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.

Optical sensing of the fatigue damage state of CFRP under realistic aeronautical load sequences

We present an optical sensing methodology to estimate the fatigue damage state of structures made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), by measuring variations on the surface roughness. Variable amplitude loads (VAL), which represent realistic loads during aeronautical missions of fighter aircraft (FALSTAFF) have been applied to coupons until failure. Stiffness degradation and surface roughness variations have been measured during the life of the coupons obtaining a Pearson correlation of 0.75 between both variables. The data were compared with a previous study for Constant Amplitude Load (CAL) obtaining similar results. Conclusions suggest that the surface roughness measured in strategic zones is a useful technique for structural health monitoring of CFRP structures, and that it is independent of the type of load applied. Surface roughness can be measured in the field by optical techniques such as speckle, confocal perfilometers and interferometry, among others.

Análisis teórico-experimental de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono

El presente trabajo se refiere al estudio teórico-experimental del comportamiento de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono o CFRP. El análisis se realiza considerando que los pilares se refuerzan mediante la técnica de adhesión de tejidos de fibra de carbono, generando un efecto de confinamiento. Las vigas se refuerzan mediante la incorporación de barras del mismo material, con refuerzos a cortante. El objetivo es poder comparar el estudio analítico de este tipo de refuerzos con resultados experimentales obtenidos con anterioridad a la realización de este documento, y así poder obtener conclusiones de las posibles diferencias. Hay que señalar que los modelos experimentales no forman parte de este estudio. Los ensayos en pilares fueron realizados en sección cuadrada y circular evaluando la rotura a compresión de las piezas, habiendo sido éstas escaladas con un factor de reducción de 2,3. Los ensayos correspondientes a vigas se realizaron en sección rectangular, centrándose en la evaluación de la rotura a flexión y habiendo sido escaladas igualmente, pero con un factor de reducción de 1:2. El documento se estructura en cuatro capítulos, cuyo contenido se expone de forma concisa a continuación. En el capítulo uno o marco teórico se exponen los principios de comportamiento y tipologías de los pilares y vigas de hormigón armado, las bases teóricas de su refuerzo y confinamiento, así como las diversas técnicas de refuerzo existentes. Se detalla la técnica con FRP, comparando y analizando sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo dos se expone el proceso de fabricación, refuerzo y resultados de los modelos experimentales realizados para ambos elementos estructurales. La obtención de los modelos teóricos forma parte del capítulo tres, comparándose con los resultados experimentales en el cuarto capítulo. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas al realizar esta comparativa en el refuerzo de vigas y pilares con fibra de carbono. This work refers to the theoretical and experimental study of the behavior of CFRP reinforced concrete columns and beams. The analysis was done considering that the pillars are reinforced by CFRP wrapping technique, resulting in a confinement effect. The beams are reinforced by the addition of bars of the same material, with shear reinforcements. The objective is to compare the analytical study of this type of reinforcement with experimental results obtained prior to the performance of this document, and draw conclusions for any differences. Notice that experimental models are not part of this study. The tests were performed on circular and square section pillars, evaluating compression fracture of the pieces, having been scaled down with a factor of 2.3. The tests were performed on rectangular section beams, focusing on evaluation of the bending fracture and being scaled down equally, but with a factor of 1:2. The document is divided into four chapters, whose content is set out concisely below. The chapter one or theoretical framework sets out the principles of behavior and types of columns and beams of reinforced concrete, the theoretical basis of its reinforcement and confinement, as well as various existing reinforcement techniques. CFRP technique it’s detailed, comparing and analyzing their advantages and disadvantages. Chapter two describes the process of manufacture, reinforcement and results of experimental models made for both structural elements. Chapter three shows the obtaining of the theoretical models, comparing them with the experimental results in the fourth chapter. Finally, the last chapter presents the conclusions to make this comparison in the strengthening of beams and columns with carbon fiber.

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.

Integrated electronic system for ultrasonic structural health monitoring

A fully integrated on-board electronic system that can perform in-situ structural health monitoring (SHM) of aircraft?s structures using specifically designed equipment for SHM based on guided wave ultrasonic method or Lamb waves? method is introduced. This equipment is called Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment (PAMELA III) and is an essential part of overall PAMELA SHM? system. PAMELA III can generate any kind of excitation signals, acquire the response signals that propagate throughout the structure being tested, and perform the signal processing for damage detection directly on the structure without need to send the huge amount of raw signals but only the final SHM maps. It monitors the structure by means of an array of integrated Phased Array (PhA) transducers preferably bonded onto the host structure. The PAMELA III hardware for SHM mapping has been designed, built and subjected to laboratory tests, using aluminum and CFRP structures. The 12 channel system has been designed to be low weight (265 grams only), to have a small form factor, to be directly mounted above the integrated PhA transducers without need for cables and to be EMI protected so that the equipment can be taken on board an aircraft to perform required SHM analyses by use of embedded SHM algorithms. Moreover, the autonomous, automatic and on real-time working procedure makes it suitable for the avionic field, sending the corresponding alerts, maps and reports to external equipment.

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.