Use of curved adhesively bonded anchorage for a pultruded composite cable

International audienceIn order to join a plane composite cable to the main structure of a composite footbridge designed within (Caron, 2009), it was decided to investigate structural adhesive bonding. This technique is indeed particularly adapted to composite materials. However structural adhesive bonding induces stress concentrations at the edges of the adhesive joint, which have been studied by a large number of researchers in order to reduce these phenomena and increase the capacity and service life of the bonded joint (Kinloch, 1987). These studies are all concerned with optimizing shear stress transfer in adhesively bonded joints. This paper investigates the role of hydrostatic pressure on the ultimate capacities of common civil engineering adhesives. The conclusions led us to study a new joint geometry, the " curved " bonded joint that naturally creates compressive stresses on the edge of the bonded joint. Several experimental investigations are presented within this paper to illustrate the optimization. These are quasi-static tests that compare classical shear lap joints to curved joints. Additional testing is currently in progress, but the curved bonded joint seems to hold good prospects and a patent has been filed

Optimisation des efforts dans un ancrage courbe collé acier/composites

Composite materials are gaining increasing interest in most of the industry sectors due to their low self-weight and their interesting physico-chemical properties. However, the use of these materials called for parallel reflections on their assembly with other materials which gave rise to the development of the structural bonding technology. This technique which allows to assemble materials of different natures by limiting, for example, the increase in the self-weight of the structure, is not fully mastered yet. For this purpose, further development on the qualification of the adhesion forces or on the understanding of durability are still necessary. This thesis addresses the problem of the optimization of adhesive bonded joints and aims in particular to study, more precisely, the use of the curvature in order to optimize the transfer of forces within the bonded joint. Two types of adhesive, one exhibiting a fragile elastic behavior and the other an elastoplastic behavior, have been studied in this work on the various analytical, numerical, and experimental aspects. We presumed that the plasticity of the adhesive appears to improve the strength of the bonded joints and; hence, shall be considered as an essential parameter in their optimization. A study of the curved geometry of the steel / composite bonded joints was then carried out, where it emerged that this geometry was effective in increasing the strength of the bonded joint and its ultimate capacity. Moreover, in order to extend the knowledge on the mechanical behavior of the curved bonded joints, and in the absence of sufficient bibliographical references on this type of bonding, we then resorted to the modeling by using the cohesive zone method to also validate the advantage of the curved geometry with respect to the plane geometry. This work finally focuses on the mechanical durability of this solution by addressing the fatigue thematic; even if additional investigations are needed, we have already found that the optimization of the joint by the use of an elastoplastic adhesive, and a curved geometry can improve the fatigue behavior of the adhesive bonded jointsLes matériaux composites connaissent un intérêt croissant dans la majorité des secteurs de l’industrie en raison de leur faible poids propre et de leurs propriétés physico-chimiques intéressantes. Cependant, l’utilisation de ces matériaux a nécessité de conduire en parallèle des réflexions sur leur assemblage avec d’autres matériaux qui a donné naissance au développement de la technologie d’assemblage par collage structural. Cette technique qui permet de pouvoir assembler des matériaux de nature différente en limitant par exemple l’augmentation du poids propre de la structure n’est pas encore totalement maîtrisée. Pour cela, des développements sur la qualification des efforts d’adhésion ou sur la compréhension de la durabilité sont encore nécessaires. Cette thèse aborde la problématique de l’optimisation des assemblages collés et vise en particulier à étudier de manière plus précise l’utilisation de la courbure afin d’optimiser le transfert des efforts au sein du joint de colle. Deux types de colle, présentant l’une un comportement élastique fragile et l’autre un comportement élastoplastique ont été étudiés dans ce travail sur les différents volets analytique, numérique, et, expérimental. Il s’est avéré que la plasticité de l’adhésif semble améliorer la capacité de résistance du joint collé et sera alors un paramètre essentiel dans leur optimisation. Une étude de la géométrie courbe des joints collés acier/composite a été ensuite menée et il ressort de cette étude que cette géométrie est efficace pour augmenter la résistance d'un joint collé à la rupture. De plus, afin d’approfondir les connaissances sur le comportement mécanique du joint collé courbe, et en absence d’étude bibliographique suffisante sur ce type de collage, nous avons ensuite eu recours à la modélisation par la méthode des zones cohésives pour pouvoir aussi valider l’atout de la géométrie courbe par rapport à la géométrie plane. Ce travail s’est enfin intéressé à la durabilité mécanique de cette solution en abordant la thématique de la fatigue ; même si des investigations supplémentaires seront nécessaires, nous avons d’ores et déjà constaté que l’optimisation du joint par l’utilisation d’une colle élastoplastique et une géométrie courbe permet d’améliorer le comportement en fatigue de l’assemblage coll

Optimization of stresses in an adhesive bonded curved joint (Steel/composite)

Les matériaux composites connaissent un intérêt croissant dans la majorité des secteurs de l’industrie en raison de leur faible poids propre et de leurs propriétés physico-chimiques intéressantes. Cependant, l’utilisation de ces matériaux a nécessité de conduire en parallèle des réflexions sur leur assemblage avec d’autres matériaux qui a donné naissance au développement de la technologie d’assemblage par collage structural. Cette technique qui permet de pouvoir assembler des matériaux de nature différente en limitant par exemple l’augmentation du poids propre de la structure n’est pas encore totalement maîtrisée. Pour cela, des développements sur la qualification des efforts d’adhésion ou sur la compréhension de la durabilité sont encore nécessaires. Cette thèse aborde la problématique de l’optimisation des assemblages collés et vise en particulier à étudier de manière plus précise l’utilisation de la courbure afin d’optimiser le transfert des efforts au sein du joint de colle. Deux types de colle, présentant l’une un comportement élastique fragile et l’autre un comportement élastoplastique ont été étudiés dans ce travail sur les différents volets analytique, numérique, et, expérimental. Il s’est avéré que la plasticité de l’adhésif semble améliorer la capacité de résistance du joint collé et sera alors un paramètre essentiel dans leur optimisation. Une étude de la géométrie courbe des joints collés acier/composite a été ensuite menée et il ressort de cette étude que cette géométrie est efficace pour augmenter la résistance d'un joint collé à la rupture. De plus, afin d’approfondir les connaissances sur le comportement mécanique du joint collé courbe, et en absence d’étude bibliographique suffisante sur ce type de collage, nous avons ensuite eu recours à la modélisation par la méthode des zones cohésives pour pouvoir aussi valider l’atout de la géométrie courbe par rapport à la géométrie plane. Ce travail s’est enfin intéressé à la durabilité mécanique de cette solution en abordant la thématique de la fatigue ; même si des investigations supplémentaires seront nécessaires, nous avons d’ores et déjà constaté que l’optimisation du joint par l’utilisation d’une colle élastoplastique et une géométrie courbe permet d’améliorer le comportement en fatigue de l’assemblage colléComposite materials are gaining increasing interest in most of the industry sectors due to their low self-weight and their interesting physico-chemical properties. However, the use of these materials called for parallel reflections on their assembly with other materials which gave rise to the development of the structural bonding technology. This technique which allows to assemble materials of different natures by limiting, for example, the increase in the self-weight of the structure, is not fully mastered yet. For this purpose, further development on the qualification of the adhesion forces or on the understanding of durability are still necessary. This thesis addresses the problem of the optimization of adhesive bonded joints and aims in particular to study, more precisely, the use of the curvature in order to optimize the transfer of forces within the bonded joint. Two types of adhesive, one exhibiting a fragile elastic behavior and the other an elastoplastic behavior, have been studied in this work on the various analytical, numerical, and experimental aspects. We presumed that the plasticity of the adhesive appears to improve the strength of the bonded joints and; hence, shall be considered as an essential parameter in their optimization. A study of the curved geometry of the steel / composite bonded joints was then carried out, where it emerged that this geometry was effective in increasing the strength of the bonded joint and its ultimate capacity. Moreover, in order to extend the knowledge on the mechanical behavior of the curved bonded joints, and in the absence of sufficient bibliographical references on this type of bonding, we then resorted to the modeling by using the cohesive zone method to also validate the advantage of the curved geometry with respect to the plane geometry. This work finally focuses on the mechanical durability of this solution by addressing the fatigue thematic; even if additional investigations are needed, we have already found that the optimization of the joint by the use of an elastoplastic adhesive, and a curved geometry can improve the fatigue behavior of the adhesive bonded joint