caratterizzata da un fattore geometrico. Il modello analitico è stato validato mediante confronto dei risultati con un modello numerico che ha restituito un errore percentuale dovuto alle approssimazioni, inferiore del 10%. Inoltre, si è notato che le attuali normative non considerano nel calcolo alcuni parametri portando a sovrastimare il carico di delaminazione, con errori del 15,8%. Per questo motivo è stata effettuata un’analisi parametrica per sottolineare la loro influenza sul comportamento della struttura. Sono stati considerati l’energia di frattura, lo sforzo tangenziale massimo, la lunghezza della lamina e l’area della lamina. Il carico cresce all’aumentare delle proprietà dei materiali (Gf and f), mentre diminuisce all’aumentare dei parametri geometrici (Lr and Af).