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.

Effetto di impatti sul comportamento crashworthiness di materiali compositi

Attività sperimentale riguardante lo studio dei materiali compositi, nell’ambito della progettazione a crashworthiness, svolto, tramite test dei provini realizzati nell’attività di tirocinio, presso i laboratori didattici della Scuola di ingegneria e architettura, sede di Forlì. Il lavoro di tesi, si è basato sulla valutazione dell’energia assorbita dai provini in materiale composito, tramite prove quasi-statiche; per questo tipo di prove sono stati utilizzati provini autostabilizzanti, rinforzati in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica. Prima di procedere alla sperimentazione, sono stati studiati i risultati ottenuti da precedenti sperimentazioni eseguite da colleghi, per valutare quale fosse la configurazione migliore di provino, in termini di geometria, e trigger, che garantisse elevate energie di assorbimento. Dopo una panoramica dei materiali compositi, con riferimento alle caratteristiche e proprietà, alle diverse tipologie che si possono avere in ambito industriale, è spiegato il concetto di crashworthiness, le varie tipologie di test di impatto e le varie tipologie di rottura alla quale può essere soggetto un provino. Si è di seguito descritto come è stata valutata la scelta del tipo di geometria e del trigger, che sarebbero stati utilizzati per la progettazione del provino, e si è accennato al processo di laminazione svolta presso i laboratori della Scuola per la fabbricazione del provino. Al termine della descrizione dei tester usati per la sperimentazione sono, infine, illustrati i risultati delle prove svolte, con successivi commenti.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

Strengthening of circular hollow steel tubular sections using high modulus CFRP sheets

This paper describes the behaviour of very high strength (VHS) circular steel tubes strengthened by carbon fibre reinforced polymer (CFRP) and subjected to axial tension. A series of tests were conducted with different bond lengths and number of layers. The distribution of strain through the thickness of CFRP layers and along CFRP bond length was studied. The strain was found to generally decrease along the CFRP bond length far from the joint. The strain through the thickness of the CFRP layers was also found to decrease from bottom to top layer. The effective bond length for high modulus CFRP was established. Finally empirical models were developed to estimate the maximum load for a given CFRP arrangement.

Bond–slip models for double strap joints strengthened by CFRP

This paper presents the results of a series of tension tests on CFRP bonded steel plate double strap joints. The main aim of this research is to provide detailed understanding of bond characteristics using experimental and numerical analysis of strengthened double strap joints under tension. A parametric study has been performed by numerical modelling with the variables of CFRP bond lengths, adhesive maximum strain and adhesive layer thicknesses. Finally, bond-slip models are proposed for three different types of adhesives within the range of the parametric study.

Bond characteristics between CFRP and steel plates in double strap joints

This paper describes a series of double strap shear tests loaded in tension to investigate the bond between CFRP sheets and steel plates. Both normal modulus (240 GPa) and high modulus (640 GPa) CFRPs were used in the test program. Strain gauges were mounted to capture the strain distribution along the CFRP length. Different failure modes were observed for joints with normal modulus CFRP and those with high modulus CFRP. The strain distribution along the CFRP length was found to be similar for the two cases. A shorter effective bond length was obtained for joints with high modulus CFRP whereas larger ultimate load carrying capacity can be achieved for joints with normal modulus CFRP when the bond length is long enough. The Hart-Smith Model was modified to predict the effective bond length and ultimate load carrying capacity of joints between the normal modulus CFRP and steel plates. The Multilayer Distribution Model developed by the authors was modified to predict the load carrying capacity of joints between the high modulus CFRP and steel plates. The predicted values agreed well with experimental ones.

Experimental and finite element analysis of a double strap joint between steel plates and normal modulus CFRP

Strengthening of steel structures using externally-bonded carbon fibre reinforced polymers ‘CFRP’ is a rapidly developing technique. This paper describes the behaviour of axially loaded flat steel plates strengthened using carbon fibre reinforced polymer sheets. Two steel plates were joined together with adhesive and followed by the application of carbon fibre sheet double strap joint with different bond lengths. The behaviour of the specimens was further investigated by using nonlinear finite element analysis to predict the failure modes and load capacity. In this study, bond failure is the dominant failure mode for normal modulus (240 GPa) CFRP bonding which closely matched the results of finite elements. The predicted ultimate loads from the FE analysis are found to be in good agreement with experimental values.

Stress distribution of CFRP strengthened steel hollow sections under tension

Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) sheets have many outstanding properties such as high strength, high elastic modulus, light weight and good durability which are made them a suitable alternative for steel in strengthening work. This paper describe the ultimate load carrying capacity of steel hollow sections at effective bond length in terms of its cross sectional area and the stress distribution within bond region for different layers CFRP. It was found that depending on their size and orientation of uni- directional CFRP layers, the ultimate tensile load was different. Along with these tests, non linear finite element analysis was also performed to validate the ultimate load carrying capacity depending on their cross sections. The predicted ultimate loads from FE analysis are found very close to the laboratory test results. The validated model has been used to determine the stress distribution at bond joint for different orientation of CFRP. This research shows the effect of stress distribution and suitable wrapping layer to be used for the strengthening of steel hollow sections in tension.

Double strap joint tests to determine the bond characteristics between CFRP and steel plates

Advanced composite materials offer remarkable potential in the upgrade of civil engineering structures. The evolution of CFRP (carbon fibre reinforced polymer) technologies and their versatility for applications in civil constructions require comprehensive and reliable codes of practice. Guidelines are available on the rehabilitation and retrofit of concrete structures with advanced composite materials. However, there is a need to develop appropriate design guidelines for CFRP strengthened steel structures. It is important to understand the bond characteristics between CFRP and steel plates. This paper describes a series of double strap shear tests loaded in tension to investigate the bond between CFRP sheets and steel plates. Both normal modulus (240 GPa) and high modulus (640 GPa) CFRPs were used in the test program. Strain gauges were mounted to capture the strain distribution along the CFRP length. Different failure modes were observed for joints with normal modulus CFRP and those with high modulus CFRP. The strain distribution along the CFRP length is similar for the two cases. A shorter effective bond length was obtained for joints with high modulus CFRP whereas larger ultimate load carrying capacity can be achieved for joints with normal modulus CFRP when the bond length is long enough.

Comparative study of failure mechanisms in steel and concrete members strengthened with CFRP composites

Over the last decade advanced composite materials, like carbon fibre reinforced polymer (CFRP), have increasingly been used in civil engineering infrastructure. The benefits of advanced composites are rapidly becoming evident. This paper focuses on the comparative performance of steel and concrete members retrofitted by carbon fibre reinforced polymers. The objective of this work is a systematic assessment and evaluation of the performance of CFRP for both the concrete and steel members available in the technical literature. Existing empirical and analytical models were studied. Comparison is made with respect to failure mode, bond characteristics, fatigue behaviour, durability, corrosion, load carrying capacity and force transfer. It is concluded that empirical expressions for the concrete-CFRP composite are not readily suited for direct use in the steel-CFRP composite. This paper identifies some of the major issues that need further investigation.

Investigation into the bond between CFRP and steel tubes

CFRP material has been widely used to strengthen concrete structures. There is an increasing trend of using CFRP in strengthening steel structures. The bond between steel and CFRP is a key issue. Relatively less work has been done on the bond between CFRP and a curved surface which is often found in tubular structures. This paper reports a study on the bond between CFRP and steel tubes. A series of tensile tests were conducted with different bond lengths and number of layers. The types of adhesive and specimen preparation methods varied in the testing program. High modulus CFRP was used. Tests were carried out to measure the modulus and tensile strength of CFRP. Strain gages were mounted on different layers of CFRP. The stress distributions across the layers of the CFRP were established. Models were developed to estimate the maximum load for a given CFRP arrangement.

Preliminary bond-slip model for CFRP sheets bonded to steel plates

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets have established a strong position as an effective method for innovative structural rehabilitation. However, the use of externally bonded CFRP in the repair and rehabilitation of steel structures is a relatively new technique that has the potential to improve the way structures are repaired. An important step toward understanding bond behaviour is to have an estimation of local bond stress versus slip relationship. The current study aims to establish the bond-slip model for CFRP sheets bonded to steel plate. To obtain the shear stress versus slippage relationship, a series of double strap tension type bond tests were conducted. This paper reports on the findings of the experimental studies. The strain and stress distributions measured in the specimens for two different bond lengths. The results show a preliminary bi-linear bond-slip model may be adopted for CFRP sheet bonded with steel plate.

Effects of cold weather on durability of CFRP strengthened circular hollow steel members

Tubular members have become progressively more popular due to excellent structural properties, aesthetic appearance, corrosion and fire protection capability. However, a large number of such structures are found structurally deficient due to reduction of strength when they expose to severe environmental conditions such as marine environment, cold and hot weather. Hence strengthening and retrofitting of structural members are in high demands. In recent times Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) composites appears to be an excellent solution to enhance the load carrying capacity and serviceability of steel structures because of its superior physical and mechanical properties. However, the durability of such strengthening system under cold environmental condition has not yet been well documented to guide the engineers. This paper presents the findings of a study conducted to enhance the bond durability of CFRP strengthened steel tubular members by treating steel surface using epoxy based adhesion promoter under cold weather subjected to bending. The experimental program consisted of six number of CFRP strengthened specimens and one bare specimen. The sand blasted surface of the three specimens to be strengthened was pre-treated with MBrace primer and other three were remained untreated and then cured under ambient temperature and cold weather (3oC) for three and six months period of time. The beams were then loaded to failure under four point bending. The structural response of each specimen was predicted in terms of failure mode, failure load and mid-span deflection. The research findings show that the cold weather immersion had an adverse effect on durability of CFRP strengthened structures. Moreover, the epoxy based adhesion promoter was found to enhance the bond durability in elastic range.