Shear strength of RC beams U-wrapped with FRCM composites

Fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) composites have been gaining popularity in recent years as externally-bonded (EB) strengthening of structural elements, as they represent an effective alternative to fiber reinforced polymers (FRP) to strengthen existing concrete and masonry structures, mainly due to their compatibility with the substrate and good resistance to (relatively) high temperatures. Among other applications, EB FRCM composites can be applied to RC elements to improve their shear strength. FRCM composites are generally U-wrapped around the cross-section of RC beams and completely wrapped around the cross-section of RC columns. Although failure of FRCM strengthened elements depends on different parameters, such as the composite and substrate geometrical and mechanical properties, when a single layer of fiber textile is employed, FRCMs generally fail due to debonding at the matrix-fiber interface, with slippage of the fibers. Hence, the stress-transfer mechanism at the joint interface is a fundamental topic to understand the behaviour of FRCM composites and provide reliable design procedures for FRCM-strengthened members. In this work, FRCM bond behaviour is studied with an analytical approach based on the use of a rigid-trilinear bond-slip law, which also accounts for the presence of friction stresses at the matrix-fiber interface. Then, focusing on the U-wrapped configuration, the debonding process that takes place in the composite with the opening of the shear crack is assessed, and the contribution of FRCM to the shear capacity of the beam is computed using a method that considers the exact distribution of stress at crack. Finally, a comparison between the strength computed with the exact solution (that considers the actual stress distribution at crack) and that computed with some analytical models provided in the literature and adopted in the Italian guidelines is performed, showing that the actual stress distribution slightly overestimates the stress distribution assumed by the analytical models. The results obtained demonstrate that the design equation adopted by the Italian guidelines represents a reliable and conservative method to estimate the shear strength of FRCM composites U-wrapped around RC members.

I materiali compositi fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM) hanno avuto un’ampia diffusione negli ultimi anni come tecnica di rinforzo strutturale, in quanto rappresentano una valida alternativa ai materiali compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) per il rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo armato e muratura, grazie alla compatibilità con il substrato su cui vengono applicati e alla buona resistenza alle alte temperature. Tra le principali applicazioni strutturali degli FRCM figura il rinforzo a taglio per travi in calcestruzzo armato. In questo tipo di rinforzo, i materiali compositi sono generalmente posti attorno ai tre lati della sezione nel caso di travi, o avvolti attorno alla sezione nel caso di colonne in c.a.. Nonostante il collasso di elementi rinforzati con FRCM dipenda da diversi parametri, per esempio le caratteristiche meccaniche e geometriche sia del composito che del substrato, quando viene utilizzato un singolo strato di tessuto nel rinforzo, il collasso del sistema FRCM-substrato avviene generalmente a causa del distacco tra le fibre e la matrice del composito, con scorrimento delle fibre rispetto alla matrice cementizia. Quindi, il meccanismo di trasmissione degli sforzi all’interfaccia del giunto è un aspetto fondamentale per capire il comportamento degli FRCM sviluppare regole di progettazione per elementi rinforzati con sistemi FRCM che siano affidabili. In questo lavoro, viene studiato il meccanismo di aderenza del giunto attraverso una legge di contatto di tipo rigido-trilineare, che tiene conto anche della presenza dell’attrito tra fibre e matrice all’interfaccia. Successivamente, ponendo l’attenzione sulla configurazione a “U” degli FRCM, viene studiato il processo di distacco che avviene nel materiale composito in corrispondenza della fessura di taglio che si crea nella trave, attraverso cui viene calcolato il contributo degli FRCM alla resistenza a taglio dell’elemento con un metodo che considera l’esatta distribuzione di sforzi che si instaura in corrispondenza della fessura. Infine, viene presentato il confronto tra la resistenza a taglio calcolata con la soluzione esatta (che considera direttamente la distribuzione degli sforzi lungo la fessura) e quella calcolata attraverso alcuni dei modelli analitici proposti in letteratura e adottati dalla corrispondente normativa, dimostrando che la distribuzione degli sforzi calcolata con la soluzione esatta sovrastima sempre la distribuzione degli sforzi proposta dai modelli analitici. Dai risultati ottenuti si evince che le equazioni adottate dalla normativa rappresentano un metodo affidabile e conservativo per calcolare la resistenza a taglio fornita dal sistema di rinforzo FRCM.