Development of a new pultrusion equipment to manufacture thermoplastic matrix composite profiles

This paper describes the design and manufacture of a low-cost full scale pultrusion prototype equipment and discusses the production and obtained mechanical properties of polypropylene/glass (GF/PP) reinforced composite ba rs fabricated by using the prototype equipment. Three different GF/PP pre-impregnated ra w-materials, a commercial GF/PP comingled system from Vetrotex, a GF/PP powder coat ed towpreg [1-3] and, a GF/PP pre- consolidated tape (PCT) produced in our laboratorie s, were used in the production of composite bars that were subsequently submitted to mechanical testing in order to determine the relevant mechanical properties and quantify the consolidation quality. Samples of the different composite profiles were also observed und er SEM microscopy.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Estudo e caracterização mecânica de compósitos reforçados com fibras naturais

As crescentes preocupações ambientais e a necessidade de um desenvolvimento sustentável tem proporcionado um grande interesse no estudo e desenvolvimento de materiais mais ecológicos e amigos do ambiente. No caso particular da indústria dos materiais compósitos, a utilização de fibras naturais de origem vegetal, em substituição das tradicionais fibras de vidro, tem aumentado significativamente nos últimos anos. Para além dos claros benefícios ecológicos, a utilização de fibras naturais em detrimento das fibras de vidro, possibilita também o fabrico de componentes com baixo peso, boas propriedades mecânicas, baixo custo, pouco abrasivos às ferramentas de produção e com boas propriedades de isolamento térmico e acústico. Contudo, existem também algumas limitações decorrentes da utilização de fibras naturais como reforço de materiais poliméricos, como exemplo, a possibilidade de emitirem odores e absorverem água, a falta de adesão entre as fibras e as matrizes e o facto de possuírem baixa resistência à temperatura. No presente trabalho, foram estudadas e analisadas as propriedades mecânicas de laminados de matriz termoendurecível de epóxido e poliéster, reforçados com várias camadas de tecido bidireccional de fibras de juta. Para além dos referidos laminados, foram também produzidos e estudados compósitos de matriz termoplástica biodegradável de PLA (ácido poliláctico), reforçados com fibras curtas de juta. Todos os compósitos produzidos foram sujeitos a ensaios de tracção e flexão e as suas propriedades foram comparadas. O tecido de juta utilizado como reforço dos compósitos fabricados, foi caracterizado através de vários ensaios, utilizados tipicamente na indústria têxtil. As propriedades extraídas destes ensaios, foram úteis para a previsão das propriedades mecânicas dos materiais compósitos fabricados.Por fim, foi realizada uma análise critica sobres todos os resultados extraídos dos ensaios efectuados.

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

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.

Estudo da Produção de Towpregs e Transformação por Pultrusão

Durante as últimas décadas, os materiais compósitos têm substituído com sucesso os materiais tradicionais em muitas aplicações de engenharia, muito devido às excelentes propriedades que se conseguem obter com a combinação de materiais diferentes. Nos compósitos reforçados com fibras longas ou contínuas tem-se verificado, ao longo dos últimos anos, um aumento do uso de matrizes termoplásticas, fruto de várias vantagens associadas, como o facto de serem bastante mais ecológicas, comparativamente às termoendurecíveis. No entanto, este aumento está muito dependente do desenvolvimento de novas tecnologias de processamento, pois a elevada viscosidade dos termoplásticos, comparativamente aos termoendurecíveis, dificulta significativamente o processo. Muitos equipamentos de produção de termoplásticos são resultado de adaptações de equipamentos de produção de termoendurecíveis, onde normalmente é necessário adicionar fornos de pré-aquecimento. Neste trabalho, pretendeu-se produzir pré-impregnados de fibras contínuas com matriz termoplástica, por deposição a seco de polímero em pó sobre fibras de reforço (denominados por towpreg) para, posteriormente, serem transformados por pultrusão e caracterizados. As matérias-primas utilizadas foram: Polipropileno (PP) como matriz termoplástica e fibra de carbono como reforço. Por forma a melhorar as propriedades finais do compósito, foram otimizadas as condições de processamento na produção dos towpregs, estudando-se a influência da variação dos parâmetros de processamento no teor de polímero presente nestes, tendo como objetivo teores mássicos de polímero superiores a 30%. A condição ótima e a influência dos parâmetros de processamento foram obtidas com o auxílio do Método de Taguchi. Os perfis produzidos por pultrusão foram sujeitos a ensaios de flexão, de forma a obter as suas propriedades quando sujeitos a esse tipo de esforço. Foram também realizados ensaios de calcinação de forma a obter as frações mássicas de fibra e polímero presentes no compósito final. Sabidas as frações mássicas, converteramse em frações volúmicas e obtiveram-se as propriedades teoricamente esperadas através da Lei das Misturas e compararam-se com as obtidas experimentalmente. As propriedades obtidas foram também comparadas com as de outros compósitos pultrudidos.

Performance assessment of waste fibre-reinforced mortar

Materials Science Forum Vols. 730-732 (2013) pp 617-622

A FEM-based model to study the behaviour of corroded RC beams shear repaired by NSM CFRP rods technique

This paper presents the main features of finite element FE numerical model developed using the computer code FEMIX to predict the near-surface mounted NSM carbon-fiber-reinforced polymer CFRP rods shear repair contribution to corroded reinforced concrete RC beams. In the RC beams shear repaired with NSM technique, the Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) rods are placed inside pre-cut grooves onto the concrete cover of the RC beam’s lateral faces and are bonded to the concrete with high epoxy adhesive. Experimental and 3D numerical modelling results are presented in this paper in terms of load-deflection curves, and failure modes for 4 short corroded beams: two corroded beams (A1CL3-B and A1CL3-SB) and two control beams (A1T-B and A1T-SB), the beams noted with B were let repaired in bending only with NSM CFRP rods while the ones noted with SB were repaired in both bending and shear with NSM technique. The corrosion of the tensile steel bars and its effect on the shear capacity of the RC beams was discussed. Results showed that the FE model was able to capture the main aspects of the experimental load-deflection curves of the RC beams, moreover it has presented the experimental failure modes and FE numerical modelling crack patterns and both gave similar results for non-shear repaired beams which failed in diagonal tension mode of failure and for shear-repaired beams which failed due to large flexural crack at the middle of the beams along with the concrete crushing, three dimensional crack patterns were produced for shear-repaired beams in order to investigate the splitting cracks occurred at the middle of the beams and near the support.

Design formula for the flexural strengthening of RC beams using prestressed CFRP reinforcement

Applying a certain prestress level to the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcement according to either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques can mobilize the strengthening potentialities of this high tensile strength composite material. For the prediction of the flexural behavior of reinforced concrete (RC) structures strengthened with prestressed EBR or NSM CFRPs, however, simplified analytical and design formulations still need to be developed as a guidance for engineers to design this type of strengthened structures by hand calculation without any programming help. Hence, the current work aims to briefly explain a developed simplified analytical approach, with a design framework, to predict the flexural behavior of RC beams flexurally strengthened with either prestressed EBR or NSM CFRP reinforcements. Moreover, an upper limit for the prestress level is proposed in order to optimize the ductility performance of the NSM prestressing technique. The good predictive performance of the analytical approaches was appraised by simulating the results of experimental programs composed of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP reinforcements.

Development of innovative hybrid sandwich panel slabs: Experimental results

The authors appreciate the collaboration of the following labs: Civitest for developing DHCC materials, PIEP for conducting VARTM process (Eng. Luis Oliveira) and Department of Civil Engineering of Minho University to perform the tests (Mr. Antonio Matos and Eng. Marco Jorge).

A FEM-based model to study the behaviour of corroded RC beams shear repaired by NSM CFRP rods technique

This paper presents the main features of finite element FE numerical model developed using the computer code FEMIX to predict the near-surface mounted NSM carbon-fiber-reinforced polymer CFRP rods shear repair contribution to corroded reinforced concrete RC beams. In the RC beams shear repaired with NSM technique, the Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) rods are placed inside pre-cut grooves onto the concrete cover of the RC beam’s lateral faces and are bonded to the concrete with high epoxy adhesive. Experimental and 3D numerical modelling results are presented in this paper in terms of load-deflection curves, failure modes and slip information of the tensile steel bars for 4 short corroded beams: two corroded beams (A1CL3-B and A1CL3-SB) and two control beams (A1T-B and A1T-SB), the beams noted with B were let repaired in bending only with NSM CFRP rods while the ones noted with SB were repaired in both bending and shear with NSM technique. The corrosion of the tensile steel bars and its effect on the shear capacity of the RC beams was discussed. Results showed that the FE model was able to capture the main aspects of the experimental load-deflection curves of the RC beams, moreover it has presented the experimental failure modes and FE numerical modelling crack patterns and both gave similar results for non-shear repaired beams which failed in diagonal tension mode of failure and for shear-repaired beams which failed due to large flexural crack at the middle of the beams along with the concrete crushing, three dimensional crack patterns were produced for shear-repaired beams in order to investigate the splitting cracks occurred at the middle of the beams and near the support.

A model to simulate the moment-rotation and crack width of FRC members reinforced with longitudinal bars

The present work describes a model for the determination of the moment–rotation relationship of a cross section of fiber reinforced concrete (FRC) elements that also include longitudinal bars for the flexural reinforcement (R/FRC). Since a stress–crack width relationship (σ–w)(σ–w) is used to model the post-cracking behavior of a FRC, the σ–w directly obtained from tensile tests, or derived from inverse analysis applied to the results obtained in three-point notched beam bending tests, can be adopted in this approach. For a more realistic assessment of the crack opening, a bond stress versus slip relationship is assumed to simulate the bond between longitudinal bars and surrounding FRC. To simulate the compression behavior of the FRC, a shear friction model is adopted based on the physical interpretation of the post-peak compression softening behavior registered in experimental tests. By allowing the formation of a compressive FRC wedge delimited by shear band zones, the concept of concrete crushing failure mode in beams failing in bending is reinterpreted. By using the moment–rotation relationship, an algorithm was developed to determine the force–deflection response of statically determinate R/FRC elements. The model is described in detail and its good predictive performance is demonstrated by using available experimental data. Parametric studies were executed to evidence the influence of relevant parameters of the model on the serviceability and ultimate design conditions of R/FRC elements failing in bending.

Evaluation of the bond performance in FRP-brick components re-bonded after initial delamination

The bond behavior between Fiber Reinforced Polymers (FRPs) and masonry substrates has been the subject of many studies during the last years. Recent accelerated aging tests have shown that bond degradation and FRP delamination are likely to occur in FRP-strengthened masonry components under hygrothermal conditions. While an investigation on the possible methods to improve the durability of these systems is necessary, the applicability of different bond repair methods should also be studied. This paper aims at investigating the debonding mechanisms after repairing delaminated FRP-strengthened masonry components. FRP-strengthened brick specimens, after being delaminated, are repaired with two different adhesives: a conventional epoxy resin and a highly flexible polymer. The latter is used as an innovative adhesive in structural applications. The bond behavior in the repaired specimens is investigated by performing single-lap shear bond tests. Digital image correlation (DIC) is used for deeper investigation of the surface deformation and strains development. The effectiveness of the repair methods is discussed and compared with the strengthened specimens.

Investigating the durability of FRP-masonry elements immersed in water

Nowadays, there is an increasing interest in using fiber reinforced polymers (FRP) for strengthening masonry elements. It has been observed that these materials, when used for externally bonded reinforcement (EBR), improve the performance of masonry components. However, issues such as durability and long-term performance of strengthened elements are still open. The bond between composite material and masonry substrate is a critical mechanism in EBR strengthening techniques, and therefore its durability and long-term performance should be deeply investigated and characterized. In the present study, the influence of water immersion on the bond performance is investigated by performing single-lap shear bond tests on two sets of GFRP-strengthened specimens immersed in water for six months. Different surface preparation techniques are used for each set of specimens to study their effect on the bond degradation. The specimens are prepared following the wet lay-up procedure. The observations and the obtained results are presented and discussed.

Tensile and bond characterization of natural fibers embeeded in inorganic matrices

Innovative composite materials made of continuous fibers embedded in mortar matrices have been recently received attention for externally bonded reinforcement of masonry structures. In this regards, application of natural fibers for strengthening of the repair mortars is attractive due to their low specific weight, sustainability and recycability. This paper presents experimental characterization of tensile and pull-out behavior of natural fibers embedded in two different mortar-based matrices. A lime-based and a geopolymeric-based mortar are used as sustainable and innovative matrices. The obtained experimental results and observations are presented and discussed.