FRP anchors for external reinforcement of concrete structural elements

Research into composite for external reinforcement and rehabilitation purposes has been going on for many years up to now; the confidence in implementing such solutions has increased and reliable design procedures are now available (CNR DT-200) (ACI 440). The main issue, pointed out thorough these years of research and field implementation, is premature failure due to debonding. The issue is particularly evident in flexure and severely undermine the efficiency and ductility of external reinforcement applications. A proposed solution to counter debonding consists in mechanically anchoring the fiber sheet to the concrete substrate. A wide variety of anchoring devices has been proposed, but the most common solution, along with U-wrapping, is represented by anchoring spikes. These devices’ effectiveness has been widely proved, both in research and field applications, though a quantitative approach is still in its early stages of development. In order to develop a quantitative approach to anchors’ design, firstly is required a reliable characterization for the single anchor’s strength and a reliable model to describe a multiple anchors joint’s behavior. Such a topic will be first approached from the compilatory point of view: organizing the already produced material and proposing a uniform, sound approach to the characterization issue. Assessed the lack of reliable shear-characterizing models, a mixed experimental-analytical approach is developed, proposing an ultimate-load-derived equivalent ultimate strain as global characterizing parameter for the joint’s shear strength. Once a reliable joint characterization is available, in order to predict the strength increment provided by the chosen joint, a proper design algorithm is required. Such an algorithm can vice-versa be applied to compute the joint’s strength, required to provide the system with the desired flexural strength enhancement. A classical sectional analysis at ULS is proved to be effective, assuming the joint-collapse equivalent ultimate strain, instead of the CNR-defined intermediate debonding strain, as the FRP sheet’s failure threshold. In developing such a characterization and design algorithm it was fundamental to evolve a clear understanding of the anchored system’s overall behavior and specifically of the joints’ role, deeply discussed in this dissertation. Other issues were investigated as well: the anchors’ spacing effect on the joint’s coupled behavior, the effectiveness of a so-called sandwich configuration, the strain shapes over sheet’s width and length, the consequences of an ill-installed solution. A cheap and easily-to-perform inspection method was developed and briefly discussed as well.

La ricerca nel campo dei compositi per rinforzo esterno, a scopi di riabilitazione, ha una lunga storia alle spalle; la fiducia in queste soluzioni è aumentata con il passare del tempo e affidabili codici di progettazione sono ora a disposizione dell’ingegnere (CNR DT-200) (ACI 440). Il problema principale, evidenziato nel corso di questi anni di ricerca e impiego sul campo, è il collasso prematuro dovuto a delaminazione del composito; particolarmente evidente nelle applicazioni a flessione e determinante nel limitare l’efficienza e la duttilità delle soluzioni di rinforzo esterno. Una delle soluzioni proposte per ovviare al problema è rappresentata dall’ancoraggio meccanico della lamina di rinforzo al substrato di calcestruzzo. Un’ampia varietà di dispositivi di ancoraggio è stata proposta, ma tra i più comuni, insieme alla pratica dell’U-wrapping, vi sono certamente i cosiddetti fiocchi. L’efficacia di questa soluzione è stata ampiamente provata, sia a livello di ricerca che di applicazione sul campo, ma un approccio quantitativo è ancora nei primi stadi di sviluppo. Al fine di sviluppare un approccio quantitativo, si richiede, per prima cosa, un affidabile metodo di caratterizzazione della resistenza a taglio del singolo ancoraggio, così come un modello che consenta di descrivere un giunto multi-ancoraggio. L’argomento verrà trattato inizialmente con approccio compilativo: organizzando il materiale già prodotto e proponendo un approccio ragionato e uniforme al problema della caratterizzazione. Assodata la mancanza di affidabili modelli di caratterizzazione a taglio, si è provveduto a sviluppare un approccio misto sperimentale-analitico: proponendo una deformazione equivalente a collasso, derivata da valori di carico, come parametro caratterizzante la resistenza a taglio del giunto. Una volta definito un affidabile approccio alla caratterizzazione, è richiesto lo sviluppo di un adeguato algoritmo di progettazione, al fine di predire l’incremento di resistenza fornito al sistema dal giunto selezionato. Lo stesso algoritmo può essere viceversa applicato al calcolo della capacità, richiesta all’ancoraggio, per incrementare la resistenza del sistema del valore desiderato. Una classica soluzione a livello di analisi sezionale allo stato limite ultimo si è rivelata efficace, imponendo la deformazione equivalente di collasso del giusto come limite di collasso per la lamina di rinforzo esterno, in alternativa alla deformazione da delaminazione intermedia, calcolata secondo CNR DT-200. Lo sviluppo di un efficace algoritmo di caratterizzazione e progetto non può prescindere da una piena comprensione del comportamento a collasso del sistema e del ruolo del giunto nell’economia globale, questione ampiamente discussa nella presente relazione. In aggiunta, altri argomenti sono stati analizzati: l’effetto della spaziatura tra gli ancoraggi nel determinare un comportamento accoppiato del giunto, l’efficacia della cosiddetta configurazione a sandwich (o patch, toppa), l’andamento delle deformazioni sulla larghezza della lamina e sullo sviluppo longitudinale, oltre alle conseguenze di una installazione mal eseguita. Infine, è stato sviluppato e brevemente discusso un metodo di ispezione tramite fotocamera termica, economico e facilmente applicabile.