Finite element modelling of composite structures under crushing load

This paper details the theory and implementation of a composite damage model, addressing damage within a ply (intralaminar) and delamination (interlaminar), for the simulation of crushing of laminated composite structures. It includes a more accurate determination of the characteristic length to achieve mesh objectivity in capturing intralaminar damage consisting of matrix cracking and fibre failure, a load-history dependent material response, an isotropic hardening nonlinear matrix response, as well as a more physically-based interactive matrix-dominated damage mechanism. The developed damage model requires a set of material parameters obtained from a combination of standard and non-standard material characterisation tests. The fidelity of the model mitigates the need to manipulate, or "calibrate", the input data to achieve good agreement with experimental results. The intralaminar damage model was implemented as a VUMAT subroutine, and used in conjunction with an existing interlaminar damage model, in Abaqus/Explicit. This approach was validated through the simulation of the crushing of a cross-ply composite tube with a tulip-shaped trigger, loaded in uniaxial compression. Despite the complexity of the chosen geometry, excellent correlation was achieved with experimental results.

Finite element modeling of debonding failures in FRP-strengthened RC beams: A dynamic approach

This paper is concerned with the finite element simulation of debonding failures in FRP-strengthened concrete beams. A key challenge for such simulations is that common solution techniques such as the Newton-Raphson method and the arc-length method often fail to converge. This paper examines the effectiveness of using a dynamic analysis approach in such FE simulations, in which debonding failure is treated as a dynamic problem and solved using an appropriate time integration method. Numerical results are presented to show that an appropriate dynamic approach effectively overcomes the convergence problem and provides accurate predictions of test results.

Compressive behavior of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete after exposure to elevated temperatures

For sustainability considerations, the use of recycled aggregate in concrete has attracted many interests in the research community. One of the main concerns for using such concrete in buildings is its spalling in fire. This may be alleviated by adding steel fibers to form steel fiber reinforced recycled aggregate concrete (SFRAC). This paper presents an experimental investigation into the compressive properties of SFRAC cylinders after exposure to elevated temperatures, including the compressive strength, Young's modulus (stiffness), stress-strain curve and energy absorption capacity (toughness). The effects of two parameters, namely steel fiber volume content (0%, 0.5%, 1%, 1.5%) and temperature (room temperature, 200 °C, 400 °C and 600 °C) on the compressive mechanical properties of concrete were investigated. The test results show that both compressive strength and stiffness of the concrete are significantly reduced after exposure to high temperatures. The addition of steel fibers is helpful in preventing spalling, and significantly improves the ductility and the cracking behavior of recycled aggregate concrete (RAC) after exposure to high temperatures, which is favorable for the application of RAC in building construction.

A bond model for DEM simulation of cementitious materials and deformable structures

There is an increasing use of the discrete element method (DEM) to study cemented (e.g. concrete and rocks) and sintered particulate materials. The chief advantage of the DEM over continuum based techniques is that it does not make assumptions about how cracking and fragmentation initiate and propagate, since the DEM system is naturally discontinuous. The ability for the DEM to produce a realistic representation of a cemented granular material depends largely on the implementation of an inter-particle bonded contact model. This paper presents a new bonded contact model based on the Timoshenko beam theory which considers axial, shear and bending behaviour of the bond. The bond model was first verified by simulating both the bending and dynamic response of a simply supported beam. The loading response of a concrete cylinder was then investigated and compared with the Eurocode equation prediction. The results show significant potential for the new model to produce satisfactory predictions for cementitious materials. A unique feature of this model is that it can also be used to accurately represent many deformable structures such as frames and shells, so that both particles and structures or deformable boundaries can be described in the same DEM framework. 

Experimental study on PC hollow-core slab strengthened with bamboo plates

An experimental study on strengthening prestressed concrete (PC) hollow-core slabs was conducted. Nine PC hollow-core slabs were tested, including three unstrengthened reference slabs and six slabs strengthened with bamboo plates. The results show that compared with unreinforced slabs, the cracking loads of PC hollow-core slabs strengthened with bamboo plates increase by 5% to 96% (with an average of 41%), the loads at allowable deflection increase by 8% to 76% (with an average of 35%), and the ultimate loads increase by 83% to 184% (with an average of 123%), respectively. All the degrees of improvement in the crack load, allowable load and ultimate load increase with the increase in the thickness and width of the bamboo plates. With the increase in the loads, the strain distribution along the height of the strengthened slabs at the mid-span basically remains a plan-assumption. With the increase in the thickness and width of the bamboo plates, both the bamboo tensile strain on the tensile face and the concrete compressive strain on the compression face of the strengthened slabs decrease under the same load level.

Simulating reinforced concrete members. Part 1: partial interaction properties

Reinforced concrete members are extremely complex under loading because of localised deformations in the concrete (cracks, sliding planes) and between the reinforcement and concrete (slip). An ideal model for simulating behaviour of reinforced concrete members should incorporate both global behaviour and the localised behaviours that are seen and measured in practice; these localised behaviours directly affect the global behaviour. Most commonly used models do not directly simulate these localised behaviours that can be seen or measured in real members; instead, they overcome these limitations by using empirically or semi-empirically derived strain-based pseudo properties such as the use of effective flexural rigidities for deflection; plastic hinge lengths for strength and ductility; and energy-based approaches for both concrete softening in compression and concrete softening after tensile cracking to allow for tension stiffening. Most reinforced concrete member experimental testing is associated with deriving these pseudo properties for use in design and analysis, and this component of development is thus costly. The aim of the present research is to reduce this cost substantially. In this paper, localised material behaviours and the mechanisms they induce are described. Their incorporation into reinforced concrete member behaviour without the need for empirically derived pseudo properties is described in a companion paper.

Reciclagem termoquímica de resíduos de plásticos e de pneus por pirólise

A sociedade moderna encontra-se cada vez mais dependente dos combustíveis líquidos bem como de produtos derivados do petróleo. Em virtude do limitado tempo de vida das reservas naturais de petróleo, torna-se imperativo encontrar fontes alternativas de produção de hidrocarbonetos. A pirólise de resíduos de pneus e plásticos pode ser uma dessas possíveis fontes. Neste processo, o tratamento termoquímico implementado aos resíduos permite, não só, a valorização económica resultante da sua transformação em produtos de valor acrescido, como também a recuperação do conteúdo orgânico. O referido processo conduz à formação de hidrocarbonetos em fase líquida que podem ser utilizados pela indústria como combustíveis líquidos e/ou como matéria-prima. O presente trabalho tem como objectivo principal a definição das condições experimentais mais propícias à obtenção de combustíveis líquidos (maximização) resultantes da pirólise de misturas de resíduos de borracha de pneus e plásticos nomeadamente polietileno (PE), polipropileno (PP) e poliestireno (PS). Como instrumento de optimização das condições experimentais optou-se pela Metodologia dos Planos Factoriais de Ensaios. Os resultados experimentais obtidos mostram que as taxas de conversão em fase líquida podem atingir valores superiores a 80% (m/m) dependendo das condições experimentais utilizadas bem como do tipo e mistura de resíduos a pirolisar. Os rendimentos das fracções gasosa e sólida podem atingir valores na ordem dos 5% e 12% (respectivamente). Foi também estudado o efeito das condições experimentais nomeadamente a temperatura de reacção, pressão inicial, tempo de reacção e composição da mistura. Este estudo revelou que a maximização da fracção líquida é favorecida por uma temperatura de ensaio de 370ºC, uma pressão inicial de 0,48MPa e um tempo de ensaio de 15 minutos. Relativamente à composição da mistura, os melhores resultados foram obtidos com 30% (m/m) de resíduos de borracha de pneus (BP) associados a uma mistura de 70% (m/m) de resíduos de plásticos composta por 20% polietileno, 30% polipropileno e 20% poliestireno. Igualmente foi feita a caracterização física e química da matéria-prima e dos produtos obtidos pelo referido processo, bem como, o estudo da presença de diferentes substâncias potencialmente doadores de hidrogénio ao meio reaccional de forma a melhorar o rendimento líquido. Por último, foram realizados estudos cinéticos das reacções químicas de formação dos diferentes produtos aos resíduos de borracha de pneus (BP), misturas de resíduos de plástico (PE, PP e PS) e suas misturas. Ainda, foram ajustados os resultados obtidos pelo modelo teórico aos resultados experimentais, propostos mecanismos reaccionais de formação dos produtos e calculados os parâmetros cinéticos. De acordo com os resultados obtidos, a pirólise pode representar um papel significativo na valorização energética e orgânica destes resíduos apesar de, ainda, ser necessário o desenvolvimento de alguns aspectos tecnológicos de modo a tornar mais atraente a implementação desta tecnologia à escala industrial.

Internal curing in cement-based materials

O desenvolvimento de betões de elevado desempenho, durante o início da década de 80, revelou que este tipo particular de materiais com base em cimento é susceptível a problemas de cura. São bem conhecidos os efeitos dos fenómenos autogéneos em sistemas de elevado desempenho com base em cimento, nomeadamente a fissuração em idade jovem. Esta é, aliás vista como a maior limitação no desenvolvimento de novos materiais com durabilidade superior. Desenvolvimentos recentes de métodos de cura interna provaram ser uma boa estratégia de mitigação dos efeitos da auto-dissecação destes sistemas, onde a presente tese ganha o seu espaço no tempo. Este estudo centra-se essencialmente em sistemas de elevado desempenho com base em cimento com cura interna através de partículas superabsorventes, dando particular importância à alteração de volume em idade jovem. Da análise mais aprofundada deste método, resultam algumas limitações na sua aplicabilidade, especialmente em sistemas modificados com sílica de fumo. Conclui-se que a natureza física e química dos polímeros superabsorventes pode afectar significativamente a eficiência da cura interna. Em adição, os mecanismos de cura interna são discutidos mais profundamente, sendo que para além dos mecanismos baseados em fenómenos físicos e químicos, parecem existir efeitos mecânicos significativos. Várias técnicas foram utilizadas durante o decorrer desta investigação, com o objectivo, para além da caracterização de certas propriedades dos materiais, de perseguir as questões deixadas em aberto pela comunidade internacional, relativamente aos mecanismos que fundamentam a explicação dos fenómenos autogéneos. Como exemplo, são apresentados os estudos sobre hidratação dos sistemas para avaliação do problema numa escala microscópica, em vez de macroscópica. Uma nova técnica de cura interna emerge da investigação, baseada na utilização de agregados finos como veiculo para mitigar parcialmente a retracção autogénea. Até aqui, esta técnica não encontra par em investigação anterior, mas a extensão da cura interna ou a eficácia na mitigação baseada neste conceito encontra algumas limitações. A significância desta técnica em prevenir a micro fissuração é um aspecto que está ainda em aberto, mas pode concluir-se que os agregados finos podem ser benéficos na redução dos efeitos da restrição localizada no sistema, reduzindo o risco de micro fissuração. A utilização combinada de partículas finas de agregado e polímeros super absorventes pode ter como consequência betão sem microfissuração, ou pelo menos com nanofissuração.

Sustainability study of the application of geosynthetic clay liners in hostile and aggressive environments

This paper discusses the sustainable performance of geosynthetic clay liners (GCLs) which are popularly specified as “leachate retaining” or as “water proofing” membranes in the geo-environmental construction industry. Geosynthetic clay liners (GCLs) are composite matting comprising of bentonite clay with two covering geosynthetics. These are innovative labour saving construction material, developed over the last three decades. The paper outlines the variety of Geosynthetic Clay Liners (GCLs) can be classified essentially into two distinctly different forms viz; (a) air dry (< 8% m/c) with granular or powdered bentonite or (b) bentonite cake factory prehydrated to a moisture content (~40% m/c) beyond its shrinkage limit and vacuum extruded as a clay cake to enhance its sustainable performance. The dominant mineral in bentonite clay is the three-layered (2:1) clay mineral montmorillonite. High quality bentonites need to be used in the GCL manufacture. Sodium montmorillonite has the desired characteristic of high swelling capacity, high cation exchange capacity and the consequently very low hydraulic conductivity, providing the basis for the hydraulic sealing medium in GCLs. These encapsulate the active montmorillonite clay minerals which depend on the water and chemical balance between the sealing element and the surrounding geo environment. Quantitative mineralogical analyses and an assessment of the adsorbed cation regime, diffusion coefficients and clay leachate compatibility must necessarily be an integral part of the site appraisal to ensure acceptable long term sustainability and performance. Factors influencing the desired performance of bentonite in the GCLs placed in difficult construction and hostile chemical environments are discussed in this paper. Accordingly, the performance specifications for GCLs are identified and the appropriateness of enhancing the cation exchange capacity with polymer treatment and the need for factory prehydration of the untreated sodium bentonite is emphasised. The advantage of factory prehydrating the polymer treated bentonite to fluid content beyond its shrinkage limit and subsequently factory processing it to develop laminated clay is to develop a GCL that has enviable sealing characteristics with a greater resistance to geochemical attack and cracking. Since clay liners are buried in the ground as base liners, capping layer or as structural water proofing membrane, they can easily avoid strict quality and performance monitoring being “out of sight, out of mind!”. It is very necessary that barrier design for leachate containment must necessarily be in accordance with legislative requirement Assessment of long term hydraulic conductivities and clay-leachate compatibility assessment is deemed necessary. The derogatory factors affecting the sustainable performance of the bentonite in GCLs placed in difficult construction and hostile chemical environments are discussed. Sustainability concepts incorporated in waste management practice must aim to achieve 100% recycling and fully implement the handling of solid waste in developing countries with relatively lower labour costs.

ECO-betão com adição de resíduo da indústria petrolífera

Dissertação de natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Edificações

Caracterização e modelação de fissuras em edifícios utilizando 3D laser scanning, com vista à sua reabilitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Relatório de estágio

I - As minhas expectativas eram elevadas pois este regresso à Escola Superior de Música de Lisboa permitia-me voltar a trabalhar com os professores que me formaram como músico e professor e com eles poder actualizar-me sobre vários temas ligados à pedagogia. Este aspecto é muito importante pois chego à conclusão que o tempo por vezes provoca-nos excesso de confiança que parece “cegar-nos” não nos deixando ver erros pedagógicos muitas vezes evitáveis. Quando ingressei neste estágio sentia-me confiante e seguro quanto às minhas capacidades como professor. O momento de viragem na minha perspectiva do estágio dá-se quando surgem as observações/gravações e respectivas análises e reflexões das aulas. Procurei trabalhar nessas aulas da forma mais natural possível pois o meu objectivo era observar o meu trabalho diário. A primeira observação das aulas permitiu-me anotar algumas coisas menos boas. Contudo, quando essa observação foi feita com o professor de didática os aspectos menos positivos ganharam uma enorme proporção: (1) falhas ao nível da instrução: demasiado longo, (2) feedback de pouca qualidade ou eficácia , (3) pouca percentagem de alunos que atingiam os objectivos., (4) ritmo de aula por vezes baixo devido a períodos longos de instrução ou devido a uma má gestão do espaço. Todos estes problemas eram mais visíveis quando as turmas eram maiores. Ao longo do estágio, e após a detecção destas falhas, fui procurando evitar estas práticas em todas as turmas onde leccionava. Senti que o ritmo de aula aumentou substancialmente não apenas à custa da energia do professor e de boas estratégias mas porque sobretudo se “falava menos e trabalhava-se mais”. Os erros dos alunos passaram a ser corrigos enquanto trabalhavam (feedback corretivo próximo do momento positivo ou negativo), o feedback positivo passou a ser mais destacado, a disposição da sala alterou-se de forma aos alunos estarem mais perto do professor, e este procurou ser menos “criativo” no momento de alterar o plano de aula devido a ideias momentâneas o que provocou mais tempo para cada estratégia e para que mais alunos fossem atingindo os objectivos. Apesar da evolução no sentido de proporcionar aos alunos aulas mais rentáveis e de ainda melhor qualidade, existe a consciência que alguns dos erros cometidos eram hábitos e como tal poderão levar algum tempo a ser corrigidos. Contudo, existe a consciência e a vontade em debelá-los da minha prática docente.

Incorporação de resíduo da indústria petrolífera em argamassas de cal hidráulica para a reabilitação de edifícios

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Fractional order modelling of zero length column desorption response for adsorbents with variable particle sizes

This manuscript analyses the data generated by a Zero Length Column (ZLC) diffusion experimental set-up, for 1,3 Di-isopropyl benzene in a 100% alumina matrix with variable particle size. The time evolution of the phenomena resembles those of fractional order systems, namely those with a fast initial transient followed by long and slow tails. The experimental measurements are best fitted with the Harris model revealing a power law behavior.

Low-carbon cement with waste oil-craking catalyst incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.