Non contact inspection of the fatigue damage state of carbon fiber reinforced polymer by optical surface roughness measurements

This work presents the evaluation of a new non-contact technique to assess the fatigue damage state of CFRP structures by measuring surface roughness parameters. Surface roughness and stiffness degradation have been measured in CFRP coupons cycled with constant amplitude loads, and a Pearson?s correlation of 0.79 was obtained between both variables. Results suggest that changes on the surface roughness measured in strategic zones of components made of the evaluated CFRP, could be indicative of the level of damage due to fatigue loads. This methodology could be useful for other FRP due to similarities in the fatigue damage process.

Physically-sound simulation of low-velocity impact on fiber reinforced laminates

A high-fidelity virtual tool for the numerical simulation of low-velocity impact damage in unidirectional composite laminates is proposed. A continuum material model for the simulation of intraply damage phenomena is implemented in a numerical scheme as a user subroutine of the commercially available Abaqus finite element package. Delaminations are simulated using of cohesive surfaces. The use of structured meshes, aligned with fiber directions allows the physically-sound simulation of matrix cracks parallel to fiber directions, and their interaction with the development of delaminations. The implementation of element erosion criteria and the application of intraply and interlaminar friction allow for the simulation of fiber splits and their entanglement, which in turn results in permanent indentation in the impacted laminate. It is shown that this simulation strategy gives sound results for impact energies bellow and above the Barely Visible Impact Damage threshold, up to laminate perforation conditions

Study of the increase in bending stiffness on timber beams reinforced with composite materials

It is common to find structures that need to be reinforced due to deterioration or because the function of the building changes. The economic cost involved in these forms of interventions is considerable. Therefore, it is interesting to progress in the existing strengthening techniques and the study of new reinforcement systems. This paper analyses the behaviour of timber beams reinforced with carbon and basalt fiber composite materials. The main objective of this study is to test the stiffness increase produced by the carbon and basalt FRP on reinforced beams. The results show the stiffness increase produced by the different types of reinforcement.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

A robust numerical framework for the analysis of material failure of fibre reinforced soft tissue

In this work, robustness and stability of continuum damage models applied to material failure in soft tissues are addressed. In the implicit damage models equipped with softening, the presence of negative eigenvalues in the tangent elemental matrix degrades the condition number of the global matrix, leading to a reduction of the computational performance of the numerical model. Two strategies have been adapted from literature to improve the aforementioned computational performance degradation: the IMPL-EX integration scheme [Oliver,2006], which renders the elemental matrix contribution definite positive, and arclength-type continuation methods [Carrera,1994], which allow to capture the unstable softening branch in brittle ruptures. The IMPL-EX integration scheme has as a major drawback the need to use small time steps to keep numerical error below an acceptable value. A convergence study, limiting the maximum allowed increment of internal variables in the damage model, is presented. Finally, numerical simulation of failure problems with fibre reinforced materials illustrates the performance of the adopted methodology.

Effect of adhesive thickness and concrete strength on FRP-Concrete Bonds

The use of fiber-reinforced polymer (FRP) composites for strengthening, repairing, or rehabilitating concrete structures has become more and more popular in the last 10 years. Irrespective of the type of strengthening used, design is conditioned, among others, by concrete-composite bond failure, normally attributed to stress at the interface between these two materials. Single shear, double shear, and notched beam tests are the bond tests most commonly used by the scientific community to estimate bond strength, effective length, and the bond stress-slip relationship. The present paper discusses the effect of concrete strength and adhesive thickness on the results of beam tests, which reproduce debonding conditions around bending cracks much more accurately. The bond stress-slip relationship was analyzed in a cross section near the inner edge, where stress was observed to concentrate. The ultimate load and the bond stress-slip relationship were visibly affected by concrete strength. Adhesive thickness, in turn, was found to have no significant impact on low-strength concrete but a somewhat greater effect on higher strength materials.

A robust numerical framework to the analysis of material failure of fibre reinforced soft tissue

In this work, robustness and stability of continuum damage models applied to material failure in soft tissues are addressed. In the implicit damage models equipped with softening, the presence of negative eigenvalues in the tangent elemental matrix degrades the condition number of the global matrix, leading to a reduction of the computational performance of the numerical model. Two strategies have been adapted from literature to improve the aforementioned computational performance degradation: the IMPL-EX integration scheme [Oliver,2006], which renders the elemental matrix contribution definite positive, and arclength-type continuation methods [Carrera,1994], which allow to capture the unstable softening branch in brittle ruptures. The IMPL-EX integration scheme has as a major drawback the need to use small time steps to keep numerical error below an acceptable value. A convergence study, limiting the maximum allowed increment of internal variables in the damage model, is presented. Finally, numerical simulation of failure problems with fibre reinforced materials illustrates the performance of the adopted methodology.

Comportamiento estructural de elementos de fábrica reforzados con materiales compuestos avanzados solicitados a flexión y flexocompresión

El refuerzo de estructuras existentes mediante el encolado exterior de láminas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se ha convertido en la aplicación más común de los materiales compuestos avanzados en construcción. Estos materiales presentan muchas ventajas frente a los materiales convencionales (sin corrosión, ligeros, de fácil aplicación, etc.). Pero a pesar de las numerosas investigaciones realizadas, aún persisten ciertas dudas sobre algunos aspectos de su comportamiento y las aplicaciones prácticas se llevan a cabo sólo con la ayuda de guías, sin que haya una normativa oficial. El objetivo de este trabajo es incrementar el conocimiento sobre esta técnica de refuerzo, y más concretamente, sobre el refuerzo a flexión de estructuras de fábrica. Con frecuencia el elemento reforzado es de hormigón armado y las láminas de FRP encoladas al exterior sirven para mejorar su resistencia a flexión, cortante o compresión (encamisados). Sin embargo su empleo en otros materiales como las estructuras de fábrica resulta muy prometedor. Las fábricas se caracterizan por soportar muy bien los esfuerzos de compresión pero bastante mal los de tracción. Adherir láminas de materiales compuestos puede servir para mejorar la capacidad resistente de elementos de fábrica sometidos a esfuerzos de flexión. Pero para ello, debe quedar garantizada una correcta adherencia entre el FRP y la fábrica, especialmente en edificios antiguos cuya superficie puede estar deteriorada por encontrarse a la intemperie o por el propio paso del tiempo. En el capítulo II se describen los objetivos fundamentales del trabajo y el método seguido. En el capítulo III se hace una amplia revisión del estado de conocimiento sobre el tema. En el apartado III.1 se detallan las principales características y propiedades mecánicas de fibras, matrices y materiales compuestos así como sus principales aplicaciones, haciendo especial hincapié en aspectos relativos a su durabilidad. En el apartado III.2 se incluye una revisión histórica de las líneas de investigación, tanto teóricas como empíricas, publicadas sobre estructuras de hormigón reforzadas a flexión encolando materiales compuestos. El apartado III.3 se centra en el aspecto fundamental de la adherencia refuerzo-soporte. Se hace un repaso a distintos modelos propuestos para prevenir el despegue distinguiendo si éste se inicia en la zona de anclaje o si está inducido por fisuras en la zona interior del elemento. Se observa falta de consenso en las propuestas. Además en este punto se relatan las campañas experimentales publicadas acerca de la adherencia entre materiales compuestos y fábricas. En el apartado III.4 se analizan las particularidades de las estructuras de fábrica. Además, se revisan algunas de las investigaciones relativas a la mejora de su comportamiento a flexión mediante láminas de FRP. El comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexión pura (sin compresión) ha sido documentado por varios autores, si bien es una situación poco frecuente en fábricas reales. Ni el comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexocompresión ni la incidencia que el nivel de compresión soportado por la fábrica tiene sobre la capacidad resistente del elemento reforzado han sido suficientemente tratados. En cuanto a los trabajos teóricos, las diferentes propuestas se basan en los métodos utilizados para hormigón armado y comparten los principios habituales de cálculo. Sin embargo, presentan diferencias relativas, sobre todo, a tres aspectos: 1) la forma de modelar el comportamiento de la fábrica, 2) el valor de deformación de cálculo del refuerzo, y 3) el modo de fallo que se considera recomendable buscar con el diseño. A pesar de ello, el ajuste con la parte experimental de cada trabajo suele ser bueno debido a una enorme disparidad en las variables consideradas. Cada campaña presenta un modo de fallo característico y la formulación que se propone resulta apropiada para él. Parece necesario desarrollar un método de cálculo para fábricas flexocomprimidas reforzadas con FRP que pueda ser utilizado para todos los posibles fallos, tanto atribuibles a la lámina como a la fábrica. En el apartado III.4 se repasan algunas lesiones habituales en fábricas solicitadas a flexión y se recogen ejemplos de refuerzos con FRP para reparar o prevenir estos daños. Para mejorar el conocimiento sobre el tema, se llevan a cabo dos pequeñas campañas experimentales realizadas en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja. La primera acerca de la adherencia de materiales compuestos encolados a fábricas deterioradas (apartado IV.1) y la segunda sobre el comportamiento estructural a flexocompresión de probetas de fábrica reforzadas con estos materiales (apartado IV.2). En el capítulo V se analizan algunos de los modelos de adherencia propuestos para prevenir el despegue del extremo del refuerzo. Se confirma que las predicciones obtenidas con ellos resultan muy dispares. Se recopila una base de datos con los resultados experimentales de campañas sobre adherencia de FRP a fábricas extraídas de la literatura y de los resultados propios de la campaña descrita en el punto IV.1. Esta base de datos permite conocer cual de los métodos analizados resulta más adecuado para dimensionar el anclaje de láminas de FRP adheridas a fábricas. En el capítulo VI se propone un método para la comprobación en agotamiento de secciones de fábrica reforzadas con materiales compuestos sometidas a esfuerzos combinados de flexión y compresión. Está basado en el procedimiento de cálculo de la capacidad resistente de secciones de hormigón armado pero adaptado a las fábricas reforzadas. Para ello, se utiliza un diagrama de cálculo tensión deformación de la fábrica de tipo bilineal (acorde con el CTE DB SE-F) cuya simplicidad facilita el desarrollo de toda la formulación al tiempo que resulta adecuado para predecir la capacidad resistente a flexión tanto para fallos debidos al refuerzo como a la fábrica. Además se limita la deformación de cálculo del refuerzo teniendo en consideración ciertos aspectos que provocan que la lámina adherida no pueda desarrollar toda su resistencia, como el desprendimiento inducido por fisuras en el interior del elemento o el deterioro medioambiental. En concreto, se propone un “coeficiente reductor por adherencia” que se determina a partir de una base de datos con 68 resultados experimentales procedentes de publicaciones de varios autores y de los ensayos propios de la campaña descrita en el punto IV.2. También se revisa la formulación propuesta con ayuda de la base de datos. En el capítulo VII se estudia la incidencia de las principales variables, como el axil, la deformación de cálculo del refuerzo o su rigidez, en la capacidad final del elemento. Las conclusiones del trabajo realizado y las posibles líneas futuras de investigación se exponen en el capítulo VIII. ABSTRACT Strengthening of existing structures with externally bonded fiber reinforced polymers (FRP) has become the most common application of advanced composite materials in construction. These materials exhibit many advantages in comparison with traditional ones (corrosion resistance, light weight, easy to apply, etc.). But despite countless researches have been done, there are still doubts about some aspects of their behaviour and applications are carried out only with the help of guidelines, without official regulations. The aim of this work is to improve the knowledge on this retrofitting technique, particularly in regard to flexural strengthening of masonry structures. Reinforced concrete is often the strengthened material and external glued FRP plates are used to improve its flexural, shear or compressive (by wrapping) capacity. However the use of this technique on other materials like masonry structures looks promising. Unreinforced masonry is characterized for being a good material to support compressive stresses but really bad to withstand tensile ones. Glue composite plates can improve the flexural capacity of masonry elements subject to bending. But a proper bond between FRP sheet and masonry must be ensured to do that, especially in old buildings whose surface can be damaged due to being outside or ageing. The main objectives of the work and the methodology carried out are described In Chapter II. An extensive overview of the state of art is done in Chapter III. In Section III.1 physical and mechanical properties of fibers, matrix and composites and their main applications are related. Durability aspects are especially emphasized. Section III.2 includes an historical overview of theoretical and empirical researches on concrete structures strengthened gluing FRP plates to improve their flexural behaviour. Section III.3 focuses on the critical point of bonding between FRP and substrate. Some theoretical models to prevent debonding of FRP laminate are reviewed, it has made a distinction between models for detachment at the end of the plate or debonding in the intermediate zones due to the effects of cracks. It is observed a lack of agreement in the proposals. Some experimental studies on bonding between masonry and FRP are also related in this chapter. The particular characteristics of masonry structures are analyzed in Section III.4. Besides some empirical and theoretical investigations relative to improve their flexural capacity with FRP sheets are reviewed. The mechanical behaviour of strengthened walls subject to pure bending (without compression) has been established by several authors, but this is an unusual situation for real masonry. Neither mechanical behaviour of walls subject to bending and compression nor influence of axial load in the final capacity of the strengthened element are adequately studied. In regard to theoretical studies, the different proposals are based on reinforced concrete analytical methods and share common design principles. However, they present differences, especially, about three aspects: 1) the constitutive law of masonry, 2) the value of ultimate FRP strain and 3) the desirable failure mode that must be looked for. In spite of them, a good agreement between each experimental program and its theoretical study is often exhibited due to enormous disparity in considered test parameters. Each experimental program usually presents a characteristic failure mode and the proposed formulation results appropriate for this one. It seems necessary to develop a method for FRP strengthened walls subject to bending and compression enable for all failure modes (due to FRP or masonry). Some common damages in masonry subject to bending are explained in Section III.4. Examples of FRP strengthening to repair or prevent these damages are also written. Two small experimental programs are carried out in Eduardo Torroja Institute to improve the knowledge on this topic. The first one is concerned about the bond between FRP plates and damaged masonry (section IV.1) and the second one is related to the mechanical behaviour of the strengthened masonry specimens subject to out of plane bending combined with axial force (section IV.2). In the Chapter V some bond models to prevent the debonding at the FRP plate end are checked. It is confirmed that their predictions are so different. A pure-shear test database is compiled with results from the existing literature and others from the experimental program described in section IV.1. This database lets know which of the considered model is more suitable to design anchorage lengths of glued FRP to masonry. In the Chapter VI a method to check unreinforced masonry sections with external FRP strengthening subject to bending and compression to the ultimate limit state is proposed. This method is based on concrete reinforced one, but it is adapted to strengthened masonry. A bilinear constitutive law is used for masonry (according to CTE DB SE-F). Its simplicity helps to develop the model formulation and it has proven to be suitable to predict bending capacity either for FRP failures or masonry crushing. With regard to FRP, the design strain is limited. It is taken into account different aspects which cause the plate can’t reach its ultimate strength, like intermediate FRP debonding induced by opening cracking or environmental damage. A “bond factor” is proposed. It is obtained by means of an experimental bending test database that includes 68 results from the existing literature and from the experimental program described in section IV.2. The proposed formulation has also been checked with the help of bending database. The effects of the main parameters, like axial load, FRP design effective strain or FRP stiffness, on the bending capacity of the strengthened element are studied in Chapter VII. Finally, the main conclusions from the work carried out are summarized in Chapter VIII. Future lines of research to be explored are suggested as well.

Multiscale Modeling of Composites: Toward Virtual Testing ... and Beyond

Recent developments in the area of multiscale modeling of fiber-reinforced polymers are presented. The overall strategy takes advantage of the separa-tion of length scales between different entities (ply, laminate, and component) found in composite structures. This allows us to carry out multiscale modeling by computing the properties of one entity (e.g., individual plies) at the relevant length scale, homogenizing the results into a constitutive model, and passing this information to the next length scale to determine the mechanical behavior of the larger entity (e.g., laminate). As a result, high-fidelity numerical sim-ulations of the mechanical behavior of composite coupons and small compo-nents are nowadays feasible starting from the matrix, fiber, and interface properties and spatial distribution. Finally, the roadmap is outlined for extending the current strategy to include functional properties and processing into the simulation scheme.

Fabrication and properties of the SITE-SiCf/SiC composite

Continuous SiC-fiber-reinforced SiC composite (SiCf/SiC) is an attractive candidate structural material for advanced concepts of future fusion power plants, mainly due to the favourable intrinsic properties of the SiC ceramics, i.e. high temperature- and chemical stability, low neutron activation and afterheat levels as well as due to the fact that it is the only nonmagnetic material proposed. Fabrication of such composites is a very challenging task due to limitations and requirements set for fusion-relevant structural materials.

Hormigón autocompactante con nano-adiciones de sílice y alúmina

El presente Trabajo Fin de Máster tiene por objeto principal el estudio de la influencia que tienen las adiciones tanto de Nano-Alúmina como de Nano-Sílice en el Hormigón Autocompactante (HAC). Para ello se realizará una comparativa de ensayos con un hormigón patrón cuya publicación versa en el artículo de referencia “Construction and Building Materials 55 (2014) 274–288 (On the mechanical properties and fracture behavior of polyolefin fiber-reinforced self compacting concrete)”, y con idéntica dosificación que el del presente Trabajo, pero con presencia de nano-adiciones, y comparando los ensayos de resistencia a compresión simple, módulo de elasticidad, resistencia a tracción indirecta, resistencia a flexotracción y durabilidad (índice de penetración de agua). El desarrollo del presente trabajo consta de diferentes capítulos, los cuáles se pueden englobar a grandes rasgos dentro de los siguientes tres grandes puntos: - Se elabora un pequeño estudio del estado del conocimiento, referente a hormigones autocompactantes, describiendo su elaboración convencional del mismo y en particular comentando todas los posibles aditivos y adiciones y en concreto, la descripción específica del objeto de este presente Trabajo Fin de Máster, que son las adiciones de nano-sílice y de nano-alúmina, encontrándose todo lo anterior en la literatura existente y referenciada a lo largo del presente Trabajo. El fin de lo anteriormente descrito, es el de revisar un marco teórico, que nos permitirá introducir el conocimiento de partida del presente Trabajo Fin de Máster, tomándolo a su vez como una metodología que sirva de base para el desarrollo del mismo y para futuras líneas de investigación. - Emprender una campaña experimental de laboratorio que nos permita familiarizarnos con los materiales comprendidos dentro del hormigón a tratar (HAC), pasando por cada uno de sus procedimientos de fabricación y curado, así como también conocer y desarrollar los pertinentes ensayos tanto para su estado fresco como para el estado endurecido. - Finalmente, analizar resultados obtenidos de los diferentes ensayos de laboratorio, comparando los mismos y realizando unas conclusiones y futuras líneas de investigación dentro del campo objeto del presente Trabajo Fin de Máster.

Optimización de la densidad de energía en vigas de material compuesto (PRF) sometidas a flexión pura

Las necesidades energéticas actuales requieren el desarrollo de tecnologías eficaces y eficientes en producción, transporte y distribución de energía. Estas necesidades han impulsado nuevos desarrollos en el ámbito energético, entre los cuales se encuentran sistemas de almacenamiento de energía. El avance en ingeniería de materiales permite pensar en la posibilidad de almacenamiento mediante deformación elástica de vigas. Concretamente se parte de un concepto de mecanismo acumulador de energía basado en la deformación elástica de resortes espirales a torsión. Dichos resortes se pueden considerar como elementos vigas sometidos a flexión pura y grandes deflexiones. Esta Tesis de centra en el diseño y optimización de estos elementos con el fin de maximizar la densidad de energía que son capaces de absorber. El proceso de optimización comienza con la identificación del factor crítico del que depende dicho proceso, en este caso de trata de la densidad de energía. Dicho factor depende de la geometría de la sección resistente y del material empleado en su construcción. En los últimos años ha existido un gran desarrollo de los materiales compuestos de tipo polimérico reforzados con fibras (PRF). Estos materiales están sustituyendo gradualmente a otros materiales, como los metales, debido principalmente a su excelente relación entre propiedades mecánicas y peso. Por otro lado, analizando las posibles geometrías para la sección resistente, se observó que la más adecuada es una estructura tipo sándwich. Se implementa así un procedimiento de diseño de vigas sándwich sometidas a flexión pura, con las pieles fabricadas en materiales compuestos tipo PRF y un núcleo que debe garantizar el bajo peso de la estructura. Se desarrolla así un procedimiento sistemático que se puede particularizar dependiendo de los parámetros de entrada de la viga, y que tiene en cuenta y analiza la aparición de todos los posibles modos de fallo posibles. Así mismo se desarrollan una serie de mapas o ábacos de diseño que permiten seleccionar rápidamente las dimensiones preliminares de la viga. Finalmente se llevan a cabo ensayos que permiten, por un lado, validar el concepto del mecanismo acumulador de energía a través del ensayo de un muelle con sección monolítica, y por otro validar los distintos diseños de vigas sándwich propuestos y mostrar el incremento de la densidad de energía con respecto a la alternativa monolítica. Como líneas futuras de investigación se plantean la investigación en nuevos materiales, como la utilización de nanotubos de carbono, y la optimización del mecanismo de absorción de energía; optimizando el mecanismo de absorción a flexión pura e implementando sistemas que permitan acumular energía mediante la deformación elástica debida a esfuerzos de tracción-compresión. ABSTRACT Energy supply requires the development of effective and efficient technologies for the production, transport and distribution of energy. In recent years, many energy storage systems have been developed. Advances in the field of materials engineering has allowed the development of new concepts as the energy storage by elastic deformation of beams. Particularly, in this Thesis an energy storage device based on the elastic deformation of torsional springs has been studied. These springs can be considered as beam elements subjected to pure bending loads and large deflections. This Thesis is focused on the design and optimization of these beam elements in order to maximize its density of stored energy. The optimization process starts with the identification of the critical factors for the elastic energy storage: the density. This factor depends on the geometry of the cross section of the beam and the materials from which it is made. In the last 20 years, major advances in the field of composite materials have been made, particularly in the field of fiber reinforced polymers (FRP). This type of material is substituting gradually metallic materials to their excellent weight-mechanical properties ratio. In the other side, several possible geometries are analyzed for its use in the cross section of the beam; it was concluded that the best option, for maximum energy density, is using a sandwich beam. A design procedure for sandwich beams with skins made up with FRP composites and a light weight core is developed. This procedure can be particularized for different input parameters and it analyzes all the possible failure modes. Abacus and failure mode maps have been developed in order to simplify the design process. Finally several tested was made. Firstly, a prototype of the energy storage system which uses a monolithic composite beam was tested in order to validate the concept of the energy storage by elastic deformation. After that sandwich beam samples are built and tested, validating the design and showing the increase of energy density with respect to the monolithic beam. As futures research lines the following are proposed: research in new materials, as carbon nanotubes; and the optimization of the energy storage mechanism, that means optimizing the pure bending storage mechanism and developing new ones based on traction-compression mechanisms.

Limit load instabilities in structural elements

Este trabajo analiza distintas inestabilidades en estructuras formadas por distintos materiales. En particular, se capturan y se modelan las inestabilidades usando el método de Riks. Inicialmente, se analiza la bifurcación en depósitos cilíndricos formados por material anisótropo sometidos a carga axial y presión interna. El análisis de bifurcación y post-bifurcación asociados con cilindros de pared gruesa se formula para un material incompresible reforzado con dos fibras que son mecánicamente equivalentes y están dispuestas simétricamente. Consideramos dos casos en la naturaleza de la anisotropía: (i) Fibras refuerzo que tienen una influencia particular sobre la respuesta a cortante del material y (ii) Fibras refuerzo que influyen sólo si la fibra cambia de longitud con la deformación. Se analiza la propagación de las inestabilidades. En concreto, se diferencia en el abultamiento (bulging) entre la propagación axial y la propagación radial de la inestabilidad. Distintos modelos sufren una u otra propagación. Por último, distintas inestabilidades asociadas al mecanismo de ablandamiento del material (material softening) en contraposición al de endurecimiento (hardening) en una estructura (viga) de a: hormigón y b: hormigón reforzado son modeladas utilizando una metodología paralela a la desarrollada en el análisis de inestabilidades en tubos sometidos a presión interna. This present work deals with the instability of structures made of various materials. It captures and models different types of instabilities using numerical analysis. Firstly, we consider bifurcation for anisotropic cylindrical shells subject to axial loading and internal pressure. Analysis of bifurcation and post bifurcation of inflated hyperelastic thick-walled cylinder is formulated using a numerical procedure based on the modified Riks method for an incompressible material with two preferred directions which are mechanically equivalent and are symmetrically disposed. Secondly, bulging/necking motion in doubly fiber-reinforced incompressible nonlinearly elastic cylindrical shells is captured and we consider two cases for the nature of the anisotropy: (i) reinforcing models that have a particular influence on the shear response of the material and (ii) reinforcing models that depend only on the stretch in the fiber direction. The different instability motions are considered. Axial propagation of the bulging instability mode in thin-walled cylinders under inflation is analyzed. We present the analytical solution for this particular motion as well as for radial expansion during bulging evolution. For illustration, cylinders that are made of either isotropic incompressible non-linearly elastic materials or doubly fiber reinforced incompressible non-linearly elastic materials are considered. Finally, strain-softening constitutive models are considered to analyze two concrete structures: a reinforced concrete beam and an unreinforced notch beam. The bifurcation point is captured using the Riks method used previously to analyze bifurcation of a pressurized cylinder.

Fatiga en CFRP: Caracterización y Método Óptico para la Estimación del Daño

El desarrollo de nuevas estructuras aeroespaciales optimizadas, utilizan materiales compuestos, para los componentes críticos y subsistemas, principalmente polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Un conocimiento profundo del estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP avanzado, es esencial para predecir la vida residual y optimizar los intervalos de inspección estructural, reparaciones y/o sustitución de componentes. Las técnicas actuales se basan principalmente en la medición de cargas estructurales a lo largo de la vida útil de la estructura mediante galgas extensométricas eléctricas. Con esos datos, se estima la vida a fatiga utilizando modelos de acumulación de daño. En la presente tesis, se evalúa la metodología convencional para la estimación de la vida a fatiga de un CFRP aeronáutico. Esta metodología está basada en la regla de acumulación de daño lineal de Palmgren-Miner, y es aplicada para determinar la vida a fatiga de estructuras sometidas a cargas de amplitud variable. Se ha realizado una campaña de ensayos con cargas de amplitud constante para caracterizar un CFRP aeronáutico a fatiga, obteniendo las curvas clásicas S-N, en diferentes relaciones de esfuerzo. Se determinaron los diagramas de vida constante, (CLD), también conocidos como diagramas de Goodman, utilizando redes neuronales artificiales debido a la ausencia de modelos coherentes para materiales compuestos. Se ha caracterizado la degradación de la rigidez debido al daño por fatiga. Se ha ensayado un segundo grupo de probetas con secuencias estandarizadas de cargas de amplitud variable, para obtener la vida a fatiga y la degradación de rigidez en condiciones realistas. Las cargas aplicadas son representativas de misiones de aviones de combate (Falstaff), y de aviones de transporte (Twist). La vida a fatiga de las probetas cicladas con cargas de amplitud variable, se comparó con el índice de daño teórico calculado en base a la regla de acumulación de daño lineal convencional. Los resultados obtenidos muestran predicciones no conservativas. Esta tesis también presenta el estudio y desarrollo, de una nueva técnica de no contacto para evaluar el estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP por medio de cambios de los parámetros de rugosidad. La rugosidad superficial se puede medir fácilmente en campo con métodos sin contacto, mediante técnicas ópticas tales como speckle y perfilómetros ópticos. En el presente estudio, se han medido parámetros de rugosidad superficial, y el factor de irregularidad de la superficie, a lo largo de la vida de las probetas cicladas con cargas de amplitud constante y variable, Se ha obtenido una buena tendencia de ajuste al correlacionar la magnitud de la rugosidad y el factor de irregularidad de la superficie con la degradación de la rigidez de las probetas fatigadas. Estos resultados sugieren que los cambios en la rugosidad superficial medida en zonas estratégicas de componentes y estructuras hechas de CFRP, podrían ser indicativas del nivel de daño interno debido a cargas de fatiga. Los resultados también sugieren que el método es independiente del tipo de carga de fatiga que ha causado el daño. Esto último hace que esta técnica de medición sea aplicable como inspección para una amplia gama de estructuras de materiales compuestos, desde tanques presurizados con cargas de amplitud constante, estructuras aeronáuticas como alas y colas de aeronaves cicladas con cargas de amplitud variable, hasta aplicaciones industriales como automoción, entre otros. ABSTRACT New optimized aerospace structures use composite materials, mainly carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), for critical components and subsystems. A strong knowledge of the fatigue state of highly advanced (CFRP) structures is essential to predict the residual life and optimize intervals of structural inspection, repairs, and/or replacements. Current techniques are based mostly on measurement of structural loads throughout the service life by electric strain gauge sensors. These sensors are affected by extreme environmental conditions and by fatigue loads in such a way that the sensors and their systems require exhaustive maintenance throughout system life. In the present thesis, the conventional methodology based on linear damage accumulation rules, applied to determine the fatigue life of structures subjected to variable amplitude loads was evaluated for an aeronautical CFRP. A test program with constant amplitude loads has been performed to obtain the classical S-N curves at different stress ratios. Constant life diagrams, CLDs, where determined by means of Artificial Neural Networks due to the absence of consistent models for composites. The stiffness degradation due to fatigue damage has been characterized for coupons under cyclic tensile loads. A second group of coupons have been tested until failure with a standardized sequence of variable amplitude loads, representative of missions for combat aircraft (Falstaff), and representative of commercial flights (Twist), to obtain the fatigue life and the stiffness degradation under realistic conditions. The fatigue life of the coupons cycled with variable amplitude loads were compared to the theoretical damage index calculated based on the conventional linear damage accumulation rule. The obtained results show non-conservative predictions. This thesis also presents the evaluation of a new non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures by means of measuring roughness parameters to evaluate changes in the surface topography. Surface roughness can be measured easily on field with non-contact methods by optical techniques such as speckle and optical perfilometers. In the present study, surface roughness parameters, and the surface irregularity factor, have been measured along the life of the coupons cycled with constant and variable amplitude loads of different magnitude. A good agreement has been obtained when correlating the magnitude of the roughness and the surface irregularity factor with the stiffness degradation. These results suggest that the changes on the surface roughness measured in strategic zones of components and structures made of CFRP, could be indicative of the level of internal damage due to fatigue loads. The results also suggest that the method is independent of the type of fatigue load that have caused the damage. It makes this measurement technique applicable for a wide range of inspections of composite materials structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures like wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

Análisis de los modelos de comportamiento de vigas de hormigón armado reforzadas a cortante con polímeros armados con fibras (frp). Validación y calibración experimental

Los polímeros armados con fibras (FRP) se utilizan en refuerzos de estructuras de hormigón debido sobre todo a sus excelentes propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión y a su ligereza que se traduce en facilidad y ahorro en el transporte, puesta en obra y aplicación, la cual se realiza de forma muy rápida, con pocos operarios y utilizando medios auxiliares ligeros, minimizándose las interrupciones del uso de la estructura y las molestias a los usuarios. Las razones presentadas anteriormente, han despertado un gran inter´es por parte de diferentes grupos de investigación a nivel mundial y que actualmente se encuentran desarrollando nuevas técnicas de aplicación y métodos de cálculo. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha, muestran un procedimiento bien definido y aceptado en lo referente al cálculo a flexión, lo cual no ocurre con el refuerzo a cortante y aunque se ha demostrado que el refuerzo con FRP es un sistema eficaz para incrementar la capacidad ´ultima frente a esfuerzos cortantes, también se pone de manifiesto la necesidad de más estudios experimentales y teóricos para avanzar en el entendimiento de los mecanismos involucrados para este tipo de refuerzo y establecer un procedimiento de diseño apropiado que maximice las excelentes propiedades de este material. Los modelos que explican el comportamiento del refuerzo a cortante de elementos de hormigón armado son complejos y sin transposición directa a fórmulas ingenieriles. Las normas actualmente en vigor, generalmente, establecen empíricamente la capacidad cortante como la suma de las capacidades del hormigón y el refuerzo transversal de acero. Cuando un elemento es reforzado externamente con FRP, los modelos son evidentemente aun más complejos. Las guías y recomendaciones existentes proponen calcular la capacidad del elemento añadiendo la resistencia aportada por el refuerzo externo de FRP a la ya dada por el hormigón y acero transversal. Sin embargo, la idoneidad de este acercamiento es cuestionable puesto que no tiene en cuenta una posible interacción entre refuerzos. Con base en lo anterior se da origen al tema objeto de este trabajo, el cual está orientado al estudio a cortante de elementos de hormigón armado (HA), reforzados externamente con material compuesto de tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi. Inicialmente se hace una completa revisión del estado actual del conocimiento de la resistencia a cortante en elementos de hormigón armado con y sin refuerzo externo de FRP, prestando especial atención en los mecanismos actuantes estudiados hasta la fecha. La bibliografía consultada ha sido exhaustiva y actualizada lo que ha permitido el estudio de los modelos propuestos más importantes, tanto para la descripción del fenómeno de adherencia entre hormigón-FRP como de la valoración del aporte al cortante total hecho por el FRP, a través de sendas bases de datos de ensayos de pull-out y de vigas de hormigón armado ensayadas a cortante. Con base en todo lo anterior, se expusieron los mecanismos actuantes en el aporte a cortante hecho por el FRP en elementos de hormigón armado y la forma como las principales guías de cálculo existentes hasta la fecha los abordan. De igual forma se define un modelo de resistencia de esfuerzos para el FRP y se proponen dos modelos para el cálculo de las tensiones o deformaciones efectivas, de los cuales uno esta basado en el modelo de adherencia propuesto por Oller (2005) y el otro en una regresión multivariante para los mecanismos expuestos. Como complemento del estudio de los trabajos encontrados en la literatura, se lleva acabo un programa experimental que, además de aportar más registros a la exigua base de datos existentes, aporte mayor luz a los puntos que se consideran están deficientemente resueltos. Dentro de este programa se realizaron 32 ensayos sobre 16 vigas de 4.5 m de longitud (dos ensayos por viga), reforzadas a cortante con tejido unidireccional de CFRP. Finalmente, estos estudios han permitido proponer modificaciones a las formulaciones existentes en los códigos y guías en vigor. Abstract Its excellent mechanical properties, as well as its corrosion resistance and light weight, which make it easy to apply and inexpensive to ship to the worksite, are the basis of the extended use of fiber reinforced polymer (FRP) as external strengthening for structures. FRP strengthening is a rapid operation calling for only limited labor and lightweight ancillary equipment, all of which minimizes both the interruption of facility usage and user inconvenience. These advantages have aroused considerable interest in civil engineering science and technology and have led to countless applications the world over. Research studies on the shear strength of FRP-strengthened members have been much fewer in number and more controversial than the research on flexural strengthening, for which a more or less standardized and generally accepted procedure has been established. The research conducted and a host of applications around the world have shown that FRP strengthening is an effective technique for raising ultimate shear strength, but it has also revealed a need for further experimental and theoretical research to advance in the understanding of the mechanisms involved and establish suitable design procedures that optimize the excellent properties of this material The models that explain reinforced concrete (RC) shear strength behavior are complex and cannot be directly transposed to engineering formulas. The standards presently in place generally establish shear capacity empirically as the sum of the capacities of the concrete and the passive reinforcement. When members are externally strengthened with FRP, the models are obviously even more complex. The existing guides and recommendations propose calculating capacity by adding the external strength provided by the FRP to the contributions of the concrete and passive reinforcement. The suitability of this approach is questionable, however, because it fails to consider the interaction between passive reinforcement and external strengthening. The subject of this work is based in above, which is focused on externally shear strengthening for reinforced concrete members with unidirectional carbon fiber sheets bonded with epoxy resin. v Initially a thorough literature review on shear of reinforced concrete beams with and without external FRP strengthening was performed, paying special attention to the acting mechanisms studied to date, which allowed the study of the most important models both to describe the bond phenomenon as well as calculating the FRP shear contribution, through separate databases of pull-out tests and shear tests on reinforced concrete beams externally strengthened with FRP. Based on above, they were exposed the acting mechanisms in a FRP shear strengthening on reinforced concrete beams and how guidelines deal the topic. The same way, it is defined a FRP stress strength model and two more models are proposed for calculating the effective stress, one of these is based on the Oller (2005) bond model and another one is the data best fit, taking into account most of the acting mechanisms. To complement the theoretical part we develop an experimental program that, in addition to providing more records to the meager existing database provide greater understanding to the points considered poorly resolved. The test program included 32 tests of 16 beams (2 per beam) of 4.5 m long, shear strengthened with FRP, externally. Finally, modifications to the existing codes and guidelines are proposed.