FRP strengthening of masonry arches: analysis of local mechanisms and global behaviour

In the last two decades, FRP (Fibre-Reinforced Polymers) composite materials have been adopted for strengthening and repair of both modern and historic masonry constructions (buildings, bridges, towers) and structural components (walls, arches and vaults, piers and columns). Strengthening of masonry brick arches and vaults with FRP laminates can contribute significantly in the improvement of their structural capacity at a limit state, by activating local mechanisms both at material and interface levels, but also modifies the collapse mechanisms of the original structures, as the reinforcement prevents the typical brittle failure due to the formation of hinge-mechanisms. Despite the increasing number of specific studies on FRP reinforcement of masonry structures, investigations are still limited if compared to reinforced concrete applications. Moreover, few codes and recommendations are currently available. Starting from these points, the present work deals with experimental investigations on three local mechanisms involved by the collapse of FRP-reinforced masonry arches: the interface behaviour in the case of stresses normal to the surface (FRP detachment observed in structures with intrados reinforcement) has been investigated through the execution of a large number of combined tests on solid clay bricks (flexural, compressive, splitting and pull-off tests) aimed at experimentally calibrate possible correlations among the corresponding strength parameters and to observed possible influences of the fibres type and the presence of primer on the pull-off behaviour; the bond behaviour has been investigated by performing ten Double-lap Shear Tests on solid clay bricks, aimed at calibrating fracture energy value and bond-slip law for both carbon FRP and glass FRP reinforcement (moreover, a simple exponential-based bond-slip law has been proposed); the mixed-mode behaviour (fourteen tested samples) has been investigated by adapting a test setup developed for FRP applications on reinforced concrete, known as V-shape Peel Test, to clay substrate, in order to reproduce on a local scale the conditions related to the shear sliding failure of arches with extrados reinforcement. Finally, several case studies, concerning real-scale or scaled brick masonry arches and vaults reinforced at their intrados or extrados, have been collected from literature in order to compare the experimental results to the available interpretative models of the global behaviour of the structure at failure.Negli ultimi due decenni, i materiali compositi FRP (Fibre-Reinforced Polymers) sono stati adottati anche nel rinforzo di costruzioni murarie sia moderne sia antiche (edifici, ponti, torri), nonché di vari elementi strutturali (pareti, archi e volte, pile e colonne). Il rinforzo di archi e volte in muratura con FRP può contribuire in modo significativo a migliorare la loro portanza in stato limite, attivando meccanismi locali a livello di materiali e interfaccia, ma comporta anche un cambiamento dei meccanismi di collasso della struttura originale, dal momento che il rinforzo impedisce la tipica rottura fragile causata dalla formazione di meccanismi a cerniera. Nonostante un crescente numero di studi riguardanti il rinforzo di strutture murarie con FRP, le indagini sono tuttavia ancora limitate, se confrontate con applicazioni su calcestruzzo armato. Inoltre, pochi codici e raccomandazioni sono attualmente disponibili. Partendo da questi punti, il presente lavoro affronta l'indagine sperimentale di tre meccanismi locali coinvolti nel collasso di archi rinforzati con FRP: il comportamento dell’interfaccia nel caso di tensioni normali alla superficie (distacco del composito osservato in strutture rinforzate all’intradosso) è stato investigato mediante l’esecuzione di un ampio numero di prove combinate eseguite su mattoni pieni in laterizio (prove a flessione, compressione, trazione indiretta e pull-off), allo scopo di calibrare sperimentalmente eventuali correlazioni fra i relativi parametri di resistenza e di osservare eventuali influenze del tipo di fibra e della presenza del primer sul comportamento nella prova di pull-off; il comportamento nel caso di azioni tangenziali è stato studiato mediante l’esecuzione di dieci Double-lap Shear Tests su mattoni pieni in laterizio, al fine di calibrare energia di frattura e legge bond-slip per rinforzo in fibra di carbonio e fibra di vetro (inoltre, è stata proposta una semplice legge bond-slip); il comportamento nel caso di azioni miste (quattordici prove eseguite) è stato investigato mediante l’adattamento di una prova sviluppata per applicazioni di FRP su calcestruzzo armato, nota come V-shape Peel Test, a mattoni in laterizio usati come substrato, allo scopo di riprodurre a scala locale le condizioni relative allo scorrimento a taglio sul giunto di archi con rinforzo estradossale. Infine, vari casi studio, riguardanti archi e volte in muratura, a dimensioni reali oppure scalate, sono stati raccolti da letteratura al fine di comparare i risultati sperimentali con i modelli interpretativi del comportamento globale della struttura a collasso attualmente disponibili