Numerical and analytical study of RC beams shear strengthened with CFRP strips

A relatively recent innovation in shear strengthening of reinforced concrete beams are externally bonded FRP composites. As an outcome of the increasing demand stimulated by a continuous growth in field applications, several proposed analytical formulations have been implemented into reference design guidelines, providing the guidance for design, detailing, and installation of FRP based strengthening systems. The present study addresses the shear provisions included in fib, ACI and CNR Standards. In the first part it was done a brief introduction about FRP composites, presenting their main applications in civil engineering and highlighting both the great potential and the negative aspects. Then, once presented the research at the basis of the code provisions, it has been done a study regarding their reliability using a specially built database of experimental tests. Afterwards a parametric analysis was done to determine if, and how, are taken into account the parameters that affect the shear strength. Since the last version of CNR guidelines have not proved suitable for obtaining a good estimation, three possible changes were hypothesized and analysed, repeating the same study previously done for the other Standards. In the last part of the thesis, finite element analysis were performed to study the response of a beam reinforced with FRP strips. The specimens modelled were subjected to three-point bending test during an experimental campaign carried out at the Polytechnic of Milan. Therefore it was possible to verify the effectiveness of the model by comparing the results with the data of the experimental tests. On the basis of these analyses, the Chen and Teng model turned out to be suitable to evaluate the contribution of FRP to shear capacity. Indeed this model is particularly interesting because it explicitly takes into account the variability of stress along the height of the FRP strip, as it appears from the finite element analysis. Finally for each formulation critical issues and features that need further studies and investigations were highlighted.

I tessuti compositi fibrorinforzati sono un'innovazione relativamente recente per il rinforzo di travi in calcestruzzo armato. Come risultato della crescente domanda, stimolata da un aumento delle applicazioni, diverse formulazioni analitiche sono state recepite nelle linee guida per la progettazione e l'installazione di sistemi di rinforzo in FRP. La presente tesi analizza le prescrizioni per il rinforzo a taglio pubblicate da fib , ACI e CNR. Nella prima parte è stata fatta una breve introduzione sui compositi FRP, presentando le loro principali applicazioni in ambito civile ed evidenziandone sia il grande potenziale che gli aspetti negativi. Poi, una volta presentate le ricerche alla base delle linee guida, è stato fatto uno studio sulla loro affidabilità utilizzando un database di prove sperimentali preparato appositamente. Successivamente è stata fatta un'analisi parametrica per determinare se, ed in che modo, vengono presi in considerazione i diversi parametri che influenzano la resistenza a taglio. Poiché le disposizioni previste dall'ultima versione delle CNR non si sono dimostrate adatte per ottenere una buona stima, sono state ipotizzate tre possibili modifiche, successivamente analizzate ripetendo lo stesso studio fatto precedentemente per le altre norme. Nell'ultima parte della tesi sono state effettuate analisi utilizzando modelli a elementi finiti per studiare la risposta di una trave rinforzata con strisce di FRP. I provini modellati, sottoposti a prove di flessione su tre punti, sono stati testati durante una campagna sperimentale svolta presso il Politecnico di Milano. Pertanto è stato possibile verificare l'efficacia del modello confrontando i risultati con i dati delle prove in laboratorio. Infine è stato presentato il modello Chen e Teng per valutare il contributo del rinforzo FRP alla resistenza a taglio delle travi. Questo modello è particolarmente interessante perché tiene esplicitamente conto della variabilità degli sforzi lungo l'altezza della striscia FRP emersa nelle analisi a elementi finiti. Infine, per ogni formulazione sono state evidenziate le criticità e gli aspetti che necessitano di ulteriori studi e indagini.