Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

Estudo e otimização de juntas do tipo Tpeel soldadas, adesivas e híbridas

A necessidade de utilizar métodos de ligação que melhor satisfaçam as necessidades de projeto tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A sua utilização em diversas aplicações industriais justifica-se pela redução de peso, redução de concentrações de tensões, isolamento acústico e melhor resistência à corrosão. Contudo, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas, a fraca resistência a esforços de arrancamento e a complexidade da previsão da sua resistência. As juntas híbridas são obtidas por combinação de uma técnica tradicional com uma ligação adesiva. As juntas híbridas adesivas-soldadas obtêm-se através da combinação da ligação adesiva com a ligação soldada, sendo a soldadura de resistência por pontos a técnica de soldadura mais usada no fabrico deste tipo de juntas. A sinergia entre ligação adesiva e soldadura por pontos oferece vantagens competitivas em relação às ligações adesivas, tais como superior resistência e rigidez, e maior resistência ao arrancamento e à fadiga. No presente trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas T-peel soldadas, adesivas e híbridas (adesivas-soldadas) solicitadas ao arrancamento. Considerouse o adesivo frágil Araldite® AV138 e os adesivos dúcteis Araldite® 2015 e Sikaforce® 7752 e aderentes de aço (C45E). Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efetuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos pelo Método de Elementos Finitos (MEF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por MDC. Observou-se que, dos três adesivos em estudo, o adesivo Sikaforce® 7752 é o que apresenta o melhor desempenho na ligação de juntas T-peel. A boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos permitiu validar a utilização de MDC para previsão da resistência de juntas T-peel adesivas e híbridas. Assim, o presente trabalho representa uma base para posterior aplicação no projeto deste tipo de ligação, com as vantagens decorrentes na redução do tempo de projeto e maior facilidade de otimização.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Estudo numérico sobre o reforço de pilares de betão armado com cantoneiras e presilhas metálicas: análise paramétrica e modelo de cálculo

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

A multi–physics approach applied to masonry structures with non–hydraulic lime mortars

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil (área de especialização em Engenharia de Estruturas).

Electrokinetic flow and transport in porous media : experimental methods, numerical analysis, and applications

Electrokinetic transport, electrochromatography, electroosmotic flow, electrophoresis, concentration polarization, fixed beds, monoliths, dynamic NMR microscopy, quantitative confocal laser scanning microscopy, mathematical modelling, numerical analysis

Mathematical and numerical analysis for coagulation-fragmentation equations

Magdeburg, Univ., Fak. für Mathematik, Diss., 2010

Stabilized Petrov-Galerkin methods for the convection-diffusion-reaction and the Helmholtz equations

We present two new stabilized high-resolution numerical methods for the convection–diffusion–reaction (CDR) and the Helmholtz equations respectively. The work embarks upon a priori analysis of some consistency recovery procedures for some stabilization methods belonging to the Petrov–Galerkin framework. It was found that the use of some standard practices (e.g. M-Matrices theory) for the design of essentially non-oscillatory numerical methods is not feasible when consistency recovery methods are employed. Hence, with respect to convective stabilization, such recovery methods are not preferred. Next, we present the design of a high-resolution Petrov–Galerkin (HRPG) method for the 1D CDR problem. The problem is studied from a fresh point of view, including practical implications on the formulation of the maximum principle, M-Matrices theory, monotonicity and total variation diminishing (TVD) finite volume schemes. The current method is next in line to earlier methods that may be viewed as an upwinding plus a discontinuity-capturing operator. Finally, some remarks are made on the extension of the HRPG method to multidimensions. Next, we present a new numerical scheme for the Helmholtz equation resulting in quasi-exact solutions. The focus is on the approximation of the solution to the Helmholtz equation in the interior of the domain using compact stencils. Piecewise linear/bilinear polynomial interpolation are considered on a structured mesh/grid. The only a priori requirement is to provide a mesh/grid resolution of at least eight elements per wavelength. No stabilization parameters are involved in the definition of the scheme. The scheme consists of taking the average of the equation stencils obtained by the standard Galerkin finite element method and the classical finite difference method. Dispersion analysis in 1D and 2D illustrate the quasi-exact properties of this scheme. Finally, some remarks are made on the extension of the scheme to unstructured meshes by designing a method within the Petrov–Galerkin framework.

Numerical analysis of wave-induced fluid flow effects on seismic data: Application to monitoring of CO2 storage at the Sleipner Field

In this work we analyze how patchy distributions of CO2 and brine within sand reservoirs may lead to significant attenuation and velocity dispersion effects, which in turn may have a profound impact on surface seismic data. The ultimate goal of this paper is to contribute to the understanding of these processes within the framework of the seismic monitoring of CO2 sequestration, a key strategy to mitigate global warming. We first carry out a Monte Carlo analysis to study the statistical behavior of attenuation and velocity dispersion of compressional waves traveling through rocks with properties similar to those at the Utsira Sand, Sleipner field, containing quasi-fractal patchy distributions of CO2 and brine. These results show that the mean patch size and CO2 saturation play key roles in the observed wave-induced fluid flow effects. The latter can be remarkably important when CO2 concentrations are low and mean patch sizes are relatively large. To analyze these effects on the corresponding surface seismic data, we perform numerical simulations of wave propagation considering reservoir models and CO2 accumulation patterns similar to the CO2 injection site in the Sleipner field. These numerical experiments suggest that wave-induced fluid flow effects may produce changes in the reservoir's seismic response, modifying significantly the main seismic attributes usually employed in the characterization of these environments. Consequently, the determination of the nature of the fluid distributions as well as the proper modeling of the seismic data constitute important aspects that should not be ignored in the seismic monitoring of CO2 sequestration problems.

Numerical analysis of the impact of charcoal production on soil hydrological behavior, runoff response and erosion susceptibility

The impact of charcoal production on soil hydraulic properties, runoff response and erosion susceptibility were studied in both field and simulation experiments. Core and composite samples, from 12 randomly selected sites within the catchment of Kotokosu were taken from the 0-10 cm layer of a charcoal site soil (CSS) and adjacent field soils (AFS). These samples were used to determine saturated hydraulic conductivity (Ksat), bulk density, total porosity, soil texture and color. Infiltration, surface albedo and soil surface temperature were also measured in both CSS and AFS. Measured properties were used as entries in a rainfall runoff simulation experiment on a smooth (5 % slope) plot of 25 x 25 m grids with 10 cm resolutions. Typical rainfall intensities of the study watershed (high, moderate and low) were applied to five different combinations of Ks distributions that could be expected in this landscape. The results showed significantly (p < 0.01) higher flow characteristics of the soil under charcoal kilns (increase of 88 %). Infiltration was enhanced and runoff volume reduced significantly. The results showed runoff reduction of about 37 and 18 %, and runoff coefficient ranging from 0.47-0.75 and 0.04-0.39 or simulation based on high (200 mm h-1) and moderate (100 mm h-1) rainfall events over the CSS and AFS areas, respectively. Other potential impacts of charcoal production on watershed hydrology were described. The results presented, together with watershed measurements, when available, are expected to enhance understanding of the hydrological responses of ecosystems to indiscriminate charcoal production and related activities in this region.

Residual thermomechanical stresses in thinned-chip assemblies

A new technology for the three-dimensional (3-D) stacking of very thin chips on a substrate is currently under development within the ultrathin chip stacking (UTCS) Esprit Project 24910. In this work, we present the first-level UTCS structure and the analysis of the thermomechanical stresses produced by the manufacturing process. Chips are thinned up to 10 or 15 m. We discuss potentially critical points at the edges of the chips, the suppression of delamination problems of the peripheral dielectric matrix and produce a comparative study of several technological choices for the design of metallic interconnect structures. The purpose of these calculations is to give inputs for the definition of design rules for this technology. We have therefore undertaken a programme that analyzes the influence of sundry design parameters and alternative development options. Numerical analyses are based on the finite element method.

Mesoscale numerical analysis of the historical November 1982 heavy precipitation event over Andorra (Eastern Pyrenees)

From 6 to 8 November 1982 one of the most catastrophic flash-flood events was recorded in the Eastern Pyrenees affecting Andorra and also France and Spain with rainfall accumulations exceeding 400 mm in 24 h, 44 fatalities and widespread damage. This paper aims to exhaustively document this heavy precipitation event and examines mesoscale simulations performed by the French Meso-NH non-hydrostatic atmospheric model. Large-scale simulations show the slow-evolving synoptic environment favourable for the development of a deep Atlantic cyclone which induced a strong southerly flow over the Eastern Pyrenees. From the evolution of the synoptic pattern four distinct phases have been identified during the event. The mesoscale analysis presents the second and the third phase as the most intense in terms of rainfall accumulations and highlights the interaction of the moist and conditionally unstable flows with the mountains. The presence of a SW low level jet (30 m s-1) around 1500 m also had a crucial role on focusing the precipitation over the exposed south slopes of the Eastern Pyrenees. Backward trajectories based on Eulerian on-line passive tracers indicate that the orographic uplift was the main forcing mechanism which triggered and maintained the precipitating systems more than 30 h over the Pyrenees. The moisture of the feeding flow mainly came from the Atlantic Ocean (7-9 g kg-1) and the role of the Mediterranean as a local moisture source was very limited (2-3 g kg-1) due to the high initial water vapour content of the parcels and the rapid passage over the basin along the Spanish Mediterranean coast (less than 12 h).

Numerical analysis of including phase change material in a domestic hot water cylinder

The domestic hot water cylinder incorporates encapsulated pcm placed in 57 vertical pipes. The use of PCM increases the thermal energy storage capacity of the cylinder and allows the use of low cost electricity during low peak periods. After experimental validation the numerical model developed in the project will be used to optimize the distribution of the pcm inside the water tank.

Experimental and Numerical Analysis of Different Volutes in a Centrifugal Compressor

In a centrifugal compressor the flow around the diffuser is collected and led to the pipe system by a spiral-shaped volute. In this study a single-stage centrifugal compressor with three different volutes is investigated. The compressorwas first equipped with the original volute, the cross-section of which was a combination of a rectangle and semi-circle. Next a new volute with a fully circular cross-section was designed and manufactured. Finally, the circular volute wasmodified by rounding the tongue and smoothing the tongue area. The overall performance of the compressor as well as the static pressure distribution after the impeller and on the volute surface were measured. The flow entering the volute was measured using a three-hole Cobra-probe, and flow visualisations were carriedout in the exit cone of the volute. In addition, the radial force acting on theimpeller was measured using magnetic bearings. The complete compressor with thecircular volute (inlet pipe, full impeller, diffuser, volute and outlet pipe) was also modelled using computational fluid dynamics (CFD). A fully 3-D viscous flow was solved using a Navier-Stokes solver, Finflo, developed at Helsinki University of Technology. Chien's k-e model was used to take account of the turbulence. The differences observed in the performance of the different volutes were quite small. The biggest differences were at low speeds and high volume flows,i.e. when the flow entered the volute most radially. In this operating regime the efficiency of the compressor with the modified circular volute was about two percentage points higher than with the other volutes. Also, according to the Cobra-probe measurements and flow visualisations, the modified circular volute performed better than the other volutes in this operating area. The circumferential static pressure distribution in the volute showed increases at low flow, constant distribution at the design flow and decrease at high flow. The non-uniform static pressure distribution of the volute was transmitted backwards across the vaneless diffuser and observed at the impeller exit. At low volume flow a strong two-wave pattern developed into the static pressure distribution at the impeller exit due to the response of the impeller to the non-uniformity of pressure. The radial force of the impeller was the greatest at the choke limit, the smallest atthe design flow, and moderate at low flow. At low flow the force increase was quite mild, whereas the increase at high flow was rapid. Thus, the non-uniformityof pressure and the force related to it are strong especially at high flow. Theforce caused by the modified circular volute was weaker at choke and more symmetric as a function of the volume flow than the force caused by the other volutes.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.