Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Utilizzo industriale di cfrp (carbon fiber reinforced polymers) nanomodificati con nanofibre prodotte per elettrospinning

Attraverso questo studio sono state indagate le proprietà di compositi laminati in fibra di carbonio (CFRP) nano-modificati con nanofibre in Nylon 6.6, in termini di resistenza al danneggiamento da impatti a bassa velocità (con caratterizzazione Drop Weight at Low Velocity) e di smorzamento della vibrazione (con caratterizzazione a damping). Sono stati indagate due configurazioni di nanorinforzo differenti, confrontate con le prestazioni di provini vergini laminati tradizionalmente. Sono infine state operate delle analisi grafiche delle micrografie di campioni sezionati per trarre conclusioni di carattere tecnologico.

Monitoraggio strutturale (structural health monitoring) di laminati CFRP tramite reticoli di Bragg in fibra ottica

Lo studio si propone di valutare la capacità dei reticoli di Bragg in fibra ottica, di individuare e monitorare danneggiamenti presenti all'interno di laminati in composito, tramite l'analisi degli spettri riflessi dai reticoli stessi. Sono stati utilizzati due tipi diversi di stratificazione dei laminati, per valutare il diverso comportamento dei reticoli di Bragg inseriti all'interno dei laminati. Le proprietà dei materiali e degli spettri riflessi dai reticoli, sono state messe in relazione qualitativamente e quantitativamente, al fine di sviluppare un valido metodo di Structural Health Monitoring.

A new method for continuous quality control of nsm cfrp systems

In the last decade the near-surface mounted (NSM) strengthening technique using carbon fibre reinforced polymers (CFRP) has been increasingly used to improve the load carrying capacity of concrete members. Compared to externally bonded reinforcement (EBR), the NSM system presents considerable advantages. This technique consists in the insertion of carbon fibre reinforced polymer laminate strips into pre-cut slits opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. CFRP reinforcement is bonded to concrete with an appropriate groove filler, typically epoxy adhesive or cement grout. Up to now, research efforts have been mainly focused on several structural aspects, such as: bond behaviour, flexural and/or shear strengthening effectiveness, and energy dissipation capacity of beam-column joints. In such research works, as well as in field applications, the most widespread adhesives that are used to bond reinforcements to concrete are epoxy resins. It is largely accepted that the performance of the whole application of NSM systems strongly depends on the mechanical properties of the epoxy resins, for which proper curing conditions must be assured. Therefore, the existence of non-destructive methods that allow monitoring the curing process of epoxy resins in the NSM CFRP system is desirable, in view of obtaining continuous information that can provide indication in regard to the effectiveness of curing and the expectable bond behaviour of CFRP/adhesive/concrete systems. The experimental research was developed at the Laboratory of the Structural Division of the Civil Engineering Department of the University of Minho in Guimar\~aes, Portugal (LEST). The main objective was to develop and propose a new method for continuous quality control of the curing of epoxy resins applied in NSM CFRP strengthening systems. This objective is pursued through the adaptation of an existing technique, termed EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method) that has been developed for monitoring the early stiffness evolution of cement-based materials. The experimental program was composed of two parts: (i) direct pull-out tests on concrete specimens strengthened with NSM CFRP laminate strips were conducted to assess the evolution of bond behaviour between CFRP and concrete since early ages; and, (ii) EMM-ARM tests were carried out for monitoring the progressive stiffness development of the structural adhesive used in CFRP applications. In order to verify the capability of the proposed method for evaluating the elastic modulus of the epoxy, static E-Modulus was determined through tension tests. The results of the two series of tests were then combined and compared to evaluate the possibility of implementation of a new method for the continuous monitoring and quality control of NSM CFRP applications.

Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

Studio del decadimento delle proprietà meccaniche di compositi CFRP sottoposti a invecchiamento termico

I componenti del carbonio in ambito strutturale (aeronautico, navale, automobilistico) sono soggetti a deterioramenti ambientali di difficile determinazione, in particolare alla temperatura e all'umidità. Scopo di questa tesi è determinare i danneggiamenti dei materiali compositi CFRP in funzione di un invecchiamento a diverse percentuali della temperatura di transizione vetrosa Tg. In particolare si vuole studiare e approfondire il processo di reazione della matrice e del carbonio. Per meglio descrivere il procedimento di deterioramento e reazione del materiale composito dovuto ad alti livelli di temperatura, mi sono avvalso del supporto pratico dell’azienda “Riba Composites” di Faenza che in particolare si occupa della prototipazione e produzione di componenti strutturali in materiali compositi avanzati e che si è dimostrata leader nel settore dei compositi CFRP. Pochi studi sono stati condotti su tale argomento. Da qui il mio interesse specifico nel volere studiare e dimostrare come questo processo possa ulteriormente apportare un aiuto agli studi in ambito strutturale già effettuati e pubblicati precedentemente. La dimostrazione pratica della seguente tesi è avvenuta, con l’aiuto dell’Ing. Paolo Proli, nel laboratorio di MaSTeR Lab dell’Università di Bologna, dove si è deciso di eseguire vari invecchiamenti termici a diverse temperature per constatare i livelli di deterioramento e influenza delle variazioni di temperatura sulla matrice del composito preso in analisi. Gli effetti di tale studi sono stati sostenuti anche grazie alla guida del Professore Lorenzo Donati, e verranno dettagliatamente evidenziati nello specifico con spiegazioni in ambito teorico e dimostrazioni pratiche affiancate da schemi dimostrativi e supporto grafico.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Analisi di sensibilità della grammatura sulla vita a fatica di un laminato in CFRP

In letteratura sono presenti numerosi studi che descrivono i fattori che influenzano la vita a fatica di un laminato in CFRP e le modalità di propagazione ed accrescimento a fatica di un difetto. Tuttavia non sono presenti studi approfonditi che leghino l’effetto che può avere la grammatura, sulla vita a fatica del laminato. Il lavoro sperimentale oggetto di questa tesi vuole intendersi un lavoro preliminare, a carattere esplorativo, sullo studio della sensibilità della grammatura sulla resistenza a fatica di laminati in CFRP, attraverso test di flessione a fatica su due configurazioni di provini di grammature differenti (600 e 800 gr/m^2), con e senza inserimento di un difetto artificiale rappresentato da un intaglio sugli ultimi strati del laminato e test di flessione eseguito in accordo allo standard ASTM D2344/D2344M. I test a fatica hanno evidenziato una sensibile riduzione della vita per i provini senza difetto realizzati con l’800 gr/m^2 rispetto a quelli realizzati con il 600 gr/m^2. Per quanto concerne la tolleranza al danno, i provini realizzati con 600 gr/m^2 hanno evidenziato una sensibilità maggiore all’effetto di intaglio, pur avendo un comportamento migliore rispetto a quelli realizzati con l’800 gr/m^2.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Caratterizzazione meccanica di un incollaggio acciaio-CFRP per applicazione automotive

Nella tesi viene caratterizzato meccanicamente un giunto incollato acciaio-CFRP usato nella produzione di un componente automotive. In particolare viene analizzata l'influenza data da trattamenti termici di invecchiamento e sono messe a confronto diverse tipologie di adesivi.

Damping and Thermomechanical behaviour of CFRP laminates modified with rubbery nanofibers

Nanofibrous membranes are a promising material for tailoring the properties of laminated CFRP composites by embedding them into the structure. This project aimed to understand the effect of number, position and thickness of nanofibrous modifications specifically on the damping behaviour of the resulting nano-modified CFRP composite with an epoxy matrix. An improvement of damping capacity is expected to improve a composites lifetime and fatigue resistance by prohibiting the formation of microcracks and consequently hindering delamination, it also promises a rise in comfort for a range of final products by intermission of vibration propagation and therefore diminution of noise. Electrospinning was the technique employed to produce nanofibrous membranes from a blend of polymeric solutions. SEM, WAXS and DSC were utilised to evaluate the quality of the obtained membranes before they were introduced, following a specific stacking sequence, in the production process of the laminate. A suitable curing cycle in an autoclave was applied to mend the modifications together with the matrix material, ensuring full crosslinking of the matrix and therefore finalising the production process. DMA was exercised in order to gain an understanding about the effects of the different modifications on the properties of the composite. During this investigation it became apparent that a high number of modifications of laminate CFRP composites, with an epoxy matrix, with thick rubbery nanofibrous membranes has a positive effect on the damping capacity and the temperature range the effect applies in. A suggestion for subsequent studies as well as a recommendation for the production of nano-modified CFRP structures is included at the end of this document.

Effects of Accelerated Hygroscopic Ageing on Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of CFRP

This study, which is undertaken in cooperation with Riba-COMPOSITES, investigates the effects of hygroscopic ageing on the Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of short-beams made of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites provided by two different vendors. The materials have the same weave pattern but differ in the epoxy resin formulation. The tests are done in accordance with ASTM. Accelerated ageing techniques are carried out by immersion of the specimens in deionized water at 70°C for different periods of time, developing different degrees of ageing. The results of the tests confirm that hygroscopic ageing causes a loss of properties and a depression of the glass transition temperature in both the materials. However, since one of the two materials shows more constant property degradation, its behaviour in service conditions should be more easily predictable.

On the characterization of the mechanical behaviour of bonded steel-CFRP adhesive joints

The use of adhesively bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is well established to repair metallic structural elements in the aerospace industry for more than three decades. Despite a few exceptions, this technology has yet not been exploited for the steel construction industry where there is a great need to rehabilitate old metallic bridges. For instance, in Europe more than 30% of the railway bridge stock operated for more than 100 years. These bridges are made of old mild steel or puddle iron that exhibits poor behaviour due to the quality of the material itself and degradation caused by the long-term loading or environmental effects. The modest results for Steel/CFRP joints obtained may be due to the type of adhesive used. In fact, most of the previous studies utilized brittle adhesives specially developed for concrete structures. Recent ductile adhesives that made for the automotive industry for metallic joints should be more appropriate. In this study, an experimental investigation on the behaviour of CFRP/steel adhesively bonded joints is presented. A comparison between brittle adhesives and ductile adhesives is conducted. The results show that the ductile adhesives achieve much higher performance than the brittle ones. The brittle adhesives provide more stiffness to the adhesive joint. In the specimens with the ductile adhesives, the failure pattern started by yielding the steel bars first then the adhesive joint which is promising since it can facilitate the design significantly if the steel yielding can be used as a design criterion. The main disadvantage of ductile adhesives is they are usually more expensive than brittle ones. In order to solve this issue, bi-adhesive joints, in which the joint is mainly made of (low cost) brittle adhesive and ductile adhesive in the stress concentration region, are proposed. The results revealed very high improvement up to the yielding strength of the steel bars and with a balanced stiffness.

Loading and damage modelling for an integrated SHM system of a prestressed concrete railway bridge in Naples

The thesis explores recent technology developments in the field of structural health monitoring and its application to railway bridge projects. It focuses on two main topics. First, service loads and effect of environmental actions are modelled. In particular, the train moving load and its interaction with rail track is considered with different degrees of detail. Hence, results are compared with real-time experimental measurements. Secondly, the work concerns the identification, definition and modelling process of damages for a prestressed concrete railway bridge, and their implementation inside FEM models. Along with a critical interpretation of the in-field measurements, this approach results in the development of undamaged and damaged databases for the AI-aided detection of anomalies and the definition of threshold levels to prompt automatic alert interventions. In conclusion, an innovative solution for the development of the railway weight-in-motion system is proposed.