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.

Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

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.

Experimental characterization of carbon-fiber-reinforced polymer laminates

The goal of this thesis is to make static tensile test on four Carbon Fiber Reinforced Polymer laminates, in such a way as to obtain the ultimate tensile strength of these laminates; in particular, the laminates analyzed were produced by Hand Lay-up technology. Testing these laminates we have a reference point on which to compare other laminates and in particular CFRP laminate produced by RTM technology.

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.

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.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Characterization of mode I disbonding behaviour of carbon/epoxy composites bonded with two adhesion qualities

La mancanza di procedure standard per la verifica delle strutture in compositi, al contrario dei materiali metallici, porta all’esigenza di una continua ricerca nel settore, al fine di ottenere risultati significativi che culminino in una standardizzazione delle procedure. In tale contesto si colloca la ricerca svolta per la stesura del presente elaborato, condotta presso il laboratorio DASML del TU Delft, nei Paesi Bassi. Il materiale studiato è un prepreg (preimpregnated) costituito da fibre di carbonio (M30SC) e matrice epossidica (DT120) con la particolare configurazione [0°/90°/±45°/±45°/90°/0°]. L’adesivo utilizzato per l’incollaggio è di tipo epossidico (FM94K). Il materiale è stato assemblato in laboratorio in modo da ottenere i provini da testare, di tipo DCB, ENF e CCP. Due differenti qualità dello stesso materiale sono state ottenute, una buona ottenuta seguendo le istruzione del produttore, ed una povera ottenuta modificando il processo produttivo suggerito, che risulta in un incollaggio di qualità nettamente inferiore rispetto al primo tipo di materiale. Lo scopo era quello di studiare i comportamenti di entrambe le qualità sotto due diversi modi di carico, modo I o opening mode e modo II o shear mode, entrambi attraverso test quasi-statici e a fatica, così da ottenere risultati comparabili tra di essi che permettano in futuro di identificare se si dispone di un materiale di buona qualità prima di procedere con il progetto dell’intera struttura. L’approccio scelto per lo studio dello sviluppo della delaminazione è un adattamento della teoria della Meccanica della Frattura Lineare Elastica (LEFM)

Evaluation of recycled carbon fibers as PLA reinforcement for additive manufacturing applications

The increased exploitation of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is inevitably bringing about an increase in production scraps and end-of-life components, resulting in a sharp increase in CFRP waste. Therefore, it is of paramount importance to find efficient ways to reintroduce waste into the manufacturing cycle. At present, several recycling methods for treating CFRPs are available, even if all of them still have to be optimized. The step after CFRP recycling, and also the key to build a solid and sustainable CFRP recycling market, is represented by the utilization of Re-CFs. The smartest way to utilize recovered carbon fibers is through the manufacturing of recycled CFRPs, that can be done by re-impregnating the recovered fibers with a new polymeric matrix. Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the most widely used additive manufacturing (3D printing) techniques that fabricates parts with a polymeric filament deposition process that allows to produce parts adding material layer-by-layer, only where it is needed, saving energy, raw material cost, and waste. The filament can also contain fillers or reinforcements such as recycled short carbon fibers and this makes it perfectly compliant with the re-application of the shortened recycled CF. Therefore, in this thesis work recycled and virgin carbon fiber reinforced PLA filaments have been initially produced using 5% and 10% of CFs load. Properties and characteristics of the filaments have been determined conducting different analysis (TGA, DMA, DSC). Subsequently the 5%wt. Re-CFs filament has been used to 3D print specimens for mechanical characterization (DMA, tensile test and CTE), in order to evaluate properties of printed PLA composites containing Re-CFs and evaluate the feasibility of Re-CFs in 3D printing application.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Prove di caratterizzazione meccanica del legame di adesione fra FRP ed acciaio

Il progresso nella tecnica di recupero e di rinforzo nelle strutture metalliche con i polimeri fibro-rinforzati FRP (fibre reinforced polymers). 1.1 Introduzione nelle problematiche ricorrenti delle strutture metalliche. Le strutture moderne di una certa importanza, come i grattacieli o i ponti, hanno tempi e costi di costruzione molto elevati ed è allora di importanza fondamentale la loro durabilità, cioè la lunga vita utile e i bassi costi di manutenzione; manutenzione intesa anche come modo di restare a livelli prestazionali predefiniti. La definizione delle prestazioni comprende la capacità portante, la durabilità, la funzionalità e l’aspetto estetico. Se il livello prestazionale diventa troppo basso, diventa allora necessario intervenire per ripristinare le caratteristiche iniziali della struttura. Strutture con una lunga vita utile, come per la maggior parte delle strutture civili ed edilizie, dovranno soddisfare esigenze nuove o modificate: i mezzi di trasporto ad esempio sono diventati più pesanti e più diffusi, la velocità dei veicoli al giorno d'oggi è aumentata e ciò comporta anche maggiori carichi di tipo dinamico.

Nanofibre contenenti grafene per la modifica di compositi laminati: ottimizzazione del processo di elettrofilatura

I compositi laminati, specialmente i Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs), possiedono ottime proprietà meccaniche ed un peso contenuto rispetto i materiali metallici. Uno dei problemi più importanti che i laminati presentano è il cedimento per delaminazione, ovvero il distaccamento delle lamine che costituiscono il composito, in seguito a sollecitazioni esterne e/o alla presenza di difetti formati durante il processo di lavorazione. Per poter minimizzare tale fenomeno sono stati studiati vari metodi; fra questi vi è l’utilizzo di tessuti nanofibrosi che, intercalati fra le lamine, riescono ad ostacolare efficacemente la propagazione della cricca. Nel presente lavoro di tesi sono stati prodotti, mediante elettrofilatura, tessuti nanofibrosi polimerici additivati con grafene, da impiegare per la modifica strutturale di compositi laminati. In particolare, è stata svolta l’ottimizzazione delle soluzioni (concentrazione polimero, sistema solvente) e dei parametri di processo (potenziale, portata, distanza ago-collettore) per diversi materiali polimerici. Per effettuare un’efficiente dispersione del grafene sono stati effettuati vari cicli di sonicazione. Le membrane sono state caratterizzate morfologicamente mediante microscopia elettronica (SEM) e termicamente mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC). Infine, sono stati prodotti tessuti di grandi dimensioni adatti ad essere integrati, prossimamente, in compositi laminati per verificarne l’efficacia contro la delaminazione.

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.

Debonding and crack propagation in cracked steel beams strengthened with CFRP and subjected to cyclic loads.

The reinforcement methods used to restore or increase the bearing capacity of metal structures are based on the application of steel plates to be bolted or welded to the original structure, which can cause problems to the integrity of the original structure. These difficulties can be overcome with the introduction of fiber-reinforced composite materials. FRPs are characterized by high strength to weight ratio, and they are very resistant to corrosion. In this dissertation a cracked steel I-beam reinforced with Carbon Fiber-Reinforced Polymer will be studied by performing a numerical evaluation of the structure with the commercial Finite Element Method software ABAQUS. The crack propagation will be computed using XFEM, while the debonding of the reinforcement layer will be found by considering a cohesive contact interface between the beam and the CFRP plate. The results will show the efficiency of the strengthening method in increasing the load carrying capacity of the cracked beam, and in reducing the crack opening of the initial notch.