Detection of seismic damage in RC beam-column joints and strengthening with natural basalt composite materials

Reinforced Concrete (RC) beam-column joints, especially unconfined external joints, represent one of the most vulnerable components in existing RC structures under seismic loading. These joints play a critical role in transferring loads between beams and columns while maintaining sufficient shear capacity. Furthermore, the seismic response of joint panels significantly affects the overall performance of the structural system, particularly in terms of strength and deformability. Given these considerations and the structural deficiencies that characterize many existing RC constructions under seismic loads, joint panels often exhibit pronounced diagonal shear cracks. To address this critical issue, localized strengthening techniques can be employed. Among these, the use of externally bonded (EB) fibre-reinforced polymers (FRP) has gained widespread adoption worldwide due to their ease and speed of application compared to conventional strengthening methods. In the context of strengthening RC beam-column joints, this research programme focuses on evaluating the potential of innovative, minimally invasive techniques, specifically using composite materials made from natural, environmentally friendly basalt fibres. To assess the effectiveness of this strengthening approach, experimental tests were conducted on two 2:3 scale beam-column joint specimens. These specimens were initially damaged by horizontal and vertical forces and then retrofitted with basalt fibre fabric. The primary objective of this research is to assess the seismic response of RC frames by identifying damage to joint panels. Changes in stiffness and the progression of damage are evaluated through experimental dynamic testing. Additionally, to promote environmentally sustainable solutions without compromising mechanical performance, a strengthening method using EB FRP with basalt mineral fibres was selected. A comparison of the performance of unstrengthened and strengthened joint specimens is presented, along with a discussion of the damage mechanisms observed. The behaviour of the RC specimen was also analysed using theoretical finite element modelling (FEM) with a non-linear procedure and the results were compared with experimental test data to validate the findings of this study.

I nodi trave-pilastro in calcestruzzo armato, in particolare quelli esterni non confinati, rappresentano uno degli elementi più vulnerabili nelle strutture in calcestruzzo armato esistenti quando sono soggetti a carichi sismici. Questi nodi svolgono un ruolo fondamentale nel trasferire i carichi tra travi e pilastri, garantendo al contempo una capacità di taglio adeguata. Inoltre, la risposta sismica dei pannelli nodali influenza significativamente le prestazioni complessive del sistema strutturale, specialmente in termini di resistenza e deformabilità. Alla luce di queste considerazioni e delle carenze strutturali che caratterizzano molte costruzioni in calcestruzzo armato esistenti sotto carichi sismici, i nodi trave-pilastro spesso presentano evidenti fessurazioni diagonali da taglio. Per affrontare questa criticità, possono essere impiegate tecniche di rinforzo localizzato. Tra queste, l’uso di polimeri fibrorinforzati (FRP) applicati esternamente (EB) ha trovato ampia diffusione a livello globale grazie alla facilità e rapidità di applicazione rispetto ai metodi di rinforzo tradizionali. Nel contesto del rinforzo dei nodi trave-colonna in calcestruzzo armato, questo programma di ricerca si concentra sulla valutazione del potenziale di tecniche innovative e minimamente invasive, con particolare riferimento all’uso di materiali compositi realizzati con fibre di basalto naturali ed ecocompatibili. Per verificare l’efficacia di questo approccio di rinforzo, sono stati eseguiti test sperimentali su due campioni di nodi trave-colonna in scala 2:3. Questi campioni sono stati inizialmente danneggiati mediante l’applicazione di forze orizzontali e verticali e successivamente rinforzati con tessuti in fibra di basalto. L'obiettivo principale di questa ricerca è valutare la risposta sismica dei telai in calcestruzzo armato identificando il danneggiamento dei nodi. Le variazioni di rigidezza e la progressione del danneggiamento vengono analizzate attraverso test dinamici sperimentali. Inoltre, per promuovere soluzioni sostenibili dal punto di vista ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche, è stato scelto un metodo di rinforzo con FRP applicato esternamente (EB) utilizzando fibre minerali di basalto. Viene presentato un confronto tra le prestazioni dei nodi non rinforzati e quelli rinforzati, insieme ad un'analisi dei meccanismi di danno osservati. Il comportamento del campione in calcestruzzo armato è stato inoltre analizzato tramite una modellazione teorica agli elementi finiti (FEM) con un procedimento non lineare e i risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali per validare le conclusioni di questo studio. ​