Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) strengthening has recently emerged as an efficient technique for structural retrofitting. In addition to its high strength, adaptable shaping, and good physical properties such as fire and UV resistance, FRCM offers significant advantages over Fabric Reinforced Polymers (FRP) composites, especially for masonry structures. These advantages, attributed to its inorganic matrix, include easy reversibility and higher compatibility with masonry, which are crucial for conservation purposes. However, the use of an inorganic matrix introduces complex failure mechanisms due to the low strength of the substrate. Unlike FRP systems, FRCM involves more intricate stress transfer mechanisms and interactions within the composite. Current theoretical and numerical approaches often simplify the system’s characteristics for efficiency, such as by neglecting multiple interfaces or the presence of outer mortar layers. The effectiveness of these simplifications requires further validation, highlighting the need for more reliable and comprehensive modeling strategies. This complexity is particularly pronounced when FRCM is applied to curved surfaces, such as arches and vaults, which are common and critical elements in masonry structures. The curvature introduces additional normal stresses at the interface, affecting failure modes and leading to mixed-mode (Modes I and II) failures. This necessitates further investigation of the bond mechanisms under these circumstances. This study aims to provide deeper insights into the application of FRCM retrofitting, especially by comprehensively considering the failure mechanisms of the strengthening system. As a foundation for theoretical research, direct shear tests were designed to investigate the shear behavior for FRCM reinforced curved masonry pillars, with specific configurations developed for the curved situation. Analytical and numerical approaches based on classical cohesive zone models (CZM) were developed to describe the behavior of FRCM specimens under tensile tests, and shear tests for both flat and curved scenarios. In the cohesive zone model, the interaction between the two components is defined by the interface stress and relative displacement (including normal and tangential directions), it has already been widely and successfully applied in FRP strengthening studies and some simplified models studying FRCM systems. The assumptions of the interface cohesive law were thoroughly investigated within these models, particularly for curved situations. To reduce unknowns in these complex systems, only Mode II failure was considered for a one-dimensional analysis, with the influence of normal stress on the interface reflected through a cohesive law updated according to the Mohr-Coulomb friction law. The research progresses logically from foundational experimental observations to increasingly complex modeling efforts. Chapter 2 establishes a foundation with an experimental campaign on shear behavior for flat and curved substrates, which is crucial given the limited existing data. Chapters 3 to 6 sequentially develop analytical and semi-analytical models. These models start with analytical insights in Chapter 3 for tensile tests, followed by a semi-analytical model in Chapter 4 that considers various failure modes in shear tests. Chapter 5 presents an analytical model investigating the cohesive law updated according to the Mohr-Coulomb friction law. Chapter 6 combines approaches from the previous chapters to present comprehensive semi-analytical models for shear tests in curved situations. Finally, detailed 2D and 3D finite element (FE) modeling in Chapter 7 are using cohesive contact provided by Abaqus, and includes the analysis of substrate deformation, which could not be achieved in previous analytical models. These findings are validated against experimental results, providing a comprehensive understanding of FRCM-reinforced systems, especially for curved situations. The developed models are expected to address multiple failure mechanisms and characterize the effects of substrate curvature. The study's comprehensive approach addresses key issues in FRCM systems, offering efficient and promising modeling strategies applicable in practical engineering scenarios. Future research directions are suggested to further refine these models and enhance their applicability to larger-scale structures.

Il rinforzo con matrice cementizia fibrorinforzata (FRCM) è emerso recentemente come una tecnica efficiente per il rinforzo strutturale. Oltre alla sua elevata resistenza, alla capacità di adattarsi a diverse forme e alle buone proprietà fisiche, come la resistenza al fuoco e ai raggi UV, l'FRCM offre vantaggi significativi rispetto ai compositi in polimeri rinforzati con fibre (FRP), soprattutto per le strutture in muratura. Questi vantaggi, attribuiti alla matrice inorganica, includono una facile reversibilità e una maggiore compatibilità con la muratura, caratteristiche fondamentali per la conservazione. Tuttavia, l'uso di una matrice inorganica introduce meccanismi di rottura complessi a causa della bassa resistenza del substrato. A differenza dei sistemi FRP, l'FRCM coinvolge meccanismi di trasferimento di sforzo più intricati e interazioni all'interno del composito. Gli approcci teorici e numerici attuali spesso semplificano le caratteristiche del sistema per efficienza, ad esempio trascurando la presenza di più interfacce o degli strati esterni di malta. L'efficacia di queste semplificazioni richiede ulteriori verifiche, evidenziando la necessità di strategie di modellazione più affidabili e complete. Questa complessità si manifesta in particolare quando l'FRCM viene applicato su superfici curve, come archi e volte, elementi comuni e critici nelle strutture in muratura. La curvatura introduce ulteriori sforzi normali all'interfaccia, influenzando le modalità di rottura e portando a cedimenti misti (Modalità I e II). Questo richiede un'indagine più approfondita dei meccanismi di adesione in tali condizioni. Lo scopo di questo studio è fornire una comprensione più approfondita dell'applicazione del rinforzo con FRCM, considerando in modo completo i meccanismi di rottura del sistema di rinforzo. Come base per la ricerca teorica, sono stati progettati test di taglio diretto per investigare il comportamento a taglio dei pilastri in muratura curva rinforzati con FRCM, con configurazioni specifiche sviluppate per la situazione curva. Sono stati sviluppati approcci analitici e numerici basati sui modelli classici di zona coesiva (CZM) per descrivere il comportamento dei campioni di FRCM sottoposti a test di trazione e di taglio sia per scenari piani che curvi. Nel modello di zona coesiva, l'interazione tra i due componenti è definita dallo sforzo all'interfaccia e dallo spostamento relativo (inclusi gli spostamenti normali e tangenziali), e questo modello è già stato ampiamente e con successo applicato negli studi sui rinforzi FRP e in alcuni modelli semplificati per lo studio dei sistemi FRCM. Le ipotesi della legge coesiva all'interfaccia sono state esaminate accuratamente all'interno di questi modelli, in particolare per le situazioni curve. Per ridurre il numero di incognite in questi sistemi complessi, è stata considerata solo la modalità di rottura II per un'analisi unidimensionale, riflettendo l'influenza dello sforzo normale sull'interfaccia attraverso una legge coesiva aggiornata secondo la legge di attrito di Mohr-Coulomb. La ricerca progredisce logicamente dalle osservazioni sperimentali fondamentali a sforzi di modellazione sempre più complessi. Il Capitolo 2 stabilisce una base con una campagna sperimentale sul comportamento a taglio per substrati piani e curvi, cruciale vista la scarsità di dati esistenti. I Capitoli 3-6 sviluppano sequenzialmente modelli analitici e semi-analitici. Questi modelli iniziano con approfondimenti analitici nel Capitolo 3 per i test di trazione, seguiti da un modello semi-analitico nel Capitolo 4 che considera varie modalità di rottura nei test di taglio. Il Capitolo 5 presenta un modello analitico che indaga la legge coesiva aggiornata secondo la legge di attrito di Mohr-Coulomb. Il Capitolo 6 combina gli approcci dei capitoli precedenti per presentare modelli semi-analitici completi per i test di taglio in situazioni curve. Infine, la modellazione agli elementi finiti (FE) 2D e 3D dettagliata nel Capitolo 7 utilizza il contatto coesivo fornito da Abaqus e include l'analisi delle deformazioni del substrato, non ottenibili con i modelli analitici precedenti. Questi risultati sono convalidati confrontandoli con i dati sperimentali, fornendo una comprensione completa dei sistemi rinforzati con FRCM, soprattutto per le situazioni curve. I modelli sviluppati sono destinati a spiegare i molteplici meccanismi di rottura e a caratterizzare gli effetti della curvatura del substrato. L'approccio completo dello studio affronta le principali problematiche nei sistemi FRCM, offrendo strategie di modellazione efficienti e promettenti applicabili in scenari ingegneristici pratici. Vengono suggerite direzioni di ricerca futura per affinare ulteriormente questi modelli e migliorarne l'applicabilità a strutture di maggiore scala.

Advanced modeling strategies on the bond behavior between FRCM and masonry

Yuan, Yu
2024/2025

Abstract

Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) strengthening has recently emerged as an efficient technique for structural retrofitting. In addition to its high strength, adaptable shaping, and good physical properties such as fire and UV resistance, FRCM offers significant advantages over Fabric Reinforced Polymers (FRP) composites, especially for masonry structures. These advantages, attributed to its inorganic matrix, include easy reversibility and higher compatibility with masonry, which are crucial for conservation purposes. However, the use of an inorganic matrix introduces complex failure mechanisms due to the low strength of the substrate. Unlike FRP systems, FRCM involves more intricate stress transfer mechanisms and interactions within the composite. Current theoretical and numerical approaches often simplify the system’s characteristics for efficiency, such as by neglecting multiple interfaces or the presence of outer mortar layers. The effectiveness of these simplifications requires further validation, highlighting the need for more reliable and comprehensive modeling strategies. This complexity is particularly pronounced when FRCM is applied to curved surfaces, such as arches and vaults, which are common and critical elements in masonry structures. The curvature introduces additional normal stresses at the interface, affecting failure modes and leading to mixed-mode (Modes I and II) failures. This necessitates further investigation of the bond mechanisms under these circumstances. This study aims to provide deeper insights into the application of FRCM retrofitting, especially by comprehensively considering the failure mechanisms of the strengthening system. As a foundation for theoretical research, direct shear tests were designed to investigate the shear behavior for FRCM reinforced curved masonry pillars, with specific configurations developed for the curved situation. Analytical and numerical approaches based on classical cohesive zone models (CZM) were developed to describe the behavior of FRCM specimens under tensile tests, and shear tests for both flat and curved scenarios. In the cohesive zone model, the interaction between the two components is defined by the interface stress and relative displacement (including normal and tangential directions), it has already been widely and successfully applied in FRP strengthening studies and some simplified models studying FRCM systems. The assumptions of the interface cohesive law were thoroughly investigated within these models, particularly for curved situations. To reduce unknowns in these complex systems, only Mode II failure was considered for a one-dimensional analysis, with the influence of normal stress on the interface reflected through a cohesive law updated according to the Mohr-Coulomb friction law. The research progresses logically from foundational experimental observations to increasingly complex modeling efforts. Chapter 2 establishes a foundation with an experimental campaign on shear behavior for flat and curved substrates, which is crucial given the limited existing data. Chapters 3 to 6 sequentially develop analytical and semi-analytical models. These models start with analytical insights in Chapter 3 for tensile tests, followed by a semi-analytical model in Chapter 4 that considers various failure modes in shear tests. Chapter 5 presents an analytical model investigating the cohesive law updated according to the Mohr-Coulomb friction law. Chapter 6 combines approaches from the previous chapters to present comprehensive semi-analytical models for shear tests in curved situations. Finally, detailed 2D and 3D finite element (FE) modeling in Chapter 7 are using cohesive contact provided by Abaqus, and includes the analysis of substrate deformation, which could not be achieved in previous analytical models. These findings are validated against experimental results, providing a comprehensive understanding of FRCM-reinforced systems, especially for curved situations. The developed models are expected to address multiple failure mechanisms and characterize the effects of substrate curvature. The study's comprehensive approach addresses key issues in FRCM systems, offering efficient and promising modeling strategies applicable in practical engineering scenarios. Future research directions are suggested to further refine these models and enhance their applicability to larger-scale structures.
SCAIONI, MARCO
CARVELLI, VALTER
5-dic-2024
Advanced modeling strategies on the bond behavior between FRCM and masonry
Il rinforzo con matrice cementizia fibrorinforzata (FRCM) è emerso recentemente come una tecnica efficiente per il rinforzo strutturale. Oltre alla sua elevata resistenza, alla capacità di adattarsi a diverse forme e alle buone proprietà fisiche, come la resistenza al fuoco e ai raggi UV, l'FRCM offre vantaggi significativi rispetto ai compositi in polimeri rinforzati con fibre (FRP), soprattutto per le strutture in muratura. Questi vantaggi, attribuiti alla matrice inorganica, includono una facile reversibilità e una maggiore compatibilità con la muratura, caratteristiche fondamentali per la conservazione. Tuttavia, l'uso di una matrice inorganica introduce meccanismi di rottura complessi a causa della bassa resistenza del substrato. A differenza dei sistemi FRP, l'FRCM coinvolge meccanismi di trasferimento di sforzo più intricati e interazioni all'interno del composito. Gli approcci teorici e numerici attuali spesso semplificano le caratteristiche del sistema per efficienza, ad esempio trascurando la presenza di più interfacce o degli strati esterni di malta. L'efficacia di queste semplificazioni richiede ulteriori verifiche, evidenziando la necessità di strategie di modellazione più affidabili e complete. Questa complessità si manifesta in particolare quando l'FRCM viene applicato su superfici curve, come archi e volte, elementi comuni e critici nelle strutture in muratura. La curvatura introduce ulteriori sforzi normali all'interfaccia, influenzando le modalità di rottura e portando a cedimenti misti (Modalità I e II). Questo richiede un'indagine più approfondita dei meccanismi di adesione in tali condizioni. Lo scopo di questo studio è fornire una comprensione più approfondita dell'applicazione del rinforzo con FRCM, considerando in modo completo i meccanismi di rottura del sistema di rinforzo. Come base per la ricerca teorica, sono stati progettati test di taglio diretto per investigare il comportamento a taglio dei pilastri in muratura curva rinforzati con FRCM, con configurazioni specifiche sviluppate per la situazione curva. Sono stati sviluppati approcci analitici e numerici basati sui modelli classici di zona coesiva (CZM) per descrivere il comportamento dei campioni di FRCM sottoposti a test di trazione e di taglio sia per scenari piani che curvi. Nel modello di zona coesiva, l'interazione tra i due componenti è definita dallo sforzo all'interfaccia e dallo spostamento relativo (inclusi gli spostamenti normali e tangenziali), e questo modello è già stato ampiamente e con successo applicato negli studi sui rinforzi FRP e in alcuni modelli semplificati per lo studio dei sistemi FRCM. Le ipotesi della legge coesiva all'interfaccia sono state esaminate accuratamente all'interno di questi modelli, in particolare per le situazioni curve. Per ridurre il numero di incognite in questi sistemi complessi, è stata considerata solo la modalità di rottura II per un'analisi unidimensionale, riflettendo l'influenza dello sforzo normale sull'interfaccia attraverso una legge coesiva aggiornata secondo la legge di attrito di Mohr-Coulomb. La ricerca progredisce logicamente dalle osservazioni sperimentali fondamentali a sforzi di modellazione sempre più complessi. Il Capitolo 2 stabilisce una base con una campagna sperimentale sul comportamento a taglio per substrati piani e curvi, cruciale vista la scarsità di dati esistenti. I Capitoli 3-6 sviluppano sequenzialmente modelli analitici e semi-analitici. Questi modelli iniziano con approfondimenti analitici nel Capitolo 3 per i test di trazione, seguiti da un modello semi-analitico nel Capitolo 4 che considera varie modalità di rottura nei test di taglio. Il Capitolo 5 presenta un modello analitico che indaga la legge coesiva aggiornata secondo la legge di attrito di Mohr-Coulomb. Il Capitolo 6 combina gli approcci dei capitoli precedenti per presentare modelli semi-analitici completi per i test di taglio in situazioni curve. Infine, la modellazione agli elementi finiti (FE) 2D e 3D dettagliata nel Capitolo 7 utilizza il contatto coesivo fornito da Abaqus e include l'analisi delle deformazioni del substrato, non ottenibili con i modelli analitici precedenti. Questi risultati sono convalidati confrontandoli con i dati sperimentali, fornendo una comprensione completa dei sistemi rinforzati con FRCM, soprattutto per le situazioni curve. I modelli sviluppati sono destinati a spiegare i molteplici meccanismi di rottura e a caratterizzare gli effetti della curvatura del substrato. L'approccio completo dello studio affronta le principali problematiche nei sistemi FRCM, offrendo strategie di modellazione efficienti e promettenti applicabili in scenari ingegneristici pratici. Vengono suggerite direzioni di ricerca futura per affinare ulteriormente questi modelli e migliorarne l'applicabilità a strutture di maggiore scala.
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