Experimental and numerical study on cement-based composites (FRCM) for the strengthening of RC structural members

Abstract

Il presente elaborato di tesi verte sullo studio di sistemi di rinforzo a matrice cementizia addizionata con fibre inorganiche, conosciuti come FRCM (Fiber-Reinforced Cementitious Matrix). Il materiale investigato, impiegato per il rinforzo di elementi strutturali in cemento armato e muratura, è stato solo recentemente introdotto sul mercato, non è ancora normato in tutti i paesi ed è pertanto oggetto di numerosi studi e ricerche al fine di caratterizzarne in modo approfondito il comportamento meccanico e l’interazione col supporto. In relazione a ciò, la ricerca è stata condotta seguendo due filoni principali. Il primo filone è stato rivolto alla modellazione e simulazione numerica del comportamento meccanico del materiale e degli elementi rinforzati con questa tecnica, mentre il secondo ha riguardato l’esecuzione di una serie di prove sperimentali volte alla determinazione delle proprietà meccaniche del composito e dei suoi componenti, in particolare della malta cementizia. Dopo aver analizzato la letteratura tecnico-scientifica relativa sia ai sistemi di rinforzo più tradizionali che agli FRCM, si è proceduto allo sviluppo di un legame costitutivo per lo studio del materiale composito. In particolare, si è adottato un approccio continuo in cui, nei diversi stadi del materiale (prima e dopo la comparsa della fessurazione), i contributi irrigidenti legati alla matrice e alla rete sono valutati separatamente e poi combinati tra loro in modo da formare la matrice di rigidezza del materiale, implementata in un codice di calcolo ad elementi finiti. Nello stadio non fessurato si è assunta l’ipotesi di perfetta aderenza tra la malta e la rete di rinforzo, considerando un comportamento elastico-lineare per entrambi i materiali. Nella fase fessurata, la deformazione totale è assunta pari alla somma della deformazione del materiale tra le fessure e di quella della fessura. L’efficacia del modello è stata quindi verificata effettuando dei confronti con numerosi risultati sperimentali reperiti in letteratura scientifica, relativi sia a tiranti in FRCM, che a travi in c.a. rinforzate a flessione. Tali confronti hanno messo in luce un ottimo accordo tra i risultati numerici e sperimentali. Al fine di meglio indagare alcuni parametri utili per la messa a punto di idonei legami costitutivi presenti nel modello meccanico proposto, è stato deciso di effettuare una campagna di prove sperimentali rivolta alla caratterizzazione meccanica della malta, nonché dell’intero composito FRCM. Nello specifico, si sono eseguite prove a flessione su prismi di sola malta per la determinazione della resistenza a trazione per flessione e per ottenere l’energia specifica di frattura. Al fine di integrare i dati ottenuti e per avere una correlazione analitica tra la resistenza a trazione diretta e quella flessionale apposita per il materiale in questione, si è proceduto ad eseguire ulteriori prove di trazione diretta su provini a “osso di cane” di sola malta. Oltre a ciò, si è studiato il comportamento dell’intero composito, eseguendo delle prove a trazione diretta su provini prismatici in FRCM. Le prove sono state eseguite nel laboratorio di “Prove materiali e strutture” dell’Università di Parma e le rielaborazioni sono state eseguite anche mediante l’uso della DIC (Digital Image Correlation). Dalla campagna sperimentale si è ottenuta una serie di dati utili per una corretta calibrazione del legame costitutivo. Tra questi si annoverano, per la malta cementizia, il coefficiente di Poisson e il modulo di elasticità normale, nonché l’energia specifica di frattura. Per quanto concerne l’intero composito FRCM, si sono ottenute informazioni utili in termini di carico-spostamento e soprattutto una conoscenza della distanza e dell’apertura di fessura che sono dati difficilmente reperibili in letteratura.This work aims to study a new strengthening material, which is formed by a cement-based mortar enriched by inorganic fibers, known as FRCM (Fiber- Reinforced Cementitious Matrix). The investigated material, which is used to strengthen structural elements made of reinforced concrete and masonry, has been only recently launched on the market consequently, it is not yet regulated in all the countries and, it is still object of several studies and research works, in order to deeply characterize its mechanical behaviour and its interaction with the support. In relation to this, the research carried out in this work was structured into two main branches. The first one was the modeling and the numerical simulation of the material and of the elements strengthened with this technique, while the second one was relative to the execution of a series of experimental tests for the determination of the mechanical properties of both the composite and its components. After the analysis of the technical literature relative to both traditional reinforcing techniques and to FRCMs, a constitutive model was developed to study the nonlinear behavior of the composite material. In more detail, a continuous approach was adopted. Both in the uncracked and cracked stages, the stiffening contributions related to the mortar and to the fiber grid were separately evaluated, and then combined to each other in order to build the material stiffness matrix, implemented into a finite elements code. In the uncracked stage, perfect bond between the mortar and the fiber grid was assumed, hypothesizing a linear-elastic behavior for both the constituent materials. In the cracked stage, the total strain was assumed as the sum of the strain of the material between the cracks, and that in the crack. The effectiveness of the proposed model was then verified by carrying out several comparisons with experimental results from the technical literature, relative to both FRCM tension ties, and RC beams retrofitted in bending. These comparisons showed an excellent agreement between numerical and experimental results. However, in order to better investigate some parameters required for the calibration of the constitutive models adopted in the proposed mechanical model, it was decided to perform an experimental campaign, devoted to the mechanical characterization of the cement-based mortar and of the whole FRCM composite. In more detail, flexural tests on prismatic specimens of mortar were first made so as to determine the flexural strength and the material fracture energy. These latter allowed to complete the obtained data on the mortar and to find an analytical correlation between the tensile and the flexural strength of the material. Further tensile tests on “dog bone” specimen of mortar were also made. In addition to this, the behavior of the whole composite was studied, by performing tensile tests on prismatic FRCM specimens. All the tests were carried out at the “Testing Laboratory of Materials and Structures” of the University of Parma. The post-processing was made by also using the DIC technique (Digital Image Correlation). As already stated, the experimental campaign allowed to obtained several data required for the correct calibration of the constitutive model. Among these, the Poisson’s coefficient, the normal elastic modulus and the fracture energy for the mortar were calculated. As regards the entire FRCM composite, useful information in terms of load-displacement behavior and, above all, the knowledge of the cracking distances and openings, hardly available in the literature, were obtained