Analisi numerico-sperimentale del comportamento a fatica di elementi in acciaio esternamente rinforzati con fibre di carbonio

In the dissertation are presented the results of an experimental and numerical programme aims to characterize the fatigue behaviour of a steel member reinforced with FRP materials. Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) composites externally bonded on a metallic element have proven to be effective in enhancing the load carrying capacity and in extending the fatigue life of steel structural member subjected to a cyclic load. This technique has lead to great advances in repairing and strengthening cracked or aged metallic structures. After a report about the use of FRP material for strengthening purpose on the metallic structures based on the literature, a numerical analysis was performed in order to investigate the patch’s efficiencies among the extending the fatigue life in a cracked elements The stress intensity factor in the notched plates is computed by a two-dimensional finite elements model in connection with the three layer technique in order to reduce the computational effort. A suitable analytical model based on the weight function and fracture mechanics is developed to evaluate the stress intensity factor. Due to the high stress concentration at the plate crack tip, debond is assumed to occurs at the adhesive-plate interface. The efficiency of the reinforcement technique was finally investigated with a fatigue test plan performed on cracked steel plates reinforced with several patches configurations; both pre-preg textile, both pultruded laminate was bonded to create a single side repairs configurations The tests was performed at the laboratories of the University of Surrey (UK) and of the Politecnico di Milano. The results show that the use of CFRP bonded among the tip area allows to reduce the fatigue crack growth and allows to extend the fatigue life of the damaged item. The use of asymmetrical patch configurations bonded in an eccentric position allows a better capacity utilization of reinforcement. The results of numerical analysis are compared with the experimental values by showing a good deal when a debonded elliptical region in considered.

L’elaborato di tesi presenta i risultati di uno studio numerico-sperimentale condotto al fine di caratterizzare il comportamento a fatica degli elementi in acciaio rinforzati con FRP. E’ noto che l’incollaggio di materiali compositi sugli elementi metallici consente di incrementarne la capacità portante, presenta ottimi vantaggi nell’ambito del ripristino e del rinforzo strutturale di elementi metallici danneggiati o vetusti, e infine consente l’estensione della vita a fatica. Dopo aver fornito un quadro riassuntivo dei campi d’utilizzo dei rinforzi in CFRP nelle strutture in acciaio basato sulla letteratura disponibile sull’argomento, è stata condotta un’analisi numerico-parametrica sull’efficienza della patch in composito nel rinforzo a fatica. Il valore dello stress intensity factor all’apice della fessura è valutato con un modello a elementi finiti di tipo bidimensionale ottenuto adottando la three layer technique per ridurre l’onere computazionale. E’ inoltre proposto un metodo analitico, per il calcolo del fattore di amplificazione degli sforzi nelle geometrie rinforzate, basato sull’uso delle funzioni peso e sui concetti della meccanica della frattura. A causa dell’elevata concentrazione degli sforzi, si sono considerati, i fenomeni di debonding all’interfaccia acciaio/adesivo. L’efficienza della tecnica di rinforzo è stata infine studiata sperimentalmente testando a fatica piatti metallici fessurati rinforzati con diverse configurazione di patch e utilizzando sia tessuti preimpregnati che laminati pultrusi incollati su un solo lato dell’elemento danneggiato. La campagna sperimentale è stata condotta presso i laboratori della University of Surrey (UK) e del Politecnico di Milano. I risultati mostrano che l’incollaggio di rinforzi in CFRP nella zona dell’apice della fessura consente di ridurre la velocità di propagazione della fessura e permette così di estendere la vita a fatica dell’elemento danneggiato. L’utilizzo di configurazioni di patch asimmetriche disposte in posizione eccentrica consente di ottenere un miglior sfruttamento delle capacità del rinforzo. I risultati delle analisi numeriche sono infine confrontati con i valori sperimentali mostrando un buon accordo quando si considera un zona delaminata di forma ellittica nella zona dell’apice della fessura.