External FRP reinforcement of Douglas fir beams in bending

Working with a natural material is not always straight forward. However, by recognising timber’s potential and with an understanding of how best to work around its defects, a wooden element can be easily transformed into a high performing timber beam. One of the methods to pursuit this is the application of FRP reinforcements. The aim of this project is to investigate the bending strengthening of timber beams through the application of composite materials. Therefore, the FRP reinforcement has been introduced as a retrofitting process. A detailed experimental work has been carried on, collaborating with both the laboratory of Nottingham Trent University (UK) and of Polytechnic of Milan. The analysis starts from the mechanical characterization of the materials (wood, carbon fibre, metal) and finish with the double reinforcement of timber beams, reinforced both with the CFRP and the metal plate. For a structural rehabilitation purpose, some beams have been cracked, reinforced and tested to determine the increment in terms of flexural capacity. The ultimate force that the unreinforced beams were able to sustain has been doubled after the application of the FRP reinforcements on the cracked beams. The analytical study has been developed considering more than forty possible configurations of the normal stress distribution. For each of them the analytical failure mode is computed. A comparison between the results for beams which presented parallel grain’s orientation with respect to the longitudinal axis and beams with inclined grain’s direction will lead to assert that the application of the CFRP reinforcement completely restore the loss of flexural capacity due to the grain’s inclination. It’s shown that the CFRP application strongly increase the bending capacity, especially for those beams which presented defects. The CFRP reinforcement is a valid solution for strengthen timber elements. The adoption of carbon fiber’s woven as reinforcement has the advantage of adapting easily to whatever shape the reinforced element has.

La trattazione di elementi costituiti da materiali naturali non è mai di semplice ed immediata risoluzione. Differentemente da altri materiali da costruzione artificiali, quali calcestruzzo e acciaio, il legno presenta numerose incertezze riguardo le proprietà meccaniche e la presenza di difetti. Tuttavia, la corretta identificazione di entrambi è di basilare importanza, anche se diversamente da altri materiali, le conoscenze e i dati di letteratura a riguardo sono ancora in fase di evoluzione. Al giorno d’oggi esistono database sparsi e facenti riferimento a specifiche condizioni ambientali, strutturali, in cui l’elemento ligneo si trova ad essere testato. Infatti, le variabili che costituiscono un ruolo fondamentale nell’influenza delle proprietà meccaniche del legno sono varie, per cui ogni valore ricavato sperimentalmente deve essere opportunamente contestualizzato. In ragione delle precedenti considerazioni, il lavoro qui proposto vede come step iniziale una cospicua analisi eseguita nei laboratori della Nottingham Trent University e del Politecnico di Milano, dove sono stati eseguite prove meccaniche su provini di legno (prove di compressione, trazione, flessione), sul materiale composito fibra di carbonio e resina epossidica (prova di trazione) e su provini di metallo (prova di trazione). A seguito delle prove di caratterizzazione dei materiali, si è passati ai test su larga scala. Da una osservazione diretta delle travi a disposizione per i test, si è riscontrata una grande disomogeneità circa la direzione longitudinale delle fibre costituenti le travi. Pertanto, si è deciso di distinguere, fin dai primi test, travi con direzione parallela delle fibre da travi con direzione inclinata delle stesse. Dai test su travi non rinforzate si è riscontrata una larga variabilità in termini di capacità ultima che le travi hanno manifestato. Una prima applicazione di rinforzo con un singolo strato di tessuto di fibra di carbonio è stata effettuata per rinforzare la resistenza lato tensione delle travi. Come si è visto, l’applicazione del rinforzo con CFRP è risultata efficace, tanto da aumentare considerevolmente la resistenza ultima, seppur con percentuali differenti tra travi che presentavano buone proprietà meccaniche iniziali, da travi caratterizzate da presenza di difetti. Successivamente un secondo set di test è stato condotto applicando due strati di rinforzo lato tensione, e i risultati sono stati ancora più soddisfacenti. Un terzo set di test è stato condotto applicando allo stesso tempo due strati di CFRP lato tensione, e laminati metallici lato compressione delle travi (secondo due differenti disposizioni). Entrambi i rinforzi sono stati applicati tramite l’utilizzo di resina epossidica. La stessa si è verificata molto efficace per essere applicata con tessuto di fibra di carbonio, ma ha presentato delle debolezze per quanto concerne l’utilizzo con le piastre metalliche. Infine, un ultimo set di prove è stato eseguito su travi precedentemente fessurate e poi rinforzate con due strati di CFRP in tensione e rinforzo in compressione. I risultati hanno testimoniato l’eccellente lavoro del rinforzo, in cui la capacità ultima delle travi è aumentata di più del doppio del valore a cui hanno manifestato la formazione di fessurazioni prima che il lavoro di consolidamento fosse applicato. Infine, un considerevole lavoro analitico è stato perseguito sviluppando modelli analitici per un totale di più di quaranta casi possibili di rottura delle travi rinforzate e non.