Modelling nonlinear interfaces applied to FRCM-strengthened masonry

Masonry structures strengthened with Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) systems exhibit a complex mechanical response governed by multiple interacting layers and nonlinear interfaces. While many numerical strategies reduce this complexity to a single idealized contact surface, such simplifications often limit predictive capability, especially when failure initiates or propagates within different layers of the composite. The thesis develops a comprehensive set of computational tools aimed at representing the true multilayer and multi-interface behavior of masonry-FRCM assemblies, bridging the gap between detailed material description and the requirements of structural-scale analysis. The proposed framework includes: (i) analytical and finite element models based on discontinuous, multi-phase interface laws; (ii) simplified yet robust strategies using “cutoff bar” elements for the efficient simulation of brittle debonding; (iii) an interface finite element with explicit thickness for realistic discretization of mortar joints (FEMANOLA v3.0); and (iv) a novel 16-degree-of-freedom truss-based element able to model each FRCM layer and its interfaces with high fidelity. These components are integrated within FEMANOLA v4.0, an in-house nonlinear finite element code designed for the in-plane analysis of both unreinforced and reinforced masonry. Validation is performed through a wide range of experimental benchmarks, including coupon tests, direct shear specimens, arches, wall panels, and curved pillars, covering scales from material characterization to full structural assemblies. The results demonstrate that the proposed approach can capture local damage evolution, global force-displacement response, and the interaction between different nonlinear mechanisms, while maintaining computational efficiency suitable for practical applications.

Le strutture in muratura rinforzate con sistemi in Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) presentano una risposta meccanica complessa, governata da molteplici strati interagenti e da interfacce non lineari. Sebbene numerose strategie numeriche riducano tale complessità a una singola superficie di contatto idealizzata, queste semplificazioni limitano spesso la capacità predittiva, soprattutto quando il collasso si innesca o si propaga all’interno dei diversi strati del composito. La presente tesi sviluppa un insieme completo di strumenti computazionali finalizzati a rappresentare il reale comportamento multistrato e multi-interfaccia degli accoppiamenti muratura–FRCM, colmando il divario tra una descrizione dettagliata dei materiali e le esigenze delle analisi su scala strutturale. Il framework proposto comprende: (i) modelli analitici e agli elementi finiti basati su leggi di interfaccia discontinue e multi-fase; (ii) strategie semplificate ma robuste basate su elementi “cutoff bar” per la simulazione efficiente del distacco fragile; (iii) un elemento finito di interfaccia con spessore esplicito per una discretizzazione realistica dei giunti di malta (FEMANOLA v3.0); e (iv) un innovativo elemento tipo trave con 16 gradi di libertà, capace di modellare con elevata accuratezza ciascuno strato dell’FRCM e le sue interfacce. Questi componenti sono integrati all’interno di FEMANOLA v4.0, un codice agli elementi finiti non lineare sviluppato in-house per l’analisi nel piano di murature sia rinforzate sia non rinforzate. La validazione è condotta tramite un’ampia gamma di prove sperimentali, tra cui coupon, provini a taglio diretto, archi, pannelli murari e pilastri curvi, coprendo scale che vanno dalla caratterizzazione dei materiali fino agli assemblaggi strutturali completi. I risultati dimostrano che l’approccio proposto è in grado di cogliere l’evoluzione del danneggiamento locale, la risposta globale forza-spostamento e l’interazione tra i diversi meccanismi non lineari, mantenendo al contempo un’efficienza computazionale adeguata alle applicazioni pratiche.