Il comportamento di adesione dei compositi FRCM: indagini sperimentali e modelli analitici

I recenti terremoti, che hanno colpito l'Italia, hanno evidenziato l'alto livello di vulnerabilità sismica del patrimonio costruito italiano. Interventi di rinforzo sulle strutture esistenti si rendono necessari al fine di garantire un loro adeguato livello di sicurezza sismica rispetto agli eventi futuri. A partire dagli anni Novanta, i materiali compositi fibrorinforzati a fibra lunga si sono affermati nell’ambito del rinforzo strutturale. Tali materiali permettono, grazie alle loro elevate caratteristiche meccaniche, di ottenere incrementi significativi delle prestazioni strutturali mediante un provvedimento di facile esecuzione e con un impatto limitato in riferimento sia al peso sia all’ingombro dell’intervento. Negli ultimi anni, i più sperimentati compositi FRP sono stati affiancati da nuovi materiali compositi caratterizzati dall’unione di reti di fibra secca con una matrice di tipo inorganico: i compositi FRCM – Fiber Reinforced Cementitious Matrix. Ad oggi la conoscenza di tali materiali risulta limitata ed incompleta, come dimostrato dall’assenza di raccomandazioni o linee guida relative ai metodi di prova ed ai criteri di progettazione, di installazione e di controllo. In particolare, in letteratura è stato dimostrato come il limite degli FRCM sia rappresentato dall’adesione tra i due materiali costituenti, la quale determina una crisi fragile per delaminazione all’interfaccia fibra-matrice. Il presente lavoro si è posto l’obiettivo di indagare il fenomeno dell’adesione interlaminare dei compositi FRCM mediante un approccio sperimentale ed analitico. In particolare, attraverso l’esecuzione di quattro tipologie di prova di adesione sono state studiate le proprietà di adesione di quattro differenti compositi FRCM e come le proprietà meccaniche dei materiali costituenti (fibra e matrice) influiscano su di esse. Inoltre, il confronto tra i risultati ottenuti ha permesso di valutare le diverse tipologie di prova in termini sia di procedura che di risultati ottenuti, individuando tra di esse la più idonea allo studio del comportamento di adesione dei compositi FRCM. Infine, è stata applicata una procedura analitica basata sulla meccanica della frattura, adottando cinque differenti legami locali del comportamento di interfaccia calibrati attraverso i risultati globali sperimentali. Il confronto tra risultati analitici e sperimentali ha permesso di determinare il legame locale in grado di descrivere il comportamento di adesione per ogni tipologia di prova. Il confronto ha permesso, altresì, di individuare la presenza di una relazione tra risultati sperimentali ed il legame locale risultato più attendibile, dimostrando la possibilità di definire quest’ultimo a priori disponendo solamente dei dati in corrispondenza di alcuni punti significativi della curva carico-scorrimento globale sperimentale. Recent earthquakes showed the high vulnerability of existing masonry buildings and, for this reason, scientific community is interested in evaluating new materials and techniques for reducing their seismic vulnerability. In this context, composite materials reinforced with long fibers represent a new technology, increasingly suitable for strengthening masonry structures in seismic area. Among them, Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composites are becoming a valid alternative to Fiber Reinforced Polymers (FRPs), especially for the strengthening of historical and monumental buildings, thanks to their high compatibility with the masonry substrate, low weight, rapidity and ease of application. FRP and FRCM composites present different mechanical behavior and failure mode. Main failure mechanism of FRCM composites is due to a delamination phenomenon at the matrix-fiber interface, while the FRP composites failure is due to a delamination at matrix–support interface. The correct evaluation of the bond performance of such materials plays a crucial role for properly designing a strengthening intervention by using FRCM composites. The bond behavior of four types of FRCM composites applied on bricks substrate was investigated through different bond tests. The FRCM composites were made of a basalt fabric embedded in four different mortar matrices: the first matrix was a commercial mortar produced by Kerakoll S.p.A., while the other three matrices were prepared in laboratory. The experimental investigation allowed to point out the differences between the four composites in terms of bond behavior and load capacity. Furthermore, results obtained from the different bond tests were compared and discussed in order to identify the most suitable test for the correct investigation of the FRCM’s bond performances. Moreover, in the framework of type-II fracture mechanics, analytical modelling of the tested behavior of the commercial mortar matrix was carried out exploiting five different cohesive laws fine-tuned on experimental evidence.