Modeling technique for honeycomb FRP deck bridges via finite elements

Honeycomb structures have been used in different engineering fields. In civil engineering, honeycomb fiber-reinforced polymer (FRP) structures have been used as bridge decks to rehabilitate highway bridges in the United States. In this work, a simplified finite-element modeling technique for honeycomb FRP bridge decks is presented. The motivation is the combination of the complex geometry of honeycomb FRP decks and computational limits, which may prevent modeling of these decks in detail. The results from static and modal analyses indicate that the proposed modeling technique provides a viable tool for modeling the complex geometry of honeycomb FRP bridge decks. The modeling of other bridge components (e.g., steel girders, steel guardrails, deck-to-girder connections, and pier supports) is also presented in this work.

Comparative analysis of drills for composite laminates

The characteristics of carbon fiber-reinforced plastics allow a very broad range of uses. Drilling is often necessary to assemble different components, but this can lead to various forms of damage, such as delamination which is the most severe. However, a reduced thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, two variables of the drilling process were compared: tool material and geometry, as well as the effect of feed rate and cutting speed. The parameters that were analyzed include: thrust force, delamination extension and mechanical strength through open-hole tensile test, bearing test, and flexural test on drilled plates. The present work shows that a proper combination of all the factors involved in drilling operations, like tool material, tool geometry and cutting parameters, such as feed rate or cutting speed, can lead to the reduction of delamination damage and, consequently, to the enhancement of the mechanical properties of laminated parts in complex structures, evaluated by open-hole, bearing, or flexural tests.

Damage assessment of drilled hybrid composite laminates

Hole drilling operations are common in fibre reinforced plastics - FRP’s - to facilitate fastener assembly to other parts in more complex structures. As these materials are non-homogeneous, drilling causes some damages, like delamination, for example. Delamination can be reduced by a careful selection of drilling parameters, drill material and drill bit geometry. In this work two types of laminates are drilled using different machining parameters and comparing drill geometries. Results show the importance of a cautious selection of these variables when composites’ drilling is involved.

Finite Element Analysis (FEA) applied to heat transfer optimization process of pultrusion die systems

The aim of this study is to optimize the heat flow through the pultrusion die assembly system on the manufacturing process of a specific glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion profile. The control of heat flow and its distribution through whole die assembly system is of vital importance in optimizing the actual GFRP pultrusion process. Through mathematical modeling of heating-die process, by means of Finite Element Analysis (FEA) program, an optimum heater selection, die position and temperature control was achieved. The thermal environment within the die was critically modeled relative not only to the applied heat sources, but also to the conductive and convective losses, as well as the thermal contribution arising from the exothermic reaction of resin matrix as it cures or polymerizes from the liquid to solid condition. Numerical simulation was validated with basis on thermographic measurements carried out on key points along the die during pultrusion process.

Innovative manufacturing process for hybrid pultruded products based on cork and polymeric pre-shapes

Pultruded products are being targeted by a growing demand due to its excellent mechanical properties and low chemical reactivity, ensuring a low level of maintenance operations and allowing an easier assembly operation process than equivalent steel bars. In order to improve the mechanical drawing process and solve some acoustic and thermal insulation problems, pultruded pipes of glass fibre reinforced plastics (GFRF) can be filled with special products that increase their performance regarding the issues previously referred. The great challenge of this work was drawing a new equipment able to produce pultruded pipes filled with cork or polymeric pre-shaped bars as a continuous process. The project was carried out successfully and the new equipment was built and integrated in the pultrusion equipment already existing, allowing to obtain news products with higher added-value in the market, covering some needs previously identified in the field of civil construction.

Eco-efficiency approaches towards a sustainable composite materials manufacturing industry’

In this study the potential eco-efficiency performance of a pultrusion manufacturing company was assessed. Indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures in the production process of glass fibre reinforced polymers (GFRP) pultrusion profiles. Two different approaches were foreseen: 1)Adoption of a new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; and 2) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

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.

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Vigas de GFRP reforçadas com ligas de memória de forma

Os materiais poliméricos reforçados com fibras (FRP – Fiber Reinforced Polymer) apresentam grande potencial de aplicações na Engenharia Civil. A sua utilização aumentou consideravelmente nas duas últimas décadas, em virtude das vantagens em relação aos materiais tradicionais, como a leveza, elevada resistência e boas propriedades de isolamento. Todavia, o conhecimento e investigação a cerca destes materiais compósitos é insuficiente, limitando as suas aplicações práticas. A perda das propriedades exibidas por este tipo de materiais, quando sujeitos a temperaturas próximas da temperatura de transição vítrea (

Optimisation and design of post-tensioning anchorage corner blisters in concrete box girder bidges

The design of anchorage blisters of internal continuity post-tensioning tendons of bridges built by the cantilever method, presents some peculiarities, not only because they are intermediate anchorages but also because these anchorages are located in blisters, so the prestressing force has to be transferred from the blister the bottom slab and web of the girder. The high density of steel reinforcement in anchorage blisters is the most common reason for problems with concrete cast in situ, resulting in zones with low concrete compacity, leading to concrete crushing failures under the anchor plates. A solution may involve improving the concrete compression and tensile strength. To meet these requirements a high-performance fibre reinforced self-compacting mix- ture (HPFRC) was used in anchorage corner blisters of post-tensioning tendons, reducing the concrete cross-section and decreasing the reinforcement needed. To assess the ultimate capacity and the adequate serviceability of the local anchorage zone after reducing the minimum concrete cross-section and the confining reinforcement, specified by the anchorage device supplier for the particular tendon, load transfer tests were performed. To investigate the behaviour of anchorage blisters regarding the transmission of stresses to the web and the bottom slab of the girder, and the feasibility of using high performance concrete only in the blister, two half scale models of the inferior corner of a box girder existing bridge were studied: a reference specimen of ordinary reinforced concrete and a HPFRC blister specimen. The design of the reinforcement was based in the tensile forces obtained on strut-and-tie models. An experimental program was carried out to assess the models used in design and to study the feasibility of using high performance concrete only in the blister, either with casting in situ, or with precast solutions. A non-linear finite element analysis of the tested specimens was also performed and the results compared.

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).

Pesquisa experimental para avaliação da eficiência da fibra de aço na resistência à punção de lajes lisas reforçadas simetricamente

O presente artigo é dedicado à avaliação experimental da eficiência do reforço com fibra de aço em termos da resistência à punção de lajes lisa carregadas simetricamente. Para este fim, oito lajes de 2550 x 2550 x 150 mm3 foram ensaiadas até a ruína, onde se investigou a influência do consumo de fibras (0, 60, 75 e 90 kg/m3) e da resistência do concreto (50 e 70 MPa). Duas lajes de referência, sem fibras, uma para cada classe de resistência do concreto, e uma laje para cada consumo de fibra e para cada classe de resistência do concreto compuseram o programa experimental. Todas as lajes foram armadas à flexão com barras de aço (armadura convencional) de forma a garantir a ruína por punção das lajes de referência. O único reforço transversal foi garantido pelas fibras de aço hooked ends com comprimento e diâmetro de 37 e 0,55 mm, respectivamente, e resistência à tração de aproximadamente 1100 MPa. Os resultados revelaram que as fibras de aço são muito eficientes em converter uma ruína frágil por cisalhamento em uma ruína dúctil por flexão, aprimorando ambos, carga de ruptura e deslocamento. Neste artigo o programa experimental é abordado em detalhe e os principais resultados são apresentados e discutidos.

Modelo para calcular a contribuição da fibra na resistência à punção de lajes em concreto reforçado com fibra de aço

Neste artigo, formulações analíticas são desenvolvidas para calcular a resistência à punção de lajes lisas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) e que também são reforçadas à flexão por barras de aço (reforço convencional). A partir de análises estatísticas sobre um banco de dados que reúne resultados experimentais de caracterização do comportamento pós-fissuração do CRFA, equações são estabelecidas para avaliar parâmetros da resistência residual à tração na flexão (fRi) a partir de informações fundamentais que caracterizam a fibra de aço. O parâmetro de resistência fRi, proposto pelo ModelCode10 foi usado para definir a lei tensão-abertura da fissura (σ-w) que simula o mecanismo de reforço da fibra em um material cimentício. A segunda parte do artigo descreve uma formulação analítica baseada nos conceitos propostos por Muttoni e Ruiz, onde a lei σ-w é convenientemente integrada para simular a contribuição da fibra de aço na resistência à punção de lajes em CRFA. A partir de um banco de dados, composto de 154 ensaios de punção, o bom desempenho da proposta apresentada é demonstrado. O desempenho do modelo também é evidenciado comparando-se os seus resultados a outros modelos.

Modelo para calcular a resistência à punção de lajes lisas simétricas reforçadas com fibras de aço

O presente artigo discute a metodologia de um novo modelo para calcular a resistência à punção simétrica de lajes de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). O modelo é fundamentado na teoria da fissura crítica de cisalhamento de Muttoni e seus coautores e na proposta do ModelCode10 para simular o comportamento pós-fissuração do CRFA. O desempenho do modelo é avaliado a partir de um banco de dados (BD), coletado da literatura técnica, que totaliza 154 lajes. Os resultados são avaliados em função da precisão, da dispersão e do nível de conservadorismo, a partir do parâmetro λ=Vexp/Vteo, sendo Vexp e Vteo, respectivamente, os resultados obtidos do BD e do modelo. Finalmente, para confirmar o desempenho do modelo, os seus resultados são comparados a outros 7 modelos da literatura técnica e ambos são classificados segundo o critério modificado de Collins, o Demerit Points Classifications – DPC.

Effect of environmental ageing on the numerical response of FRP-strengthened masonry walls

Recent durability studies have shown the susceptibility of bond in fiber-reinforced polymer (FRP) strengthened masonry components to hygrothermal exposures. However, it is not clear how this local material degradation affects the global behavior of FRP-strengthened masonry structures. This study addresses this issue by numerically investigating the nonlinear behavior of FRP-masonry walls after aging in two different environmental conditions. A numerical modeling strategy is adopted and validated with existing experimental tests on FRP-strengthened masonry panels. The model, once validated, is used for modeling of four hypothetical FRP-strengthened masonry walls with different boundary conditions, strengthening schemes, and reinforcement ratios. The nonlinear behavior of the walls is then simulated before and after aging in two different environmental conditions. The degradation data are taken from previous accelerated aging tests. The changes in the failure mode and nonlinear response of the walls after aging are presented and discussed.