Fracture and Fatigue of Adhesively-Bonded Fiber-Reinforced Polymer Structural Joints THÈSE NO 4662 (2010) PRÉSENTÉE LE 20 AVRIL 2010 À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT LABORATOIRE DE CONSTRUCTION EN COMPOSITES PROGRAMME DOCTORAL EN STRUCTURES ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Ye ZHANG acceptée sur proposition du jury: Prof. I. Smith, président du jury Prof. T. Keller, Dr A. Vasilopoulos, directeurs de thèse Dr A. Brunner, rapporteur Prof. E. Brühwiler, rapporteur Prof. G. Sedlacek, rapporteur Suisse 2010 CONTENTS    PREFACE  V ABSTRACT  VII RÉSUMÉ  IX ACKNOWLEDGEMENTS  XI 1 INTRODUCTION  1 1.1 Motivation  1 1.2 Objectives  6 1.3 Methodology  7 1.4 Composition of the work  9 2 PUBLICATIONS  15 2.1 Mechanical and fracture behavior of fracture joints under quasi‐static loading  15 2.2 Mechanical and fracture behavior of structural joints under quasi‐static loading  48 2.3 Modeling of mechanical and fracture behavior under quasi‐static loading  74 2.4 Environmental effects under quasi‐static loading  103 2.5 Mechanical behavior under fatigue loading  130 2.6 Fracture behavior under fatigue loading  149 2.7 Environmental effects under fatigue loading  174 3 SUMMARY  195 3.1 Summary of results  195 3.2 Original contributions  197 3.3 Further investigations and future prospects  201 CURRICULUM VITAE  205 APPENDICES ON CD‐ROM ii    CONTENTS OF APPENDICES A  Material Properties of GFRP Laminates  2 A.1  Burn‐off experiments and fiber volume fraction  2 A.2  Determination of tensile strength and modulus of elasticity  5 A.2.1 Experimental program and instrumentation  5 A.2.2 Summary of experimental results  5 A.2.3 Experimental results for individual specimens  7 A.3  Determination of flexural modulus  10 A.3.1 Experimental program and instrumentation  10 A.3.2 Summary of experimental results  11   B  Material Properties of Epoxy Adhesive (Sikadur 330)  12 B.1  Effects of loading rate on tensile modulus of elasticity  12 B.1.1 Experimental program and instrumentation  12 B.1.2 Summary of experimental results  15 B.1.3 Experimental results for individual specimens  18 B.2  Determination of shear properties  27 B.2.1 Experimental program and instrumentation  27 B.2.2 Summary of experimental results  27 B.3  Dynamic Mechanical Analysis (DMA)  30   C  Experimental Investigations of Fracture Joints under Quasi‐Static Loading  31 C.1  Mode I fracture experiments  31 C.1.1 Experimental program and instrumentation  31 C.1.2 Summary of experimental results  31 C.1.3 Experimental results for individual specimens  35 C.2  Mode II fracture experiments  41 C.2.1 Experimental program and instrumentation  41 C.2.2 Summary of experimental results  41 C.2.3 Experimental results for individual specimens  45 C.3  Preliminary Mode II fracture experiments  54 iii C.3.1 Experimental program and instrumentation  54 C.3.2 Summary of experimental results  55 C.3.3 Experimental results for individual specimens  61   D  Experimental Investigations of Structural Joints under Quasi‐Static Loading  67 D.1  Double‐lap joint experiments  67 D.1.1 At 23°C  67 D.1.2 At ‐35°C  94 D.1.3 At temperatures of 40°C and higher  107 D.1.4 At 40°C + 90%RH  125 D.1.5 Preconditioned double‐lap joint experiments  137 D.2  Stepped‐lap joint experiments  140 D.2.1 At 23°C  140 D.2.2 At ‐35°C  154 D.2.3 At 40°C  161   E  Experimental Investigations of Structural Joints under Fatigue Loading  168 E.1  Double‐lap joint experiments  168 E.1.1 At 23°C + 50%RH  168 E.1.2 At ‐35°C  200 E.1.3 At 40°C + 50%RH  235 E.1.4 At 40°C + 90%RH  270 E.2  Stepped‐lap joint experiments at 23°C + 50%RH  305 E.2.1 Experimental program and instrumentation  305 E.2.2 Summary of experimental results  305 E.2.3 Experimental results for individual specimens  308 E.3  Preliminary fatigue experiments at a frequency of 2 Hz  337 E.3.1 Experimental program and instrumentation  337 E.3.2 Summary of experimental results  338 E.3.3 Experimental results for individual specimens  342 iv    F  Numerical Model Source Code (for ANSYS 10.0)  358 F.1  Application of Virtual Crack Closure Technique (VCCT)  358 F.1.1 Source code for Double‐Cantilever‐Beam model (3D)  358 F.1.2 Source code for End‐Loaded‐Split (3D)  363 F.1.3 Source code for double‐lap joint model (2D)  373 F.1.4 Source code for stepped‐lap joint model (2D)  385 F.2  Temperature‐dependent joint stiffness  407 v PREFACE  Fiber‐reinforced polymer (FRP) composites are increasingly used in engineering structures thanks to  their advantageous material properties such as high specific strength, high insensitivity to frost and  de‐icing salts, and short installation times with minimum traffic interference in the case of bridge  construction. Advances in pultrusion technology allow the production of large‐scale structural profiles  at acceptable costs for civil infrastructure applications. However, structural FRP components are still  difficult to connect due to the brittle fibrous and anisotropic nature of the materials. The current  practice of bolting leads, in most cases, to an oversizing of components. Adhesive bonding is much  more appropriate for FRP composites since adhesive joints exhibit higher joint efficiencies and are  much stiffer compared to bolted joints. This is significant with regard to the stiffness‐governed design  of structures using glass fibers (GFRP).   Since GFRP bridges are very light in weight compared to their live loads, the repetitive loading to  which they are subjected raises the question of the fatigue behavior of such structures and, in  particular, their connections. Research concerning the fatigue behavior of adhesive connections has  been done mainly in areas other than civil engineering (aircraft and vehicle construction). In these  areas, mainly traditional laminated FRP materials are used and the adhesive layers are very thin, well  below 1 mm. The internal material structure of pultruded FRP components is, however, very different  and much larger tolerances in the connections of civil engineering structures require much thicker  adhesive layers. It is thus almost impossible to directly compare and transfer research results between  these very different areas and modes of application.  In the field of adhesive connections of pultruded profiles, very little research has been done to  date. The aim of this thesis is therefore to contribute to a better understanding of the fracture and  fatigue behavior of adhesively‐bonded structural joints composed of pultruded GFRP adherends.  I would like to acknowledge the support provided for this research project by the Swiss National  Science Foundation, Fiberline Composites A/S, Denmark (pultruded laminate supplier), and Sika AG,  Zurich (adhesive supplier).    Prof. Dr. Thomas Keller  CCLab Director/Thesis Director vi vii ABSTRACT  Being good structural replacement for other conventional material, the pultruded glass fiber reinforced  polymer (GFRP) profiles are being increasingly used in civil engineering structures. The connection  between components is considered the most suspect area for failure initiation. The adhesive bonding is  preferred for FRP composite structures, rather than the mechanical fastening, due to the brittle failure  nature of composite materials. During past decades, many efforts have been made by researchers to  better understand the mechanism of adhesive bonding, to analyze the stress distributions and to  improve the strength of composite structural joints. However there is still no commonly accepted  design code/standard existing for adhesively‐bonded joints in civil engineering infrastructures since  several important knowledge gaps are to be filled.  Besides the joint strength at failure, the characterization and modeling of the progressive failure  process, in particular involving the so‐called crack initiation and propagation phases, is also an  important concern. By employing the strain energy release rate (SERR) as the fracture parameter, the  linear‐elastic fracture mechanics (LEFM) approach is considered an efficient method to model the  fracture behavior of structural joints. However, due to the uncontrollable crack initiation and the  complex geometric configurations, the crack measurement techniques and the calculation method for  the SERR are to be validated. In fracture mechanics, the fracture of a material or component can be  described by a single mode or the combinations of the following three basic modes: opening mode  (Mode I), shearing mode (Mode II), and tearing mode (Mode III). During the fracture of a structural  joint, crack initiation and propagation are driven by combined through‐thickness tensile (peeling), and  shear stresses, thus resulting in a mixed mode fracture. In order to use the fracture results of structural  joints to form the mixed fracture criterion for a specific composite material, a feasible analytical or  numerical method are to be developed to determine the Mode I and II components of the SERR during  fracture.   Although many efforts have been made to better understand the short‐term behavior of structural  joint under quasi‐static loading, the long‐term performance under fatigue loading and different  environmental conditions is a more demanding task when adhesively‐bonded joints are applied in a  real structure. Most of structural failures occur due to mechanisms that are driven by fatigue loading  and for composite structures, the fatigue produced by the repeated application of live load is more  critical due to its lighter self‐weight, in other words the lower dead load. Besides the fatigue loading, a  structure in practice may also experience the combined environmental effects of two basic factors:  temperature and humidity. These environmental conditions may directly affect properties of structural viii    joints, including the failure mechanism, the stiffness and strength, the crack initiation and propagation  and etc.. Thus, the missing knowledge and confidences in the long‐term behavior under cyclic loading  and the durability under different environmental conditions are the main obstacles to the further  development of FRP composites in civil engineering infrastructures.  In this research, the mechanical and fracture behavior of adhesively‐bonded double‐lap and  stepped‐lap joints (DLJs and SLJs) composed of pultruded GFRP laminates and an epoxy adhesive  were experimentally and numerically investigated under both quasi‐static and fatigue loadings. The  crack measurement techniques and the calculation methods for the SERR were validated for DLJs and  SLJs. The LEFM approach was successfully applied to characterize and model the progressive failure  process of structural joints. The Mode I and II components of the SERR of DLJs and SLJs were  determined using the Virtual Crack Closure Technique in finite element analysis. Combining with the  results of pure Mode I and II experiments, a mixed mode fracture criterion for pultruded GFRP  composite was formed. Under fatigue loading, the fatigue behavior of structural joints was successfully  modeled by using the stiffness‐based and fracture mechanics approaches, besides the F‐N curves.  Based on the stiffness degradation, a linear and a sigmoid non‐linear model were established and the  fatigue  live  corresponding  to  the  failure  and  allowable  stiffness  degradation  can  be  predicted.  Concerning fracture mechanics approach, the Fatigue Crack Growth (FCG) curves were formed for  DLJs and SLJs and the corresponding fracture parameters were obtained. Similarly to stiffness‐based  approach, fatigue lives corresponding to the failure and allowable crack length can be predicted. The  environmental  effects  on  both  short‐  and  long‐term  performances  of  structural  joints  were  experimentally  evaluated  and  numerically  modeled  based  on  experimental  results.  The  temperature‐dependent joint stiffness can be predicted using the finite element analysis based on the  thermomechanical  properties  of  constituent  materials.  A  relationship  between  the  equivalent  quasi‐static joint strength under different environmental conditions and the cyclic stresses and the  fatigue life was established.    Keywords  Adhesively‐bonded joints; pultruded GFRP; fracture; fatigue; crack initiation; crack propagation;  stiffness degradation; environmental effects