Experimental investigation on the effectiveness of basalt-fibre strengthening systems for confining masonry elements

The use of composite materials for the confinement of masonry columns having weak mechanical characteristics has become a widespread practice during the last decades. This technique, usually realized through the application of Fibre Reinforced Polymer (FRP) externally bonded jackets, has shown good capabilities, being able to significantly improve the load carrying capacity and the ductility of masonry members, thanks to a passive confinement action. However, FRP composites, when applied on masonry substrates, have shown some shortcomings due to the organic nature of the matrix. For this reason, during the last years growing attention has been paid to Fibre Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composites, in which the polymeric matrix is replaced by an inorganic matrix. Moreover, due to the increasing demand for new materials produced with low energy consumption that offer sustainability and good mechanical properties, composites reinforced with basalt fibres have lately attracted interest as material for strengthening masonry structures. The target of the present thesis is the evaluation of the effectiveness, in terms of strength and deformation capacity, of the confinement action provided by both basalt FRP and FRCM jackets, when the latter are applied on masonry members. In this framework, a detailed experimental investigation is performed by testing FRP and FRCM-confined clay brick masonry cylinders in compression. A preliminary investigation is carried out on the mechanical properties of constituent materials of masonry, namely bricks and mortar. Moreover, the strengthening systems are deeply analyzed through tests on the mortar matrix of the FRCM and an extensive study on the tensile behaviour of the basalt textile grid used as reinforcement. The mechanical behaviour of the FRCM composite is characterized under tension and the results are discussed in terms of stress-strain curves, evolution of cracks and failure modes. Then, the cylinders reinforced with FRP/FRCM jackets are subjected to uniaxial compressive loads, showing the influence of the key parameters involved in the problem, such as the number of vertical mortar joints in the masonry and the number of wrapping layers. The results in terms of compressive strength increases and corresponding strains allow drawing some conclusions on the effectiveness of the investigated strengthening systems. The whole experimental study is carried out employing the Digital Image Correlation (DIC), which is the only monitoring system in some cases and serves as support to traditional systems in other tests, giving information about the displacement fields and the development of cracks during the performed tests. Finally, analytical formulations useful for the prediction of the compressive behaviour of FRP/FRCM-confined masonry are proposed and compared to the experimental results, allowing some conclusions to be drawn on their reliability for practical design/verification purposes.

L’impiego di materiali compositi per il rinforzo di colonne in muratura è diventato una pratica ampiamente diffusa nel corso degli ultimi decenni. Questa tecnica, che consiste generalmente nell’applicazione di materiali polimerici fibrorinforzati (Fibre Reinforced Polymer-FRP), ha mostrato buone potenzialità, essendo in grado di garantire notevoli incrementi di resistenza e duttilità dell’elemento rinforzato, grazie ad un’azione di confinamento passivo. Tuttavia, l’impiego di compositi a matrice polimerica presenta alcuni limiti legati soprattutto alle prestazioni delle resine epossidiche, che a causa della loro natura sintetica danno luogo a problemi di compatibilità con il supporto murario. Per questo motivo, recenti lavori di ricerca hanno avuto l’obiettivo di sviluppare dei materiali di rinforzo non affetti dai problemi connessi all’adozione delle resine epossidiche, portando allo sviluppo dei compositi FRCM (Fibre Reinforced Cementitious Matrix), in cui la matrice polimerica viene sostituita da una matrice di natura inorganica, come una malta cementizia. Inoltre, la crescente domanda di nuovi materiali prodotti con un dispendio minimo di energia in grado di garantire adeguati livelli di sostenibilità, senza però rinunciare a buone prestazioni meccaniche, ha posto l’attenzione sui materiali compositi facenti uso di fibre di basalto per il rinforzo di strutture in muratura. L’obiettivo della presente tesi è quello di valutare l’efficacia, in termini incrementi di resistenza e duttilità, dell’azione di confinamento fornita da avvolgimenti in FRP o FRCM con fibre di basalto, quando questi sono applicati per il rinforzo di elementi in muratura. Lo studio viene condotto prevalentemente da un punto di vista sperimentale, attraverso la progettazione e realizzazione di una campagna di prove di compressione su cilindri in muratura di mattoni fasciati con FRP o FRCM. Preliminarmente si presentano i dettagli ed i risultati di un’ampia fase di caratterizzazione dei materiali, finalizzata ad indagare le proprietà meccaniche della malta e dei mattoni che costituiscono la muratura, a caratterizzare la malta impiegata nel rinforzo FRCM e a definire il comportamento in trazione della fibra di basalto impiegata nei sistemi di rinforzo studiati. In una fase successiva si analizza il comportamento meccanico del rinforzo in FRCM attraverso prove di trazione su strisce di composito, discutendo i risultati in termini di curve tensione-deformazione ed analizzando l’evoluzione del quadro fessurativo e le modalità di rottura. Viene quindi studiato sperimentalmente il comportamento in compressione dei cilindri in muratura confinati con FRP o FRCM, mostrando l’influenza delle principali variabili coinvolte nel problema, come il numero di giunti verticali di malta nella muratura o la percentuale di tessuto presente nel composito. I risultati ottenuti in termini di incrementi di resistenza a compressione e deformazione ultima permettono di formulare alcune considerazioni sull’efficacia dei sistemi di rinforzo studiati. Tutte le prove condotte sono supportate dalla tecnica della Digital Image Correlation (DIC), che viene impiegata come sistema di misura, integrato talvolta a dispositivi tradizionali, in grado di fornire informazioni sui campi di spostamento e sulla formazione e propagazione delle fessure durante le prove condotte. Infine, sono proposte alcune formulazioni analitiche per la previsione del comportamento in compressione dei cilindri in muratura rinforzarti con FRP o FRCM. Le espressioni adottate si basano su alcune proposte esistenti in letteratura e vengono confrontate con i risultati sperimentali ottenuti, al fine di trarre alcune conclusioni sulla loro applicabilità nelle pratiche applicazioni.