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.

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.

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.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Effetti della cristallizzazione salina sul debonding di compositi fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM) applicati alla muratura

L’utilizzo di compositi fibrorinforzati per il rinforzo e l’adeguamento di strutture esistenti in calcestruzzo armato e in muratura ha raggiunto una grande popolarità negli ultimi decenni. Tra i materiali compositi, i fibrorinforzati a matrice cementizia (fiber reinforced cementitious matrix, FRCM) rappresentano una novità nel mondo del rinforzo e la letteratura disponibile a riguardo è ancora molto limitata. Il presente lavoro si inserisce all’interno di un contesto di campagne sperimentali volte ad approfondire la conoscenza su questi materiali. Uno dei problemi di maggiore importanza nell’utilizzo dei compositi FRCM è costituito dalla valutazione della resistenza al distacco (debonding) del composito dal supporto su cui è applicato. Nel caso di strutture in muratura, i cicli di cristallizzazione salina sono una della cause principali di degrado della murature. In questa tesi vengono analizzati gli effetti della cristallizzazione salina sul debonding di compositi FRCM, con fibre di acciaio galvanizzato a matrice a base di calce idraulica, applicati alla muratura.

Bond behaviour and kb factor in GFRP rebars casted in concrete

A proper bond between reinforcement and concrete is key for an appropriate composite action of both materials in reinforced concrete structures. However, to-date limited studies exist on bond of fiber reinforced polymer (FRP) bars in concrete members under flexure. In this paper, the bond strength developed by FRP and steel rebars is evaluated and compared, by testing reinforced concrete beams under three point bending load. The investigation included several beams that were 183 cm long × 15 cm wide × 36 cm deep: many of them were reinforced with sand coated GFRP rebars, while steel was used to reinforce the remaining ones. For each of the reinforcing systems, various different embedded lengths were tested. The beams were tested under a 3-point-bending setup and they were monitored using several measuring devices: LVDTS, potentiometers and strain gauges. Preliminary results show that the GFRP rebars have lower bond capacity than the ones made of steel. Moreover, it was inferred that the embedded lengths suggested by actual code provisions for GFRP rebars are too conservative.

Nanofibre contenenti grafene per la modifica di compositi laminati: ottimizzazione del processo di elettrofilatura

I compositi laminati, specialmente i Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs), possiedono ottime proprietà meccaniche ed un peso contenuto rispetto i materiali metallici. Uno dei problemi più importanti che i laminati presentano è il cedimento per delaminazione, ovvero il distaccamento delle lamine che costituiscono il composito, in seguito a sollecitazioni esterne e/o alla presenza di difetti formati durante il processo di lavorazione. Per poter minimizzare tale fenomeno sono stati studiati vari metodi; fra questi vi è l’utilizzo di tessuti nanofibrosi che, intercalati fra le lamine, riescono ad ostacolare efficacemente la propagazione della cricca. Nel presente lavoro di tesi sono stati prodotti, mediante elettrofilatura, tessuti nanofibrosi polimerici additivati con grafene, da impiegare per la modifica strutturale di compositi laminati. In particolare, è stata svolta l’ottimizzazione delle soluzioni (concentrazione polimero, sistema solvente) e dei parametri di processo (potenziale, portata, distanza ago-collettore) per diversi materiali polimerici. Per effettuare un’efficiente dispersione del grafene sono stati effettuati vari cicli di sonicazione. Le membrane sono state caratterizzate morfologicamente mediante microscopia elettronica (SEM) e termicamente mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC). Infine, sono stati prodotti tessuti di grandi dimensioni adatti ad essere integrati, prossimamente, in compositi laminati per verificarne l’efficacia contro la delaminazione.

Evaluation of recycled carbon fibers as PLA reinforcement for additive manufacturing applications

The increased exploitation of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is inevitably bringing about an increase in production scraps and end-of-life components, resulting in a sharp increase in CFRP waste. Therefore, it is of paramount importance to find efficient ways to reintroduce waste into the manufacturing cycle. At present, several recycling methods for treating CFRPs are available, even if all of them still have to be optimized. The step after CFRP recycling, and also the key to build a solid and sustainable CFRP recycling market, is represented by the utilization of Re-CFs. The smartest way to utilize recovered carbon fibers is through the manufacturing of recycled CFRPs, that can be done by re-impregnating the recovered fibers with a new polymeric matrix. Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the most widely used additive manufacturing (3D printing) techniques that fabricates parts with a polymeric filament deposition process that allows to produce parts adding material layer-by-layer, only where it is needed, saving energy, raw material cost, and waste. The filament can also contain fillers or reinforcements such as recycled short carbon fibers and this makes it perfectly compliant with the re-application of the shortened recycled CF. Therefore, in this thesis work recycled and virgin carbon fiber reinforced PLA filaments have been initially produced using 5% and 10% of CFs load. Properties and characteristics of the filaments have been determined conducting different analysis (TGA, DMA, DSC). Subsequently the 5%wt. Re-CFs filament has been used to 3D print specimens for mechanical characterization (DMA, tensile test and CTE), in order to evaluate properties of printed PLA composites containing Re-CFs and evaluate the feasibility of Re-CFs in 3D printing application.

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.

On the characterization of the mechanical behaviour of bonded steel-CFRP adhesive joints

The use of adhesively bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is well established to repair metallic structural elements in the aerospace industry for more than three decades. Despite a few exceptions, this technology has yet not been exploited for the steel construction industry where there is a great need to rehabilitate old metallic bridges. For instance, in Europe more than 30% of the railway bridge stock operated for more than 100 years. These bridges are made of old mild steel or puddle iron that exhibits poor behaviour due to the quality of the material itself and degradation caused by the long-term loading or environmental effects. The modest results for Steel/CFRP joints obtained may be due to the type of adhesive used. In fact, most of the previous studies utilized brittle adhesives specially developed for concrete structures. Recent ductile adhesives that made for the automotive industry for metallic joints should be more appropriate. In this study, an experimental investigation on the behaviour of CFRP/steel adhesively bonded joints is presented. A comparison between brittle adhesives and ductile adhesives is conducted. The results show that the ductile adhesives achieve much higher performance than the brittle ones. The brittle adhesives provide more stiffness to the adhesive joint. In the specimens with the ductile adhesives, the failure pattern started by yielding the steel bars first then the adhesive joint which is promising since it can facilitate the design significantly if the steel yielding can be used as a design criterion. The main disadvantage of ductile adhesives is they are usually more expensive than brittle ones. In order to solve this issue, bi-adhesive joints, in which the joint is mainly made of (low cost) brittle adhesive and ductile adhesive in the stress concentration region, are proposed. The results revealed very high improvement up to the yielding strength of the steel bars and with a balanced stiffness.

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.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Effetto della temperatura sull’aderenza e la delaminazione di rinforzi FRCM applicati su supporto in muratura

Negli ultimi tempi, i compositi FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) sono largamente utilizzati per il rinforzo di costruzioni murarie esistenti, tuttavia rimangono dubbi riguardo la loro durabilità e le loro prestazioni meccaniche in condizioni ambientali avverse. L'obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di analizzare il comportamento meccanico e l'aderenza di due diversi compositi FRCM applicati su supporto murario, sottoposti a prove di distacco condotte a temperatura. A tal proposito, le prove sono state eseguite all'interno di una camera climatica mediante la quale è stato possibile procedere al condizionamento termico dei campioni: le temperature indagate sono comprese nell'intervallo da 23 a 140°C. Dai risultati ottenuti è stato possibile notare come, all'aumentare della temperatura, il comportamento meccanico del generico composito cambiasse, presentando tensioni di picco via via inferiori e un progressivo cambiamento della modalità di rottura. Infatti, mentre i campioni testati a temperatura ambiente hanno mostrato un comportamento fragile con rottura del tessuto esterno al rinforzo, i campioni testati a temperature superiori hanno manifestato un comportamento meno fragile, caratterizzato dallo scorrimento del tessuto presente all'interno della malta.

Creep deflection of low-strength reinforced concrete flexural members strengthened with carbon fiber composite sheets

The low-strength concrete is defined as a concrete where the compressive cubic strength is less than 15 MPa. Since the beginning of the last century, many low-strength concrete buildings and bridges have been built all over the world. Being short of deeper study, composite sheets are prohibited in strengthening of low-strength reinforced concrete members (CECS 146; ACI 440). Moreover, there are few relevant information about the long-term behavior and durability of strengthened RC members. This fact undoubtedly limits the use of the composite materials in the strengthening applications, therefore, it is necessary to study the behaviours of low-strength concrete elements strengthened with composite materials (FRP) for the preservation of historic constructions and innovation in the strengthening technology. Deformability is one of criteria in the design of concrete structures, and this for functionality, durability and aesthetics reasons. Civil engineer possibly encounters more deflection problems in the structural design than any other type of problem. Many materials common in structural engineering such as wood, concrete and composite materials, suffer creep; if the creep phenomenon is taken into account, checks for serviceability limit state criteria can become onerous, because the creep deformation in these materials is in the same order of magnitude as the elastic deformation. The thesis presents the results of an experimental study on the long-term behavior of low-strength reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber composite sheets (CFRP). The work has investigated the accuracy of the long-term deflection predictions made by some analytical procedures existing in literature, as well as by the most widely used design codes (Eurocode 2, ACI-318, ACI-435).