Effectiveness of FRCM on unreinforced masonry wall subjected to in-plane loading

Masonry buildings constitute a large percentage of the world’s structures. Unreinforced masonry walls (URM) have shown weak shear capacity and are prone to brittle failure under earthquake and wind loads. Thus, many of these structures are arguably in need of retrofitting. An improved understanding of the failure behaviors in masonry walls is important when identifying proper mitigation measures in existing buildings set for retrofitting and in new construction as new design criteria are developed. In this work, a new class of composite materials termed Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) is proposed for strengthening masonry walls subjected to in plane loading. FRCM systems are an innovative technique for strengthening of masonry subjected to in-plane and out-of-plane loads and can be considered an alternative to Fiber-Reinforced Polymer (FRP) systems. FRCM is a materials system and, as such, all of its constituents have to be developed and tested as a unit. The composite under investigation consists of carbon fibers embedded in a cement mortar matrix. The first part of the experimental program consists in testing the bond between FRCM materials made out of a Carbon fabric embedded in a cement based matrix and a clay brick.On the other hand, the second part of the experimental program consists in testing of nine walls each for two types of masonry, clay bricks and concrete blocks. For each set of walls, three are classified as control specimens, three are strengthened with one-ply FRCM on both sides, and three are strengthened with four-ply FRCM in the same fashion. The effect of FRCM on the shear capacity, the observed failure modes, and the bond between masonry and FRCM are evaluated. Moreover, a proposed analytical solution is presented, and a finite element model (FEM) is developed for this configuration of test matrix to simulate the wall behavior. A comparison between experimental, analytical, and numerical results is presented.

Le strutture in muratura non rinforzate (URM, unreinforced masonry) sono caratterizzate da bassa resistenza ad azioni taglianti e sono quindi vulnerabili quando soggette a carichi nel piano e fuori del piano conseguenti ad azioni sismiche. Al contrario, le murature rinforzate con materiali compositi fibrorinforzati FRP (fiber reinforced polymer) hanno dimostrato notevoli incrementi di capacità a taglio e a flessione e un aumento della duttilità. Esistono comunque significativi margini di miglioramento di codesti sistemi di rinforzo con riferimento ai seguenti aspetti: economici, relativi al costo delle matrici polimeriche; tecnologici, relativi alle caratteristiche di resistenza al fuoco delle matrici organiche e ambientali che rigurdano la riciclabilità dei materiali compositi. Inoltre nel caso di rinforzo di strutture storiche, vi sono altri aspetti che necessitano particolare attenzione. In particolare è necessario rispettare anche la compatibilità dell’applicazione, la sua durabilità ed il rispetto dell’esistente. In questo lavoro si presentano i risultati dell’applicazione di un nuovo sistema composito denominato fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM), applicato a muri URM soggetti a carichi nel piano. FRCM matrix è un materiale composito formato da uno o più starti di fibra secca sotto forma di rete o tessuto, applicata ai URM attraverso una matrice cementizia. La potenza del sistema di rinforzo esterno FRCM, è quella di risolvere le limitazioni del sistema FRP. Il programma sperimentale ha riguardato un totale di 18 campioni sottoposti a prove sperimentali consistenti in elementi di muratura, composti da mattoni di argilla e blocchi di calcestruzzo, sottoposti a una forza di compressione diagonale. Sono state studiate due configurazioni di rinforzo dei campioni comprendenti uno o quattro strati di tessuto. I risultati sperimentali mostrano l’efficienza del sistema FRCM nel migliorare le prestazioni strutturali dei muri in termini di resistenza a taglio ed energia assorbita. Viene proposto un modello analitico che permette di calcolare la capacità a taglio dei muri nei diversi schemi di rinforzo. Il modello è stato validato mediante confronto con i risultati ottenuti sperimentalmente. La seconda parte del programma sperimentale consiste nel testare il legame tra i diversi componenti del sistema FRCM come fibra di carbonio, malta cementizia e mattone di argilla. Per fare ciò sono state effettuate prove a trazione sul singolo mattone rinforzato con uno strato di fibra di cabonio. Diverse lunghezze di ancoraggio sono state utilizzate così da valutare la lunghezza ottimale e capire la modalità di crisi predominante. Infine, i muri sono stati modellati con un modello ad elementi finiti (FEM) ed un confronto tra soluzione analitica, numerica e risultati sperimentali è presentato.