Comportamento a rottura di travi continue in calcestruzzo armato con GFRP e riflessi sulla sicurezza strutturale

The increasing use of fibre-reinforced polymer (FRP) materials in structural engineering arises from the need for durable, lightweight and corrosion-resistant alternatives to conventional steel reinforcement. Among the various FRP systems, glass fibre-reinforced polymer (GFRP) bars have gained significant attention both for strengthening applications and for new reinforced concrete structures, particularly in aggressive environments where steel reinforcement may suffer durability issues. However, the mechanical behaviour of GFRP reinforcement fundamentally differs from that of steel, as it is characterised by an elastic–brittle response with no yielding or plastic redistribution capacity. This thesis investigates the structural behaviour of statically indeterminate reinforced concrete beams reinforced with GFRP bars, with specific attention to the influence of flexural stiffness variations on the global response. Unlike steel-reinforced members, GFRP-reinforced elements cannot redistribute bending moments beyond the elastic range; consequently, their structural response and load-carrying capacity are strongly governed by stiffness distribution and by the evolution of cracking. The work first presents an overview of fibre-reinforced composite materials and GFRP reinforcement, followed by a review of the theoretical framework for non-linear reinforced concrete behaviour, highlighting the limitations of classical plastic analysis when applied to brittle reinforcement systems. The elastic behaviour of continuous beams reinforced with non-ductile materials is then examined, with particular reference to the role of stiffness modifications in hyperstatic structures. The analytical part of the thesis focuses on a two-span T-section reinforced concrete beam reinforced with GFRP bars. The structural response is studied both in the original configuration and after a local stiffness-increasing strengthening intervention. A moment–curvature analysis combined with a non-linear incremental step-by-step procedure is employed to describe the evolution of sectional and global behaviour under increasing load. The objective of the thesis is to provide a clear and coherent understanding of the mechanical mechanisms governing continuous reinforced concrete beams with GFRP reinforcement, contributing to the theoretical interpretation of non-ductile structural systems and supporting the development of more consistent analytical and design approaches within current and future structural codes.

Il crescente impiego dei materiali compositi fibro-rinforzati (FRP) nell’ingegneria strutturale risponde alla necessità di soluzioni alternative all’acciaio caratterizzate da elevata durabilità, leggerezza e resistenza alla corrosione. Tra questi, le barre in polimero rinforzato con fibre di vetro (GFRP) trovano applicazione sia nel rinforzo di strutture esistenti sia nelle nuove costruzioni in calcestruzzo armato, in particolare in ambienti aggressivi. Tuttavia, il loro comportamento meccanico, di tipo elastico-fragile e privo di capacità di snervamento e redistribuzione plastica, determina una risposta strutturale profondamente diversa rispetto a quella del calcestruzzo armato tradizionale. La tesi analizza il comportamento strutturale di travi continue in calcestruzzo armato con armatura longitudinale in GFRP, con particolare attenzione all’influenza delle variazioni di rigidezza flessionale nei sistemi iperstatici. In assenza di redistribuzione dei momenti, la risposta globale e la capacità portante risultano fortemente dipendenti dalla distribuzione delle rigidezze e dall’evoluzione del fenomeno fessurativo. Dopo un inquadramento generale sui materiali compositi e sulle armature in GFRP, il lavoro richiama i principali aspetti teorici del comportamento non lineare del calcestruzzo armato, evidenziando i limiti degli approcci plastici tradizionali nel caso di materiali non duttili. Viene quindi approfondito il comportamento elastico delle travi continue armate con materiali fragili, con riferimento agli effetti delle modifiche locali di rigidezza. La parte applicativa è dedicata allo studio di una trave continua a due campate con sezione a T, analizzata sia nella configurazione originaria sia a seguito di un intervento di rinforzo che incrementa localmente la rigidezza. L’analisi è condotta mediante modelli momento–curvatura e una procedura incrementale non lineare passo-passo, finalizzata a descrivere l’evoluzione del comportamento sezionale e globale sotto carico concentrato. L’obiettivo del lavoro è fornire una comprensione organica dei meccanismi strutturali che governano le travi continue in calcestruzzo armato con GFRP, contribuendo allo sviluppo di criteri analitici e progettuali più coerenti per i sistemi strutturali non duttili.