Strength improvement of adhesively-bonded joints using a reverse-bent geometry

Adhesive bonding of components has become more efficient in recent years due to the developments in adhesive technology, which has resulted in higher peel and shear strengths, and also in allowable ductility up to failure. As a result, fastening and riveting methods are being progressively replaced by adhesive bonding, allowing a big step towards stronger and lighter unions. However, single-lap bonded joints still generate substantial peel and shear stress concentrations at the overlap edges that can be harmful to the structure, especially when using brittle adhesives that do not allow plasticization in these regions. In this work, a numerical and experimental study is performed to evaluate the feasibility of bending the adherends at the ends of the overlap for the strength improvement of single-lap aluminium joints bonded with a brittle and a ductile adhesive. Different combinations of joint eccentricity were tested, including absence of eccentricity, allowing the optimization of the joint. A Finite Element stress and failure analysis in ABAQUS® was also carried out to provide a better understanding of the bent configuration. Results showed a major advantage of using the proposed modification for the brittle adhesive, but the joints with the ductile adhesive were not much affected by the bending technique.

Strength prediction of single- and double-lap joints by standard and extended finite element modelling

The structural integrity of multi-component structures is usually determined by the strength and durability of their unions. Adhesive bonding is often chosen over welding, riveting and bolting, due to the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty and easy manufacturing, amongst other issues. In the past decades, the Finite Element Method (FEM) has been used for the simulation and strength prediction of bonded structures, by strength of materials or fracture mechanics-based criteria. Cohesive-zone models (CZMs) have already proved to be an effective tool in modelling damage growth, surpassing a few limitations of the aforementioned techniques. Despite this fact, they still suffer from the restriction of damage growth only at predefined growth paths. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the FEM, developed to allow the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom with special displacement functions, thus overcoming the main restriction of CZMs. These two techniques were tested to simulate adhesively bonded single- and double-lap joints. The comparative evaluation of the two methods showed their capabilities and/or limitations for this specific purpose.

Effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints

Bonded unions are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional fastening, riveting, bolting and welding techniques. Between the available bonding configurations, the single-lap joint is the most commonly used and studied by the scientific community due to its simplicity, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes in single-lap joints is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses at the damage initiation sites in structures or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints was analyzed experimentally with two main purposes: (1) to check whether or not the anchorage effect of the adhesive within the holes is more preponderant than the stress concentrations near the holes, arising from the sharp edges, and modification of the joints straining behaviour (strength improvement or reduction, respectively) and (2) picturing a real scenario on which the components to be bonded are modified by some external factor (e.g. retrofitting of decaying/old-fashioned fastened unions). Tests were made with two adhesives (a brittle and a ductile one) varying the adherend thickness and the number, layout and diameter of the holes. Experimental testing showed that the joints strength never increases from the un-modified condition, showing a varying degree of weakening, depending on the selected adhesive and hole drilling configuration.

Estudo e otimização de juntas do tipo Tpeel soldadas, adesivas e híbridas

A necessidade de utilizar métodos de ligação que melhor satisfaçam as necessidades de projeto tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A sua utilização em diversas aplicações industriais justifica-se pela redução de peso, redução de concentrações de tensões, isolamento acústico e melhor resistência à corrosão. Contudo, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas, a fraca resistência a esforços de arrancamento e a complexidade da previsão da sua resistência. As juntas híbridas são obtidas por combinação de uma técnica tradicional com uma ligação adesiva. As juntas híbridas adesivas-soldadas obtêm-se através da combinação da ligação adesiva com a ligação soldada, sendo a soldadura de resistência por pontos a técnica de soldadura mais usada no fabrico deste tipo de juntas. A sinergia entre ligação adesiva e soldadura por pontos oferece vantagens competitivas em relação às ligações adesivas, tais como superior resistência e rigidez, e maior resistência ao arrancamento e à fadiga. No presente trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas T-peel soldadas, adesivas e híbridas (adesivas-soldadas) solicitadas ao arrancamento. Considerouse o adesivo frágil Araldite® AV138 e os adesivos dúcteis Araldite® 2015 e Sikaforce® 7752 e aderentes de aço (C45E). Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efetuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos pelo Método de Elementos Finitos (MEF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por MDC. Observou-se que, dos três adesivos em estudo, o adesivo Sikaforce® 7752 é o que apresenta o melhor desempenho na ligação de juntas T-peel. A boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos permitiu validar a utilização de MDC para previsão da resistência de juntas T-peel adesivas e híbridas. Assim, o presente trabalho representa uma base para posterior aplicação no projeto deste tipo de ligação, com as vantagens decorrentes na redução do tempo de projeto e maior facilidade de otimização.

Estudo da resistência e mecanismos de dano em juntas adesivas entre materiais compósitos com defeitos de adesão

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens, das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, uma das limitações das juntas adesivas é a dificuldade em prever a resistência da junta após fabrico e durante a sua vida útil devido à presença de defeitos no adesivo. Os defeitos são normalmente gerados pela preparação inadequada das juntas ou degradação do adesivo devido ao ambiente (por exemplo, humidade), reduzindo a qualidade da ligação e influenciando a resistência da junta. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples (JSS) com a inclusão de defeitos centrados na camada de adesivo para comprimentos de sobreposição (LO) diferentes. Os adesivos utilizados foram o Araldite® AV138, apresentado como sendo frágil, e o adesivo Sikaforce® 7752, intitulado como adesivo dúctil. A parte experimental consistiu no ensaio à tração das diferentes JSS permitindo a obtenção das curvas força-deslocamento (P-δ). A análise numérica por modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento ((σy) e as tensões de corte (τxy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade dos MDC na previsão da resistência da junta. Constatou-se um efeito significativo dos defeitos de diferentes dimensões na resistência das juntas, que também depende do tipo de adesivo utilizado e do valor de LO. Os modelos numéricos permitiram a descrição detalhada do comportamento das juntas e previsão de resistência, embora para o adesivo dúctil a utilização de uma lei coesiva triangular tenha provocado alguma discrepância relativamente aos resultados experimentais.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Modelação de juntas adesivas por modelos de dano coesivo utilizando o método direto

A utilização de adesivos hoje em dia encontra-se de tal forma disseminada que é transversal a diversos setores do mercado, como a indústria aeroespacial, aeronáutica, automóvel e do desporto. De facto, o uso de ligações adesivas em estruturas mecânicas tem vindo a crescer, na medida em que estes têm substituído os métodos de ligação convencionais, tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. No geral, as ligações adesivas apresentam diversas vantagens, desde a diminuição do peso, redução da concentração de tensões, facilidade de fabrico, bom comportamento a solicitações cíclicas e capacidade de unir materiais dissimilares. O crescente interesse da indústria nas ligações adesivas tem por base o aumento da confiabilidade nos métodos de previsão de resistência de estruturas adesivas. Neste contexto surgem os Modelos de Dano Coesivo, que permitem simular o crescimento do dano em estruturas, após introdução das leis coesivas previamente estimadas nos modelos numéricos. Uma das fases mais importantes neste método de previsão é a estimativa das leis coesivas em tração e corte, pelo que se torna de grande relevância a existência e validação de métodos precisos para a obtenção destas leis. Este trabalho visa a validação de leis coesivas em tração e corte, estimadas pela aplicação do método direto, na previsão da resistência de juntas com geometria de solicitação mista. Neste âmbito, ensaiaram-se JSS e JSD com diferentes comprimentos de sobreposição e com adesivos de diferente ductilidade. Foram considerados os adesivos Araldite® AV138, de elevada resistência e baixa ductilidade, o Araldite® 2015, de moderada ductilidade e resistência intermédia, e o SikaForce® 7752, de baixa resistência e elevada ductilidade. As leis coesivas em modo puro serviram de base para a criação de leis simplificadas triangulares, trapezoidais e linearesexponenciais, que foram testadas para cada um dos adesivos. A validação das mesmas consumou-se por comparação das previsões numéricas com os resultados experimentais. Procedeu-se também a uma análise de tensões de arrancamento e de corte no adesivo, de modo a compreender a influência das tensões na resistência das juntas. A utilização do método direto permitiu obter previsões de resistência bastante precisas, indicando as formas de leis coesivas mais adequadas para cada conjunto adesivo/geometria de junta. Para além disso, para as condições geométricas e materiais consideradas, este estudo permitiu concluir que não se cometem erros significativos na escolha de uma lei menos adequada.

Aplicação do método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) para a previsão da resistência de juntas adesivas de sobreposição dupla

As ligações adesivas têm sido utilizadas em diversas áreas de aplicação. A utilização das juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, por causa das vantagens significativas que apresentam comparativamente com os métodos tradicionais de ligação tais como soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico são algumas das principais vantagens das ligações adesivas. Devido à crescente utilização das ligações adesivas, torna-se necessário a existência de ferramentas que permitam prever a resistência das juntas com elevada precisão. Assim, para a análise de juntas adesivas, está a ser cada vez mais utilizado o método de Elementos Finitos. Neste âmbito o Método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) perfila-se como um método capaz de prever o comportamento da junta, embora este ainda não esteja convenientemente estudado no que diz respeito à aplicação a juntas adesivas. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico pelo MEFX de juntas de sobreposição dupla, nas quais são aplicados adesivos que variam desde frágeis e rígidos, como o caso do Araldite® AV138, até adesivos mais dúcteis, como o Araldite® 2015 e o Sikaforce® 7888. Foram considerados substratos de alumínio (AW6082-T651) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição, sendo sujeitos a esforços de tração de forma a avaliar o seu desempenho. Na análise numérica foi realizada uma análise da distribuição de tensões na camada adesiva, a previsão da resistência das juntas pelo MEFX segundo critérios de iniciação de dano baseados em tensões e deformações, e ainda um estudo sobre o critério energético de propagação de dano. A análise por MEFX revelou que este método é bastante preciso quando usados os critérios de iniciação de dano MAXS e QUADS, e parâmetro com valor de 1 no critério energético de propagação de dano. Apesar de ser um método pouco estudado na literatura comparativamente com outros, o MEFX apresentou resultados muito satisfatórios.

Avaliação do stress oxidativo na disfunção erétil

As sequelas fisiopatológicas do stress oxidativo são difíceis de quantificar. Apesar dos obstáculos, a relevância médica do stress oxidativo tem vindo a ser cada vez mais reconhecida, sendo hoje em dia encarado como um componente chave de virtualmente todas as doenças. A disfunção erétil (DE) surge neste contexto como uma espécie de barómetro da função endotelial e do dano oxidativo. A quantificação de biomarcadores de stress oxidativo poderá apresentar um enorme impacto na avaliação de pacientes com DE. O rácio glutationa reduzida/oxidada (GSH/GSSG) e a nitrotirosina (3-NT) têm vindo a demonstrar relevância clínica. A consideração de polimorfismos genéticos constitui ainda uma abordagem promissora na avaliação destas relações no futuro. Um método altamente sensível de cromatografia líquida de alta performance (HPLC) foi desenvolvido para a determinação de 3-NT em plasma humano. As concentrações de 3-NT medidos em indivíduos com DE foram 6,6±2,1μM (média±S.D., n = 46). A medição da concentração plasmática de 3-NT poderá revelar-se útil como marcador de dano oxidativo dependente do óxido nítrico (NO). O nível de stress oxidativo pode também ser quantificado através da medição do decréscimo do rácio GSH/GSSG, que tem mostrado alterações numa miríade de patologias, como a DE e a diabetes mellitus. O método proposto para a quantificação do rácio GSH/GSSG em HPLC apresenta a vantagem de avaliação concomitante dos dois parâmetros em apenas uma corrida. O valor do rácio GSH/GSSG obtido a partir de sangue de indivíduos com DE foi 11,9±9,8 (média±S.D., n = 49). Os resultados estatísticos revelaram diferenças significativas (p<0,001) entre ambos a concentração plasmática de 3-NT e o rácio GSH/GSSG de sangue de indivíduos com DE e as respetivas medições em indivíduos saudáveis. Observaram-se ainda diferenças estatisticamente significativas (p≈0,027) entre o rácio GSH/GSSG do sangue de pacientes apenas com diagnóstico de DE e a medição respetiva em indivíduos com DE e comorbilidades cardiovasculares. Estes resultados enfatizam o papel do dano oxidativo na biopatologia da DE, elucidado com o auxílio destas duas metodologias, que poderão ter um amplo campo de aplicação no futuro, dado que se mostraram simples, não dispendiosas e rápidas, podendo eventualmente adequar-se a estudos de rastreio em larga escala.

Impacto da Radioterapia no stress oxidativo em modelos celulares radiorresistentes em contexto de obesidade

Introdução: Estudos anteriores em modelos tumorais de glioma e melanoma, tumores radiorresistentes, indicaram que a obesidade pode estar relacionada com um aumento do status oxidativo e com a diminuição da resistência à radiação. Como a Radioterapia é o tratamento frequentemente utilizado para esta patologia, propomo-nos, desta forma, a explorar a influência da obesidade em células de glioma, as BC3H1, e melanoma, B16F10, submetidas a Radioterapia, na presença de agentes oxidantes e antioxidantes, para o estudo da sua influência ao nível da viabilidade celular e do impacto do stress oxidativo. Métodos: As células BC3H1 e B16F10 foram tratadas com t-BOOH (150μM e 50 μM, respetivamente), TUDCA (25μM e 1μM, respetivamente) e com a mistura de t-BOOH+TUDCA em meio DMEM sem soro e meio condicionado (CM), a partir de adipócitos 3T3-L1. Em seguida, parte das células foram irradiadas com uma dose total de 2Gy. Posteriormente avaliou-se a viabilidade celular (teste MTT) e o stress oxidativo (teste TBARS, atividade da catalase, concentração da GSH, e status antioxidante total), às 4h e 12h. Resultados: Observou-se um aumento da capacidade antioxidante total das células irradiadas, comparativamente com as células não irradiadas. O meio condicionado reduziu o stress oxidativo nas BC3H1, ao mesmo tempo que reduziu a sua viabilidade celular. O TUDCA nas células incubadas com MC e submetidas a radioterapia, tendencialmente diminuiu a viabilidade celular, nas concertações em estudo. Discussão/Conclusão: O meio condicionado e a radioterapia, por si só, aumentam a resposta antioxidante total na célula, às 4h e às 12h. O TUDCA nas células incubadas com meio condicionado e submetidas a radioterapia, teve um comportamento citotóxico para as BC3H1, nas concentrações testadas. Revelando a necessidade de aprofundar os estudos da ação deste composto como agente radiossensibilizador, neste e noutros modelos celulares de carcinogénese.

Disposable immunosensor using a simple method for oriented antibody immobilization for label-free real-time detection of an oxidative stress biomarker implicated in cancer diseases

This work proposes a novel approach for a suitable orientation of antibodies (Ab) on an immunosensing platform, applied here to the determination of 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8OHdG), a biomarker of oxidative stress that has been associated to chronic diseases, such as cancer. The anti-8OHdG was bound to an amine modified gold support through its Fc region after activation of its carboxylic functions. Non-oriented approaches of Ab binding to the platform were tested in parallel, in order to show that the presented methodology favored Ab/Ag affinity and immunodetection of the antigen. The immunosensor design was evaluated by quartz-crystal microbalance with dissipation, atomic force microscopy, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square-wave voltammetry. EIS was also a suitable technique to follow the analytical behavior of the device against 8OHdG. The affinity binding between 8OHdG and the antibody immobilized in the gold modified platform increased the charge transfer resistance across the electrochemical set-up. The observed behavior was linear from 0.02 to 7.0 ng/mL of 8OHdG concentrations. The interference from glucose, urea and creatinine was found negligible. An attempt of application to synthetic samples was also successfully conducted. Overall, the presented approach enabled the production of suitably oriented Abs over a gold platform by means of a much simpler process than other oriented-Ab binding approaches described in the literature, as far as we know, and was successful in terms of analytical features and sample application.

Use of a fluorescence-based approach to assess short-term responses of the alga Pseudokirchneriella subcapitata to metal stress

This work explores the use of fluorescent probes to evaluate the responses of the green alga Pseudokirchneriella subcapitata to the action of three nominal concentrations of Cd(II), Cr(VI), Cu(II) and Zn(II) for a short time (6 h). The toxic effect of the metals on algal cells was monitored using the fluorochromes SYTOX Green (SG, membrane integrity), fluorescein diacetate (FDA, esterase activity) and rhodamine 123 (Rh123, mitochondrial membrane potential). The impact of metals on chlorophyll a (Chl a) autofluorescence was also evaluated. Esterase activity was the most sensitive parameter. At the concentrations studied, all metals induced the loss of esterase activity. SG could be used to effectively detect the loss of membrane integrity in algal cells exposed to 0.32 or 1.3 μmol L−1 Cu(II). Rh123 revealed a decrease in the mitochondrial membrane potential of algal cells exposed to 0.32 and 1.3 μmol L−1 Cu(II), indicating that mitochondrial activity was compromised. Chl a autofluorescence was also affected by the presence of Cr(VI) and Cu(II), suggesting perturbation of photosynthesis. In conclusion, the fluorescence-based approach was useful for detecting the disturbance of specific cellular characteristics. Fluorescent probes are a useful diagnostic tool for the assessment of the impact of toxicants on specific targets of P. subcapitata algal cells.

Biomarkers of Nitrosative Stress: Development and validation of a new analytical method for 3-Nitrotyrosine quantification

Background: The nitration of tyrosine residues in proteins is associated with nitrosative stress, resulting in the formation of 3-nitrotyrosine (3-NT). 3-NT levels in biological samples have been associated with numerous physiological and pathological conditions. For this reason, several attempts have been made in order to develop methods that accurately quantify 3-NT in biological samples. Regarding chromatographic methods, they seem to be very accurate, showing very good sensibility and specificity. However, accurate quantification of this molecule, which is present at very low concentrations both at physiological and pathological states, is always a complex task and a target of intense research. Objectives: We aimed to develop a simple, rapid, low-cost and sensitive 3-NT quantification method for use in medical laboratories as an additional tool for diagnosis and/or treatment monitoring of a wide range of pathologies. We also aimed to evaluate the performance of the HPLC-based method developed here in a wide range of biological matrices. Material and methods: All experiments were performed on a Hitachi LaChrom Elite® HPLC system and separation was carried out using a Lichrocart® 250-4 Lichrospher 100 RP-18 (5μm) column. The method was further validated according to ICH guidelines. The biological matrices tested were serum, whole blood, urine, B16 F-10 melanoma cell line, growth medium conditioned with the same cell line, bacterial and yeast suspensions. Results: From all the protocols tested, the best results were obtained using 0.5% CH3COOH:MeOH:H2O (15:15:70) as the mobile phase, with detection at wavelengths 215, 276 and 356 nm, at 25ºC, and using a flow rate of 1 mL/min. By using this protocol, it was possible to obtain a linear calibration curve (correlation coefficient = 1), limits of detection and quantification in the order of ng/mL, and a short analysis time (<15 minutes per sample). Additionally, the developed protocol allowed the successful detection and quantification of 3-NT in all biological matrices tested, with detection at 356 nm. Conclusion: The method described in this study, which was successfully developed and validated for 3-NT quantification, is simple, cheap and fast, rendering it suitable for analysis in a wide range of biological matrices.