Analysis of mode I crack propagation in an epoxy adhesive by optical backscatter reflectometry and comparison with digital image correlation

The present thesis work aims at investigating the crack initiation and propagation in adhesive bonded joints through the implementation of advanced monitoring systems. To this purpose, double cantilever beam (DCB) specimens are subjected to pure mode I fracture testing and the back-face strain technique is exploited to monitor the damage propagation inside the adhesive. The crack tip position is identified by optical fibre distributed sensing coupled with Optical Backscatter Reflectometry (OBR), based on the peak position of the strain profile with respect to the load section along the longitudinal back-face of the adherend. Complementary to the optical fibre method, a 3D Digital Image Correlation (DIC) system is implemented. This method is based on the acquisition and comparison of images of the lateral joint surface, to measure the displacement and then the strain field on the analysed surface. Through the DIC method two different crack positions have been obtained, corresponding to the beginning of the plasticization and to the complete fracture of the adhesive. Moreover, analytical models based on the Krenk’s theory and on the Compliance-based Beam Method (CBBM) are considered to determine the crack length. A global comparison among the crack length results, obtained through the different methods, has shown good agreement between the OBR results and the DIC results related to the beginning of plasticity in the adhesive. In this way it is defined the physical meaning of crack tip position obtained through the optical fibre, that is validated as a reliable monitoring system for the Structural Health Monitoring (SHM) of engineering components and infrastructures.

In questo lavoro di tesi si presentano i risultati di uno studio sull’analisi della propagazione di cricca all’interno dei giunti adesivi incollati tramite tecniche di monitoraggio avanzate. A tale scopo, dei provini DCB (Double Cantilever Beam) sono stati sottoposti a test di frattura in modalità I (opening) e la “back-face technique” è stata utilizzata per monitorare la propagazione del difetto all’ interno degli stessi. L’apice di cricca è stato individuato tramite fibra ottica connessa ad un interrogatore OBR (Optical Backscatter Reflectometer), determinando la posizione rispetto al punto di carico dei picchi del profilo di deformazione misurati lungo la superficie dell’aderendo, in direzione longitudinale. Parallelamente al metodo della fibra ottica, è stato implementato un sistema DIC (Digital Image Correlation), basato sull’acquisizione e sul confronto di immagini della superficie laterale deformata del provino, al fine del calcolo del campo di spostamenti e quindi di deformazioni della superficie stessa. Tramite il metodo di DIC sono stati ottenuti risultati riguardo due diversi apici di cricca, relativi all’inizio della plasticità e alla completa rottura del materiale dell’adesivo. La lunghezza di cricca è stata inoltre calcolata tramite metodi analitici classici, basati sul modello di Krenk (trave su letto elastico) e sul “compliance-based beam method” (CBBM). Un confronto globale delle lunghezze di cricca calcolate tramite i diversi metodi ha mostrato accordo tra i risultati della fibra ottica e i risultati della DIC relativi all’inizio della zona plastica dell’adesivo. In questo modo è stato definito il significato fisico dell’apice di cricca rilevato dalla fibra che trova quindi un elemento di supporto all’uso, come metodo avanzato di monitoraggio strutturale di giunti incollati.