Utilizzo di connettori in FRP nel rinforzo di elementi in calcestruzzo e muratura : modellazione sperimentale, analitica e numerica

The use of innovative materials such as fiber-reinforced composites (FRP) for structural reinforcement of buildings allows the preservation and enhancement of a large number of structures, allowing you to leave the now ancient techniques of consolidation considered invasive, low reversibility and guarantors of proper operation in time for solutions lightweight yet durable, and easily adaptable to various situations. In this context of evolution of the techniques of consolidation, many companies throughout Italy are working today in proposing innovative materials with the characteristics mentioned above, and new systems for their installation. In particular, this Thesis work describes the results of an experimental testing commissioned by the Italian Sika S.p.a to the Structural Engineering Department of Politecnico di Milano, with the aim of testing the strength of a new generation of connectors in fiber-reinforced material, consist of long unidirectional fibers in blind holes or with anchors bow. Such an attitude, born from the idea of combining the traditional advantages of composite materials (facility of application, low invasiveness, reduced response times, etc..) with the performance capabilities of a connector that offers the possibility to be easily adaptable to different geometries and, in the case of coupling with other reinforcement systems, can offer a significant contribution against the onset of mechanisms "debonding", the main failure mode that determines the crisis of the reinforcement. The study of these connectors is divided into three parts: the first shows the results of the experimental campaign, consisting of pull-out tests of connectors in carbon and glass fiber on concrete and masonry, the second proposes an analytical model that describes the displacements that occur between support and connector when the latter is subjected to pulling force, while the last part shows the values obtained from a numerical analysis conducted on the same experimental tests through the use of the program to finite elements Abaqus. The three different methods of investigation have provided results comparable to each other, in terms of maximum resistance of the connector, displacements achieved before the crisis of the reinforcement - substrate system and localization of greater stress concentration, which leads to the rupture of the system itself. As the use of these connectors is nowadays common and widespread practice, but not covered by legislation, we believe the results obtained during the study as a starting point for more detailed analysis to be developed as research for a future regulation of design and mode of installation of this new anchoring system.

L’utilizzo di materiali innovativi come i compositi fibrorinforzati (FRP) per il rinforzo strutturale degli edifici permette la conservazione e il rafforzamento di un ampio numero di strutture, consentendo di abbandonare le tecniche di consolidamento tradizionali considerate invasive e non garanti di un buon funzionamento nel tempo, a favore di soluzioni leggere ma resistenti, e facilmente adattabili alle varie situazioni. In questo contesto di evoluzione delle tecniche di consolidamento, diverse aziende in tutta Italia si stanno impegnando oggi nel proporre materiali innovativi dalle caratteristiche appena citate e nuovi sistemi per la loro posa in opera. In particolare, questo elaborato di tesi descrive i risultati ottenuti da una campagna di prove sperimentali commissionate da Sika Italia S.p.a. al Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Milano, con lo scopo di testare la resistenza di connettori in materiale fibrorinforzato, composti da fibre unidirezionali inghisate in fori ciechi o con ancoraggi a fiocco. Un simile proposito nasce dall’idea di abbinare ai tradizionali vantaggi propri dei materiali compositi (facilità di applicazione, bassa invasività, ridotti tempi d’intervento, ecc.), le capacità prestazionali di un connettore che offre la possibilità di essere facilmente adattabile alle varie geometrie e, nel caso di accoppiamento con altri sistemi di rinforzo, può offrire un sensibile contributo contro l’insorgere di meccanismi di “debonding”, principale modalità di collasso che determina la crisi del rinforzo. Lo studio di tali connettori si è articolato in tre parti: la prima riporta i risultati della campagna sperimentale, composta da caratterizzazione dei materiali componenti il sistema e prove di pull-out di connettori in fibra di carbonio e di vetro su supporti in calcestruzzo e muratura, la seconda propone un modello analitico capace di descrivere gli spostamenti che si verificano tra connettore inghisato e supporto quando quest’ultimo è sottoposto a forza di trazione, mentre l’ultima parte riporta i risultati ottenuti da un’analisi numerica sviluppata con l’utilizzo del programma agli elementi finiti Abaqus. I tre differenti metodi di indagine hanno fornito risultati tra loro confrontabili in termini di resistenza massima del connettore, di spostamenti raggiunti prima della crisi del sistema rinforzo – substrato e di localizzazione della maggiore concentrazione di sforzi che porta alla rottura del sistema stesso. Poiché l’utilizzo di questo sistema di ancoraggio è oggigiorno pratica comune e diffusa, ma non ancora disciplinata da normativa, possiamo ritenere i risultati ottenuti durante lo studio condotto come la base di partenza per un’analisi più dettagliata da sviluppare come ricerca per una futura regolamentazione della progettazione e della modalità di posa in opera di questo nuovo sistema di ancoraggio.