Failure locus of polypropylene nonwoven fabrics under in-plane biaxial deformation

The failure locus, the characteristics of the stress–strain curve and the damage localization patterns were analyzed in a polypropylene nonwoven fabric under in-plane biaxial deformation. The analysis was carried out by means of a homogenization model developed within the context of the finite element method. It provides the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the area associated to a finite element and takes into account the main deformation and damage mechanisms experimentally observed. It was found that the failure locus in the stress space was accurately predicted by the Von Mises criterion and failure took place by the localization of damage into a crack perpendicular to the main loading axis.

A constitutive model for the in-plane mechanical behavior of nonwoven fabrics

A constitutive model is presented for the in-plane mechanical behavior of nonwoven fabrics. The model is developed within the context of the finite element method and provides the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the area associated to a finite element. The model is built upon the ensemble of three blocks, namely fabric, fibers and damage. The continuum tensorial formulation of the fabric response rigorously takes into account the effect of fiber rotation for large strains and includes the nonlinear fiber behavior. In addition, the various damage mechanisms experimentally observed (bond and fiber fracture, interfiber friction and fiber pull-out) are included in a phenomenological way and the random nature of these materials is also taken into account by means of a Monte Carlo lottery to determine the damage thresholds. The model results are validated with recent experimental results on the tensile response of smooth and notched specimens of a polypropylene nonwoven fabric.

Mechanical behavior and deformation micromechanisms of polypropylene nonwoven fabrics as a function of temperature and strain rate

The mechanical behavior and the deformation and failure micromechanisms of a thermally-bonded polypropylene nonwoven fabric were studied as a function of temperature and strain rate. Mechanical tests were carried out from 248 K (below the glass transition temperature) up to 383 K at strain rates in the range ≈10−3 s−1 to 10−1 s−1. In addition, individual fibers extracted from the nonwoven fabric were tested under the same conditions. Micromechanisms of deformation and failure at the fiber level were ascertained by means of mechanical tests within the scanning electron microscope while the strain distribution at the macroscopic level upon loading was determined by means of digital image correlation. It was found that the nonwoven behavior was mainly controlled by the properties of the fibers and of the interfiber bonds. Fiber properties determined the nonlinear behavior before the peak load while the interfiber bonds controlled the localization of damage after the peak load. The influence of these properties on the strength, ductility and energy absorbed during deformation is discussed from the experimental observations.

Influence of the Fiber Alignment in the Ballistic Performance of Dyneema Non-Woven Fabrics

The aim of this study was the determination of the deforming micromechanisms of needlepunched felts subjected to impact loads. A large experimental campaign has been carried out to analyze the influence of the fiber alignment in the ballistic performance. Ballistic limit curves of predeformed samples were compared. The fiber realignment was experimentally measure by means of 2D X-Ray diffraction. Higher specific absorption was observed for samples with a more isotropic mechanical response. A constitutive physicallybased model was developed within the context of the finite element method, which provided the constitutive response for a mesodomain including micromechanical aspects as fiber alignment, fiber sliding and pull-out. The macroscopic response has been validated with the experimental results, showing a very good agreement. The absorbed energy by the material during the impact was predicted and the fiber realignment evolution was also obtained.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.

Análisis de elementos de madera reforzados con materiales compuestos

Gran parte del patrimonio construido cuenta con edificios cuya estructura está compuesta por elementos de madera. El volumen económico que supone el mantenimiento y renovación de dicho patrimonio es considerable, por ello, es de especial interés el estudio de las diferentes técnicas de refuerzo aplicables a este tipo de estructuras. Las estructuras de madera han sido tradicionalmente reforzadas con piezas del mismo material, aumentando la sección de los elementos dañados, o con acero. La aparición de los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras, y su progresiva aplicación en obras de construcción, hizo que a principios de la década de los noventa se comenzara a aplicar este material en refuerzos de estructuras de madera (Puente de Sins, 1992). La madera es un material natural con una excelente relación entre sus características mecánicas y su peso. Con el uso de materiales compuestos como refuerzo ésta característica se mantiene. En cuanto a su modelo constitutivo, se admite un comportamiento elástico lineal a tracción paralela a la fibra hasta la rotura, mientras que a compresión, se considera un comportamiento lineal elástico inicial, seguido de un tramo plástico. En vigas de madera aserrada sometidas a flexión predomina el modo de fallo por tracción localizándose la fractura frecuentemente en el canto inferior. Los FRP tienen un comportamiento elástico lineal a tracción hasta la rotura y cuentan con excelentes propiedades mecánicas en relación a su peso y volumen. Si se refuerza la viga por el canto inferior se aumentará su capacidad de absorber tracciones y por tanto, es previsible que se produzca un incremento en la capacidad de carga, así como un aumento de ductilidad. En este trabajo se analizan los beneficios que aportan distintos sistemas de refuerzos de materiales compuestos. El objetivo es contribuir al conocimiento de esta técnica para la recuperación o aumento de las propiedades resistentes de elementos de madera sometidos a flexión. Se ha llevado a cabo un estudio basado en datos obtenidos experimentalmente mediante el ensayo a flexión de vigas de madera de pino silvestre reforzadas con materiales compuestos. Las fibras que componen los tejidos utilizados para la ejecución de los refuerzos son de basalto y de carbono. En el caso de los compuestos de fibra de basalto se aplican en distintos gramajes, y los de carbono en tejido unidireccional y bidireccional. Se analiza el comportamiento de las vigas según las variables de refuerzo aplicadas y se comparan con los resultados de vigas ensayadas sin reforzar. Además se comprueba el ajuste del modelo de cálculo no lineal aplicado para predecir la carga de rotura de cada viga reforzada. Con este trabajo queda demostrado el buen funcionamiento del FRP de fibra de basalto aplicado en el refuerzo de vigas de madera y de los tejidos de carbono bidireccionales con respecto a los unidireccionales. ABSTRACT Many of the buildings of the built heritage include a structure composed by timber elements. The economic volume involved in the maintenance and renewal of this built heritage is considerable, therefore, the study of the different reinforcement techniques applicable to this type of structure is of special interest. The wooden structures have traditionally been reinforced either with steel or with pieces of the same material, increasing the section of the damaged parts. The emergence of polymer composites reinforced with fibers, and their progressive use in construction, started to be applied as reinforcement in timber structures at the beginning of the nineties decade in the 20th century (Sins Bridge, 1992). Wood is a natural material with an excellent ratio between its mechanic characteristics and its weight. This feature is maintained with the use of composites as reinforcement. In terms of its constitutive model, linear elastic behavior parallel to the fiber up to fracture is admitted when subjected to tensile stress, while under compression, an initial linear elastic behavior, followed by a section plasticizing, is considered. In sawn timber beams subjected to bending, the predominant failure is mainly due to tensile stress; and frequently the fracture is located at the beam lower face. The FRP have a linear elastic behavior until fracture occurs, and have excellent mechanical properties in relation to their weight and volume. If the beam is reinforced by its lower face, its capacity to absorb tensile stresses will increase, and therefore, an increase in its carrying capacity is likely to be produced, as well as an increase in ductility. This work analyzes the benefits different reinforcement systems of composite materials provide, with the aim of contributing to the knowledge of this technique for recovering or increasing the strength properties of timber elements subjected to bending loads. It is a study based on data obtained experimentally using bending tests of pine timber beams reinforced with composite materials. Fibers used for the execution of the reinforcement are basalt and carbon. Basalt fiber composites are applied in different grammages, whereas with carbon composites, unidirectional and bidirectional fabrics are used. The behavior of the beams was analyzed regarding the reinforcement variables applied, and the results are compared with those of the tested beams without reinforcement. Furthermore it has been proved adjunting the nonlinear calculation model applied to predict the failure load of each reinforced beam. This work proves the good behavior of fiber reinforce plastic (FRP) with basalt fiber when applied to timber beams, and that of bidirectional carbon fabrics as opposed to the unidirectional ones.

Constructed Fashion: The Catwalk System as an Architectural Project

Teniendo en cuenta que no hay nada que se escape de la moda 1, y extendiendonos más allá de esta manida discusión sobre intersecciones formales, esta investigación propone la pasarela como un lugar real de mediación entre moda y arquitectura. Asumiendo esta condición, la pasarela encarna nuevos modos de producción apropiándose de su espacio y estructura, y convierténdose en una máquina capaz de generar múltiples y más bien infinitos significados. La moda es sin duda un proyecto creativo, que ha venido utilizando la pasarela como un marco para la reordenación de su narrativa visual, renovándose asi mismo como fenómeno social. Este proyecto de investigación plantea, que contrariamente las tipologías actuales de las pasarelas no nos facilitan la comprensión de una colección – que suele ser el objetivo principal. Presentan en cambio un entorno en el que se acoplan diferentes formatos visuales, -con varias capas-, conviéndolo en una compleja construcción y provocando nunerosas fricciones con el espacio-tiempo-acción durante el proceso de creación de otros territorios. Partiendo de la idea de la pasarela como un sistema, en el que sus numerosas variables pueden producir diversas combinaciones, esta investigación plantea la hipótesis por la cual un nuevo sistema de pasarela se estaría formando enteramente con capas de información. Este escenario nos conduciría a la inmersión final de la moda en los tejidos de la virtualidad. Si bien el debate sobre la relevancia de los desfiles de moda se ha vuelto más evidente hoy en día, esta investigación especula con la posibilidad del pensamiento arquitectónico y como este puede introducir metodologías de análisis en el marco de estos desfiles de moda, proponiendo una lectura de la pasarela como un sistema de procedimientos específicos inherente a los proyectos/procesos de la arquitectura. Este enfoque enlaza ambas prácticas en un territorio común donde el espacio, el diseño, el comportamiento, el movimiento, y los cuerpos son ordenados/organizados en la creación de estas nuevas posibilidades visuales, y donde las interacciones activan la generación de la novedad y los mensajes. PALABRAS CLAVES moda, sistema, virtual, información, arquitectura Considering that there is nothing left untouched by fashion2, and going beyond the already exhausted discussion about formal intersections, this research introduces the catwalk as the real arena of mediation between fashion and architecture. By assuming this condition, the catwalk embodies new modes of production that appropriates its space and turns it into a machine for generating multiple if not infinite meanings. Fashion, as a creative project, has utilized the catwalk as a frame for rearranging its visual narrative and renewing itself as social phenomena. This research disputes, however, that the current typologies of catwalks do not facilitate the understanding of the collection – as its primary goal - but, instead, present an environment composed of multi-layered visual formats, becoming a complex construct that collides space-time-action in the creation of other territories. Departing from the analysis of the catwalk as a system and how its many variables can produce diverse combinations, this research presents the hypothesis that a new system is being formed entirely built out of information. Such scenario indicates fashion´s final immersion into the fabrics of virtuality. While the discussion about the relevance of fashion shows has become more evident today, this research serves as an introductory speculation on how architectural thinking can introduce methodologies of analysis within the framework of the fashion shows, by proposing a reading of the catwalk as a system through specific procedures that are inherent to architectural projects. Such approach intertwines both practices into a common territory where space, design, behaviour, movement, and bodies are organized for the creation of visual possibilities, and where interactions are triggered in the making of novelty and messages. KEYWORDS fashion, system, virtual, information, architectural

Jacques Tati : vivienda experimental y espacio de trabajo a mediados del siglo XX

La obra fílmica del director francés Jacques Tati podría considerarse como el perfecto reflejo del paradigma edificatorio de mediados del siglo XX en plena posguerra europea, una época ávida de transformaciones de las que el cine supo hacerse eco. Particularmente, el cine de Tati refleja las preocupaciones del ciudadano europeo de posguerra sobre las consecuencias de las masivas construcciones erigidas en sus devastados núcleos urbanos y la puesta en práctica de la ciudad funcional propuesta por la Carta de Atenas (1931). Pero, además, el análisis del cine de Jacques Tati permite un acercamiento a la modernidad desde diversos puntos de vista como la movilidad, el diseño urbano, las nuevas construcciones, los espacios de trabajo en los nuevos distritos terciarios, la vivienda -tradicional, moderna y experimental- o el diseño mobiliario en la posguerra. A través de su alter ego -Monsieur Hulot- Tati interacciona curioso con las nuevas construcciones geométricas de paños neutros y cuestiona su ruptura con la tradición edificatoria francesa, enfatizando la oposición entre el pasado nostálgico y la modernidad de las décadas de los 50 y 60, salpicadas por el consumismo feroz del recién estrenado estado de bienestar. La confrontación funcional, volumétrica, estética e incluso cromática entre ambos mundos construidos –el tradicional y el moderno- invita al espectador a un ejercicio de reflexión y crítica sobre la arquitectura moderna de este período en Europa. En particular, la mirada cinematográfica de Tati se centra en dos conceptos fundamentales. Por una parte, su atención se dirige a la famosa casa mecanicista Le Corbuseriana materializada en la ultra-moderna casa Arpel (Mon Oncle, 1958) y proyectada en la misma época en la que se desarrollaban importantes prototipos de vivienda experimental como la Casa de Futuro de Alison y Peter Smithson o las viviendas de Jean Prouvé. Debe ponerse de manifiesto que la crítica de Jacques Tati no se centraba en la arquitectura moderna en sí misma sino en el empleo erróneo que los usuarios pudieran hacer de ella. Por otro lado, Tati centra su atención en el prisma miesiano a través de los bloques de oficinas que conforman la ciudad de Tativille en Playtime (1967). Se trataba de una gran ciudad moderna construida explícitamente para el rodaje de la película y basada en los casi idénticos tejidos urbanos residenciales y terciarios ya en funcionamiento en las principales capitales europeas y norteamericanas en aquellos años. Tativille funcionaría como una ciudad autónoma disponiendo de diversas instalaciones y con el objetivo de integrarse y consolidarse en la trama urbana parisina. Lamentablemente, su destino al final del rodaje fue bien distinto. En definitiva, el análisis de la producción fílmica de Jacques Tati permite un acercamiento a la arquitectura y al urbanismo modernos de posguerra y al contexto socio-económico que favoreció su crecimiento y expansión. Por ello, su obra constituye una herramienta visual muy útil que aún hoy es consultada y mostrada por su claridad y humor y que invita a los ciudadanos –telespectadores- a participar en un ejercicio crítico arquitectónico hasta entonces reservado a los arquitectos. ABSTRACT The film work of French director Jacques Tati could be considered as the perfect reflection of the mid-20th century European post-war building paradigm, a period of time plenty of transformations perfectly echoed by cinema. In particular, Tati’s film work reflects the European post-war citizen’s concerns about the consequences of massive constructions built in their desvastated urban centres, as well as the development of functional cities proposed by the Athens Charter (1931). But, on top of that, an analysis of Jacques Tati’s cinematography allows for an approach to modernity from different perspectives, such as mobility, urban design, new buildings, working spaces in the new tertiary districts, housing -traditional, modern, and experimental-, or furniture design during the post-war period. Embodied by his alter-ego –Monsieur Hulot,- Tati curiously interacts with the new geometric constructions of neutral facades and questions the break with the French building tradition, highlighting the opposition between the nostalgic past and modernity of the 50s and 60s, affected by the fierce consumerism of the new welfare state. The functional, volumetric, aesthetic and even chromatic confrontation between both built worlds –traditional vs modern- invites the viewer to an exercise of meditation and criticism on the European modern architecture of that period. Tati’s film look is particularly focused on two basic concepts: on the one hand, his attention addresses Le Corbusier’s famous mechanistic house which is materialized in the ultra-modern Arpel house (Mon Oncle, 1958) and designed, in turn, when the development of other important experimental dwelling prototypes like Alison and Peter Smithson’s House of the Future or Jean Prouvé´s houses was taking place. It must be highlighted that Jacques Tati’s criticism was not addressed to modern architecture itself but to the wrong use that citizens could make of it. On the other hand, Tati focuses on the Miesian prism through the office buildings that shape the city of Tativille in Playtime (1967). It was a big, modern city built specifically for the film shooting, and based on the almost identical residential and tertiary urban fabrics already active in the main European and American capitals those years. Tativille would work as an autonomous city, having several facilities at its disposal and with the goal of getting integrated and consolidated into the Parisian urban weave. However, its final use was, unfortunately, quite different. In conclusion, an analysis of Jacques Tati’s film production allows for an approach to modern post-war architecture and urbanism, as well as to the socio-economic context that favoured its growth and expansion. As a result of this, Jacques Tati’s film production constitutes a suitable visual tool which, even nowadays, is consulted and shown due to its clarity and humour, and at the same time invites citizens –viewers- to participate in an architectural criticism exercise that, so far, had been reserved to architects.