Experimental Reinforcement of Wood Beams

Rehabilitation is becoming more and more usual in the construction sector in Portugal. The introduction of newer construction materials and technical know-how of integrating different materials for achieving desired engineering goals is an important step to the development of the sector. Wood industry is also getting more and more adapted to composite technologies with the introduction of the so called “highly engineered wood products” and with the use of modification treatments. This work is an attempt to explain the viability of using stainless steel and glass fibre reinforced polymer (GFRP) as reinforcements in wood beams. This thesis specifically focuses on the flexural behaviour of Portuguese Pine unmodified and modified wood beams. Two types of modification were used: 1,3-dimethylol-4,5- dihydroxyethyleneurea (DMDHEU) resin and amid wax. The behaviour of the material was analysed with a nonlinear model. The latter model simulates the behaviour of the reinforced wood beams under flexural loading. Small-scale beams (1:15) were experimented in flexural bending and the experimental results obtained were compared with the analytical model results. The experiments confirm the viability of the reinforcing schemes and the working procedures. Experimental results showed fair agreement with the nonlinear model. A strength increase between 15% and 80% was achieved. Stiffness increased by 40% to 50% in beams reinforced with steel but no significant increase was achieved with the glass fibre reinforcement.

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.

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

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

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.

Empirical models for quantification of machining damage in composite materials

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Mecânica

Image processing methodology for assessment of drilling induced damage in CFRP

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

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 (

Comportamento da ligação CFRP/betão em estruturas de betão armado

O presente trabalho centra-se no estudo de um sistema de reforço de estruturas de betão armado que se tem tornado bastante utilizado, o reforço com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados neste estudo são polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer). A ligação deste compósito aos elementos de betão é feita através de resina, neste caso utilizou-se resina epoxídica. Neste sistema de reforço é fulcral garantir que a ligação entre o compósito e o betão é a melhor possível e, por isso, no presente estudo estudou-se esta ligação através de ensaios experimentais de corte simples. Com o intuito de se perceber a influência do comprimento de laminado de CFRP colado ao substrato de betão, foram utilizados diferentes comprimentos colados nos ensaios experimentais. Utilizaram-se duas técnicas de reforço distintas, reforço com compósitos de CFRP colados exteriormente (EBR) e reforço com compósitos de CFRP colados numa ranhura feita no bloco de betão (NSM), com o intuito de se verificar a influência que a técnica de reforço pode ter na eficácia do sistema de reforço, percebendo para qual das técnicas se consegue obter uma melhor aderência entre o laminado de CFRP e o substrato de betão. Foram realizados 11 ensaios de corte simples para a técnica EBR e 8 ensaios de corte simples para a técnica NSM. Neste estudo foi também encontrada uma solução analítica que consegue descrever o comportamento completo da interface entre o material compósito e o substrato de betão. Esta solução analítica foi encontrada a partir de um modelo bond-slip não-linear. Os resultados experimentais obtidos foram analisados e o modelo analítico proposto foi validado com recurso a estudos presentes na literatura e aos resultados experimentais obtidos no presente estudo.

Reforço de elementos estruturais de madeira com materiais compósitos de matriz polimérica

A necessidade de manutenção e reabilitação de estruturas de madeira antigas é, nos dias de hoje, um aspeto bastante importante a nível mundial. Assim, o estudo da eficácia de alguns sistemas de reforço torna-se fulcral. A presente dissertação é um estudo experimental sobre reforço de estruturas de madeira com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados na componente experimental foram polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) e estes foram colados ao substrato de madeira com resina epoxídica. O estudo experimental foi composto por duas fases. Na primeira fase realizaram-se ensaios de corte simples e na segunda fase ensaios de flexão. Os ensaios de corte simples foram realizados de modo a estudar a ligação CFRP-madeira e a analisar a influência do comprimento colado de CFRP ao substrato de madeira. Para tal, utilizaram-se duas técnicas de reforço, a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) em que os laminados de CFRP são colados exteriormente e a técnica NSM (Near Surface Mounted) em que os laminados de CFRP são colados numa ranhura feita no provete de madeira. Foram realizados 17 ensaios de corte simples, 10 com a técnica EBR e 7 com a técnica NSM. Na segunda fase, foram realizados 3 ensaios de flexão sobre pavimentos de madeira reforçados com laminados de CFRP. Para estes ensaios também se utilizaram duas técnicas de reforço, a técnica EBR e uma técnica em que o laminado de FRP é ancorado nas extremidades das vigas. Numa fase final os resultados foram analisados e comparados de modo a tirar conclusões. Concluíu-se que a técnica de reforço NSM apresenta um desempenho superior à técnica EBR nos ensaios de corte simples. Comparativamente à técnica EBR, os pavimentos de madeira com o laminado de CFRP ancorado nas extremidades das vigas apresentaram um melhor desempenho.

Comportamento de painéis de alvenaria reforçados com FRCM sujeitos a ações no plano: Estudo da interface

O presente trabalho dedica-se à caracterização do comportamento de modelos de alvenaria reforçada com FRCM (fiber reinforced cementitious matrix) quando sujeitos a ações que atuam no plano da parede. O sistema de reforço, composto por uma camada de argamassa cimentícia reforçada com uma malha de CFRP (carbon fiber reinforced polymer), foi aplicado a modelos de alvenaria de tijolo furado. Considerando a importância da interface entre a camada de reforço e o substrato para a eficiência do sistema de reforço, procedeu-se à caracterização do comportamento mecânico da interface por intermédio de ensaios de corte direto, com os quais foi possível definir as superfícies de cedência e de rotura da interface. Os resultados obtidos permitiram a quantificação dos parâmetros que caracterizam a interface entre o material cerâmico e uma argamassa do tipo PFRM (polypropylene fibre reinforced mortar) quando sujeita a cargas de corte combinadas com cargas normais à interface. Através de expressões analíticas e do critério de rotura de Mohr-Coloumb foi analisada a adequação de um critério baseado numa aproximação linear, aos dados obtidos experimentalmente.

Experimental and numerical approaches for structural assessment in new footbridge designs (SFRSCC–GFPR hybrid structure)

Within the civil engineering field, the use of the Finite Element Method has acquired a significant importance, since numerical simulations have been employed in a broad field, which encloses the design, analysis and prediction of the structural behaviour of constructions and infrastructures. Nevertheless, these mathematical simulations can only be useful if all the mechanical properties of the materials, boundary conditions and damages are properly modelled. Therefore, it is required not only experimental data (static and/or dynamic tests) to provide references parameters, but also robust calibration methods able to model damage or other special structural conditions. The present paper addresses the model calibration of a footbridge bridge tested with static loads and ambient vibrations. Damage assessment was also carried out based on a hybrid numerical procedure, which combines discrete damage functions with sets of piecewise linear damage functions. Results from the model calibration shows that the model reproduces with good accuracy the experimental behaviour of the bridge.

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.

The encore project: sustainable solutions for cementitious materials

Since concrete is the most widely utilized construction material, several solutions are currently being developed and investigated for enhancing the sustainability of cementitious materials. One of these solutions is based on producing Recycled Concrete Aggregates (RCA) from existing concrete members resulting by either industrial processes or demolitions of existing structures as a whole. Moreover, waste resulting from industrial processes other than the building construction (i.e., tire recycling, production of steel, powders resulting from other depuration processes) are also being considered as possible low-impact constituents for producing structural concrete and Fiber-Reinforced Cementitious Composites (FRCC). Furthermore, the use of natural fibers is another option for producing environmentally-friendly and cost-effective materials, depending on the local availability of raw materials. To promote the use of concretes partially composed of recycled constituents, their influence on the mechanical and durability performance of these concretes have to be deeply investigated and correlated. This was the main goal of the EnCoRe Project (www.encore-fp7.unisa.it), a EU-funded initiative, whose activities and main findings are summarized in this paper.

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.