Numerical modeling on the short-term response of fiber-reinforced concrete round panels

Fiber-reinforced concrete is a composite material consisting of discrete, discontinuous, and uniformly distributed fibers in plain concrete primarily used to enhance the tensile properties of the concrete. FRC performance depends upon the fiber, interface, and matrix properties. The use of fiber-reinforced concrete has been increasing substantially in the past few years in different fields of the construction industry such as ground-level application in sidewalks and building floors, tunnel lining, aircraft parking, runways, slope stabilization, etc. Many experiments have been performed to observe the short-term and long-term mechanical behavior of fiber-reinforced concrete in the last decade and numerous numerical models have been formulated to accurately capture the response of fiber-reinforced concrete. The main purpose of this dissertation is to numerically calibrate the short-term response of the concrete and fiber parameters in mesoscale for the three-point bending test and cube compression test in the MARS framework which is based on the lattice discrete particle model (LDPM) and later validate the same parameters for the round panels. LDPM is the most validated theory in mesoscale theories for concrete. Different seeds representing the different orientations of concrete and fiber particles are simulated to produce the mean numerical response. The result of numerical simulation shows that the lattice discrete particle model for fiber-reinforced concrete can capture results of experimental tests on the behavior of fiber-reinforced concrete to a great extent.

Analisi sperimentale degli effetti di temperature elevate sul comportamento strutturale dei rinforzi in FRP

In questa tesi si è voluta porre l’attenzione sulla suscettibilità alle alte temperature delle resine che li compongono. Lo studio del comportamento alle alte temperature delle resine utilizzate per l’applicazione dei materiali compositi è risultato un campo di studio ancora non completamente sviluppato, nel quale c’è ancora necessità di ricerche per meglio chiarire alcuni aspetti del comportamento. L’analisi di questi materiali si sviluppa partendo dal contesto storico, e procedendo successivamente ad una accurata classificazione delle varie tipologie di materiali compositi soffermandosi sull’ utilizzo nel campo civile degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) e mettendone in risalto le proprietà meccaniche. Considerata l’influenza che il comportamento delle resine riveste nel comportamento alle alte temperature dei materiali compositi si è, per questi elementi, eseguita una classificazione in base alle loro proprietà fisico-chimiche e ne sono state esaminate le principali proprietà meccaniche e termiche quali il modulo elastico, la tensione di rottura, la temperatura di transizione vetrosa e il fenomeno del creep. Sono state successivamente eseguite delle prove sperimentali, effettuate presso il Laboratorio Resistenza Materiali e presso il Laboratorio del Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali, su dei provini confezionati con otto differenti resine epossidiche. Per valutarne il comportamento alle alte temperature, le indagini sperimentali hanno valutato dapprima le temperature di transizione vetrosa delle resine in questione e, in seguito, le loro caratteristiche meccaniche. Dalla correlazione dei dati rilevati si sono cercati possibili legami tra le caratteristiche meccaniche e le proprietà termiche delle resine. Si sono infine valutati gli aspetti dell’applicazione degli FRP che possano influire sul comportamento del materiale composito soggetto alle alte temperature valutando delle possibili precauzioni che possano essere considerate in fase progettuale.

A new method for continuous quality control of nsm cfrp systems

In the last decade the near-surface mounted (NSM) strengthening technique using carbon fibre reinforced polymers (CFRP) has been increasingly used to improve the load carrying capacity of concrete members. Compared to externally bonded reinforcement (EBR), the NSM system presents considerable advantages. This technique consists in the insertion of carbon fibre reinforced polymer laminate strips into pre-cut slits opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. CFRP reinforcement is bonded to concrete with an appropriate groove filler, typically epoxy adhesive or cement grout. Up to now, research efforts have been mainly focused on several structural aspects, such as: bond behaviour, flexural and/or shear strengthening effectiveness, and energy dissipation capacity of beam-column joints. In such research works, as well as in field applications, the most widespread adhesives that are used to bond reinforcements to concrete are epoxy resins. It is largely accepted that the performance of the whole application of NSM systems strongly depends on the mechanical properties of the epoxy resins, for which proper curing conditions must be assured. Therefore, the existence of non-destructive methods that allow monitoring the curing process of epoxy resins in the NSM CFRP system is desirable, in view of obtaining continuous information that can provide indication in regard to the effectiveness of curing and the expectable bond behaviour of CFRP/adhesive/concrete systems. The experimental research was developed at the Laboratory of the Structural Division of the Civil Engineering Department of the University of Minho in Guimar\~aes, Portugal (LEST). The main objective was to develop and propose a new method for continuous quality control of the curing of epoxy resins applied in NSM CFRP strengthening systems. This objective is pursued through the adaptation of an existing technique, termed EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method) that has been developed for monitoring the early stiffness evolution of cement-based materials. The experimental program was composed of two parts: (i) direct pull-out tests on concrete specimens strengthened with NSM CFRP laminate strips were conducted to assess the evolution of bond behaviour between CFRP and concrete since early ages; and, (ii) EMM-ARM tests were carried out for monitoring the progressive stiffness development of the structural adhesive used in CFRP applications. In order to verify the capability of the proposed method for evaluating the elastic modulus of the epoxy, static E-Modulus was determined through tension tests. The results of the two series of tests were then combined and compared to evaluate the possibility of implementation of a new method for the continuous monitoring and quality control of NSM CFRP applications.

Analisi comparativa delle perdite economiche attese relative ad un edificio esistente in CA con diversi interventi di rinforzo sismico

La presente tesi, in particolare, sfrutta un metodo di analisi semplificato di “loss assessment” o analisi delle perdite economiche, considerando un edificio esistente in CA. L’edificio caso di studio è un tipico edificio intelaiato in CA sito sull’appennino, e progettato e costruito negli anni ’70, dunque, senza tenere conto dell’azione orizzontale del sisma, per cui non presenta i dettagli costruttivi atti a soddisfare i requisiti minimi di duttilità. È stata effettuata una analisi statica non lineare (Pushover), per studiare la risposta della struttura esistente alle azioni orizzontali. Al fine di migliorare il confinamento delle colonne in CA, è stato scelto di utilizzare dei rinforzi locali, tipicamente utilizzati in Italia nella pratica progettuale, atti a migliorare le caratteristiche di duttilità e/o resistenza degli elementi rinforzati, e di conseguenza capaci di migliorare le caratteristiche globali dell’intero sistema strutturale. Sono state selezionate tre diverse tecnologie: le “Fiber Reinforced Polymers” (FRP), il “Concrete Jacketing” (CJ) e il sistema di Cerchiature Attive dei Manufatti (CAM). Nella presente tesi verranno presentate diverse applicazioni di questi sistemi, enunciandone i miglioramenti rispetto al caso “As-built” e poi confrontandole tra di loro in modo da fornire elementi validi a supporto della fase decisionale per la progettazione dell’intervento sull’edificio. Infine vengono valutate le perdite economiche medie annue attese, insieme ad altri parametri sintetici di analisi delle perdite e di analisi costi-benefici. Il fine di questo processo è di studiare quanto uno specifico intervento di miglioramento sismico, applicato all’edificio As-built, consenta di ridurre le perdite economiche sismiche stimate in un anno di vita della struttura, e poi nel corso della sua vita utile, per fornire un elemento di paragone utile per la scelta dell’intervento ottimale.

Debonding and crack propagation in cracked steel beams strengthened with CFRP and subjected to cyclic loads.

The reinforcement methods used to restore or increase the bearing capacity of metal structures are based on the application of steel plates to be bolted or welded to the original structure, which can cause problems to the integrity of the original structure. These difficulties can be overcome with the introduction of fiber-reinforced composite materials. FRPs are characterized by high strength to weight ratio, and they are very resistant to corrosion. In this dissertation a cracked steel I-beam reinforced with Carbon Fiber-Reinforced Polymer will be studied by performing a numerical evaluation of the structure with the commercial Finite Element Method software ABAQUS. The crack propagation will be computed using XFEM, while the debonding of the reinforcement layer will be found by considering a cohesive contact interface between the beam and the CFRP plate. The results will show the efficiency of the strengthening method in increasing the load carrying capacity of the cracked beam, and in reducing the crack opening of the initial notch.

Analisi degli effetti di impatti su componenti in materiali compositi avanzati

L’idea alla base di questo elaborato finale nasce principalmente dall’interesse verso lo stato dell’arte attuale per quanto riguarda l’utilizzo di materiali compositi in ambito aerospaziale. La grande potenzialità di questi materiali è oggigiorno ancora contrastata da forti limitazioni, come il costo elevato oppure il comportamento particolare della struttura interna. Quest’ultimo aspetto rappresenta, a livello macroscopico, la problematica cardine del presente studio: il comportamento meccanico di questi materiali a seguito di un impatto, con un focus particolare sugli effetti, all’apparenza trascurabili, di impatti a bassa energia. Si è scelto in particolare di analizzare gli sviluppi raggiunti dalla ricerca nei giunti incollati a giro singolo, una tipologia di giunzione caratterizzata da due componenti aderenti ed una sostanza adesiva a costituire la giunzione stessa. Il materiale composito più utilizzato per questo tipo di strutture è il Carbon Fiber Reinforced Polymer o CFRP. Il fulcro di questa tesi è sostanzialmente un’analisi di una serie di studi recenti sugli effetti di impatti in un giunto incollato in composito, valutato sia in maniera statica che ciclica; vengono inoltre descritti gli effetti di fattori ambientali come la temperatura e l’umidità, e riportate proposte presenti e future degli autori, come la ricerca di configurazioni alternative per il giunto oppure una serie di modifiche alle superfici, al fine di migliorare le prestazioni di questi componenti con soluzioni ottimizzate ed efficaci. In conclusione, si sintetizzano i risultati raggiunti da questi studi sperimentali, con l’intenzione di evidenziarne il progresso piuttosto che le limitazioni comparse e di contribuire alla transizione completa verso l’utilizzo dei materiali compositi, che acquisiranno sempre maggiore importanza nell’ingegneria dei materiali.

Experimental study on Carbon FRP-confined elliptical concrete columns

It is well recognized that the technique of strengthening reinforced concrete (RC) using fiber-reinforced polymer (FRP) jackets is more effective for circular sections, but less effective for rectangular sections. Indeed the presence of angular corners does not permit a uniform confinement to be provided by the FRP jackets to the columns. While rounded corners can enhance the effectiveness of FRP confinement, it will be more efficient to modify the rectangular section into an elliptical section. In addition to the better confinement effectiveness, from an aesthetical point of view, the shape modification would be a surprise to the built environment. This paper presents an experimental study on the behavior of FRP-confined concrete columns with elliptical section. Thirty-two short columns, divided in eight batches, were tested under axial compression. Each batch presents four specimens with different elliptical sections, determined by the aspect ratio a/b, that is the ratio between the minor and mayor axis. By varying this value from 1.0 to 2.0 (1.0, 1.3., 1.7, 2.0), the section becomes more and more elliptical starting from a circular shape. In this way it is possible to study the trend of effectiveness of FRP confinement for different section geometries. It is also interesting to study how the confinement effectiveness may vary by changing the cylinder strength of concrete and the number of the layers of CFRP. For this reason, a cylinder strength of concrete of 25 and 45 MPa have been used for the present research work, and half of the specimens were wrapped by one layer of CFRP, while the remaining specimens were wrapped with two layers. A simple analysis of the results has been carried out for evaluating the experimental work described in the present document. Further studies and analysis on this work should help to achieve a new and more accurate stress-strain model for CFRP-confined concrete columns with an elliptical section.

Masonry columns confined by composite materials: Experimental investigation

This study wants to analyze the effectiveness of different reinforcement typologies for masonry columns, in particular Fiber-Reinforced Polymer (FRP) and FRCM. The behavior of 10 solid – brick columns that are externally wrapped by FRP sheets and 2 unreinforced columns are presented in this study. The specimens are subjected to axial load until failure occurs. Three different confinement schemes were experimentally analyzed in order to evaluate and compare the effectiveness of the proposed strengthening techniques: 1) Grid carbon FRP (CFRP_G); 2) Grid glass FRP (GFRP_G); 3) Uniaxial carbon FRP (CFRP_U). Two different configurations of the reinforcing system were investigated: FRP sheets are applied as external reinforcement along the perimeter of the masonry columns in the form of continuous and discontinuous wrap, respectively. The results, compared with those for un-reinforced columns, indicate an increases in ultimate load, stiffness and ductility.

Materiali Compositi a Matrice Cementizia per i Rinforzi Strutturali

L’utilizzo degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) nel campo dell’ingegneria civile riguarda essenzialmente il settore del restauro delle strutture degradate o danneggiate e quello dell’adeguamento statico delle strutture edificate in zona sismica; in questi settori è evidente la difficoltà operativa alla quale si va in contro se si volessero utilizzare tecniche di intervento che sfruttano materiali tradizionali. I motivi per cui è opportuno intervenire con sistemi compositi fibrosi sono: • l’estrema leggerezza del rinforzo, da cui ne deriva un incremento pressoché nullo delle masse sismiche ed allo stesso tempo un considerevole aumento della duttilità strutturale; • messa in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature da un numero limitato di operatori, da cui un minore costo della mano d’opera; • posizionamento in tempi brevi e spesso senza interrompere l’esercizio della struttura. Il parametro principale che definisce le caratteristiche di un rinforzo fibroso non è la resistenza a trazione, che risulta essere ben al di sopra dei tassi di lavoro cui sono soggette le fibre, bensì il modulo elastico, di fatti, più tale valore è elevato maggiore sarà il contributo irrigidente che il rinforzo potrà fornire all’elemento strutturale sul quale è applicato. Generalmente per il rinforzo di strutture in c.a. si preferiscono fibre sia con resistenza a trazione medio-alta (>2000 MPa) che con modulo elastico medio-alto (E=170-250 GPa), mentre per il recupero degli edifici in muratura o con struttura in legno si scelgono fibre con modulo di elasticità più basso (E≤80 GPa) tipo quelle aramidiche che meglio si accordano con la rigidezza propria del supporto rinforzato. In questo contesto, ormai ampliamente ben disposto nei confronti dei compositi, si affacciano ora nuove generazioni di rinforzi. A gli ormai “classici” FRP, realizzati con fibre di carbonio o fibre di vetro accoppiate a matrici organiche (resine epossidiche), si affiancano gli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), i TRM (Textile Reinforced Mortars) e gli SRG (Steel Reinforced Grout) che sfruttano sia le eccezionali proprietà di fibre di nuova concezione come quelle in PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), sia un materiale come l’acciaio, che, per quanto comune nel campo dell’edilizia, viene caratterizzato da lavorazioni innovative che ne migliorano le prestazioni meccaniche. Tutte queste nuove tipologie di compositi, nonostante siano state annoverate con nomenclature così differenti, sono però accomunate dell’elemento che ne permette il funzionamento e l’adesione al supporto: la matrice cementizia

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Prove di caratterizzazione meccanica del legame di adesione fra FRP ed acciaio

Il progresso nella tecnica di recupero e di rinforzo nelle strutture metalliche con i polimeri fibro-rinforzati FRP (fibre reinforced polymers). 1.1 Introduzione nelle problematiche ricorrenti delle strutture metalliche. Le strutture moderne di una certa importanza, come i grattacieli o i ponti, hanno tempi e costi di costruzione molto elevati ed è allora di importanza fondamentale la loro durabilità, cioè la lunga vita utile e i bassi costi di manutenzione; manutenzione intesa anche come modo di restare a livelli prestazionali predefiniti. La definizione delle prestazioni comprende la capacità portante, la durabilità, la funzionalità e l’aspetto estetico. Se il livello prestazionale diventa troppo basso, diventa allora necessario intervenire per ripristinare le caratteristiche iniziali della struttura. Strutture con una lunga vita utile, come per la maggior parte delle strutture civili ed edilizie, dovranno soddisfare esigenze nuove o modificate: i mezzi di trasporto ad esempio sono diventati più pesanti e più diffusi, la velocità dei veicoli al giorno d'oggi è aumentata e ciò comporta anche maggiori carichi di tipo dinamico.

Consolidamento e rinforzo della muratura con materiale fibroso immerso in matrice cementizia:applicazione ad un edificio storico.

L’obiettivo che sarà perseguito consisterà, dopo un’attenta ricerca di tipo bibliografico, nella definizione delle diverse fasi legate all’introduzione, in strutture esistenti, di un composito fibrorinforzato con grande attenzione verso i FRCM, fiber reinforced cement matrix, caratterizzati da un recente sviluppo, che saranno messi a confronto con i tradizionali FRP, fiber reinforced polymer. Ad oggi l’Italia è mancante di una linea guida per i materiali fibrorinforzati di tipo FRCM, quindi in un’ottica di colmare tale lacuna, per quel che è possibile, la seguente attività di tesi proverà ad enunciare, avvalendosi dei punti chiavi della linea guida degli FRP, i passaggi relativi alla progettazione ,esecuzione e collaudo di strutture mediante rinforzo con fibre lunghe dentro a matrice cementizia. Si cercherà di fornire un quadro completo dello stato attuale dell’impiego dei FRCM nel recupero storico, in modo da fornire delle tracce di comprovata validità in merito alla scelta del tipo d’intervento ottimale da eseguire.

Design and development of the new composite-material mainplane of the Dallara T12 race car

Abstract (US) Composite material components design and production techniques are discussed in the present graduation paper. In particular, this paper covers the design process and the production process of a carbon-fiber composite material component for a high performance car, more specifically, the Dallara T12 race car. This graduation paper is split in two. After a brief introduction on existing composite materials (their origins and applications), the first part of the present paper covers the main theoretical concepts behind the design of composite material components: particular focus will be given to carbon-fiber composites. The second part of the present paper covers the whole design and production process that the candidate carried out to create the new front mainplane of the Dallara T12 race car. This graduation paper is the result of a six-months-long internship that the candidate conducted as Design Office Trainee inside Dallara Automobili S.p.A. Abstract (ITA) La presente tesi di laurea discute le metodologie progettuali e produttive legate alla realizzazione di un componente in materiale composito. Nello specifico, viene discussa la progettazione e la produzione di un componente in fibra di carbonio destinato ad una vettura da competizione. La vettura in esame è la Dallara T12. Il lavoro è diviso in due parti. Nella prima parte, dopo una breve introduzione sull’origine e le tipologie di materiali compositi esistenti, vengono trattati i concetti teorici fondamentali su cui si basa la progettazione di generici componenti in materiale composito, con particolare riguardo ai materiali in fibra di carbonio. Nella seconda parte viene discusso tutto il processo produttivo che il candidato ha portato a termine per realizzare il nuovo alettone anteriore della Dallara T12. La presente tesi di laurea è il risultato del lavoro di progettazione che il candidato ha svolto presso l’Ufficio Tecnico di Dallara Automobili S.p.A. nel corso di un tirocinio formativo di sei mesi.

Rinforzi di murature con compositi frcm. Caso di studio: Teatro Pavarotti di Modena.

Il presente lavoro è volto allo studio di soluzioni di rinforzo strutturale di edifici storici in muratura mediante materiali compositi innovativi a matrice inorganica FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). E' stato effettuato un confronto tra due sistemi di rinforzo con compositi SRG (Steel Reinforced Grout) in fibre d'acciaio ad altissima resistenza, nell'ottica di un progetto di miglioramento sismico del teatro Pavarotti di Modena, in particolare della parete di fondo retrostante il palcoscenico. Ipotizzati alcuni meccanismi di collaso della parete, la vulnerabilità sismica della stessa, nei confronti di ciascun meccanismo, è stata valutata attraverso l'analisi cinematica lineare. Successivamente per ogni meccanismo è stato studiato un sistema di rinforzo SRG al fine di incrementare la capacità sismica della parete e il moltiplicatore di collasso.

Damage tolerance analysis for Blackshape BS 115 programme, EASA CS VLA & CS-23

The thesis project has been developed in partnership with the Design Department of Blackshape Spa, a carbon – fiber ultra – light airplane company in Monopoli (Bari, Italy). The main goal is the assessment of a starting point for a damage tolerant concept during the design and certification phases of the Blackshape BS 115 airplane, with respect to EASA CS VLA & CS 23 Regulations. This approach has been carried out starting from an initial literary review as far as the way of modeling composites fractures is concerned. Further on, three finite element models have been generated and implemented in order to simulate defects occurring during manufacturing and service phases. At last, the procedures of non - destructive inspections have been taken into account, in order to establish how to investigate primary structures defects and delaminations during maintenance.