Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en composites CCLAB)

System ductility and redundancy of FRP structures with ductile adhesively-bonded joints

Castro San Román, Julia de ; Keller, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3214.

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    Summary
    Fiber-reinforced polymer (FRP) composites offer several advantages in relation to traditional materials, such as high specific strength, good corrosion resistance, low thermal conductivity and rapid component installation. Despite the great potential of these materials, two major disadvantages limit their acceptance in civil engineering applications: their lack of inherent ductility and the fact that their fibrous and anisotropic character makes the joining of structural components difficult. The purposes of this research are to develop ductile structures using brittle all-FRP materials and to provide a corresponding design method assuring robustness and structural safety. The proposed concept for all-FRP structures incorporates system ductility through the use of ductile, adhesively-bonded joints and redundant (statically indeterminate) structural systems. The concept envisages adhesives with an initially elastic behavior sufficiently stiff to meet short- and long-term serviceability requirements. When serviceability and ultimate loads are exceeded, however, adhesive behavior should change and become plastic, or at least highly non-linear inelastic, with much lower stiffness. The ductile connections effect a favorable redistribution of internal and external forces in the redundant system in the same way as plastic hinges in statically indeterminate systems with ductile materials. In case of joint failure, the redundant system allows the creation of alternative load paths and redistribution of section forces preventing structural collapse. Numerical and experimental investigations of adhesively-bonded double-lap joints demonstrate that using an appropriate bilinear adhesive is more advantageous than using a traditional structural and stiff epoxy adhesive. These investigations show that ductile adhesives generate a linear axial strain distribution and consequently a constant shear stress distribution along the overlap. Numerical and analytical modelings are validated with experimental results. The numerical modeling allows evaluation of the effect of ductile adhesive behavior on joint behavior and establishment of recommendations for the selection of adhesive mechanical properties, according to serviceability and failure limit state requirements. Based on numerical modeling results, joints can also be classified according to stiffness (stiff or flexible). An analytical model, based on numerical and experimental results, is developed for predicting joint stiffness when using ductile adhesives, assuming that the adhesive deforms only and uniformly in shear and that adherends deform only in tension. The design method is developed in accordance with the new structural concept and Eurocode design philosophy. It is based on both numerical and analytical model results for adhesively-bonded double-lap joints. A case study illustrating the adhesively-bonded joint design and appropriate adhesive selection is carried out on continuous beams with adhesively-bonded joints at mid-support. Corresponding bending experiments on beams with ductile, adhesively-bonded connections demonstrate the new structural concept's feasibility and validate the proposed design method. An energy factor defined as the ultimate strength to serviceability limit state energy ratio is proposed to quantify and compare the robustness and safety of structures built from both ductile and brittle materials.
    Résumé
    Les matériaux composites à base de polymères renforcés par des fibres (FRP) offrent de nombreux avantages par rapport aux matériaux de construction traditionnels tels qu'une haute résistance et rigidité spécifique, une bonne résistance à la corrosion et une faible conductivité thermique. Malgré leur grand potentiel, deux inconvénients majeurs limitent l'application des FRP dans le génie civil, d'une part leur manque de ductilité et d'autre part leur caractère fibreux et anisotrope qui rend difficile l'assemblage des composants structuraux. Le but de cette recherche est de développer des structures en FRP ductiles et de fournir une méthode de dimensionnement garantissant la construction de structures robustes et sûres. Le concept de structure proposé comprend des systèmes ductiles de part l'utilisation de joints collés ductiles et de systèmes redondants (hyperstatiques). Le concept envisage l'emploi d'adhésifs initialement rigides garantissant l'aptitude au service à long et court terme puis plastiques ou souples au-delà de l'état de service et de la sécurité structurale. Les connexions ductiles garantissent une redistribution des efforts internes et des réactions externes dans la structure de manière analogue à la redistribution créée par les rotules plastiques qui se développent dans les structures hyperstatiques en matériaux ductiles. Lorsqu'une rupture de joint survient, le système redondant permet la redistribution des forces en évitant la ruine de la structure. Des études numériques et expérimentales de joints collés à double recouvrement ont permis de démontrer les avantages d'utiliser un adhésif bilinéaire approprié plutôt que de l'époxyde, adhésif structural et rigide traditionnellement employé. Ces études indiquent que les adhésifs ductiles gênèrent dans les adhérents une distribution des déformations axiales linéaire et par conséquent une distribution des déformations de cisaillement constante le long du recouvrement. Les études numériques et analytiques sont validées par les résultats expérimentaux. Le modèle numérique permet d'évaluer l'effet des adhésifs ductiles sur le comportement des joints collés et d'établir ainsi des recommandations sur le choix des propriétés mécaniques de l'adhésif assurant l'aptitude au service et la sécurité structurale. D'après les résultats du modèle numérique, les joints peuvent être classifiés selon leur rigidité en rigide ou souple. Un modèle analytique établi d'après les résultats numériques et expérimentaux, permet de prédire la rigidité des joints collés à base d'adhésifs ductiles en supposant que l'adhésif se déforme exclusivement et uniformément en cisaillement et les adhérents uniquement en tension. La méthode de dimensionnement se base sur la philosophie du nouveau concept structural et des Eurocodes. Elle est fondée sur les résultats numériques et analytiques des joints collés à double recouvrement. L'étude de cas d'une poutre continue sur deux travées avec des joints collés à l'appui central permet d'illustrer le dimensionnent de joints collés et la sélection de l'adhésif approprié. Par la suite, des essais de flexions sur de telles poutres ont démontré la faisabilité du nouveau concept structural et validé la méthode de dimensionnent proposée. Un facteur d'énergie, défini comme le rapport des énergies internes à l'état ultime et à l'aptitude au service, est proposé afin de quantifier et de comparer la robustesse et la sécurité de structures construites à partir de matériaux ductiles et fragiles.
    Zusammenfassung
    Faserverstärkte Kunststoffe (FRP) bieten gegenüber traditionellen Materialien mehrere Vorteile, wie zum Beispiel hohe spezifische Festigkeiten, einen guten Korrosionswiderstand, geringe Wärmeleitfähigkeit und schnelle Installation. Trotz des hohen Potentials wird die Akzeptanz des Materials durch zwei Hauptnachteile bei der Anwendung in Ingenieurtraggwerken eingegrenzt: zum einen durch das Fehlen ausreichender Duktilität und zum anderen der faserhafte Aufbau und die dadurch resultierende Anisotropie, durch die sich Verbindungen von Tragkomponenten schwierig gestalten. Ziel dieser Arbeit ist es, duktile Tragstrukturen aus spröden FRP Materialien zu entwickeln und ein entsprechendes Bemessungskonzept zu erstellen, welches Robustheit und strukturelle Sicherheit bietet. Das vorgestellte Konzept für Tragstrukturen aus FRP erzeugt Systemduktilität durch die Verwendung von duktilen, geklebten Verbindungen und redundanten (statisch unbestimmten) Systemen. Das Konzept sieht Kleber mit zunächst elastischen Verhalten vor, die über eine ausreichende Steifigkeit im Gebrauchszustand bei Kurz- und Langzeitbeanspruchungen verfügen. Beim Überschreiten der Gebrauchslasten und Bruchlasten sollte das Verhalten des Klebers plastisch oder zumindest stark nichtlinear inelastisch mit geringerer Steifigkeit. Bei Versagen der Klebeverbindungen entstehen im redundanten System alternative Lastpfade und eine Umverteilung der inneren Kräfte, die das Versagen der Struktur verhindern sollen. Numerische und experimentelle Untersuchungen von geklebten Doppellaschenanschlüsse zeigen, dass die Verwendung eines adäquaten Klebers mit bilinearen Werkstoffeigenschaften vorteilhafter ist als die Verwendung eines traditionellen, steifen Epoxidkleber. Die Untersuchungen zeigen, dass duktile Kleber eine lineare axiale Dehnungsverteilung und somit eine konstante Schubspannungsverteilung entlang der Überlappung erzeugen. Numerische und analytische Modelle wurden mit den Ergebnissen aus den Experimenten bestätigt. Die numerische Modellierung erlaubt eine Auswertung des Einflusses des duktilen Kleberverhaltens auf das Verhalten des Anschlusses und die Angabe von Empfehlungen für die Wahl der mechanischen Eigenschaften des Klebers in Bezug auf Gebrauchslast und Anforderungen an die Bruchlast. Ausgehend von den numerischen Ergebnismodellierung können Anschlüsse nach ihrer Steifigkeit klassifiziert werden (starr oder weich). Ein analytisches Modell, basierend auf den numerischen und experimentellen Ergebnissen, wird zur Bestimmung der Anschlusssteifigkeit bei Verwendung von duktilen Klebern entwickelt, unter Annahme, dass der Kleber sich alleinig und gleichmäßig unter Schub verformt und dass die FRP Elemente nur Zugverformungen erfahren. Das Bemessungskonzept wurde entsprechend des neuen Tragkonzeptes und der Bemessungsphilosophie nach Eurocode entwickelt. Es basiert auf den numerischen und analytischen Ergebnissen für geklebte Doppellaschenanschlüsse. Eine Fallstudie veranschaulicht die Verwendung von geklebten Anschlüssen, bei dem ein Dreifeldträger über dem Mittelauflager unter Verwendung von angemessenen Klebern zu einem Durchlaufträger ausgebildet wird. Biegeversuche an Trägern mit duktilen geklebten Verbindungen zeigen die Machbarkeit des neuen Tragkonzeptes und bestätigen das vorgeschlagene Bemessungskonzept. Ein Energiefaktor, der sich als Verhältnis zwischen der Energie unter Bruchlast und unter Gebrauchslast definiert, wird vorgeschlagen. Er dient zur Bestimmung und zum Vergleich von Robustheit und Tragsicherheit von Tragstrukturen aus duktilen und spröden Materialien.