Efeito de alterações geométricas na resistência de juntas de sobreposição

A utilização de juntas coladas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. As juntas de sobreposição simples são o tipo de juntas mais frequentemente utilizadas em aplicações industriais, porque são as mais simples de fabricar. No entanto, a aplicação descentrada da carga neste tipo de junta provoca efeitos de flexão que originam o aparecimento de tensões normais na direção da espessura do adesivo (arrancamento), reduzindo assim a resistência da junta colada. De uma maneira geral, existem dois tipos de métodos para reduzir as concentrações de tensões. O primeiro é utilizar alterações no próprio material, otimizando as propriedades do adesivo e do substrato, enquanto o segundo método envolve alterar a geometria da junta, como por exemplo utilizando filetes de adesivo, chanfros nas extremidades dos substratos, aplicar uma geometria ondulada ou dobrar os substratos na zona de sobreposição, ou ainda utilizar rasgos nos substratos ao longo da sobreposição. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e numérico por Elementos Finitos de duas alterações efetuadas à geometria de juntas de sobreposição simples, de modo a aumentar a sua resistência comparativamente às juntas sem alteração geométrica. A primeira condição efetuada foi a utilização de rasgos nas extremidades do comprimento de sobreposição e a segunda foi a utilização de rasgos a meio do comprimento de sobreposição. No final do estudo experimental, verificou-se que a resistência da ligação foi significativamente melhorada com algumas das configurações testadas para cada alteração, e foi possível estabelecer em ambos os casos a configuração ótima. Numa fase posterior, procedeu-se à simulação numérica, que incluiu uma análise de tensões e previsão do comportamento das juntas através de modelos de dano coesivo. A análise permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas. Obteve-se uma concordância bastante boa com os resultados experimentais, o que mostrou a adequabilidade do método de previsão proposto para estimar o comportamento das juntas.

Reforço de estruturas de betão armado com CFRP

Ao longo dos anos as estruturas existentes têm sido adaptadas para novas utilizações. No entanto, devido aos condicionalismos arquitetónicos e patrimoniais, a demolição e substituição por estruturas novas, pode-se tornar pouco viável, sendo cada vez mais exequível a opção de reforçar. A presente dissertação refere-se a uma dessas opções de reforço nomeadamente ao reforço de estruturas em betão armado com CFRP (Compósitos Reforçados com Fibras de Carbono), nomeadamente lajes e vigas. Os objetivos principais deste trabalho consistem em desenvolver uma proposta de critérios de dimensionamento de estruturas de betão armado reforçadas com CFRP tendo por base o disposto no Eurocódigo 2 comparando -a com o relatório técnico publicado “bulletin 14 - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, da Fédération Internationale du Béton. Recorrendo à revisão bibliográfica, onde estão referidos temas como as características dos materiais de um sistema FRP, as suas técnicas de reforço e com uma exposição do comportamento das vigas reforçadas à flexão, particularmente no seu comportamento mecânico e modos de ruína associados a este tipo de reforço. Apresentam-se duas metodologias de cálculo para dimensionamento deste tipo de reforço para os diferentes estados limites, e aplicam-se a cada uma das metodologias de cálculo a uma viga com necessidade de reforço à flexão e ao corte, devido a um aumento de esforços provocado pelo aumento da sobrecarga. Desenvolve-se um estudo experimental onde se pretende avaliar a eficácia de um sistema de reforço à flexão com compósitos de CFRP colado externamente a uma viga e com diferentes taxas de reforço.

Metodologia para otimização da manutenção

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia da Manutenção

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Dimensionamento de ligações aço-betão segundo a prEN1992-4:2013

O presente relatório documenta o estágio desenvolvido na empresa SE2P – Sociedade de Engenharia, Projeto e Planeamento Lda. no âmbito da unidade curricular de DIPRE (Dissertação/Projeto/ Estágio) do Mestrado em Engenharia Civil – Ramo de Estruturas do Instituto Superior de Engenharia do Porto. A frequência no estágio curricular teve como objetivo principal o desenvolvimento de uma ferramenta de cálculo que permitisse o dimensionamento de ligações aço-betão segundo a prEN1992-4:2013. O desenvolvimento desta ferramenta resulta da necessidade do dimensionamento de soluções leves, económicas e esteticamente agradáveis tendo em conta a uniformização da legislação existente em toda a União Europeia. Atualmente, os projetistas têm utilizado programas de cálculo automático desenvolvidos por fabricantes de sistemas de ancoragens, como é o caso do Profis Anchor da Hilti. Esses programas de cálculo têm como base de dados as Diretrizes de Aprovação Técnica Europeia, a ETAG001- anexo C para dimensionamento de ancoragens mecânicas em betão e o relatório técnico EOTA TR029 para o dimensionamento de ancoragens químicas, apresentando até métodos de cálculo simplificados para uma rápida resposta ao cliente. A publicação da prEN1992-4:2013 é um marco importante, pois há já algum tempo que a construção metálica e mista está regulamentada apresentando algumas falhas no que diz respeito às ligações aço-betão. Esta norma é o culminar de anos de pesquisas, estudos e testes efetuados aos diferentes tipos de ligação tendo em conta além dos modos de rotura possíveis, os princípios de transferência de esforços.

Aplicação do FMEA na avaliação de risco de taludes e muros de contenção tradicionais em alvenaria de pedra

Ao longo das últimas décadas o município de Amarante tem-se deparado com inúmeros problemas de instabilidade de estruturas de suporte de terras, maioritariamente instabilidade de taludes artificiais, (escavação e/ou aterro) e muros de contenção tradicionais em alvenaria de pedra. A unidade técnica de projeto, ou UTP da Câmara Municipal de Amarante tem vindo a elaborar estudos, projetos e adjudicar as obras para repor a normalidade apos a instabilização desses elementos, contudo a frequência de ocorrência destes fenómenos e os recursos necessários para a sua resolução ultrapassam a capacidade desta unidade, levando a que muitos destes casos se arrastem durante anos antes de ser reposta a sua normalidade. Perante este panorama revelou-se necessário efetuar um estudo de forma a listar, avaliar e priorizar os vários casos de instabilidade existentes, para uma eficiente alocação dos recursos disponíveis. Esta análise pretende ainda identificar as principais causas de instabilidade destas estruturas, de forma a eliminar ou mitigar a ocorrência de futuros problemas semelhantes. Para o estudo destes elementos de contenção de terras adotou-se o método de análise de risco conhecido como FMEA, “Failure Modes and Effects Analysis” ou Analise dos Modos de Falha e Efeitos, com as adaptações necessárias de forma a maximizar a confiabilidade das avaliações mediante a especificidade dos casos a avaliar e realidade da instituição.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Flexural strengthening by means of a arc overlay in the tension zone

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Estruturas

Modelling resilience in supply chain

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Industrial

Masonry infill walls under blast loading using confined underwater blast wave generators (WBWG)

The vulnerability of the masonry envelop under blast loading is considered critical due to the risk of loss of lives. The behaviour of masonry infill walls subjected to dynamic out-of-plane loading was experimentally investigated in this work. Using confined underwater blast wave generators (WBWG), applying the extremely high rate conversion of the explosive detonation energy into the kinetic energy of a thick water confinement, allowed a surface area distribution avoiding also the generation of high velocity fragments and reducing atmospheric sound wave. In the present study, water plastic containers, having in its centre a detonator inside a cylindrical explosive charge, were used in unreinforced masonry infills panels with 1.7m by 3.5m. Besides the usage of pressure and displacement transducers, pictures with high-speed video cameras were recorded to enable processing of the deflections and identification of failure modes. Additional numerical studies were performed in both unreinforced and reinforced walls. Bed joint reinforcement and grid reinforcement were used to strengthen the infill walls, and the results are presented and compared, allowing to obtain pressure-impulse diagrams for design of masonry infill walls.

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.

Assessment of the efficiency of prefabricated hybrid composite plates (HCPs) for retrofitting of damaged interior RC beam–column joints

The effectiveness of prefabricated hybrid composite plates (HCPs) as a seismic retrofitting solution for damaged interior RC beam-column joints is experimentally studied. HCP is composed of a thin plate made of strain hardening cementitious composite (SHCC) reinforced with CFRP sheets/laminates. Two full-scale severely damaged interior beam-column joints are retrofitted using two different configurations of HCPs. The effectiveness of these retrofitting solutions mainly in terms of hysteretic response, dissipated energy, degradation of secant stiffness, displacement ductility and failure modes are compared to their virgin states. According to these criteria, both solutions resulted in superior responses regarding the ones registered in their virgin states.

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, failure modes and slip information of the tensile steel bars 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.

Application of acoustic emission technique for bond characterization in FRP-masonry systems

The acoustic emission (AE) technique is used for investigating the interfacial fracture and damage propagation in GFRP-and SRG-strengthened bricks during debonding tests. The bond behavior is investigated through single-lap shear bond tests and the fracture progress during the tests is recorded by means of AE sensors. The fracture progress and active debonding mechanisms are characterized in both specimen types with the aim of AE outputs. Moreover, a clear distinction between the AE outputs of specimens with different failure modes, in both SRG-and GFRP-strengthened specimens, is found which allows characterizing the debonding failure mode based on acoustic emission data.