Creep and Shrinkage Properties of Lightweight Concrete Used in the State of Iowa, HR-136, Phase I, 1968

In February of 1968 a cooperative research project by the Iowa State Highway Commission (Project No. HR-136) and the University of Iowa, Iowa City, Iowa was initiated in order to determine experimentally the creep and shrinkage characteristics of lightweight-aggregate concrete used in the State of Iowa. This report is concerned with Phase 1 of the Project as described in the Prospectus for the project submitted in November of 1967: "The State Highway Commission is planning to conduct pilot studies in prestressed-lightweight structures fabricated with materials that are proposed for use in bridge structures in the near future. Thus, Phase will have as its immediate objective, investigating the materials to be used in the above mentioned pilot studies.” (1) The work described in this report was also carried out in conjunction with a second cooperative project: "Time-Dependent Camber and Deflection of Non-Composite and Composite Lightweight-Prestressed Concrete Beams" (Project No. HR-137).

Updating of Finite Element Models using static and dynamic optical strains with application to damage assessment

In the recent years, vibration-based structural damage identification has been subject of significant research in structural engineering. The basic idea of vibration-based methods is that damage induces mechanical properties changes that cause anomalies in the dynamic response of the structure, which measures allow to localize damage and its extension. Vibration measured data, such as frequencies and mode shapes, can be used in the Finite Element Model Updating in order to adjust structural parameters sensible at damage (e.g. Young’s Modulus). The novel aspect of this thesis is the introduction into the objective function of accurate measures of strains mode shapes, evaluated through FBG sensors. After a review of the relevant literature, the case of study, i.e. an irregular prestressed concrete beam destined for roofing of industrial structures, will be presented. The mathematical model was built through FE models, studying static and dynamic behaviour of the element. Another analytical model was developed, based on the ‘Ritz method’, in order to investigate the possible interaction between the RC beam and the steel supporting table used for testing. Experimental data, recorded through the contemporary use of different measurement techniques (optical fibers, accelerometers, LVDTs) were compared whit theoretical data, allowing to detect the best model, for which have been outlined the settings for the updating procedure.

Projeto de estabilidade da alteração de um edifício de habitação multifamiliar

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil Estruturas

Projeto de fundações e estruturas de um edifício destinado a uma igreja

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Novo conceito de juntas adesivas utilizando laminados de fibras e metal

Devido às necessidades da indústria atual é cada vez mais importante a utilização de métodos de união de materiais distintos. A utilização de adesivos no processo de produção de materiais compósitos tem uma grande aplicação, uma vez que permite ligar os diferentes materiais e ainda reduzir significativamente o peso do conjunto. Este trabalho teve como principal objetivo aumentar a resistência à delaminação de materiais compósitos no sentido da espessura, concretamente dos plásticos reforçados com fibras de carbono (CFRP), através da utilização de placas da liga de alumínio 2024-T3. Este conceito é muito semelhante ao utilizado nos laminados por fibras e metal (LFM) para aumentar a sua resistência à delaminação. Pretendeu-se também a identificação da configuração da junta que apresenta melhores resultados, comparativamente à junta de referência composta apenas por CFRP. Inicialmente, produziram-se apenas juntas de CFRP que foram utilizadas como comparação com os laminados de fibras e metal. Com o objetivo de melhorar a adesão entre os CFRP e a liga de alumínio, foram realizados três tratamentos superficiais diferentes, nomeadamente a lixagem, a anodização e o ataque com ácido. Posteriormente, foram produzidas as juntas com as seguintes configurações: CFRP-AL-CFRP, CFRP-AL-CFRP-AL-CFRP e AL-CFRP-AL. A realização deste trabalho permitiu concluir que com a adição de placas de alumínio, se conseguiu um melhoramento da resistência à delaminação das fibras de carbono e ainda um aumento da resistência específica no sentido da sua espessura. A JSS com a configuração AL-CFRP-AL e com comprimento de sobreposição de 50 mm foi a configuração que apresentou uma força de rotura mais elevada, ou seja, uma maior resistência à delaminação, comparativamente à junta de referência e às restantes configurações em estudo. A falha coesiva verificada perto da interface da junta AL-CFRP-AL, pode ser devida ao elevado comprimento de sobreposição e às diferentes elasticidades do alumínio e do CFRP, o que naturalmente levou a elevadas tensões localizadas nas extremidades da junta. Os resultados demostraram que é possível aumentar a resistência transversal do compósito utilizando uma placa de alumínio.

Reforço de pilares por confinamento com mantas de fibras de carbono: avaliação de modelos de comportamento

A presente dissertação incide sobre o estudo dos efeitos do confinamento com materiais compósitos de polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) em pilares de estruturas de betão armado. A motivação para este estudo surge da necessidade de aprofundar conhecimentos acerca do comportamento dos pilares de betão reforçados por confinamento com CFRP, uma vez que a sua aplicação apresenta uma crescente importância, por exemplo, para aumento da resistência e da ductilidade de estruturas de betão armado. Fez-se, inicialmente, uma breve revisão das técnicas de reforço convencionais utilizadas em pilares de betão armado, com ênfase no reforço exterior com polímeros reforçados com fibras. A elevada resistência à tração, à corrosão e à fadiga, o baixo peso volúmico, a versatilidade e a diversidade dos sistemas comercializados com CFRP tornam este material muito competitivo para este tipo de aplicação. Na sequência desse estudo, realizou-se uma revisão bibliográfica acerca dos modelos de comportamento que permitem prever o desempenho de pilares de betão confinados com CFRP, sujeitos a esforços de compressão. Como forma de análise desses modelos, desenvolveu-se uma ferramenta numérica em ambiente Mathworks - Matlab R2015a, que permitiu a obtenção e posterior comparação dos diagramas de tensão-extensão descritos pelos modelos desenvolvidos por Manfredi e Realfonzo (2001), Ferreira (2007) e Wei e Wu (2011). Por fim, comparam-se os resultados experimentais de Paula (2003) e de Rocca (2007) com os dos modelos constitutivos referidos anteriormente, analisando-se também a influência de vários fatores na eficácia do confinamento, tais como o boleamento, o número de camadas de CFRP e a geometria da secção transversal. Foram ainda comparados e discutidos resultados relativos ao confinamento parcial de pilares. Os resultados obtidos indicam que os modelos analíticos representam relativamente bem o andamento das curvas do betão confinado para secções circulares, quadradas e retangulares, verificando-se as principais discrepâncias nestas duas últimas tipologias de secção transversal, dada a dificuldade associada à quantificação de parâmetros associados ao seu comportamento (por exemplo, boleamento de arestas). No entanto, verificou-se igualmente que com um adequado boleamento de arestas (e consequente aumento da relação entre o raio de canto e a largura da secção de betão), bem como com um aumento do número de camadas de material compósito, é possível aumentar a tensão resistente e a extensão axial na rotura do betão à compressão.

Dimensionamento de uma estrutura de contenção de terras flexível com vários níveis de apoio

O presente trabalho, no âmbito de projeto final de curso de metrado em Engenharia da Construção, teve como objetivo o estudo do comportamento de estruturas de suporte de terras flexíveis multi-apoiadas (com diferentes tipos de apoio) para dois tipos solos homogéneos. Recorreu-se às teorias clássicas, como a de Rankine, desenvolvidas para estruturas de suporte de terras rígidas. Às teorias semi-empíricas de Terzaghi & Peck que culminaram nos diagramas de Terzaghi & Peck. Apesar de os digramas de Terzaghi & Peck serem diagramas de pressões de terras a usar em estruturas de suporte de terras flexíveis, apresentam algumas limitações importantes, como a sua aplicação apenas em solos heterogéneos, com presença ou não de níveis freáticos, e sem fornecer distribuição das pressões de terras na zona passiva (zona enterrada). Como na atualidade os modelos de elementos finitos permitem simular de modo muito mais rigoroso os problemas da engenharia. O presente trabalho esteve focado em analisar um caso prático em diferentes solos e com diferentes tipos de apoios. Será estudado mediante os métodos analíticos usando as teorias clássicas e posteriormente métodos numéricos (com diferentes programas de cálculo). Finalmente serão comparados os resultados obtidos mediante os diferentes métodos usados. As estruturas foram inicialmente pré-dimensionadas usando os métodos clássicos. Assim foram usados os diagramas de pressões de terras de Terzaghi & Peck para a zona ativa (zona em escavação) e a teoria de Rankine para conhecer as pressões de terras na zona enterrada da cortina (parede moldada) e recorrendo ao software Ftool para a obtenção dos parâmetros de dimensionamento de estruturas de suporte de terras objeto de estudo. Posteriormente utilizaram-se os programas de cálculo automático CYPE 2015 k, e o programa de cálculo de elementos finitos PLAXIS Introductory 2010. Estes programas permitem simular o faseamento construtivo do muro. Para estudar a influência de algúns parâmetros no comportamento da Resumo IV cortina o estudo foi realizado com dois solos distintos, um solo argiloso mole e um solo arenoso denso. Assim como para dois tipos de apoios distintos, ancoragens ativas e escoras passivas. Foram analisados diferentes parâmetros na estrutura de suporte; pressões horizontais das terras, deslocamentos horizontais, esforço axial, transverso e momento fletor.

Determing the Effect of Thermal Treatment Timing on Ultra-High Performance Concrete Beams

The loss of prestressing force over time influences the long-term deflection of the prestressed concrete element. Prestress losses are inherently complex due to the interaction of concrete creep, concrete shrinkage, and steel relaxation. Implementing advanced materials such as ultra-high performance concrete (UHPC) further complicates the estimation of prestress losses because of the changes in material models dependent on curing regime. Past research shows compressive creep is "locked in" when UHPC cylinders are subjected to thermal treatment before being loaded in compression. However, the current precasting manufacturing process would typically load the element (through prestressing strand release from the prestressing bed) before the element would be taken to the curing facility. Members of many ages are stored until curing could be applied to all of them at once. This research was conducted to determine the impact of variable curing times for UHPC on the prestress losses, and hence deflections. Three UHPC beams, a rectangular section, a modified bulb tee section, and a pi-girder, were assessed for losses and deflections using an incremental time step approach and material models specific to UHPC based on compressive creep and shrinkage testing. Results show that although it is important for prestressed UHPC beams to be thermally treated, to "lock in" material properties, the timing of thermal treatment leads to negligible differences in long-term deflections. Results also show that for UHPC elements that are thermally treated, changes in deflection are caused only by external loads because prestress losses are "locked-in" following thermal treatment.

Fatigue and Damage Tolerance in Primary Composite Aeronautical Structures

The challenging requirements set on new full composite aeronautical structures are mostly related to the demonstration of damage tolerance capability of their primary structures, required by the airworthiness bodies. And while composite-made structures inherently demonstrate exceptional fatigue properties, when put in real life working conditions, a number of external factors can lead to impact damages thus reducing drastically their fatigue resistance due to fiber delamination, disbonding or breaking. This PhD aims towards contributing to the better understanding of the behavior of the primary composite aeronautical structure after near-edge impacts which are inevitable during the service life of an aircraft. The behavior of CFRP structures after impacts in only one small piece of the big picture which is the certification of CFRP built aircraft, where several other parameters need to be evaluated in order to fulfill the airworthiness requirements. These parameters are also discussed in this PhD thesis in order to give a better understanding of the complex task of CFRP structure certification, in which behavior of the impacted structure plays an important role. An experimental and numerical campaign was carried out in order to determine the level of delamination damage in CFRP specimens after near-edge impacts. By calibrating the numerical model with experimental data, it was possible, for different configurations and energy levels, to predict the extension of a delamination in a CFRP structure and to estimate its residual static strength using a very simple but robust technique. The original contribution of this work to the analysis of CFRP structures is the creation of a model which could be applicable to wide range of thicknesses and stacking sequences of CFRP structures, thus potentially being suitable for industrial application, as well.

Design, development, and analysis of hybrid metal-composite tube for industrial application

In the aerospace, automotive, printing, and sports industries, the development of hybrid Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)-metal components is becoming increasingly important. The coupling of metal with CFRP in axial symmetric components results in reduced production costs and increased mechanical properties such as bending, torsional stiffness, mass reduction, damping, and critical speed compared to the single material-built ones. In this thesis, thanks to a novel methodology involving a rubbery/viscoelastic interface layer, several hybrid aluminum-CFRP prototype tubes were produced. Besides, an innovative system for the cure of the CFRP part has been studied, analyzed, tested, and developed in the company that financed these research activities (Reglass SRL, Minerbio BO, Italy). The residual thermal stresses and strains have been investigated with numerical models based on the Finite Element Method (FEM) and compared with experimental tests. Thanks to numerical models, it was also possible to reduce residual thermal stresses by optimizing the lamination sequence of CFRP and determining the influence of the system parameters. A novel software and methodology for evaluating mechanical and damping properties of specimens and tubes made in CFRP were also developed. Moreover, to increase the component's damping properties, rubber nanofibers have been produced and interposed throughout the lamination of specimens. The promising results indicated that the nanofibrous mat could improve the material damping factor over 77% and be adopted in CFRP components with a negligible increment of weight or losing mechanical properties.

Advanced electrospun nanofibrous mats for hindering delamination, improving damping and for sensing of composite laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) display high specific mechanical properties, allowing the creation of lightweight components and products by metals replacement. To reach outstanding mechanical performances, the use of stiff thermoset matrices, like epoxy, is preferred. Laminated composites are commonly used for their ease of manipulation during object manufacturing. However, the natural anisotropic structure of laminates makes them vulnerable toward delamination. Moreover, epoxy-based CFRPs are very stiff materials, thus showing low damping capacity, which results in unwanted vibrations and structure-borne noise that may contribute to delamination triggering. Hence, searching for systems able to limit these drawbacks is of primary importance for safety reasons, as well as for economic ones. In this experimental thesis, the production and integration of innovative rubbery nanofibrous mats into CFRP laminates are presented. A smart approach, based on single-needle electrospinning of rubber-containing blends, is proposed for producing dimensionally stable rubbery nanofibers without the need for rubber crosslinking. Nano-modified laminates aim at obtaining structural composites with improved delamination resistance and enhanced damping capacity, without significantly lowering other relevant mechanical properties. The possibility of producing nanofibers nano-reinforced with graphene to be applied for reinforcing composite laminates is also investigated. Moreover, the use of piezoelectric nanofibrous mats in hybrid composite laminates for achieving self-sensing capability is presented too as a different approach to prevent the catastrophic consequences of possible structural laminate failure. Finally, an accurate, systematic, and critical study concerning tensile testing of nonwovens, using electrospun Nylon 66 random nanofibrous mats as a case study, is proposed. Nanofibers diameter and specimen geometry were investigated to thoroughly describe the nanomat tensile behaviour, also considering the polymer thermal properties, and the number of nanofibers crossings as a function of the nanofibers diameter. Stress-strain data were also analysed using a phenomenological data fitting model to interpret the tensile behaviour better.

Valutazione della resistenza all’impatto di laminati compositi

Nel presente lavoro di tesi è stato studiato il comportamento all’impatto di laminati compositi di varia natura, valutando il danneggiamento ad impatti a bassa velocità. Il comportamento dei diversi campioni è stato osservato prendendo come riferimento un laminato in fibra di carbonio e resina epossidica. Al fine di studiare e migliorare la risposta dei materiali a questo tipo di sollecitazioni sono stati utilizzati diversi approcci: introduzione di strati eterogenei di natura differente e uso di tessuti ibridi (fibre di carbonio e fibre polimeriche). I campioni sono stati quindi sottoposti ad impatti a diversa energia, con lo scopo di valutare l’energia assorbita e la loro deformazione. I provini danneggiati sono stati quindi sottoposti ad analisi di caratterizzazione microscopica, termica e meccanica.

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.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Sviluppo di tessuti nanofibrosi in Nylon 66 con migliorata capacità di contrasto alla delaminazione

Il presente elaborato finale presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di tessuti nanofibrosi in Nylon 66, ottenuti mediante elettrofilatura, da utilizzarsi per contrastare la delaminazione di compositi in fibra di carbonio (CFRP). Ottimizzati i parametri di processo, sono state preparate membrane di diverso spessore, poi integrate in laminati CFRP. Per consentire la reticolazione della resina e la corretta integrazione del rinforzo nanofibroso, è stato effettuato un processo di cura ottimizzato in autoclave. La tenacità a frattura interlaminare dei compositi nanomodificati risulta significativamente superiore al composito di riferimento.