Structural glass flexural strengthening with CFRP composites and Fe-SMA based on passive, active and hybrid techniques

Abstract

Contemporary architecture encourages the use of glass in structural applications. Glass industry has developed the thermal toughening to increase its tensile strength and lamination to prevent brittle failure. However, glass can still fail unexpectedly due to the growth of surface flaws. Recent studies have focused on glass composite systems, mainly using steel as reinforcement. Other reinforcement materials (e.g. CFRP and Fe-SMA) and application techniques (e.g. prestressing) need also to be explored, given their promising features to face the growing structural challenges. This thesis aimed at covering two main topics related to structural glass: (i) post-cracking performance and (ii) mechanical post-tensioning. Its main objective was to evaluate the feasibility of using CFRP and Fe-SMA as reinforcement in flexure to obtain ductile failure modes, as well as the application of post-tensioning to reduce the unpredictability of the glass fracture strength. The experimental programs included (i) tensile tests on double-lap joints to assess the bond performance of glass-to- CFRP adhesive connections, (ii) flexural tests on small-scale monolithic glass beams with externally bonded CFRP or Fe-SMA reinforcements, and (iii) flexural tests on large-scale laminated glass beams with hybrid (EBR + NSM) strengthening. It was possible to obtain ductile failure modes when glass was strengthened with CFRP and Fe-SMA. The post-cracking performance was sensitive to the adhesive type, reinforcement material, strengthening system and, in the case of Fe-SMA reinforced glass, the activation temperature. Hybrid strengthening systems prevented premature debonding of the reinforcement and made better use of its tensile capacity. NSM-CFRP composite systems were safely prestressed and FRP peeling-off failure was avoided during load releasing. Considering the importance of design rules for practitioners, numerical modelling was carried out to assess (i) the efficiency of different constitutive models to simulate the non-linear behaviour of glass in tension and (ii) the influence of design parameters on the numerical response of glass composite systems. Further numerical simulations were performed to better understand the structural performance of CFRP reinforced glass elements, including at the level of the glass-to-CFRP adhesive joint. The results obtained were promising, and although additional studies are needed, new perspectives were opened for a future safer and widespread use of glass as a structural material.

A arquitetura contemporânea tem encorajado a aplicação estrutural do vidro. A indústria do vidro desenvolveu os processos de têmpera, de modo a aumentar a sua resistência à tração, e de laminação, com o propósito de evitar roturas frágeis. O vidro pode, ainda assim, romper inesperadamente devido à propagação de defeitos superficiais. Recentemente, os sistemas compósitos de vidro têm sido estudados como uma alternativa para prevenir roturas inesperadas, usando principalmente aço. Outros tipos de reforço recentes (ex: CFRP e Fe-SMA) e técnicas de aplicação (por exemplo, protensão) apresentam também características promissoras. Esta tese aborda dois tópicos cruciais no contexto do vidro estrutural: (i) o comportamento pósfissuração e (ii) o pré-esforço mecânico. A obtenção de modos de rotura dúcteis por via do reforço com CFRP e Fe-SMA e a redução da imprevisibilidade da resistência à tração do vidro por via da aplicação de pré-esforço foram os principais objetivos deste estudo. Os programas experimentais incluíram (i) ensaios em juntas de sobreposição dupla para caracterizar o desempenho de ligações adesivas vidro-CFRP, (ii) ensaios de flexão em vigas de vidro monolítico de pequena dimensão, reforçadas externamente com CFRP e Fe-SMA, e (iii) ensaios de flexão em vigas de vidro laminado de grande dimensão com sistemas de reforço híbridos (EBR + NSM). Foi possível obter roturas dúcteis em elementos estruturais de vidro reforçados com CFRP e Fe-SMA. O desempenho pós-fissuração mostrou ser sensível ao tipo de adesivo, ao material de reforço, ao sistema de reforço e, no caso de vidro reforçado com Fe-SMA, à temperatura de ativação. Os sistemas de reforço híbridos mostraram bons resultados na prevenção do destacamento prematuro do reforço. Considerando a importância das regras de projeto para os sistemas em estudo, realizaram-se simulações numéricas para avaliar (i) a eficácia de diferentes modelos constitutivos para simular o comportamento não-linear do vidro e (ii) a influência de parâmetros de projeto na resposta numérica de sistemas compósitos de vidro. Posteriormente realizaram-se ainda simulações numéricas adicionais para aprofundar o conhecimento sobre o desempenho estrutural de elementos de vidro reforçados com CFRP, incluindo simulações ao nível das juntas adesivas entre vidro e CFRP. Os resultados obtidos foram promissores e, embora sejam necessários estudos adicionais, abriram-se novas perspetivas para que a aplicação estrutural do vidro seja mais segura e generalizada no futuro.