Safeability of a beam-to-column adhesive connection for large scale pultruded profiles: experimental investigation and modeling

Abstract

Fibre Reinforced Polymer (FRP) materials are appealing as alternative to traditional construction materials due to their high tensile strength, excellent resistance to aggressive environments, high strength to weight ratio, simple and rapid installation time. Also, due to their low maintenance requirements, these materials offer a promising alternative for the development of more durable and sustainable structures. The connections in GFRP structures are deemed to be essential in providing the required load-carrying capacities. The connection technology for pultruded GFRP profiles presents numerous challenges due to the brittle and anisotropic nature of the material. GFRP profiles are usually connected via bolting, adopting the design rules for similar steel connections, but in the last decade the adhesive technique has gained more and more interest. International Standards stipulates that bonded connections should not be allowed for primary load bearing components. Their use is permitted only in combination with or as a backup for bolted connections. The main reason for the prohibition of bonded connections is lack of knowledge about and experience with the performance of such connections. Hence, there is need for research on bonded connections in order to understand their behavior, in terms of strength and stiffness, and to assess their performance vis-a-vis similar bolted connections. The knowledge thus gained can be used by designers to safely design composite structures with bonded connections, provided that it can be demonstrated to be more advantageous than using bolted connections. Theoretically, there are reasons to believe that bonded connections can be superior to bolted connections in FRP composite structures. In fact, compared with the traditional mechanical assembly technologies (e.g., bolted, pinned or riveted methods), adhesive bonding has a lot of advantages. First of all, nearly all types of materials, including composite materials in particular, can be bonded by adhesives. Secondly, adhesive bonding technology makes bonded structures light in comparison to other assembly technologies (e.g. mechanical fasteners). Thirdly, due to the characteristic of making no holes in the surface prior to bonding, stress concentration can be decreased compared to other methods such as bolting and/or riveting. However, as confirmed by current literature, the mechanical response of structural adhesives in general and that of the bonded joints, in particular, is significantly dependent on several factors such as the temperature (both high and low values) and the moisture which may limit the applicability of structural adhesives. The environmental temperature may exceed the glass transition temperature (Tg) of the adhesive formulation entailing relevant changes in its properties, determining a transition from a hard to a rubbery behaviour, thus compromising its specific application. Due to different environmental parameters experienced by the assembled structures during the use, among which the temperature values, the adhesive can be naturally subjected to a delay or increase in the curing degree. This can lead to adverse or positive changes in strength and stiffness. The speed and extent of the changes depend on the magnitude and duration of the temperatures experienced by the adhesive. [edited by Author]

I materiali polimerici rinforzati con fibre (FRP) sono interessanti come alternativa ai materiali da costruzione tradizionali grazie alla loro elevata resistenza alla trazione, all'eccellente resistenza agli ambienti aggressivi, all'elevato rapporto resistenza/peso, al tempo di installazione semplice e rapido. Inoltre, a causa dei loro bassi requisiti di manutenzione, questi materiali offrono un'alternativa promettente per lo sviluppo di strutture più durevoli e sostenibili. I collegamenti nelle strutture GFRP sono ritenuti essenziali per fornire le capacità di carico richieste. La tecnologia di connessione per profili GFRP pultrusi presenta numerose sfide a causa della natura fragile e anisotropa del materiale. I profili GFRP sono solitamente collegati tramite bullonatura, adottando le regole di progettazione per connessioni in acciaio simili, ma nell'ultimo decennio la tecnica adesiva ha guadagnato sempre più interesse. Le norme internazionali stabiliscono che le connessioni incollate non dovrebbero essere consentite per i componenti portanti primari. Il loro uso è consentito solo in combinazione con o come backup per connessioni imbullonate. La ragione principale del divieto di connessioni vincolate è la mancanza di conoscenza ed esperienza con le prestazioni di tali connessioni. Quindi, c'è bisogno di ricerche sulle connessioni legate al fine di comprendere il loro comportamento, in termini di resistenza e rigidità, e di valutare le loro prestazioni rispetto a connessioni bullonate simili. Le conoscenze così acquisite possono essere utilizzate dai progettisti per progettare in sicurezza strutture composite con connessioni incollate, a condizione che si possa dimostrare che sono più vantaggiose rispetto all'utilizzo di connessioni imbullonate. Teoricamente, ci sono ragioni per credere che le connessioni legate possano essere superiori alle connessioni imbullonate nelle strutture composite FRP. Infatti, rispetto alle tradizionali tecnologie di assemblaggio meccanico (ad esempio, metodi imbullonati, appuntati o rivettati), l'incollaggio adesivo presenta molti vantaggi. Prima di tutto, quasi tutti i tipi di materiali, compresi i materiali compositi in particolare, possono essere incollati da adesivi. In secondo luogo, la tecnologia di incollaggio adesivo rende le strutture incollate leggere rispetto ad altre tecnologie di assemblaggio (ad esempio elementi di fissaggio meccanici). In terzo luogo, a causa della caratteristica di non praticare fori nella superficie prima dell'incollaggio, la concentrazione di stress può essere ridotta rispetto ad altri metodi come la bullonatura e / o la rivettatura. Tuttavia, come confermato dalla letteratura corrente, la risposta meccanica degli adesivi strutturali in generale e quella dei giunti incollati, in particolare, dipende significativamente da diversi fattori come la temperatura (sia valori alti che bassi) e l'umidità che possono limitare l'applicabilità degli adesivi strutturali. La temperatura ambientale può superare la temperatura di transizione vetrosa (Tg) della formulazione adesiva comportando rilevanti variazioni delle sue proprietà, determinando un passaggio da un comportamento duro a uno gommoso, compromettendone così la specifica applicazione. A causa dei diversi parametri ambientali sperimentati dalle strutture assemblate durante l'uso, tra cui i valori di temperatura, l'adesivo può essere naturalmente sottoposto a un ritardo o aumento del grado di polimerizzazione. Ciò può portare a cambiamenti avversi o positivi nella forza e nella rigidità. La velocità e l'entità delle variazioni dipendono dall'entità e dalla durata delle temperature sperimentate dall'adesivo. [a cura dell'Autore]