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.

Avaliação numérica e experimental da carga admissível de vigas compostas para monocarris de sistemas de elevação

Este trabalho foi realizado com o apoio, e em colaboração da empresa Flexcrane, que constrói e comercializa soluções flexíveis de pontes rolantes para cargas ligeiras. Com cargas máximas de 2 toneladas estas pontes e seus caminhos de rolamento são construídas essencialmente enformados a frio. O objetivo deste trabalho é a verificação numérica e experimental das cargas que este tipo de estrutura suporta, nas suas diferentes configurações. Numa aproximação por engenharia inversa, com a realização deste trabalho, foi possível determinar a carga admissível das vigas compostas utilizadas, assim como o seu comportamento quando em carga. Para obtenção destes resultados foram realizadas simulações computacionais recorrendo ao método de elementos finitos, utilizando para isso o software Ansys Workbench e ainda ensaios experimentais que permitiram validar os resultados obtidos numericamente e consolidar o conhecimento sobre o comportamento desta solução comercial. Por ser de construção modular, são possíveis diferentes combinações para o produto final, por esta razão foram estudados numericamente diferentes configurações possíveis, com e sem reforços. Foi realizada a validação experimental para a configuração mais usual, fazendo recurso a um dispositivo para ensaio de estruturas e componentes, pertencente ao Isep. Foi ainda utilizada a técnica extensométrica para avaliar as tensões em pontos selecionados e compara-los com os obtidos numericamente. Concluiu-se pelo ótimo desempenho dos produtos Flexcrane.

Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

The influence of fibre orientation on the post-cracking tensile behaviour of steel fibre reinforced self-compacting concrete

Adding fibres to concrete provides several advantages, especially in terms of controlling the crack opening width and propagation after the cracking onset. However, distribution and orientation of the fibres toward the active crack plane are significantly important in order to maximize its benefits. Therefore, in this study, the effect of the fibre distribution and orientation on the post-cracking tensile behaviour of the steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) specimens is investigated. For this purpose, several cores were extracted from distinct locations of a panel and were subjected to indirect (splitting) and direct tensile tests. The local stress-crack opening relationship (σ-w) was obtained by modelling the splitting tensile test under the finite element framework and by performing an Inverse Analysis (IA) procedure. Afterwards the σ-w law obtained from IA is then compared with the one ascertained directly from the uniaxial tensile tests. Finally, the fibre distribution/orientation parameters were determined adopting an image analysis technique.

Exploring the potentialities of a new type of CFRP laminate for the simultaneous flexural and shear strengthening of RC beams: numerical research

This study aims to develop an innovative carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminate with a U configuration to address strengthening interventions, where the increment of both flexural and shear capacity of reinforced concrete (RC) elements is required. This strengthening solution combines the near surface mounted (NSM) and embedded through section (ETS) techniques in the same application, since these techniques have already evidenced high performance on flexural and shear strengthening of RC beams using FRP systems, respectively. In fact, the proposed hybrid technique aims to mobilize the advantages provided by these two strengthening techniques by using an innovative CFRP laminate. The strengthening efficacy of this new hybrid NSM/ETS technique was numerically assessed and compared to the corresponding efficiency of NSM and ETS techniques applied separately for the flexural and shear strengthening of RC beams, respectively. The numerical models are described and the main relevant results are presented and discussed.

Shear strengthening of damaged reinforced concrete beams with hybrid composite plates

This paper aims to evaluate experimentally the potentialities of Hybrid Composite Plates (HCPs) technique for the shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams that were previously subjected to intense damage in shear. HCP is a thin plate of Strain Hardening Cementitious Composite (SHCC) reinforced with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates. For this purpose, an experimental program composed of two series of beams (rectangular and T cross section) was executed to assess the strengthening efficiency of this technique. In the first step of this experimental program, the control beams, without steel stirrups, were loaded up to their shear failure, and fully unloaded. Then, these pre-damaged beams were shear strengthened by applying HCPs to their lateral faces by using a combination of epoxy adhesive and mechanical anchors. The bolts were applied with a certain torque in order to increase the concrete confinement. The obtained results showed that the increase of load carrying capacity of the damaged strengthened beams when HCPs were applied with epoxy adhesive and mechanical anchors was 2 and 2.5 times of the load carrying capacity of the corresponding reference beams (without HCPs) for the rectangular and T cross section beam series, respectively. To further explore the potentialities of the HCPs technique for the shear strengthening, the experimental tests were simulated using an advanced numerical model by a FEM-based computer program. After demonstration the good predictive performance of the numerical model, a parametric study was executed to highlight the influence of SHCC as an alternative for mortar, as well as the influence of torque level applied to the mechanical anchors, on the load carrying capacity of beams strengthened with the proposed technique.

Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

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

Parametric analysis of different compact tension specimens for fracture toughness characterisation in woven composite materials

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Imperial College London, entre juliol i novembre de 2006. En aquest treball s’ha investigat la geometria més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. L’objectiu és assegurar la propagació de l’esquerda sense que la proveta falli abans per cap altre mecanisme de dany per tal de permetre la caracterització experimental de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. Amb aquesta fi, s’ha dut a terme l’anàlisi paramètrica de diferents tipus de provetes mitjançant el mètode dels elements finits (FE) combinat amb la virtual crack closure technique (VCCT). Les geometries de les provetes analitzades corresponen a la proveta de l’assaig compact tension (CT) i diferents variacions com la extended compact tension (ECT), la proveta widened compact tension (WCT), tapered compact tension (TCT) i doubly-tapered compact tension (2TCT). Com a resultat d’aquestes anàlisis s’han derivat diferents conclusions per obtenir la geometria de proveta més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. A més, també s’han dut a terme una sèrie d’assaigs experimentals per tal de validar els resultats de les anàlisis paramètriques. La concordança trobada entre els resultats numèrics i experimentals és bona tot i la presència d’efectes no previstos durant els assaigs experimentals.

In vivo loading increases mechanical properties of scaffold by affecting bone formation and bone resorption rates.

A successful bone tissue engineering strategy entails producing bone-scaffold constructs with adequate mechanical properties. Apart from the mechanical properties of the scaffold itself, the forming bone inside the scaffold also adds to the strength of the construct. In this study, we investigated the role of in vivo cyclic loading on mechanical properties of a bone scaffold. We implanted PLA/β-TCP scaffolds in the distal femur of six rats, applied external cyclic loading on the right leg, and kept the left leg as a control. We monitored bone formation at 7 time points over 35 weeks using time-lapsed micro-computed tomography (CT) imaging. The images were then used to construct micro-finite element models of bone-scaffold constructs, with which we estimated the stiffness for each sample at all time points. We found that loading increased the stiffness by 60% at 35 weeks. The increase of stiffness was correlated to an increase in bone volume fraction of 18% in the loaded scaffold compared to control scaffold. These changes in volume fraction and related stiffness in the bone scaffold are regulated by two independent processes, bone formation and bone resorption. Using time-lapsed micro-CT imaging and a newly-developed longitudinal image registration technique, we observed that mechanical stimulation increases the bone formation rate during 4-10 weeks, and decreases the bone resorption rate during 9-18 weeks post-operatively. For the first time, we report that in vivo cyclic loading increases mechanical properties of the scaffold by increasing the bone formation rate and decreasing the bone resorption rate.

Effect of tibial tray inclination on the femoro-tibial contact pattern of a mobile total knee arthroplasty

Introduction: The posterior inclination of the tibial component is an important factor that can affect the success of total knee arthroplasty. It can reduce the posterior impingement and thus increase the range of flexion, but it may also induce instability in flexion, anterior impingement between the polyethylene of postero-stabilizing knee prosthesis, and anterior conflict with the cortical bone and the stem. Although the problem is identified, there is still a debate on the ideal inclination angle and the surgical technique to avoid an excessive posterior inclination. The aim of this study was to predict the effect of a posterior inclination of the tibial component on the contact pattern on the tibial insert, using a numerical musculoskeletal model of the knee joint. Methods: A 3D finite element model of the knee joint was developed to simulate an active and loaded squat movement after total knee arthroplasty. Flexion was actively controlled by the quadriceps muscle and muscle activations were estimated from EMG data and were synchronized by a feedback algorithm. Two inclinations of the tibial tray were considered: a posterior inclination of 0° or 10°. During the entire range of flexion, the following quantities were calculated: the tibiofemoral and patello-femoral contact force, and the contact pattern on polyethylene insert. The antero-posterior displacement of the contact pattern was also measured. Abaqus 6.7 was used for all analyses. Results: The tibio-femoral and patello-femoral contact forces increased during flexion and reached respectively 4 and 7 BW (bodyweight) at 90° of flexion. They were slightly affected by the inclination of the tibial tray. Without posterior inclination, the contact pattern on the tibial insert remained centered. The contact pressure was lower than 5 MPa below 60° of flexion, but exceeded 20 MPa at 90° of flexion. The posterior inclination displaced the contact point posteriorly by 2 to 4 mm. Conclusion: The inclination of the tibial tray displaced the contactpattern towards the posterior border of the tibial insert. However, even for 10° of inclination, the contact center remained far from the posterior border (12 mm). There was no instability predicted for this movement.

Measurements of seismic attenuation and transient fluid pressure in partially saturated Berea sandstone: Evidence of fluid flow on the mesoscopic scale

A novel laboratory technique is proposed to investigate wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale as a mechanism for seismic attenuation in partially saturated rocks. This technique combines measurements of seismic attenuation in the frequency range from 1 to 100?Hz with measurements of transient fluid pressure as a response of a step stress applied on top of the sample. We used a Berea sandstone sample partially saturated with water. The laboratory results suggest that wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale is dominant in partially saturated samples. A 3-D numerical model representing the sample was used to verify the experimental results. Biot's equations of consolidation were solved with the finite-element method. Wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale was the only attenuation mechanism accounted for in the numerical solution. The numerically calculated transient fluid pressure reproduced the laboratory data. Moreover, the numerically calculated attenuation, superposed to the frequency-independent matrix anelasticity, reproduced the attenuation measured in the laboratory in the partially saturated sample. This experimental?numerical fit demonstrates that wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale and matrix anelasticity are the dominant mechanisms for seismic attenuation in partially saturated Berea sandstone.

Polyimide/SU-8 catheter-tip MEMS gauge pressure sensor.

This paper describes the development of a polyimide/SU-8 catheter-tip MEMS gauge pressure sensor. Finite element analysis was used to investigate critical parameters, impacting on the device design and sensing characteristics. The sensing element of the device was fabricated by polyimide-based micromachining on a flexible membrane, using embedded thin-film metallic wires as piezoresistive elements. A chamber containing this flexible membrane was sealed using an adapted SU-8 bonding technique. The device was evaluated experimentally and its overall performance compared with a commercial silicon-based pressure sensor. Furthermore, the device use was demonstrated by measuring blood pressure and heart rate in vivo.