Travi lignee di edifici in muratura. Calibrazione del modello FEM e modellazione delle azioni di contatto con il maschio murario

The bending reinforcement of wooden beams can be realized through different techniques. Surely the most favorable is the plating with wooden boards which allows not only to improve the bending resistance of the structural element, but also an improvement of the shear resistance near the support area. This aspect is of fundamental importance since the increase in load, due for example to a change in the use of the building, involves an increase in the bending moment and consequently also of the shear, greater at the ends of the beam. This method of reinforcement is however not practicable on circular section beams, much more common in dated building. The development of fibro-composite materials led to the implementation of new bending reinforcement techniques such as EBR (External Bonded Reinforcement) and NSM (Near Surface Mounted). Since the composite materials in glass fiber and carbon fiber does not show significant values of resistance against shear stress, it is a common practice to apply this reinforcement only at the span area, leaving unchanged the shear resistance in the support area or, in the worst scenario, reducing the resistant section of the beam due to the execution of milling. In the next chapters, the methods of breaking wooden beams with or without reinforcement will be studied in order to understand if the beam, once reinforced, could break differently from the bending mode. After the studying of the research papers available in the literature, it will be deduced that the structural element continues to break down primarily by bending, showing, at the same time, cracks due to shear in a parallel direction, symptom of the sliding of the fibers on each other. Therefore, there will be no damage by shear in the transverse direction into the supports, but at most the crushing of the fibers by compression in the TR direction. A finite element model will then be developed in order to describe the wood material within ABAQUS, which is able to allow the study of both the support area characterized mainly by a mechanical behavior in the transverse direction (compression), and the study of the span characterized by a mechanical behavior in the longitudinal direction (bending). This model, based on the idea of a future implementation of a law of adherence -s between wood and FRP for the execution of a deeper analysis of the phenomenon of delamination, will be calibrated by modeling experimental tests of wooden beams reinforced with EBR and NSM technique. Then it will be used for the study of the support area in order to test its efficiency. We will determine the depth and the intensity of the pressures generated by the head of the beam on the male wall using the theory of the beam on elastic foundation. The numerical results will be validated by comparison with the analytical results obtained by ABAQUS.

Il rinforzo a flessione di travi in legno può essere realizzato mediante diverse tecniche. Sicuramente la più favorevole risulta essere il placcaggio con tavole di legno, che consente non solo di migliorare la resistenza a flessione dell’elemento strutturale, ma anche un miglioramento della resistenza a taglio in prossimità della zona di appoggio. Tale aspetto è di fondamentale importanza dal momento che l’aumento di carico, dovuto per esempio ad un cambio di destinazione d’uso dell’edificio, comporta un aumento del momento flettente e di conseguenza anche del taglio, maggiore alle estremità della trave. Tale modalità di rinforzo tuttavia non è praticabile su travi a sezione circolare, ben più comuni in edifici datati. Lo sviluppo di materiali fibrocompositi ha condotto all’implementazione di nuove tecniche di rinforzo flessionale quale EBR (Externally Bonded Reinforcement) e NSM (Near Surface Mounted). Essendo i materiali compositi in fibra di vetro e carbonio poco resistenti a taglio è pratica comune applicare tale rinforzo solo in corrispondenza della zona di campata, lasciando così inalterata la resistenza a taglio nella zona di appoggio o, nei casi peggiori, riducendola per via dell’esecuzione di fresature che ne alterano la sezione resistente. Nel lavoro che segue verranno studiate le modalità di rottura delle travi in legno con e senza rinforzo al fine di capire se la trave una volta rinforzata può manifestare modalità di rottura differenti da quella per flessione. In seguito allo studio del materiale reperibile in letteratura se ne dedurrà che l’elemento strutturale continua a rompersi in primis per flessione, manifestando nel contempo fessure dovute a taglio in direzione parallela, sintomo dello scorrimento delle fibre le une sulle altre. In corrispondenza degli appoggi quindi non si verificheranno danni per taglio in direzione trasversale, ma al più lo schiacciamento delle fibre per compressione in direzione TR. Verrà quindi sviluppato un modello per elementi finiti al fine di descrivere il materiale legno all’interno di ABAQUS, in grado di consentire lo studio sia della zona di appoggio, caratterizzata prevalentemente da un comportamento in direzione trasversale (compressione), sia lo studio della zona di campata caratterizzata da un comportamento in direzione longitudinale (flessione). Tale modello, basato sull’idea di una futura implementazione che preveda l’inserimento di una legge di aderenza -s tra legno e FRP per l’esecuzione di un’analisi più approfondita del fenomeno di delaminazione, verrà calibrato mediante la modellazione di prove sperimentali di travi in legno rinforzate con tecnica EBR e NSM, e successivamente, utilizzato per lo studio della zona di appoggio in modo da rendere pratico il suo utilizzo fin da subito. Verrà quindi determinata la profondità e l’intensità delle pressioni generate dalla testa della trave sul maschio murario sfruttando la teoria della trave su suolo elastico, e verranno convalidati i risultati numerici ottenuti tramite confronto con i risultati analitici ottenuti da ABAQUS.