Interface behavior of fiber reinforced polymer composites externally glued to quasi-brittle substrates

Carrara, Pietro

Der Einsatz außen geklebter Faserverbundwerkstoffe (fiber-reinforced polymers, FRP) als Verstärkung, um die Schwäche quasi-spröder Elemente bei Zugbelastung zu überwinden, hat in den letzten Jahren an großer Aufmerksamkeit gewonnen. Experimentelle und theoretische Studien haben gezeigt, dass wenn die FKV-Substrat-Verbindung überwiegend auf Schub belastet wird, die Ablösung eine der hauptsächlichen Versagenskriterien ist. Diese tritt auf, wenn die Schubtragfähigkeit des Systems erreicht ist und sich ein Riss unterhalb der Klebfläche, wenige Millimeter innerhalb des Substrats ausbreitet und die Ablösung des Verbundelements bewirkt. In der vorliegenden Arbeit wird das Grenzflächenverhalten von FRP-Verbindungen mittels experimenteller und numerischer Studien untersucht. Eine neue Zugscherversuchsanordnung wird vorgeschlagen, die es erstmalig für diese Art von Verstärkung ermöglicht, der gesamten Kraft-Weg-Kurve stabil zu folgen. Der vorgeschlagene Aufbau wird genutzt, um die Klebergebnisse von Faser-Kunststoff-Verbunden zu untersuchen, die sowohl auf Beton als auch Mauerwerken appliziert werden. Die Testergebnisse zeigen eine Abhängigkeit des globalen Verhaltens von der initialen Länge der Klebung auf und deuten auf das Vorhandensein nicht unerheblicher Spannungen senkrecht zur Klebfläche hin. Um die Veränderungen im Verhalten zu reproduzieren, die während der experimentellen Testreihen beobachtet wurde, wird ein neuartiges Kohäsivzonenmodell vorgeschlagen und validiert, welches das Vorhandensein und die Koppelung zwischen Normal- und Tangentialspannungen berücksichtigt. Außerdem wird das Problem der Materialermüdung für diese Verbindungen untersucht und ein neues, thermodynamisch konsistentes, numerisches Modell formuliert, das Schaden und Plastizität unter reinen Scherbedingungen koppelt. Die numerischen Simulationen auf Basis der beiden vorgeschlagenen Modelle werden mit experimentellen Ergebnissen aus den durchgeführten Tests sowie der verfügbaren Literatur verglichen. Außerdem werden die Verbesserungen im Vergleich zu aktuell verfügbaren Modellen dargestellt. Zum Schluss wird - den Vorteil neuer experimenteller Studien ausnutzend und mit theoretischen Überlegungen als Ausgangspunkt - eine modifizierte, praxistaugliche Berechnungsformel für die Schubtragfähigkeit von FRP-Verstärkungen, die auf Mauerwerk-Substraten appliziert werden, vorgeschlagen und mit Hilfe einer großen Datenbank aus Ergebnissen in der Literatur kalibriert.

The use of externally glued fiber-reinforced polymers (FRP) as reinforcement to overcome the tensile deficiency of quasi-brittle elements (e.g. concrete beams, shear walls, masonry arches) has gained great popularity during the last years. Experimental and theoretical studies demonstrated that, when the FRP-substrate joint is mostly stressed in shear, one of the princiapal failure mechanisms is the debonding. It occurs when the shear capacity of the system is reached and a crack develops underneath the bond plane a few millimeters inside the substrate, causing the detachment of the composite element. In the present work the interface behavior of FRP joints is studied by means of experimental and numerical studies. A new single-lap test setup is proposed allowing to stably follow, for the first time, the entire equilibrium path of this kind of reinforcement. The proposed setup is then adopted to study the bond performances of FRPs applied on both concrete and masonry. The test results highlight a dependence of the global behavior from the initial bonded length and suggest the presence of non-negligible stresses orthogonal to the bonding plane. Also, comparing the results on concrete and on masonry, it is shown how, for this latter kind of substrates, the behavior is strongly influenced by the material texture and composition. To reproduce the changes in behavior observed during the experimental campaign, a novel cohesive zone model that accounts for the presence and the coupling between normal and tangential stresses is proposed and validated. Furthermore, the problem of the fatigue failure for this joints is studied and a new thermodynamically consistent numerical model that couples damage and plasticity under pure shear conditions is formulated. The numerical simulations coming from the two proposed models are compared to experimental results coming from the performed tests as well as from the available literature. Moreover, the improvements with respect to the models to date available are highlighted. Finally, taking advantage of new experimental studies and starting from theoretical considerations, a modified practical design formula for the debonding capacity for FRP reinforcements applied on masonry substrates is proposed and calibrated over a large database of results collected form the literature.

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Carrara, Pietro: Interface behavior of fiber reinforced polymer composites externally glued to quasi-brittle substrates. 2014.

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