Using a cohesive damage model to predict the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs

This work addresses both experimental and numerical analyses regarding the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs. Two fundamental geometrical parameters were studied: overlap length and patch thickness. The numerical model used ABAQUS® software and a developed cohesive mixed-mode damage model adequate for ductile adhesives, and implemented within interface finite elements. Stress analyses and strength predictions were carried out. Experimental and numerical comparisons were performed on failure modes, failure load and equivalent stiffness of the repair. Good correlation was found between experimental and numerical results, showing that the proposed model can be successfully applied to bonded joints or repairs.

Reforço de estruturas de betão armado com CFRP

Ao longo dos anos as estruturas existentes têm sido adaptadas para novas utilizações. No entanto, devido aos condicionalismos arquitetónicos e patrimoniais, a demolição e substituição por estruturas novas, pode-se tornar pouco viável, sendo cada vez mais exequível a opção de reforçar. A presente dissertação refere-se a uma dessas opções de reforço nomeadamente ao reforço de estruturas em betão armado com CFRP (Compósitos Reforçados com Fibras de Carbono), nomeadamente lajes e vigas. Os objetivos principais deste trabalho consistem em desenvolver uma proposta de critérios de dimensionamento de estruturas de betão armado reforçadas com CFRP tendo por base o disposto no Eurocódigo 2 comparando -a com o relatório técnico publicado “bulletin 14 - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, da Fédération Internationale du Béton. Recorrendo à revisão bibliográfica, onde estão referidos temas como as características dos materiais de um sistema FRP, as suas técnicas de reforço e com uma exposição do comportamento das vigas reforçadas à flexão, particularmente no seu comportamento mecânico e modos de ruína associados a este tipo de reforço. Apresentam-se duas metodologias de cálculo para dimensionamento deste tipo de reforço para os diferentes estados limites, e aplicam-se a cada uma das metodologias de cálculo a uma viga com necessidade de reforço à flexão e ao corte, devido a um aumento de esforços provocado pelo aumento da sobrecarga. Desenvolve-se um estudo experimental onde se pretende avaliar a eficácia de um sistema de reforço à flexão com compósitos de CFRP colado externamente a uma viga e com diferentes taxas de reforço.

Strength prediction and experimental validation of adhesive joints including polyethylene, carbon-epoxy and aluminium adherends

Polyolefins are especially difficult to bond due to their non-polar, non-porous and chemically inert surfaces. Acrylic adhesives used in industry are particularly suited to bond these materials, including many grades of polypropylene (PP) and polyethylene (PE), without special surface preparation. In this work, the tensile strength of single-lap PE and mixed joints bonded with an acrylic adhesive was investigated. The mixed joints included PE with aluminium (AL) or carbon fibre reinforced plastic (CFRP) substrates. The PE substrates were only cleaned with isopropanol, which assured cohesive failures. For the PE CFRP joints, three different surfaces preparations were employed for the CFRP substrates: cleaning with acetone, abrasion with 100 grit sand paper and peel-ply finishing. In the PE AL joints, the AL bonding surfaces were prepared by the following methods: cleaning with acetone, abrasion with 180 and 320 grit sand papers, grit blasting and chemical etching with chromic acid. After abrasion of the CFRP and AL substrates, the surfaces were always cleaned with acetone. The tensile strengths were compared with numerical results from ABAQUS® and a mixed mode (I+II) cohesive damage model. A good agreement was found between the experimental and numerical results, except for the PE AL joints, since the AL surface treatments were not found to be effective.

Interlaminar fracture characterization of a carbon-epoxy composite in pure mode II

The interlaminar fracture toughness in pure mode II (GIIc) of a Carbon-Fibre Reinforced Plastic (CFRP) composite is characterized experimentally and numerically in this work, using the End-Notched Flexure (ENF) fracture characterization test. The value of GIIc was extracted by a new data reduction scheme avoiding the crack length measurement, named Compliance-Based Beam Method (CBBM). This method eliminates the crack measurement errors, which can be non-negligible, and reflect on the accuracy of the fracture energy calculations. Moreover, it accounts for the Fracture Process Zone (FPZ) effects. A numerical study using the Finite Element Method (FEM) and a triangular cohesive damage model, implemented within interface finite elements and based on the indirect use of Fracture Mechanics, was performed to evaluate the suitability of the CBBM to obtain GIIc. This was performed comparing the input values of GIIc in the numerical models with the ones resulting from the application of the CBBM to the numerical load-displacement (P-) curve. In this numerical study, the Compliance Calibration Method (CCM) was also used to extract GIIc, for comparison purposes.

Taper angle optimization of scarf repairs in carbon-epoxy laminates

The increasing use of Carbon-Fibre Reinforced Plastic (CFRP) laminates in high responsibility applications introduces an issue regarding their handling after damage. The availability of efficient repair methods is essential to restore the strength of the structure. The availability of accurate predictive tools for the repairs behaviour is also essential for the reduction of costs and time associated to extensive tests. This work reports on a numerical study of the tensile behaviour of three-dimensional (3D) adhesively-bonded scarf repairs in CFRP structures, using a ductile adhesive. The Finite Element (FE) analysis was performed in ABAQUS® and Cohesive Zone Models (CZM’s) was used for the simulation of damage in the adhesive layer. A parametric study was performed on two geometric parameters. The use of overlaminating plies covering the repaired region at the outer or both repair surfaces was also tested as an attempt to increase the repairs efficiency. The results allowed the proposal of design principles for repairing CFRP structures.

Single-lap joints of similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive

In this study, the tensile strength of single-lap joints (SLJs) between similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive was evaluated experimentally and numerically. The adherend materials included polyethylene (PE), polypropylene (PP), carbon-epoxy (CFRP), and glass-polyester (GFRP) composites. The following adherend combinations were tested: PE/PE, PE/PP, PE/CFRP, PE/GFRP, PP/PP, CFRP/CFRP, and GFRP/GFRP. One of the objectives of this work was to assess the influence of the adherends stiffness on the strength of the joints since it significantly affects the peel stresses magnitude in the adhesive layer. The experimental results were also used to validate a new mixed-mode cohesive damage model developed to simulate the adhesive layer. Thus, the experimental results were compared with numerical simulations performed in ABAQUS®, including a developed mixed-mode (I+II) cohesive damage model, based on the indirect use of fracture mechanics and implemented within interface finite elements. The cohesive laws present a trapezoidal shape with an increasing stress plateau, to reproduce the behaviour of the ductile adhesive used. A good agreement was found between the experimental and numerical results.

Experimental study on polyester based concretes filled with glass fibre reinforced plastic recyclates – a contribution to composite materials sustainability

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fibre reinforced plastics (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Despite of all advantages associated to FRP based products, the increasing production and consume also lead to an increasing amount of FRP wastes, either end-of-lifecycle products, or scrap and by-products generated by the manufacturing process itself. Whereas thermoplastic FRPs can be easily recycled, by remelting and remoulding, recyclability of thermosetting FRPs constitutes a more difficult task due to cross-linked nature of resin matrix. To date, most of the thermoset based FRP waste is being incinerated or landfilled, leading to negative environmental impacts and supplementary added costs to FRP producers and suppliers. This actual framework is putting increasing pressure on the industry to address the options available for FRP waste management, being an important driver for applied research undertaken cost efficient recycling methods. [1-2]. In spite of this, research on recycling solutions for thermoset composites is still at an elementary stage. Thermal and/or chemical recycling processes, with partial fibre recovering, have been investigated mostly for carbon fibre reinforced plastics (CFRP) due to inherent value of carbon fibre reinforcement; whereas for glass fibre reinforced plastics (GFRP), mechanical recycling, by means of milling and grinding processes, has been considered a more viable recycling method [1-2]. Though, at the moment, few solutions in the reuse of mechanically-recycled GFRP composites into valueadded products are being explored. Aiming filling this gap, in this study, a new waste management solution for thermoset GFRP based products was assessed. The mechanical recycling approach, with reduction of GFRP waste to powdered and fibrous materials was applied, and the potential added value of obtained recyclates was experimentally investigated as raw material for polyester based mortars. The use of a cementless concrete as host material for GFRP recyclates, instead of a conventional Portland cement based concrete, presents an important asset in avoiding the eventual incompatibility problems arisen from alkalis silica reaction between glass fibres and cementious binder matrix. Additionally, due to hermetic nature of resin binder, polymer based concretes present greater ability for incorporating recycled waste products [3]. Under this scope, different GFRP waste admixed polymer mortar (PM) formulations were analyzed varying the size grading and content of GFRP powder and fibre mix waste. Added value of potential recycling solution was assessed by means of flexural and compressive loading capacities of modified mortars with regard to waste-free polymer mortars.

Reforço de estruturas de betão armado com compósitos de fibra de carbono

O relatório resulta do estágio realizado na empresa Sika Brasil, no âmbito da Unidade Curricular de DIPRE do Mestrado de Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto. A área de especialidade incidiu na recuperação e reforço de estruturas (Target Market Refurbishment), onde se deu a oportunidade de aprofundar conhecimentos em reforço estrutural através do sistema de reforço com compósitos de fibra de carbono (CFRP) colado exteriormente (EBR - Externally Bonded Reinforcement). O estágio realizado permitiu uma abordagem com a gama de produtos de recuperação e reforço da Sika Brasil, sendo que houve um foco muito grande nos produtos que respeitam ao reforço estrutural com compósitos de fibra de carbono. Este documento visa várias etapas do estágio, relacionadas diretamente com o reforço estrutural com CFRP. Foi feito um levantamento teórico das características dos compósitos de fibra de carbono, dando a conhecer os materiais envolvidos no sistema, as suas propriedades mecânicas e o seu âmbito de aplicação. No sentido de ter um diálogo profícuo com os projetistas e aplicadores de sistemas compósitos de fibra, foi realizada uma análise do procedimento de cálculo para o dimensionamento de reforço CFRP, à luz do Bulletin 14 fib:01 (2001), bem como uma análise da situação de incêndio para os sistemas compósitos. Consta neste documento uma análise feita entre os principais fornecedores de sistemas de CFRP no Brasil, baseando-se a mesma no conteúdo das fichas técnicas de produto relativas ao sistema de reforço EBR e respetiva comparação com a informação necessária para dimensionamento, de acordo com o Bulletin 14 fib:01 (2001). É relatado um reforço estrutural, como caso de estudo, tendo-se dado a oportunidade de se acompanhar desde a sua fase de projeto até à fase de execução. Por fim, este documento contém a simulação de dois programas da Sika para dimensionamento de reforço CFRP. A simulação foi feita para uma viga submetida a esforço de flexão, com as características geométricas e solicitações previamente definidas.

Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.