Analysis of circular bond-type anchorages for prestressing composite rods under quasi-static, fatigue and time-dependent loads

Abstract

En estructures pretesades sotmeses a ambients corrosius, s'està estudiant la possibilitat de substituir els tendons d’acer per tendons que no pateixin els efectes de la corrosió. En aquest sentit, els materials compostos Fibre Reinforced Polymer (FRP) són una opció duradora en el disseny d'estructures de formigó pretesat degut a les seves altes propietats mecàniques, pes lleuger i alta resistència a la corrosió. No obstant, un dels reptes associats amb aquesta opció es troba en el desenvolupament d'un sistema d'ancoratge adequat per als tendons de FRP . Per això aquesta investigació ha estudiat la resposta mecànica d’ancoratges d’unió adhesiva per a tendons de FRP sota càrregues quasi-estàtiques, de fatiga i en funció del temps. Aquest objectiu s'ha aconseguit mitjançant la combinació d'una campanya experimental i un treball de modelatge amb el mètode dels elements finits. En aquest sentit s’han dut a terme assaigs experimentals quasi-estàtics en els ancoratges d’unió adhesiva, observant que la ruptura del sistema es produïa en la unió adhesiva entre l’adhesiu i el tendó. En conseqüència, les principals variables estudiades van ser l’espessor de l'adhesiu i la longitud d’adhesió. A través d’una campanya de modelatge numèric amb diferents models, de complexitat creixent, del material adhesiu, es va investigar la resposta quasi-estàtica de l'ancoratge i el seu mecanisme de fallada. El model numèric va ser capaç de predir les dades enregistrades experimentalment quan el modelatge de l’adhesiu es va realitzar amb elements cohesius amb dany progressiu. A més, s’ha desenvolupat una formulació analítica (i validat amb èxit) amb l'objectiu de proporcionar una distribució aproximada de les tensions de tall que es produeixen en la capa adhesiva per ancoratges amb adhesius que es comporten principalment elàstic lineal fins a ruptura. D’altra banda l'ancoratge d’unió adhesiva també es va investigar sota els fenòmens dependents del temps. Per això es van dur a terme assaigs de fluència en unions simples Single Lap Joints ( SLJs ), per tal d'obtenir una llei experimental de fluència, i es van realitzar assaigs de relaxació de la tensió en els ancoratges per estudiar la pèrdua de càrrega en funció del temps. Durant aquests assaigs de relaxació es va estudiar la tècnica del retesat amb l’objectiu d’estudiar l’evolució de les pèrdues de tensió. Es va observar que la tècnica del retesat permet assolir càrregues de treball superiors amb una pèrdua de càrrega mínima. A més a través d’un model visco-plàstic es va predir el temps de fallada a fluència de les SLJs i els ancoratges, basat en la llei de Bailey-Norton i calibrat amb les dades experimentals obtingudes en els assaigs de fluència de les SLJs. El dany de fluència es va modelar mitjançant la degradació de la tensió de fluència plàstica de l'adhesiu i el model numèric es va utilitzar per predir la pèrdua de càrrega dels ancoratges sota el fenomen de relaxació de la tensió. Els resultats enregistrats experimentalment van ser predits adequadament amb el model numèric proposat. Finalment, es va investigar la resposta a la fatiga dels ancoratges d’unió adhesiva. Es van avaluar quatre configuracions d’ancoratge sota tres càrregues de fatiga d'amplitud constant. Els resultats experimentals van permetre l’obtenció d’una corba de vida a fatiga dels ancoratges en funció del nombre de cicles. Mitjançant el mètode d’elements finits, també es va investigar el comportament a fatiga. La llei cohesiva obtinguda en l'anàlisi quasi-estàtic es va utilitzar en el model de la fatiga, on el dany per fatiga s’ha basat en la degradació de les propietats dels elements cohesius. El model numèric va predir amb èxit l'evolució dany per fatiga i la vida per fatiga observada experimentalment . A partir del treball experimental i numèric realitzat en aquesta recerca, es proposen les recomanacions més pertinents per a un possible ús dels ancoratges d’unió adhesiva per tendons FRP en aplicacions de pretensat.

In prestressed structures subjected to corrosive environments, consideration is being given to replacing the steels tendons with non-corrosive tendons. In this respect, Fibre Reinforced Polymer (FRP) materials are a durable option in the design of prestressed concrete structures for use in corrosive environments due to their high mechanical properties, light weight and high resistance to corrosion. However, one of the challenges associated with this option lies in developing a suitable anchorage system for FRP tendons. In the present work, the mechanical response of circular adhesively bonded anchorages for FRP tendons has been investigated under quasi-static, time-dependent and fatigue loading. This has been achieved through a combination of an experimental campaign and finite element modelling work. Experimental quasi-static tests of adhesively bonded anchorages were undertaken with failure occurring in the adhesive-tendon interface. The main variables assessed were the adhesive thickness and the bonded length. In order to investigate the quasi-static response of the bonded anchorage and its failure mechanism, a campaign of numerical modelling was carried out with different material models of increasing complexity for the adhesive layer. A cohesive zone model with progressive damage in the bonded joint was found to be in reasonable agreement with the experimentally recorded data. Additionally, an analytical formulation was developed (and validated against experimental data) with the aim to provide an approximate shear stress distribution in the bonded joint for circular anchors with adhesives which mainly behave linearly elastic up to failure. The adhesively bonded anchor for FRP tendons was also investigated under the time-dependent phenomena. Creep tests on Single Lap Joints (SLJs) were conducted in order to obtain an experimental creep law whereas stress relaxation tests were conducted on adhesively bonded anchorages to study the load loss in time. Furthermore, the restressing technique was assessed during the stress relaxation tests by restressing the specimens, to the original tensioning load, when the load loss was stabilised and constant. It was found that the restressing technique allows for the working load of the composite tendon to be reached with a minimum load loss. A visco-plastic material model, based on the Bailey-Norton law, was calibrated with the experimental data obtained from the creep tests and utilised to predict the creep time to failure of SLJs and anchorages. The creep damage was modelled by degrading the plastic yield stress of the adhesive. The viscoelastic model was also used to predict the load loss of the anchors under the stress relaxation phenomenon. The predicted load loss results were found to be in good agreement with the experimental results recorded. Finally, the fatigue response of the bonded anchorages was investigated. Anchorages with four different adhesive thicknesses were evaluated under three constant amplitude fatigue loadings. The experimental fatigue response of adhesively bonded anchorages was discussed and an experimental load-life average curve was obtained for all the anchorages. The fatigue behaviour was also predicted using Finite Element Analysis. A multi-linear traction-separation cohesive zone model was implemented at the adhesive-tendon interface. The cohesive law obtained in the quasi-static analysis was utilised in the fatigue model. The fatigue damage model utilised in this research was based on the degradation of the cohesive elements taking into account the fatigue damage evolution. The damage model was able to successfully predict the fatigue damage evolution and failure life experimentally observed. From the experimental and numerical work conducted in this investigation, the most relevant recommendations are proposed for a potential use of adhesively bonded anchorages for CFRP tendons in prestressing applications.