The use of the boundary element method in the analysis of single lap joints

The most common techniques for stress analysis/strength prediction of adhesive joints involve analytical or numerical methods such as the Finite Element Method (FEM). However, the Boundary Element Method (BEM) is an alternative numerical technique that has been successfully applied for the solution of a wide variety of engineering problems. This work evaluates the applicability of the boundary elem ent code BEASY as a design tool to analyze adhesive joints. The linearity of peak shear and peel stresses with the applied displacement is studied and compared between BEASY and the analytical model of Frostig et al., considering a bonded single-lap joint under tensile loading. The BEM results are also compared with FEM in terms of stress distributions. To evaluate the mesh convergence of BEASY, the influence of the mesh refinement on peak shear and peel stress distributions is assessed. Joint stress predictions are carried out numerically in BEASY and ABAQUS®, and analytically by the models of Volkersen, Goland, and Reissner and Frostig et al. The failure loads for each model are compared with experimental results. The preparation, processing, and mesh creation times are compared for all models. BEASY results presented a good agreement with the conventional methods.

Strap repairs using embedded patches: numerical analysis and experimental results

Adhesively bonded repairs offer an attractive option for repair of aluminium structures, compared to more traditional methods such as fastening or welding. The single-strap (SS) and double-strap (DS) repairs are very straightforward to execute but stresses in the adhesive layer peak at the overlap ends. The DS repair requires both sides of the damaged structures to be reachable for repair, which is often not possible. In strap repairs, with the patches bonded at the outer surfaces, some limitations emerge such as the weight, aerodynamics and aesthetics. To minimize these effects, SS and DS repairs with embedded patches were evaluated in this work, such that the patches are flush with the adherends. For this purpose, in this work standard SS and DS repairs, and also with the patches embedded in the adherends, were tested under tension to allow the optimization of some repair variables such as the overlap length (LO) and type of adhesive, thus allowing the maximization of the repair strength. The effect of embedding the patch/patches on the fracture modes and failure loads was compared with finite elements (FE) analysis. The FE analysis was performed in ABAQUS® and cohesive zone modelling was used for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer. The comparison with the test data revealed an accurate prediction for all kinds of joints and provided some principles regarding this technique.

Modelação do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira: análise sísmica de uma barragem de abóbadas múltiplas

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Comparação dos ensaios DCB e TDCB para determinação da tenacidade em tração de adesivos estruturais

O constante desenvolvimento observado nas ligações adesivas, em conjunto com as melhorias verificadas nas características dos adesivos, estão a ser traduzidos, de uma certa forma, num aumento das aplicações das ligações adesivas, assim como na variedade de aplicações. No âmbito da previsão de resistência de juntas adesivas, dois métodos de grande relevância são a Mecânica da Fratura e os Modelos de Dano Coesivo. Os Modelos de Dano Coesivo permitem a simulação da iniciação e propagação do dano, recorrendo ao Método Dos Elementos Finitos. No que concerne à Mecânica da Fratura, a previsão de resistência é geralmente feita através de uma análise energética. Independentemente da forma como é obtida, a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) dos adesivos é um dos parâmetros mais importantes para a previsão da resistência das juntas. Dois dos ensaios mais utilizados são o Double Cantilever Beam (DCB) e o Tapered Double Cantilever Beam (TDCB). Este trabalho pretende determinar e comparar o valor de GIc em juntas adesivas pelos ensaios DCB e TDCB. São utilizados três tipos de adesivos com diferentes graus de ductilidade. No ensaio DCB os métodos utilizados para a determinação de GIc são: Compliance-Based Beam Method (CBBM), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os métodos utilizados no ensaio TDCB são: Simple Beam Theory (SBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os resultados obtidos apresentam concordância entre os vários métodos de cada ensaio. A discrepância de resultados é superior quando comparados os dois tipos de ensaios.

Avaliação do desempenho de ligações tubulares em estruturas de veículos pesados de passageiros por simulação numérica

Nesta Dissertação ir-se-á avaliar o desempenho de algumas ligações existentes nos veículos pesados de passageiros, através do Regulamento Eurocódigo 3. Nos últimos anos ocorreram diversos acidentes envolvendo este tipos de veículos, em que os mesmos causaram vítimas mortais e feridos graves. Serão testadas por simulação numérica algumas ligações pertencentes a elementos constituintes da superestrutura, em que esta é normalmente afectada com a ocorrência de acidentes. Assim sendo, o estudo de nós de ligação tem uma importância fulcral para que uma superestrutura suporte situações extremas e que resista a solicitações externas aplicadas. Iniciou-se esta Dissertação com o estudo da sinistralidade e de acidentes que envolvem veículos pesados de passageiros. No capítulo 2 abordou-se um programa que promove simulações numéricas de acidentes e estudo do comportamento dos passageiros em caso de acidente, sendo referido o Regulamento que homologa os veículos pesados de passageiros e os seus principais métodos. Abordaram-se os principais constituintes da estrutura de um veículo pesado de passageiros. No capítulo 3, é referido o Eurocódigo 3 em termos do estudo das ligações tubulares usadas neste tipo de veículos. No capítulo 4, fez-se o estudo e selecção de elementos a utilizar para a simulação numérica de casos preconizados pelo Eurocódigo 3 e estudaram-se três tipos de ligações que são usadas na construção da superestrutura deste tipo de veículos, tendo-se retirado conclusões deste estudo.

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.

An application of reliability-based robustness assessment of steel moment resisting frame structures under post-mainshock cascading events

The paper presented herein proposes a reliability-based framework for quantifying the structural robustness considering the occurrence of a major earthquake (mainshock) and subsequent cascading hazard events, such as aftershocks that are triggered by the mainshock. These events can significantly increase the probability of failure of buildings, especially for structures that are damaged during the mainshock. The application of the proposed framework is exemplified through three numerical case studies. The case studies correspond to three SAC steel moment frame buildings of 3-, 9-, and 20- stories, which were designed to pre-Northridge codes and standards. Twodimensional nonlinear finite element models of the buildings are developed using the Open System for Earthquake Engineering Simulation framework (OpenSees), using a finite-length plastic hinge beam model and a bilinear constitutive law with deterioration, and are subjected to multiple mainshock-aftershock seismic sequences. For the three buildings analyzed herein, it is shown that the structural reliability under a single seismic event can be significantly different from that under a sequence of seismic events. The reliability-based robustness indicator used shows that the structural robustness is influenced by the extent by which a structure can distribute damage.

Fatigue life assessment of endodontic instruments subjected to multi planar curvature

This present study aimed to investigate the fatigue life of unused (new) endodontic instruments made of NiTi with control memory by Coltene™ and subjected to the multi curvature of a mandibular first molar root canal. Additionally, the instrument‟s structural behaviour was analysed through non-linear finite element analysis (FEA). The fatigue life of twelve Hyflex™ CM files was assessed while were forced to adopt a stance with multiple radius of curvature, similar to the ones usually found in a mandibular first molar root canal; nine of them were subjected to Pecking motion, a relative movement of axial type. To achieve this, it was designed an experimental setup with the aim of timing the instruments until fracture while worked inside a stainless steel mandibular first molar model with relative axial motion to simulate the pecking motion. Additionally, the model‟s root canal multi-curvature was confirmed by radiography. The non-linear finite element analysis was conducted using the computer aided design software package SolidWorks™ Simulation, in order to define the imposed displacement required by the FEA, it was necessary to model an endodontic instrument with simplified geometry using SolidWorks™ and subsequently analyse the geometry of the root canal CAD model. The experimental results shown that the instruments subjected to pecking motion displayed higher fatigue life values and higher lengths of fractured tips than those with only rotational relative movement. The finite element non-linear analyses shown, for identical conditions, maximum values for the first principal stress lower than the yield strength of the material and those were located in similar positions to the instrument‟s fracture location determined by the experimental testing results.

Tensile stress–crack width law for steel fibre reinforced self-compacting concrete obtained from indirect (splitting) tensile tests

In this work, the fracture mode I parameters of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) were derived from the numerical simulation of indirect splitting tensile tests. The combined experimental and numerical research allowed a comparison between the stress-crack width (σ - w) relationship acquired straightforwardly from direct tensile tests, and the σ - w response derived from inverse analysis of the splitting tensile tests results. For this purpose a comprehensive nonlinear 3D finite element (FE) modeling strategy was developed. A comparison between the experimental results obtained from splitting tensile tests and the corresponding FE simulations confirmed the good accuracy of the proposed strategy to derive the σ – w for these composites. It is concluded that the post-cracking tensile laws obtained from inverse analysis provided a close relationship with the ones obtained from the experimental uniaxial tensile tests.

High performance fiber reinforced concrete for the shear reinforcement: experimental and numerical research

High performance fiber reinforced concrete (HPFRC) is developing rapidly to a modern structural material with unique rheological and mechanical characteristics. Despite applying several methodologies to achieve self15 compacting requirements, some doubts still remain regarding the most convenient strategy for developing a HPFRC. In the present study, an innovative mix design method is proposed for the development of high17 performance concrete reinforced with a relatively high dosage of steel fibers. The material properties of the developed concrete are assessed, and the concrete structural behavior is characterized under compressive, flexural and shear loading. This study better clarifies the significant contribution of fibers for shear resistance of concrete elements. This paper further discusses a FEM-based simulation, aiming to address the possibility of calibrating the constitutive model parameters related to fracture modes I and II.

Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

High strain rate constitutive modeling forhistorical structures subjected to blast loading

Doctoral Thesis Civil Engineering

Effect of the acoustic impedance in ultrasonic emitter transducers using digital modulations

In an underwater environment it is difficult to implement solutions for wireless communications. The existing technologies using electromagnetic waves or lasers are not very efficient due to the large attenuation in the aquatic environment. Ultrasound reveals a lower attenuation, and thus has been used in underwater long-distance communications. The much slower speed of acoustic propagation in water (about 1500 m/s) compared with that of electromagnetic and optical waves, is another limiting factor for efficient communication and networking. For high data-rates and real-time applications it is necessary to use frequencies in the MHz range, allowing communication distances of hundreds of meters with a delay of milliseconds. To achieve this goal, it is necessary to develop ultrasound transducers able to work at high frequencies and wideband, with suitable responses to digital modulations. This work shows how the acoustic impedance influences the performance of an ultrasonic emitter transducer when digital modulations are used and operating at frequencies between 100 kHz and 1 MHz. The study includes a Finite Element Method (FEM) and a MATLAB/Simulink simulation with an experimental validation to evaluate two types of piezoelectric materials: one based on ceramics (high acoustic impedance) with a resonance design and the other based in polymer (low acoustic impedance) designed to optimize the performance when digital modulations are used. The transducers performance for Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift Keying (BPSK) and Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulations with a 1 MHz carrier at 125 kbps baud rate are compared.

Projeto de produção de tubo elíptico em aço avançado de elevada resistência para uma serra de arco

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica