Investigation on the effect of lap splice length in PBO FRCM composites

Fibre reinforced composite materials (FRCM) have emerged as a replacement solution for the Fibre reinforced polymers (FRP) for structural upgrading, mainly, due to their compatibility to masonry and concrete substrates, and for their better performance under high temperatures. However, there is a gap between the theoretical aspects of the FRCM structural upgrading system and the real-world use. It has not been covered not empirically, nor experimentally about the minimum required lap splice length of the fibres’ strips. In that sense, the present research thesis aims to investigate the minimum required overlap length of the fibres in a PBO-FRCM (polyparaphenylene benzo-bisoxazole) composite. In order to do so, two sets of numerical models were employed: Pre cracked models and CDP (concrete damaged plasticity) models. Both considered the same materials, setups and dimensions, and most importantly, the same Cohesive Material Law, at the contact interaction between fibres and matrix. The difference between the mentioned sets of models is the way it is input the matrix’s cracks in the FEA software (ABAQUS). For each set, it was performed seven models. Whose properties were identical with the solely difference of the fibres’ overlap length used. Both sets of models yielded results which were in good agreement, and lead to the main conclusion that, in order to obtain a lap splice whose behaviour is that of a continuous fibre, its length has to be at least higher than the effective bond length, which was found to be 250 mm.

In letteratura è emerso che i materiali compositi rinforzati con fibre (FRCM) sono una soluzione sostitutiva per i polimeri rinforzati con fibre (FRP) per il rinforzamiento strutturale, principalmente grazie alla loro compatibilità con i supporti in muratura e calcestruzzo, e per le loro migliori prestazioni alle alte temperature. Tuttavia, esiste un divario tra gli aspetti teorici del sistema di miglioramento strutturale dell'FRCM e l'uso nel mondo reale. Non è stata considerata in termini non empirici, né sperimentali la lunghezza minima necessaria per la giunzione delle strisce delle fibre. In tal senso, la presente tesi mira a studiare la lunghezza minima di sovrapposizione richiesta delle fibre in un composito PBO-FRCM. Per fare ciò, sono state impiegate due sets di modelli numerici: modelli “prec-cracked” e modelli “CDP” (calcestruzzo con plasticità danneggiata). Entrambi hanno considerato gli stessi materiali, set up e dimensioni e, soprattutto, la stessa “Cohesive Materials Law”, all'interazione di contatto tra fibre e matrice. La differenza tra i gruppi di modelli citati è il modo in cui vengono immesse le fessure della matrice nel software FEA (ABAQUS). Per ogni set sono stati eseguiti sette modelli. Le cui proprietà erano identiche all'unica differenza della lunghezza di sovrapposizione delle fibre utilizzata. Entrambe sets di modelli hanno fornito risultati che erano in buon accordo e portano alla conclusione principale che, al fine di ottenere una giuntura delle fibre cui comportamento è quello delle fibre continue, la lunghezza di sovraposizione deve essere almeno superiore alla lunghezza effettiva del legame, che è risultata essere di 250 mm.