Relationship between residual stresses and mechanical behavior in ceramic composites

En este trabajo, materiales de tipo alúmina/Y-TZP (ZrO2 tetragonal, estabilizada con 3 mol. % Y2O3), como sistema cerámico popular por sus mejoradas propiedades mecánicas en comparación con las cerámicas de alúmina puras, han sido estudiados en términos de propiedades mecánicas y tensiones residuales. El novedoso método de colado en cinta, consistente en el apilamiento de cintas de cerámica verde a temperatura ambiente y el uso de bajas presiones, se ha escogido para la presente investigación con el fin de poder aprovechar al máximo el futuro desarrollo de materiales laminados de alúmina-óxido de circonio. Se han determinado las propiedades de los materiales obtenidos por este nuevo método de procesamiento comparándolas con las de los materiales obtenidos por “slip casting”, con el fin de analizar si el método propuesto afecta a la microestructura y, por tanto, a las propiedades mecánicas y tensiones residuales propias de estos materiales. Para analizar la idoneidad del proceso de fabricación, utilizado para evitar la presencia de discontinuidades en las intercaras entre las láminas así como otros fenómenos que puedan interferir con las propiedades mecánicas, se estudiaron materiales cerámicos con la misma composición en cintas. Por otra parte también se analizó el efecto de la adición de óxido de circonio sobre la aparición de tensiónes residuales en cerámicas Al2O3/Y-TZP, teniendo en cuenta su notable influencia sobre las propiedades microestructurales y mecánicas de los materiales, así como el requisito de co-sinterización de capas con diferentes materiales compuestos en materiales laminados. La caracterización del material incluye la determinación de la densidad, el análisis de la microestructura, la obtención de las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad, dureza, resistencia a la flexión y tenacidad de fractura) así como de las tensiones residuales. En combinación con otros métodos de medida tradicionales, la nanoindentación también se empleó como una técnica adicional para la medida del módulo de elasticidad y de la dureza. Por otro lado, diferentes técnicas de difracción con neutrones, tanto las basadas en longitud de onda constante (CW) como en tiempo de vuelo (TOF), han sido empleadas para la medición fiable de la deformación residual a través del grosor en muestras a granel. Las tensiones residuales fueron determinadas con elevada precisión, aplicando además métodos de análisis apropiados, como por ejemplo el refinamiento de Rietveld. Las diferentes fases en cerámicas sinterizadas, especialmente las de zirconia, se examinaron con detalle mediante el análisis de Rietveld, teniendo en cuenta el complicado polimorfismo del Óxido de Zirconio (ZrO2) así como las posibles transformaciones de fase durante el proceso de fabricación. Los efectos del contenido de Y-TZP en combinación con el nuevo método de procesamiento sobre la microestructura, el rendimiento mecánico y las tensiones residuales de los materiales estudiados (Al2O3/Y-TZP) se resumen en el presente trabajo. Finalmente, los mecanismos de endurecimiento, especialmente los relacionados con las tensiones residuales, son igualmente discutidos. In present work, Alumina/Y-TZP (tetragonal ZrO2 stabilized with 3 mol% Y2O3) materials, as an popular ceramic system with improved mechanical properties compared with the pure alumina ceramics, have been studied in terms of mechanical properties and residual stresses. The novel tape casting method, which involved the stacking of green ceramics tapes at room temperature and using low pressures, is selected for manufacturing and investigation, in order to take full advantage of the future development of alumina-zirconia laminated materials. Features of materials obtained by the new processing method are determined and compared with those of materials obtained by conventional slip casting in a plaster mold, in order to study whether the proposed method of processing affects microstructure and thereby the mechanical properties and residual stresses characteristics of materials. To analyse the adequacy of the manufacturing process used to avoid the presence of discontinuities at the interfaces between the sheets and other phenomena that interfere with the mechanical properties, ceramic materials with the same composition in tapes were investigated. Moreover, the effect of addition of zirconia on residual stress development of Al2O3/Y-TZP ceramics were taken into investigations, considering its significantly influence on the microstructure and mechanical properties of materials as well as the requirement of co-sintering of layers with different composites in laminated materials. The characterization includes density, microstructure, mechanical properties (elastic modulus, hardness, flexure strength and fracture toughness) and residual stresses. Except of the traditional measurement methods, nanoindentation technique was also used as an additional measurement of the elastic modulus and hardness. Neutron diffraction, both the constant-wavelength (CW) and time-of-flight (TOF) neutron diffraction techniques, has been used for reliable through-thickness residual strain measurement in bulk samples. Residual stresses were precisely determined combined with appropriate analysis methods, e.g. the Rietveld refinement. The phase compositions in sintered ceramics especially the ones of zirconia were accurately examined by Rietveld analysis, considering the complex polymorph of ZrO2 and the possible phase transformation during manufacturing process. Effects of Y-TZP content and the new processing method on the microstructure, mechanical performance and residual stresses were finally summarized in present studied Al2O3/Y-TZP materials. The toughening mechanisms, especially the residual stresses related toughening, were theoretically discussed.

Comportamiento de pilares de hormigón armado confinados con materiales compuestos sometidos a compresión centrada

En la actualidad muchas estructuras de hormigón armado necesitan ser reforzadas debido a diversas razones: errores en el proyecto o construcción, deterioro debido a efectos ambientales, cambios de uso o mayores requerimientos en los códigos. Los materiales compuestos, también conocidos como polímeros reforzados con fibras (FRP), están constituidos por fibras continuas de gran resistencia y rigidez embebidas en un material polimérico. Los FRP se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales debido a sus excelentes propiedades (elevadas resistencia y rigidez específicas y resistencia a la corrosión). Una de las aplicaciones más atractivas es el refuerzo de pilares mediante confinamiento para incrementar su resistencia y ductilidad. El confinamiento puede conseguirse pegando capas de FRP envolviendo el pilar en la dirección de los cercos (con las fibras orientadas en dirección perpendicular al eje del elemento). Se han realizado numerosos estudios experimentales en probetas cilíndricas pequeñas confinadas con encamisados de FRP y sometidas a compresión axial, y se han propuesto varios modelos sobre el hormigón confinado con FRP. Es sabido que el confinamiento de pilares de sección no circular es menos eficiente. En una sección circular, el FRP ejerce una presión de confinamiento uniforme sobre todo el perímetro, mientras que en una sección rectangular la acción de confinamiento se concentra en las esquinas. Esta tesis presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento de probetas de hormigón de sección cuadrada confinadas con FRP y sometidas a compresión centrada. Se realizaron un total de 42 ensayos investigándose el comportamiento en las direcciones axial y transversal. Las variables del estudio incluyen: la resistencia del hormigón, el tipo de fibras (vidrio o carbono), la cuantía de refuerzo y el radio de curvatura de las esquinas. Los resultados de los ensayos realizados muestran que el confinamiento con FRP puede mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad de pilares de hormigón armado de sección cuadrada con las esquinas redondeadas. La mejora conseguida es mayor en los hormigones de baja resistencia que en los de resistencia media. La deformación de rotura de la camisa de FRP es menor que la que se obtiene en ensayos de tracción normalizados del laminado, y la eficiencia del confinamiento depende en gran medida del radio de redondeo de las esquinas. Los resultados se han comparado con los obtenidos según los modelos teóricos más aceptados. Hay dos parámetros críticos en el ajuste de los modelos: el factor de eficiencia de la deformación y el efecto de confinamiento en secciones no circulares. Nowadays, many existing RC structures are in need of repair and strengthening for several reasons: design or construction errors, deterioration caused by environmental effects, change in use of the structures or revisions of code requirements. Composite materials, also known as fibre reinforced polymers (FRP), are composed of high strength and stiffness continuous fibres embedded in a polymer material. FRP materials are being increasingly used in many structural applications due to their excellent properties (high strength- and stiffness-toweight ratio, good corrosion behaviour). One of the most attractive applications of FRP is the confinement of concrete columns to enhance both strength and ductility. Concrete confinement can be achieved by bonding layers of hoop FRP around the column (fibres oriented perpendicular to the longitudinal axis). Many experimental studies have been conducted on small-scale plain concrete specimens of circular cross-sections confined with FRP and subjected to pure axial compressive loading, and several design models have been proposed to describe the behaviour of FRP-confined concrete. It is widely accepted that the confinement of non-circular columns is less efficient than the confinement of circular columns. In a circular cross section, the jacket exerts a uniform confining pressure over the entire perimeter. In the case of a rectangular cross section, the confining action is mostly concentrated at the corners. This thesis presents the results of a comprehensive experimental investigation on the behaviour of axially loaded square concrete specimens confined with FRP. A total of 42 compression tests were conducted, and the behaviour of the specimens in the axial and transverse directions were investigated. The parameters considered in this study are: concrete strength, type of fibres (glass or carbon), amount of FRP reinforcement and corner radius of the cross section. The tests results indicate that FRP confinement can enhance considerably the compressive strength and ductility of RC square columns with rounded corners. The enhancement is more pronounced for low- than for normal-strength concrete. The rupture strain of the FRP jacket is lower than the ultimate strain obtained by standard tensile testing of the FRP material, and the confinement efficiency significantly depends on the corner radius. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Nuevo concepto de elementos estructurales horizontales de vidrio : placa autoportante y pretensada en forma de pi

En los últimos años, podemos darnos cuenta de la importancia que tienen las nuevas aplicaciones de vidrio especialmente en edificios turísticos donde el vértigo juega un papel importante en la visita. Sin embargo los sistemas constructivos no tienen un especial interés porque el vidrio laminado está siempre soportado por otro elemento de acero o incluso vidrio en forma de retícula. En la presente tesis voy a desarrollar una nueva solución de elemento autoportante de vidrio de gran tamaño haciendo seguro el uso del elemento para andar en el aire. El sueño de muchos arquitectos ha sido diseñar un edificio completamente transparente y a mí me gustaría contribuir a este sueño empezando a estudiar un forjado de vidrio como elemento estructural horizontal y para ello debemos cumplir requerimientos de seguridad. Uno de los objetivos es lograr un elemento lo más transparente y esbelto posible para el uso de pasarelas en vestíbulos de edificios. Las referencias construidas son bien conocidas, pero por otro lado Universidades europeas estudian continua estudiando el comportamiento del vidrio con diferentes láminas, adhesivos, apilados, insertos, sistemas de laminado, pretensado, pandeo lateral, seguridad post-rotura y muchos más aspectos necesarios. La metodología llevada a cabo en esta tesis ha sido primeramente diseñar un elemento industrial prefabricado horizontal de vidrio teniendo en cuenta todos los conceptos aprendidos en el estado del arte y la investigación para poder predimensionar el elemento. El siguiente paso será verificar el modelo por medio de cálculo analítico, simulación de elementos finitos y ensayos físicos. Para realizar los ensayos hay un paso intermedio teniendo que cambiar la hipótesis de carga uniforme a carga puntal para realizar el ensayo de flexión a 4 puntos normalizado y además cambiar a escala 1:2 para adaptarse al espacio de ensayo y ser viable económicamente. Finalmente compararé los resultados de tensión y deformación obtenidos por los tres métodos para extraer conclusiones. Sin embargo el problema de la seguridad no ha concluido, tendré que demostrar que el sistema es seguro después de que se produzca la rotura y para ello sólo dispongo de los ensayos como medio de demostración. El diseño es el resultado de la evolución de una viga tipo “I”; cuando es pretensada para obtener más resistencia, aparece el problema de pandeo lateral y éste es solucionado con una viga con sección en “T” cuya unión es resuelta con un cajeado longitudinal en la parte inferior del elemento horizontal. Las alas de éste crecen para recoger las cargas superficiales creando a su vez un punto débil en la unión que a su vez se soluciona duplicando la sección “TT” y haciendo trabajar dicho tablero de forma tan óptima como una viga continua. Dicha sección en vidrio como un único elemento pretensado es algo inédito. Además he diseñado unas escuadras metálicas en los extremos de los nervios como apoyo y placa de pretensión, así como una hendidura curva en el centro de los nervios para alojar los tirantes de acero de modo que al pretensar el tirante la placa corrija al menos la deformación por peso propio. Realizados los cambios geométricos de escala y las simplificaciones en el laminado y el adhesivo se programan la extracción de resultados desde 3 estadios diferentes: Sin pretensión y con pretensión de 750 Kg y de 1000Kg en cada nervio. Por cada estadio y por cada uno de los métodos, cálculo, simulación y ensayos, se extraen los datos de deformación y tensión en el punto medio de un nervio con el objetivo de hacer una comparación de resultados para obtener unas conclusiones, siempre en el campo de la elasticidad. Posteriormente incrementaré la carga hasta el momento de la rotura de la placa y después hasta el colapso teniendo en cuenta el tiempo y demostrando una rotura segura. El vidrio no tendrá un comportamiento plástico pero habrá sido controlado su comportamiento frágil manteniendo una carga y una deformación aceptable. ABSTRACT Over the past few years we have realized the importance of the new technologies regarding the application of glass in new buildings, especially those touristic places were the views and the heights are the reason of the visit. However, the construction systems of these glass platforms are not usually as interesting, because the laminated glass is always held by another steel substructure or even a grid-formed glass element. Throughout this thesis I am going to develop a new solution of a self-bearing element with big dimensions made out of glass, ensuring a safe solution to use as an element to walk on the air. The dream of many architects has been to create a building completely transparent, and I would like to contribute to this idea by making a glass slab as a horizontal structural element, for which we have to meet the security requirements. One of the goals is to achieve an element as transparent and slim as possible for the use in walkways of building lobbies. The glass buildings references are well known, but on the other hand the European Universities study the behaviour of the glass with different interlayers, adhesives, laminating systems, stacking, prestressed, buckling, safety, breakage and post-breakage capacity; and many other necessary aspects. The methodology followed in this thesis has been to first create a horizontal industrial prefabricated horizontal element of glass, taking into account all the concepts learned in the state of art and the investigation to be able to predimension this element. The next step will be to verify this model with an analytic calculus, a finite element modelling simulation and physical tests. To fulfil these tests there is an intermediate step, having to change the load hypothesis from a punctual one to make the test with a four points normalized deflexion, and also the scale of the sample was changed to 1:2 to adapt to the space of the test and make it economically possible. Finally, the results of tension and deformation obtained from the three methods have been compared to make the conclusions. However, the problem with safety has not concluded yet, for I will have to demonstrate that this system is safe even after its breakage, for which I can only use physical tests as a way of demonstration. The design is the result of the evolution of a typical “I” beam, which when it is prestressed to achieve more resistance, the effect of buckling overcomes, and this is solved with a “T” shaped beam, where the union is solved with a longitudinal groove on the inferior part of the horizontal element. The boards of this beam grow to cover the superficial loads, creating at the same time a weak point, which is solved by duplicating the section “TT” and therefore making this board work as optimal as a continuous beam. This glass section as a single prestressed element is unique. After the final design of the “π” glass plate was obtained and the composition of the laminated glass and interlayers has been predimensioned, the last connection elements must be contemplated. I have also designed a square steel shoe at the end of the beams, which will be the base and the prestressed board, as well as a curved slot in the centre of the nerves to accommodate the steel braces so that when this brace prestresses the board, at least the deformation due to its self-weight will be amended. Once I made the geometric changes of the scale and the simplifications on the laminating and the adhesive, the extraction on results overcomes from three different stages: without any pretension, with a pretension of 750 kg and with a pretension of 1000 kg on each rib. For each stage and for each one of the methods, calculus, simulation and tests, the deformation datum were extracted to obtain the conclusions, always in the field of the elasticity. Afterwards, I will increase the load until the moment of breakage of this board, and then until the collapse of the element, taking into account the time spent and demonstrating a safe breakage. The glass will not have a plastic behaviour, but its brittle behaviour has been controlled, keeping an acceptable load and deflection.