Rinforzo di travi lignee eseguito con la tecnica NSM: analisi numerica e sperimentale dei benefici ottenibili

The Near Surface Mounted (NSM), is an innovative technique that is used to consolidate wooden beams. It consists in placing reinforced elements in composite material (FRP-Fiber Reinforced Polymer) or steel, inside grooves previously made along the surfaces of the beam. This technology allows to increase the flexural strength of the structural element that needs to be consolidated. This technique allows to not disassemble the element during the strengthening phase. Moreover, it conserves the original aesthetic appearance. The aim of this paper is to investigate the performance and reliability of the NSM, focusing on the increase in the stiffness, bending and shear strength of the structural element. An experimental campaign and an analytical study were conducted to achieve the aim. Converning the experimental campaign, twelve oak wood samples were examined through bending tests in laboratory, including three control samples and nine reinforced specimens were epoxy bonded with different configuration, including single reinforce at the lower surface, double reinforce at the lower surface, and double reinforce at the lateral surfaces. The tests allowed to know the failure mode of the timber and their relationship between the load and the deflection. Moreover, the surface displacements and the variation of the neutral axis were calculated using an optical technique called Digital Image Correlation (DIC). Concerning the analytical study, it has been conducted to study the maximum bending load that a reinforced or not wooden beam is able to support. Then, the maximum bending load was compared with the shear load that could lead to failure by crushing the ends of the beam. Two analytical software have been used to calculate the resistance of the wooden sections and the pressure acting in orthogonal direction to wood fibres. Finally, the increase in bending strength and stiffness were compared to determine which between the two criteria is more conditioning. The analytical study considered four different wood species (larch, oak, chestnut and fir), three resistant sections (square, rectangular and circular) and two different types of reinforcement in term of materials (CFRP and steel) and quantity (reinforcement section ammounting to 0.5% or 1% of the wood section).

La tecnica NSM, acronimo di Near Surface Mounted, viene impiegata per il consolidamento strutturale di travi lignee. Essa consiste nell’inserimento di profili di rinforzo, in acciaio o in FRP (Fiber Reinforced Polymer), all’interno di scanalature ricavate sulle superfici degli elementi lignei da rafforzare. Questa metodologia, oltre a mantenere inalterato l’aspetto estetico, consente di incrementare la resistenza a flessione dell’elemento consolidato evitando di smontare il manufatto. Lo scopo del presente elaborato è quello di indagare l’efficacia e l’affidabilità della tecnica NSM, concentrandosi sull’incremento di rigidezza, di resistenza a flessione e a taglio dell’elemento. Per fare ciò sono state condotte una campagna sperimentale e una analitica. I provini testati sperimentalmente sono in legno di rovere rinforzati mediante lamine in carbon FRP vincolate per mezzo di un adesivo epossidico bicomponente. Le prove a flessione sono state eseguite variando il numero e la posizione del rinforzo all’interno del travetto ligneo; in particolare, sono stati analizzati dodici campioni, di cui tre di controllo, tre consolidati con una lamina all’intradosso, tre con due lamine all’intradosso e tre con due lamine poste lateralmente. Dalla campagna sperimentale è stato possibile ottenere una serie di informazioni utili alla determinazione della modalità di rottura dei campioni e della relazione carico-freccia, in modo da valutare l’aumento delle prestazioni degli stessi in termini di capacità resistente e di deformazione in esercizio. Inoltre tramite la tecnica ottica Digital Image Correlation (DIC) è stato possibile calcolare gli spostamenti superficiali e la variazione della posizione dell’asse neutro dei provini sottoposti ad un carico centrato. Lo studio analitico, invece, è stato condotto inizialmente per studiare il carico ultimo a flessione che una trave lignea, consolidata e non, è in grado di assorbire, e successivamente per confrontare questo valore con il carico che potrebbe portare a crisi per schiacciamento gli estremi della trave. Per fare ciò sono stati utilizzati due software analitici, grazie ai quali sono state ricavate sia le resistenze delle sezioni lignee sia le pressioni agenti in direzione ortogonale alle fibre in funzione di diverse tipologie di muratura. Infine è stato confrontato l’incremento di resistenza a flessione e di rigidezza per valutare quale dei due criteri sia maggiormente condizionante. Lo studio analitico ha preso in considerazione quattro essenze lignee diverse (larice, rovere, castagno e abete), tre sezioni resistenti (quadrata, rettangolare e circolare) e due differenti tipologie di rinforzo in termini di materiali (acciaio e CFRP) e quantità (sezione di rinforzo pari allo 0.5% e 1% della sezione lignea).