Intermediate crack-induced debonding in CFRP plate strengthened steel I-beams : numerical and analytical analysis

In the last decade there has been a growth in the use of the fiber-reinforced polymer composite materials with the main purposes of strengthen a new construction or repair an existing one. One of the technique often in use regards the use of Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) plates externally adhesively bonded to a notched steel beams. However, the possible CFRP intermediate debonding may drastically reduce the reinforced steel beam strength against fatigue propagation. The fatigue load does not directly cause debonding, but it may trigger crack propagation in steel substrate, which influences the CFRP-substrate debonding. In this work, analytical and numerical models for elasto-brittle and elasto-softening adhesives were proposed to evaluate the stress and strain distribution in the reinforcement for a given crack length. The outcomes of the experimental campaigns from the literature were considered to validate the proposed numerical and analytical techniques. A good agreement was found among the analytical, numerical and experimental results in terms of strain distribution in the CFRP material, showing the accuracy of the proposed models. Finally, a parametric analysis was performed to investigate the influence of some parameters on the CFRP strain distribution.

Negli ultimi decenni, si è sempre più affermato l’utilizzo dei materiali compositi fibro-rinforzati allo scopo di migliorare le prestazioni di strutture di nuova costruzione oppure, per riparare elementi strutturali e non già esistenti. Una delle tecniche largamente utilizzate riguarda l’uso di piastre in fibra di carbonio preimpregnate (CFRP) applicate, grazie ad un adesivo epossidico, alla flangia tesa della trave fessurata. Tuttavia, il probabile cedimento del rinforzo per scollamento dal substrato, può ridurre drasticamente la resistenza della trave soggetta a cicli di fatica. Nello specifico, il carico a fatica non causa direttamente lo scollamento del rinforzo, ma innesca una probabile propagazione della fessura che può indurre il debonding. Questo lavoro di tesi propone un’analisi numerica e analitica di due differenti modelli di adesivo: un modello elasto-fragile ed uno caratterizzato anche da un ramo di softening. Nella trattazione di queste due leggi coesive sono stati valutati gli stati di sforzo e deformazione lungo l’interfaccia CFRP-acciaio per diverse lunghezze di cricca, andando a calcolare in particolar modo, la lunghezza delle aree soggette a debonding. I risultati così ottenuti sono stati confrontati con i dati presenti in letteratura provenienti da varie campagne sperimentali i quali hanno avvalorato i modelli analitici e numerici proposti. Si riscontra, inoltre, una buona corrispondenza tra i dati analitici, numerici e sperimentali in termini di sforzi e deformazioni che denota accuratezza nei modelli. In ultima analisi, è stata anche effettuata un’analisi parametrica allo scopo di analizzare l’influenza di vari parametri rispetto lo stato di deformazione.