Strenghtening of fatigue-cracked steel beams using FRP composites externally bonded with toughened epoxy adhesives

The present Master Thesis focuses on the reinforcement, by carbon fibre reinforced polymers (CFRP), of steel beams under fatigue loading. The literature review highlights the knowledge of the scientific community about the reinforcement of structural elements using adhesive-bonded FRP materials. It first describes the toughening mechanisms of epoxy resins and the existing methods for obtaining them. The literature about structural strengthening using FRP materials is then reviewed. It focuses on the application of CFRP materials for the strengthening of existing steel structures and reviews the numerous experimental studies that have shown the effectiveness of this strengthening method for I-section beams under fatigue loading. The main behaviours of the steel-CFRP system are developed, in particular the behaviour of the fatigue crack propagation. The studies presented show the effectiveness of the use of prestresses CFRP band to stop the fatigue crack propagation. Finally, the influence of the chosen adhesive is discussed. Recent research, led in part by the Laboratorio prove materiali, has focused on the experimental behaviour of CFRP reinforcement under fatigue loading with a traditional epoxy adhesive. The present Thesis contains the results of a new experimental campaign led in the laboratory. Test samples of steel beams reinforced with strips of CFRP material using a new-generation resin called toughened resin. It has been demonstrated, through these experiments the benefit of using the toughened epoxy resin compared to the traditional one by a significant increasing of the fatigue life of the specimens.

La presente Master Thesis si concentra sul rinforzo, mediante polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP), di travi in acciaio sottoposte a carico di fatica. La rassegna della letteratura evidenzia le conoscenze della comunità scientifica sul rinforzo di elementi strutturali con materiali FRP adesivi. Descrive innanzitutto i meccanismi di tempra delle resine epossidiche e i metodi esistenti per ottenerli. Viene poi passata in rassegna la letteratura sul rinforzo strutturale con materiali FRP. Si sofferma sull'applicazione dei materiali CFRP per il rinforzo di strutture in acciaio esistenti e passa in rassegna i numerosi studi sperimentali che hanno dimostrato l'efficacia di questo metodo di rinforzo per travi a sezione I sottoposte a carico di fatica. Vengono sviluppati i principali comportamenti del sistema acciaio-CFRP, in particolare il comportamento della propagazione della cricca per fatica. Gli studi presentati mostrano l'efficacia dell'uso della fascia di CFRP precompresso per arrestare la propagazione della fessura a fatica. Infine, viene discussa l'influenza dell'adesivo scelto. Recenti ricerche, condotte in parte dal Laboratorio prove materiali, si sono concentrate sul comportamento sperimentale del rinforzo in CFRP sotto carico a fatica con un tradizionale adesivo epossidico. La presente tesi contiene i risultati di una nuova campagna sperimentale condotta in laboratorio. Campioni di prova di travi in acciaio rinforzati con strisce di materiale CFRP utilizzando una resina di nuova generazione chiamata resina a tenacita migliorata. È stato dimostrato, attraverso questi esperimenti, il vantaggio dell'utilizzo della resina epossidica a tenacita migliorata rispetto a quella tradizionale con un significativo aumento della vita a fatica dei provini.