Peeling failure in beams strengthened by plate bonding. A design proposal
Authors:   , Oller Ibars Eva 
Published: July 2023

La necesidad de refuerzo estructural en una infraestructura existente puede venir motivada por la aparición de nuevos condicionantes de uso o por la degradación de los materiales. Desde finales de los años sesenta, la técnica del refuerzo mediante la adhesión de platabandas metálicas se ha llevado a la práctica como alternativa a otros métodos de refuerzo tradicionales. Sin embargo, las platabandas metálicas presentan algunas desventajas, como son su peso y su posible corrosión por agentes atmosféricos, que pueden solventarse sustituyéndolas por laminados de polímeros reforzados con fibras (FRP). Estos materiales poseen relaciones resistencia/peso y rigidez/peso mayores que el acero, facilitando su colocación, reduciendo costes y plazos de ejecución.<br/><br/>En numerosos estudios empíricos se observa como la aplicación de laminados encolados puede resultar en una rotura frágil que conduce al desprendimiento prematuro del refuerzo antes de alcanzar la carga última.<br/><br/>El principal objetivo de este trabajo es el desarrollo de un método simple y efectivo para dimensionar y comprobar el refuerzo de estructuras existentes con laminados adheridos de tal forma que se eviten los modos prematuros de rotura que conducen al desprendimiento del laminado. Se ha dedicado especial atención a la transferencia de tensiones de laminado a hormigón que resulta el punto clave del correcto comportamiento de este tipo de refuerzo.<br/><br/>En el Capítulo 2, tras una revisión histórica de las líneas de investigación existentes, experimentales y teóricas, se ha evaluado mediante una base de datos experimental la fiabilidad de los modelos teóricos existentes para pronosticar y prevenir los modos de rotura prematuros antes mencionados. Esta base de datos experimental incluye resultados de la literatura existente y de una campaña experimental llevada a cabo por el autor en el Laboratorio de Tecnología de Estructuras de la Universidad Politécnica de Cataluña.<br/><br/>Para resolver las deficiencias de los modelos teóricos existentes, en el Capítulo 3, se ha aplicado la teoría de la Mecánica de Fractura No Lineal a un caso de corte puro para modelizar el comportamiento de la interfase y sus roturas prematuras. Se han obtenido las distribuciones de tensiones en la interfase y en el laminado junto a la fuerza máxima transferida en función de tres parámetros (energía de fractura, máxima tensión tangencial y deslizamiento asociado a dicha tensión).<br/><br/>La formulación de un caso de corte puro se ha extendido a un caso general de una viga bajo cargas transversales en el Capítulo 4. Se ha estudiado la evolución del desprendimiento del laminado en dos casos específicos: un elemento entre dos fisuras contiguas, y un elemento entre el extremo del laminado y la siguiente fisura. Se han obtenido las distribuciones de tensiones para las distintas fases del proceso. Cabe mencionar que la fuerza transferida entre dos fisuras alcanza su máximo valor cuando la tensión tangencial máxima llega a la fisura menos cargada. En este instante, ya se puede haber iniciado o no la formación de una macrofisura. El elemento entre el extremo del laminado y la siguiente fisura es similar al caso de corte puro.<br/><br/>Las distribuciones de tensiones presentadas en el Capítulo 4 nos ayudan a comprender el comportamiento de un elemento reforzado con laminados adheridos en su cara traccionada, sin embargo, resultan complejas en la práctica. En el Capítulo 5 se describe un nuevo método de dimensionamiento y verificación basado en la obtención de una relación entre el máximo cortante antes de que se produzca el desprendimiento prematuro del refuerzo y el momento aplicado. Esta relación está asociada a la fuerza máxima transferida entre fisuras. A partir de la predicción del valor máximo de cortante, se verifica el desprendimiento del extremo del laminado evaluando la fuerza transferida entre dicho punto y la siguiente fisura. Se ha verificado la fiabilidad de esta propuesta mediante la base de datos de ensayos a flexión.<br/><br/>Finalmente, en el Capítulo 6 se resumen las principales conclusiones del trabajo presentado en esta tesis y se sugieren futuras líneas de investigación.
The strengthening of aging infrastructures is in most cases required because of the necessity for increased levels of service loads or because of the degradation of structural materials. The technique of strengthening by externally bonding steel plates has been in practice since the late 1960's. However, steel plates present some disadvantages in terms of weight and corrosion that can be solved by replacing them with fiber reinforced polymer (FRP) laminates. FRP laminates provide benefits such as high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, corrosion resistance as well as reduced installation costs due to their easy-handling.<br/><br/>Existing experimental work has shown that the application of externally bonded laminates can result in a catastrophic brittle failure in the form of a premature debonding of the laminate before reaching the design load.<br/><br/>The main aim of this research has been the development of a simple effective method to design and verify the strengthening of an existing structure with an externally bonded plate while preventing the premature peeling failure that causes the laminate to debond. Special attention has been drawn on to transfer of stresses from laminate to concrete through the interface, which is the main key in the correct performance of externally reinforced concrete structures.<br/><br/>After a historical overview of the existing experimental and theoretical lines of research, the suitability of using existing theoretical models to forecast and prevent peeling failures is evaluated in Chapter 2 by means of an experimental bending test database. This database includes results from the existing literature and results from an experimental program conducted by the author at the Structural Technology Laboratory of the Technical University of Catalonia.<br/><br/>To solve the weaknesses of the existing theoretical models, in Chapter 3, Non-Linear Fracture Mechanics theory is applied in a pure shear case to model the interface behavior and its premature failures. The stress distributions, together with the maximum transferred force are obtained as a function of three model parameters (the fracture energy, the maximum shear stress and the sliding associated to this stress).<br/><br/>The formulae of a pure shear specimen are then extended to a general case of a beam under transverse loads in Chapter 4. For this purpose, the evolution of the debonding process is studied for two specific cases: a beam element between two cracks, and a beam element between the laminate end and the nearest crack. The stress distributions are obtained for the different stages observed in the debonding process. A specific highlight observed was that the transferred force between cracks is at maximum when the maximum shear stress reaches the less-loaded crack. In this instance, a macrocrack may or may not have already initiated. Another point observed is related to the beam element between the laminate end and the nearest crack, which is similar to the pure shear specimen.<br/><br/>The stress distributions derived in Chapter 4 allow us to understand the behavior of an externally reinforced element, but are awkward for design purposes. Chapter 5 describes both a new design and verification method based on a maximum shear force-bending moment relationship associated to the theoretical maximum transferred force between two consecutive cracks before peeling occurs. After calculating the predicted value for the maximum shear force from the peeling relationship, the developed method verifies the debonding at the laminate end by checking the transferred force between the laminate end and the first crack in the laminate. The reliability of this proposal is verified by means of the assembled bending test database.<br/><br/>Finally, the main conclusions drawn from the work presented in this dissertation are summarized in Chapter 6. Future work and research lines are suggested as well.