BEHAVIOR OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE PILES WITH ELLIPTICAL CROSS SECTIONS IN INTEGRAL ABUTMENT BRIDGE FOUNDATIONS

Every year in the US and other cold-climate countries considerable amount of money is spent to restore structural damages in conventional bridges resulting from (or “caused by”) salt corrosion in bridge expansion joints. Frequent usage of deicing salt in conventional bridges with expansion joints results in corrosion and other damages to the expansion joints, steel girders, stiffeners, concrete rebar, and any structural steel members in the abutments. The best way to prevent these damages is to eliminate the expansion joints at the abutment and elsewhere and make the entire bridge abutment and deck a continuous monolithic structural system. This type of bridge is called Integral Abutment Bridge which is now widely used in the US and other cold-climate countries. In order to provide lateral flexibility, the entire abutment is constructed on piles. Piles used in integral abutments should have enough capacity in the perpendicular direction to support the vertical forces. In addition, piles should be able to withstand corrosive environments near the surface of the ground and maintain their performance during the lifespan of the bridge. Fiber Reinforced Polymer (FRP) piles are a new type of pile that can not only accommodate large displacements, but can also resist corrosion significantly better than traditional steel or concrete piles. The use of FRP piles extends the life of the pile which in turn extends the life of the bridge. This dissertation studies FRP piles with elliptical shapes. The elliptical shapes can simultaneously provide flexibility and stiffness in two perpendicular axes. The elliptical shapes can be made using the filament winding method which is a less expensive method of manufacturing compared to the pultrusion or other manufacturing methods. In this dissertation a new way is introduced to construct the desired elliptical shapes with the filament winding method. Pile specifications such as dimensions, number of layers, fiber orientation angles, material, and soil stiffness are defined as parameters and the effects of each parameter on the pile stresses and pile failure have been studied. The ANSYS software has been used to model the composite materials. More than 14,000 nonlinear finite element pile models have been created, each slightly different from the others. The outputs of analyses have been used to draw curves. Optimum values of the parameters have been defined using generated curves. The best approaches to find optimum shape, angle of fibers and types of composite material have been discussed.

Fracture Toughening and Self-Healing of Composite Laminates by Nanofibrous Mats Interleaving

Composite laminates present important advantages compared to conventional monolithic materials, mainly because for equal stiffness and strength they have a weight up to four times lower. However, due to their ply-by-ply nature, they are susceptible to delamination, whose propagation can bring the structure to a rapid catastrophic failure. In this thesis, in order to increase the service life of composite materials, two different approaches were explored: increase the intrinsic resistance of the material or confer to them the capability of self-repair. The delamination has been hindered through interleaving the composite laminates with polymeric nanofibers, which completed the hierarchical reinforcement scale of the composite. The manufacturing process for the integration of the nanofibrous mat in the laminate was optimized, resulting in an enhancement of mode I fracture toughness up to 250%. The effect of the geometrical dimensions of the nano-reinforcement on the architecture of the micro one (UD and woven laminates) was studied on mode I and II. Moreover, different polymeric materials were employed as nanofibrous reinforcement (Nylon 66 and polyvinylidene fluoride). The nano toughening mechanism was studied by micrograph analysis of the crack path and SEM analysis of the fracture surface. The fatigue behavior to the onset of the delamination and the crack growth rate for woven laminates interleaved with Nylon 66 nanofibers was investigated. Furthermore, the impact behavior of GLARE aluminum-glass epoxy laminates, toughened with Nylon 66 nanofibers was investigated. Finally, the possibility of confer to the composite material the capability of self-repair was explored. An extrinsic self-healing-system, based on core-shell nanofibers filled with a two-component epoxy system, was developed by co-electrospinning technique. The healing potential of the nano vascular system has been proved by microscope electron observation of the healing agent release as result of the vessels rupture and the crosslinking reaction was verified by thermal analysis.

Smart tracking of composite parts: feasibility study and effect on mechanical behaviour

This research proposes a solution for integrating RFID - Radio Frequency Identification technology within a structure based on CFRPs - Carbon Fiber Reinforced Polymers. Therefore, the main objective is to use technology to monitor and track composite components during manufacturing and service life. The study can be divided into two macro-areas. The first portion of the research evaluates the impact of the composite materials used on transmitting the electromagnetic signal to and from the tag. RFID technology communicates through radio frequencies to to track and trace items associated with the tags. In the first instance, a feasibility study was carried out to assess using commercially available tags. Then, after evaluating different solutions, it was decided to incorporate the tags into coupons during production. The second portion of the research is focused on evaluating the impact on the composite material's resistance to tag embedding. It starts with designing tensile test specimens through the FEM model with different housing configurations. Subsequently, the best configuration was tested in the facilities of the In the Faculty of Aerospace Engineering at TU Delft, particularly in the Structure & Materials Laboratory, two tests were conducted: the first one based on ASTM D3039/D3039 - 14 - Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, the second one dividing the path to failure into failure intervals in a load-unload-reload. Both tests were accompanied by instruments such as DIC, AE, C-Scan and Optical Microscopes. The expected result of the inclusion of RFID tags in composite components is that it brings added value to the parts with which it is associated without affecting too much its mechanical properties. This comes first from the automatic identification of RFID during the production cycle and its useful life. As a result, improvements were made in the design of production facilities.

Optimal design of periodic functionally graded composites with prescribed properties

The computational design of a composite where the properties of its constituents change gradually within a unit cell can be successfully achieved by means of a material design method that combines topology optimization with homogenization. This is an iterative numerical method, which leads to changes in the composite material unit cell until desired properties (or performance) are obtained. Such method has been applied to several types of materials in the last few years. In this work, the objective is to extend the material design method to obtain functionally graded material architectures, i.e. materials that are graded at the local level (e.g. microstructural level). Consistent with this goal, a continuum distribution of the design variable inside the finite element domain is considered to represent a fully continuous material variation during the design process. Thus the topology optimization naturally leads to a smoothly graded material system. To illustrate the theoretical and numerical approaches, numerical examples are provided. The homogenization method is verified by considering one-dimensional material gradation profiles for which analytical solutions for the effective elastic properties are available. The verification of the homogenization method is extended to two dimensions considering a trigonometric material gradation, and a material variation with discontinuous derivatives. These are also used as benchmark examples to verify the optimization method for functionally graded material cell design. Finally the influence of material gradation on extreme materials is investigated, which includes materials with near-zero shear modulus, and materials with negative Poisson`s ratio.

Coupling Mechanical and Electrical Behavior in the Multi-scale Simulation of Polymer-based CNT Nanocomposites

A numeric model has been proposed to investigate the mechanical and electrical properties of a polymeric/carbon nanotube (CNT) composite material subjected to a deformation force. The reinforcing phase affects the behavior of the polymeric matrix and depends on the nanofiber aspect ratio and preferential orientation. The simulations show that the mechanical behavior of a computer generated material (CGM) depends on fiber length and initial orientation in the polymeric matrix. It is also shown how the conductivity of the polymer/CNT composite can be calculated for each time step of applied stress, effectively providing the ability to simulate and predict strain-dependent electrical behavior of CNT nanocomposites.

Estudo e caracterização mecânica de compósitos reforçados com fibras naturais

As crescentes preocupações ambientais e a necessidade de um desenvolvimento sustentável tem proporcionado um grande interesse no estudo e desenvolvimento de materiais mais ecológicos e amigos do ambiente. No caso particular da indústria dos materiais compósitos, a utilização de fibras naturais de origem vegetal, em substituição das tradicionais fibras de vidro, tem aumentado significativamente nos últimos anos. Para além dos claros benefícios ecológicos, a utilização de fibras naturais em detrimento das fibras de vidro, possibilita também o fabrico de componentes com baixo peso, boas propriedades mecânicas, baixo custo, pouco abrasivos às ferramentas de produção e com boas propriedades de isolamento térmico e acústico. Contudo, existem também algumas limitações decorrentes da utilização de fibras naturais como reforço de materiais poliméricos, como exemplo, a possibilidade de emitirem odores e absorverem água, a falta de adesão entre as fibras e as matrizes e o facto de possuírem baixa resistência à temperatura. No presente trabalho, foram estudadas e analisadas as propriedades mecânicas de laminados de matriz termoendurecível de epóxido e poliéster, reforçados com várias camadas de tecido bidireccional de fibras de juta. Para além dos referidos laminados, foram também produzidos e estudados compósitos de matriz termoplástica biodegradável de PLA (ácido poliláctico), reforçados com fibras curtas de juta. Todos os compósitos produzidos foram sujeitos a ensaios de tracção e flexão e as suas propriedades foram comparadas. O tecido de juta utilizado como reforço dos compósitos fabricados, foi caracterizado através de vários ensaios, utilizados tipicamente na indústria têxtil. As propriedades extraídas destes ensaios, foram úteis para a previsão das propriedades mecânicas dos materiais compósitos fabricados.Por fim, foi realizada uma análise critica sobres todos os resultados extraídos dos ensaios efectuados.

Design of New Materials for Passive Vibration Control

The objective of this contribution is to extend the models of cellular/composite material design to nonlinear material behaviour and apply them for design of materials for passive vibration control. As a first step a computational tool allowing determination of optimised one-dimensional isolator behaviour was developed. This model can serve as a representation for idealised macroscopic behaviour. Optimal isolator behaviour to a given set of loads is obtained by generic probabilistic metaalgorithm, simulated annealing. Cost functional involves minimization of maximum response amplitude in a set of predefined time intervals and maximization of total energy absorbed in the first loop. Dependence of the global optimum on several combinations of leading parameters of the simulated annealing procedure, like neighbourhood definition and annealing schedule, is also studied and analyzed. Obtained results facilitate the design of elastomeric cellular materials with improved behaviour in terms of dynamic stiffness for passive vibration control.

Otimização de placas compósitas laminadas utilizando redes neuronais e enxames de partículas

Trabalho Final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em engenharia Mecância

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

Damage assessment of fibre reinforced laminates

The use of solid wastes and natural fibres to the production of innovative composites is now a matter of environmental need. A set of hybrid composites constituted of waste rubber particles and sugarcane bagasse fibres into a thermoset composite material are drilled to determine the effect of rubber particle addition and size, sugarcane fibre addition and length and fibre chemical treatment on damage extension and related mechanical properties. Damage extension is determined by enhanced radiography for further damage measurement – diameter and areas – and correlated with mechanical test results — bearing test. The results demonstrated significant effect of the rubber and fibre additions on mechanical properties of the composites.

MnFe2O4@CNT-N as novel electrochemical nanosensor for determination of caffeine, acetaminophen and ascorbic acid

For the first time, a glassy carbon electrode (GCE) modified with novel N-doped carbon nanotubes (CNT-N) functionalized with MnFe2O4 nanoparticles (MnFe2O4@CNT-N) has been prepared and applied for the electrochemical determination of caffeine (CF), acetaminophen (AC) and ascorbic acid (AA). The electrochemical behaviour of CF, AC and AA on the bare GCE, CNT-N/GCE and MnFe2O4@CNT-N/GCE were carefully investigated using cyclic voltammetry (CV) and square-wave voltammetry (SWV). Compared to bare GCE and CNT-N modified electrode, the MnFe2O4@CNT-N modified electrode can remarkably improve the electrocatalytic activity towards the oxidation of CF, AC and AA with an increase in the anodic peak currents of 52%, 50% and 55%, respectively. Also, the SWV anodic peaks of these molecules could be distinguished from each other at the MnFe2O4@CNT-N modified electrode with enhanced oxidation currents. The linear response ranges for the square wave voltammetric determination of CF, AC and AA were 1.0 × 10−6 to 1.1 × 10−3 mol dm−3, 1.0 × 10−6 to 1.0 × 10−3 mol dm−3 and 2.0 × 10−6 to 1.0 × 10−4 mol dm−3 with detection limit (S/N = 3) of 0.83 × 10−6, 0.83 × 10−6 and 1.8 × 10−6 mol dm−3, respectively. The sensitivity values at the MnFe2O4@CNT-N/GCE for the individual determination of AC, AA and CF and in the presence of the other molecules showed that the quantification of AA and CF show no interferences from the other molecules; however, AA and CF interfered in the determination of AC, with the latter molecule showing the strongest interference. Nevertheless, the obtained results show that MnFe2O4@CNT-N composite material acted as an efficient electrochemical sensor towards the selected biomolecules.

Estudo da Delaminação em Compósitos de Epóxido Reforçado com Borracha e Fibras Naturais

Nos últimos anos, a utilização dos materiais compósitos tem vindo a tornar-se cada vez mais comum em várias indústrias, onde se verifica uma ascensão na procura pelos mesmos. Características como o baixo peso aliado à sua alta resistência e rigidez permitem que estes materiais possuam diversas aplicações em variadas áreas, desde a medicina, aeronáutica, indústria automóvel e aeroespacial, até à indústria eletrónica. Hoje em dia, o uso de desperdícios sólidos de borracha e fibras naturais na produção de materiais compósitos é, mais que uma opção, uma necessidade ambiental. De forma a reduzir as enormes quantidades de desperdícios, foi criado um material compósito constituído por uma resina termoendurecível reforçada com esses dois tipos de desperdícios. Parâmetros de fabrico como a percentagem de borracha, o tamanho das partículas de borracha, a percentagem de fibras de cana-de-açúcar e o comprimento dessas fibras foram variados, com o objetivo de estudar a influência destes dois materiais nas propriedades mecânicas do compósito. Apesar da maior parte dos compósitos serem fabricados na forma de uma peça funcional quase pronta a ser utilizada, por vezes é necessário recorrer à maquinação de furos. Apesar das muitas técnicas de furação existentes, os defeitos resultantes deste processo aplicado aos materiais compósitos são ainda muito comuns. Desses defeitos o que mais se destaca é sem dúvida a delaminação. Trinta e seis provetes de epóxido reforçado com borracha e fibra de cana-de-açúcar foram fabricados e furados, de modo a possibilitar o estudo das propriedades mecânicas do material compósito, assim como a análise da zona danificada durante a furação. Diferentes condições de furação, como tipos de broca e velocidades de avanço diferentes, foram impostas aos provetes de forma a variar o mais possível a zona de dano de uns furos para os outros. Parâmetros como a área de dano ou ainda o fator de delaminação provam ser muito úteis na caracterização e quantificação do dano na zona periférica de um furo. Recorrendo a técnicas de processamento de imagem foi possível obter esses parâmetros. O processamento e análise de imagem pode ser feito através de vários métodos. O método utilizado neste trabalho foi o software MATLAB® associado a ferramentas de processamento de imagem. Depois de feita a análise dos furos foram realizados ensaios de esmagamento a todos os provetes. Este passo permitiu assim avaliar de que forma os parâmetros de furação influenciam a resistência mecânica do material, e se a avaliação realizada aos furos é um método viável para a avaliação da extensão de dano nesses furos.

Caracterização de perfis pultrudidos Híbridos

A pultrusão é uma técnica já sobejamente conhecida de produção de perfis de secção constante, tais como barras, cantoneiras, perfis estruturais ou tubos, em materiais compósitos de matriz polimérica. A necessidade de, em determinadas aplicações, utilizar perfis que proporcionem melhor isolamento térmico, melhor isolamento acústico ou possuam um momento de inércia ligeiramente superior, sem que o peso próprio seja significativamente afectado, levou à produção de perfis pultrudidos híbridos, com núcleos baseados em pré-formas ou na alimentação contínua de resíduos. Realizados os protótipos seguindo as metodologias acima descritas, urge verificar se as propriedades dos perfis híbridos correspondem às expectativas inicialmente neles depositadas, através de testes destrutivos e não-destrutivos. Assim, foram realizados testes à tracção, à compressão e à flexão, no intuito de verificar os ganhos conseguidos e poder analisar o valor-acrescentado trazido por estes novos perfis em termos estruturais. Estes valores, depois de devidamente validados, permitirão a sua inserção em bases de dados agregadas a programas de cálculo estrutural, que efectuam de forma automática o dimensionamento de estruturas baseadas em perfis desta natureza. Complementarmente, foram realizados testes de isolamento térmico e acústico, com vista a quantificar a melhoria conseguida nestas propriedades, extremamente importantes em determinados tipos de aplicações ligadas à construção civil e obras públicas.

Image processing methodology for assessment of drilling induced damage in CFRP

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Design formula for the flexural strengthening of RC beams using prestressed CFRP reinforcement

Applying a certain prestress level to the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcement according to either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques can mobilize the strengthening potentialities of this high tensile strength composite material. For the prediction of the flexural behavior of reinforced concrete (RC) structures strengthened with prestressed EBR or NSM CFRPs, however, simplified analytical and design formulations still need to be developed as a guidance for engineers to design this type of strengthened structures by hand calculation without any programming help. Hence, the current work aims to briefly explain a developed simplified analytical approach, with a design framework, to predict the flexural behavior of RC beams flexurally strengthened with either prestressed EBR or NSM CFRP reinforcements. Moreover, an upper limit for the prestress level is proposed in order to optimize the ductility performance of the NSM prestressing technique. The good predictive performance of the analytical approaches was appraised by simulating the results of experimental programs composed of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP reinforcements.