Study of an experimental anchor system. Staple anchors : for externally bonded FRP laminates used for the consolidation and retrofitting of reinforced concrete structures through an innovative double shear test method

The thesis investigates a new type of anchorage system, called “staple” anchor as a mean of anchoring externally bonded fiber-reinforced polymers (FRP) sheets into concrete. The investigation will employ experimental work, which includes concrete blocks strengthened with FRP sheets connected to the concrete blocks footings via these innovative types of carbon anchors set up in different configurations. The staples anchors are designed in two different types: flat staples and round staples. Both the types of anchors are provided as prefabricated elements formed by strands of carbon fibers that are inserted into epoxy filled holes in the concrete, and an external part that is also impregnated and connected externally to the bonded FRP laminate. They appear in different shapes and sizes and they also have different processes of installation but they share the same aim: enhance the bond of externally bonded FRP laminates into concrete. The experimental campaign is composed by a double shear test through which it is investigated the resistance of the anchors under tension load in different anchor configurations, in order to find the best configuration that is sufficient to enhance the bond of the FRP sheets. In particular, two series of double shear tests are performed: the first one is conducted with a past method already used in the University of M iami laboratory to investigate the performance of the spikes’ anchors. Since this past method revealed some difficulties in the set-up procedure of the test and mostly inaccurate results, a second test is performed with an innovative installation procedure and set-up of the test, which gives successful and consistency results through a more reliable set-up of the test. The purpose of this study is to test the effectiveness of the staple anchors through an innovative set-up of the double shear test. 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. This thesis helps to create new specific design guidelines, providing to engineers, in this way, the necessary information to make design decisions when incorporating a staple anchor system to enhance the bond of externally bonded FRP laminates. Finally, also a comparison between the performance of the staple and the spike anchors is provided.

La presente tesi investiga una nuova tipologia di sistema di ancoraggi, denominato “ancoraggi a staple”, che rappresentano un sistema di ancoraggi esterni in compositi FRP (materiali compositi fibrorinforzati a matrice polimerica). Queste tipologie di ancoraggio permettono alla lamina di raggiungere deformazioni ben oltre quelle di “debonding”, creando così i presupposti per una miglior efficienza del rinforzo strutturale. La presente ricerca include una campagna sperimentale, mediante test con blocchi di calcestruzzo rinforzati con lamine in FRP, collegate agli stessi blocchi mediante tipologie di ancoraggio in carbonio, installati secondo diverse configurazioni. Gli ancoraggi “a staple” si dividono in due diverse categorie: gli ancoraggi “flat” e gli ancoraggi “round”. Entrambe le tipologie vengono forniti come elementi prefabbricati formati da un fascio di fibre in carbonio. Di queste una parte viene inserita nella cavità del substrato di calcestruzzo, precedentemente riempito di resina epossidica e un'altra rimane esternamente ancorata alla lamina in FRP. Essi appaiono secondo diverse forme e dimensioni e vengono installati secondo diversi processi, ma condividono lo stesso scopo: migliorare l’adesione tra le lamine di FRP applicate sulla superficie del calcestruzzo. La campagna sperimentale è composta da due double shear test attraverso il quale si investiga la resistenza degli ancoraggi sotto un certo carico di tensione, con gli ancoraggi disposti secondo diverse configurazioni, al fine di trovare la migliore configurazione che risulta sufficiente per migliorare l’adesione della lamina di FRP. In particolare, due serie di double shear test sono state condotte: la prima è stata eseguita mediante una metodologia già condotta presso il laboratorio di materiali dell’università di Miami, al fine di investigare la performance degli ancoraggi a “spike”. Dal momento che questa metodologia di utilizzo ha rivelato diverse difficoltà non solo nel set-up della prova, ma anche riguardo i risultati del test, il secondo test è stato realizzato mediante una procedura di installazione innovativa, che si è rivelata una metodologia affidabile che ha portato a risultati di esito molto positivo. Lo scopo di questa ricerca è testare l’efficienza degli ancoraggi “a staple” attraverso questa metodologia di installazione innovativa. Attualmente non esistono criteri progettuali o linee guida che aiutino il progettista a quantificare il miglioramento, in termini di resistenza, della struttura esistente, previa installazione degli ancoraggi a “staple”. Questa tesi aiuta a creare nuove line guida per disporre agli ingegneri e progettisti le informazioni necessarie per operare correttamente nel momento in cui si voglia utilizzare gli ancoraggi a “staple” come metodo di rinforzo dei sistemi di lamine in FRP. Infine, viene presentato un confronto tra la performance degli ancoraggi a “staple” e quelli a “spike”.