An experimental and analytical study on the fatigue behavior of CFRP strengthened steel beams

This thesis presents the findings of an experimental and analytical study on the behavior of notched steel beams reinforced using carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites externally bonded with toughened epoxy adhesives. Fatigue cracking in steel structures is a critical concern, as it compromises structural integrity under cyclic loading and reduces service life. Traditional repair methods often fall short in enhancing fatigue resistance, prompting the need for more effective solutions. CFRP composites, known for their lightweight and high-strength properties, have shown promise in structural rehabilitation, but the type of adhesive used plays a crucial role in their performance. In this research, steel beams were reinforced with CFRP composites bonded using toughened epoxy adhesives and tested under fatigue loading. Their behavior was compared to existing experimental data on similar beams bonded with brittle epoxy adhesives. Key parameters such as fatigue crack propagation, stress intensity, and fatigue life extension were analyzed. An analytical fatigue life prediction model was also developed using fracture mechanics and Paris’ Law. This approach enabled estimation of crack growth and comparison with the experimental results obtained in this study. The results demonstrate that CFRP composites bonded with toughened epoxy adhesives significantly improve the fatigue resistance of steel beams, reducing crack growth and extending service life. The toughened epoxy provided enhanced crack resistance and durability, outperforming brittle adhesives in fatigue-critical applications. These findings highlight the potential of using advanced adhesive systems in combination with CFRP composites to effectively rehabilitate and strengthen steel structures under cyclic loading, offering a durable and efficient solution for extending the life of critical infrastructure.

Questa tesi presenta i risultati di uno studio sperimentale e analitico sul comportamento di travi in acciaio intagliate, rinforzate con compositi in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) applicati esternamente mediante adesivi epossidici tenacizzati. La formazione di cricche da fatica nelle strutture in acciaio rappresenta una problematica critica, poiché compromette l'integrità strutturale sotto carichi ciclici, riducendo la vita utile delle strutture. I metodi di riparazione tradizionali spesso non sono sufficienti a migliorare la resistenza a fatica, rendendo necessarie soluzioni più efficaci. I compositi CFRP, noti per la loro leggerezza e resistenza elevata, hanno mostrato risultati promettenti nel rinforzo strutturale, ma il tipo di adesivo utilizzato risulta determinante per le prestazioni complessive. In questo lavoro, travi in acciaio sono state rinforzate con compositi CFRP incollati tramite adesivi epossidici tenacizzati e sottoposte a prove di fatica. Il loro comportamento è stato confrontato con dati sperimentali esistenti relativi a travi simili rinforzate con adesivi epossidici fragili. Sono stati analizzati parametri chiave come la propagazione della cricca da fatica, la distribuzione delle tensioni e l’estensione della vita a fatica. È stato inoltre sviluppato un modello analitico per la previsione della vita a fatica basato sulla meccanica della frattura e sulla legge di Paris. Questo approccio ha permesso di stimare la crescita della cricca e di confrontare i risultati teorici con quelli sperimentali ottenuti nel presente studio. I risultati dimostrano che i compositi CFRP incollati con adesivi epossidici tenacizzati migliorano significativamente la resistenza a fatica delle travi in acciaio, riducendo la propagazione delle cricche e prolungandone la vita utile. L’adesivo tenacizzato offre una maggiore durabilità e resistenza alla cricca, superando le prestazioni degli adesivi fragili nelle applicazioni soggette a fatica. Questi risultati evidenziano il potenziale dell’uso di sistemi adesivi avanzati in combinazione con compositi CFRP per riabilitare e rinforzare efficacemente le strutture in acciaio sottoposte a carichi ciclici, offrendo una soluzione durevole ed efficiente per prolungare la vita delle infrastrutture critiche.