CFRP anchors for external reinforcement : methodology for structural and material testing

Fiber Reinforced polymers (FRP), also known as “composites” are materials composed of fiber reinforcements and a polymer resin used for the repair and strengthening of existing concrete and masonry structures. The reinforcements impart strength and stiffness, while the resin is an adhesive matrix that bonds the fibers. The resin matrix transfers applied loads to the reinforcing fibers and protects the fibers from environmental attacks. 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 efficiency of the strengthening system largely depends on adequate bond between the FRP laminate and the concrete substrate. In fact, the main issue is the 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. The solution significantly improve the efficiency of the FRP system (Kalfat et al. 2011) and in some case to guarantee a ductile failure for the reinforced element (Grelle & Sneed, 2013). A wide variety of anchoring devices has been proposed in order to avoid the debonding problem: U-Wrapping, spikes, staples, etc. So far, among the anchoring devices, the staple anchoring system revealed to be the most effective device. In particular, two types of staple anchoring devices were studied: flat staple anchor and rounded staple anchor. In a previous research, the behavior of those kind of staples acting on their dimensions was studied (Cadenazzi, 2016). Currently, no specific criteria or guidelines exist to help the designer to choose the best anchor configuration to improve the strength of the existing concrete structure by FRP sheets avoiding the debonding problem. In order to develop a quantitative approach to anchors’ design, firstly, a reliable characterization for the single anchor’s strength and a reliable model to describe a multiple anchors joint’s behavior is required. The following thesis wants to investigate the behavior of the staple anchor system applied to FRP sheet on a slab. The research is composed of two experimental campaigns: • In order to study the fundamental behavior of the slab-FRP laminate-anchor system a first experimental campaign is carried out. A series of double shear tests, aimed to characterize the single anchor’s strength, were performed. • After the anchor’s characterization, a series of 3-point bending (flexural) tests on slabs with different FRP anchor configurations, in order to characterize the behavior and to identify the key parameters that affect the performance of the whole system (slab-FRP laminate-Anchor) were performed in the second experimental campaign. This investigation entered more into deep on the study of staple anchors, analyzing their performance in a larger scale than what was studied before. This thesis wants to be a step forward toward the creation of new specific design guidelines aimed to help engineers providing the necessary information to make design decision on the use of staple anchor system in effective way to enhance the bond of externally bonded FRP laminates applied on slabs.

I polimeri rinforzati con fibre, meglio noti come “materiali compositi”, sono materiali formati da fibre e resina polimerica usati per la riparazione ed il rinforzo delle strutture in cemento armato e muratura già esistenti. Le fibre impartiscono robustezza e rigidità, mentre la resina è una matrice adesiva che lega le fibre. La resina trasferisce i carichi applicati alle fibre e protegge le fibre dagli attacchi degli agenti atmosferici. La ricerca nel campo dei materiali compositi per rinforzo esterno, a scopo 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). L’efficienza del Sistema di rinforzo dipende in larga misura dall’adeguato legame tra il laminato FRP ed il substrato di calcestruzzo. Infatti, il problema principale è il collasso prematuro dovuto a delaminazione del composito. Tale problema è particolarmente evidente nelle applicazioni a flessione compromettendo gravemente 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. Tale soluzione migliora significativamente l’efficienza del Sistema FRP (Kalfat et al. 2011) garantendo in qualche caso la rottura duttile dell’elemento di rinforzo (Grelle & Sneed, 2013). Un’ampia varietà di dispositivi di ancoraggio è stata proposta con il fine di evitare il problema della delaminazione: U-Wrapping, Spikes, Staples. Finora, tra i dispositivi di ancoraggio, il sistema di ancoraggio mediante “Staples” è quello che si è rivelato essere il dispositivo più efficace. In particolare, due tipologie di ancoraggio attraverso “Staples” sono stati studiati: ancoraggio “Flat Staples” e ancoraggio “Round Staples”. In precedenti ricerche è stato studiato il comportamento di queste tipologie di ancoraggio mediante “Staples” agendo sulle loro dimensioni geometriche (Cadenazzi, 2016). Attualmente non esistono criteri progettuali o line guida che aiutino il progettista nello scegliere la migliore configurazione/disposizione degli ancoraggi con il fine di migliorare la resistenza della struttura applicando lamine di FRP evitando il problema della delaminazione. Al fine di sviluppare un approccio quantitativo, prima di tutto, si richiede un’affidabile metodo di caratterizzazione della resistenza a taglio del singolo ancoraggio, cosi come un affidabile modello che consenta di descrivere il comportamento di un giunto multi-ancoraggio. La seguente ricerca vuole testare il comportamento del sistema di ancoraggio mediante “Staples” applicato ad una lamina FRP. La ricerca è così strutturata: • È stata effettuata una prima campagna sperimentale con lo scopo di studiare il comportamento dell’intero sistema composto da trave-lamina FRP-ancoraggio. È stata realizzata una serie di “double shear test” con lo scopo di investigare la resistenza del singolo ancoraggio. • La seconda campagna sperimentale è basata su una serie di test flessionali (3-point bending tests) su travi non armate a taglio con differenti configurazioni degli ancoraggi al fine di caratterizzare il comportamento e di identificare i parametri chiave che influiscono sulle prestazioni del Sistema trave-lamina FRP-ancoraggio. La seguente ricerca è entrata più nel dettaglio, analizzando il rendimento degli ancoraggi “Staples” in scala più ampia rispetto a quanto studiato finora. Questa tesi vuole essere un passo avanti verso la creazione di nuove linee guida per fornire agli ingegneri e progettisti le informazioni necessarie per operare in maniera corretta nella progettazione ed uso degli ancoraggi come metodo di rinforzo esterno applicati alle travi.