High-strain composites and dual-matrix composite structures

Most space applications require deployable structures due to the limiting size of current launch vehicles. Specifically, payloads in nanosatellites such as CubeSats require very high compaction ratios due to the very limited space available in this typo of platform. Strain-energy-storing deployable structures can be suitable for these applications, but the curvature to which these structures can be folded is limited to the elastic range. Thanks to fiber microbuckling, high-strain composite materials can be folded into much higher curvatures without showing significant damage, which makes them suitable for very high compaction deployable structure applications. However, in applications that require carrying loads in compression, fiber microbuckling also dominates the strength of the material. A good understanding of the strength in compression of high-strain composites is then needed to determine how suitable they are for this type of application.

The goal of this thesis is to investigate, experimentally and numerically, the microbuckling in compression of high-strain composites. Particularly, the behavior in compression of unidirectional carbon fiber reinforced silicone rods (CFRS) is studied. Experimental testing of the compression failure of CFRS rods showed a higher strength in compression than the strength estimated by analytical models, which is unusual in standard polymer composites. This effect, first discovered in the present research, was attributed to the variation in random carbon fiber angles respect to the nominal direction. This is an important effect, as it implies that microbuckling strength might be increased by controlling the fiber angles. With a higher microbuckling strength, high-strain materials could carry loads in compression without reaching microbuckling and therefore be suitable for several space applications.

A finite element model was developed to predict the homogenized stiffness of the CFRS, and the homogenization results were used in another finite element model that simulated a homogenized rod under axial compression. A statistical representation of the fiber angles was implemented in the model. The presence of fiber angles increased the longitudinal shear stiffness of the material, resulting in a higher strength in compression. The simulations showed a large increase of the strength in compression for lower values of the standard deviation of the fiber angle, and a slight decrease of strength in compression for lower values of the mean fiber angle. The strength observed in the experiments was achieved with the minimum local angle standard deviation observed in the CFRS rods, whereas the shear stiffness measured in torsion tests was achieved with the overall fiber angle distribution observed in the CFRS rods.

High strain composites exhibit good bending capabilities, but they tend to be soft out-of-plane. To achieve a higher out-of-plane stiffness, the concept of dual-matrix composites is introduced. Dual-matrix composites are foldable composites which are soft in the crease regions and stiff elsewhere. Previous attempts to fabricate continuous dual-matrix fiber composite shells had limited performance due to excessive resin flow and matrix mixing. An alternative method, presented in this thesis uses UV-cure silicone and fiberglass to avoid these problems. Preliminary experiments on the effect of folding on the out-of-plane stiffness are presented. An application to a conical log-periodic antenna for CubeSats is proposed, using origami-inspired stowing schemes, that allow a conical dual-matrix composite shell to reach very high compaction ratios.

Modelagem do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado.

Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de lajes nervuradas de concreto armado em sistemas estruturais na engenharia civil que demonstrem viabilidade sob o ponto de vista técnico e econômico. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. Neste contexto, diversos tipos de sistemas estruturais de lajes nervuradas têm sido desenvolvidos. Assim sendo, o objetivo desta investigação é o de contribuir, no que tange ao estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo da resposta dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado, sob o ponto de vista de conforto humano, especialmente quando essas estruturas encontram-se submetidas a atividades humanas rítmicas. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, que consideram grupos de indivíduos desenvolvendo atividades rítmicas correspondentes à ginástica aeróbica (atividade sincronizada). São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos ANSYS. No presente modelo computacional, as vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto armado são simuladas por elementos finitos de casca. Os resultados obtidos ao longo do estudo, em termos das acelerações de pico, são confrontados e comparados com os limites propostos por normas de projeto, sob o ponto de vista do conforto humano. Com base na análise dinâmica das lajes nervuradas investigadas foi possível verificar que as atividades humanas rítmicas podem vir a gerar valores de acelerações de pico elevados e que violam os critérios de conforto humano. Deste modo, foi observado que, as acelerações nos modelos estudados, podem atingir níveis elevados de vibração que comprometem o conforto dos usuários.

La utilización del acero inoxidable en estructuras de hormigón armado en edificación.

[ES]El hormigón, y más concretamente las armaduras de hormigón, son usadas a diario en múltiples lugares. Estas armaduras son utilizadas en diversas estructuras, de las cuales se espera una duración relativamente larga; aún así, en ciertos ambientes, ciertos agentes, tales como el dióxido de carbono o los cloruros, consiguen atravesar el hormigón alcanzando las armaduras y reducir el pH del hormigón hasta el punto que el acero del interior queda despasivado. A partir de aquí, y debido mayormente al oxígeno, el acero se corroe, reduciendo drásticamente la vida de dichas armaduras y, por tanto, de las estructuras. Debido a esto, la utilización de armaduras de acero inoxidable, en lugar de las típicas de acero al carbono, está cobrando fuerza, a pesar de su mayor coste inicial. Su mayor resistencia a la corrosión en ambientes agresivos convierte al acero inoxidable en una opción a tener en cuenta para prolongar la vida de las estructuras que se encuentran en estos ambientes. En este trabajo se han comparado ambos tipos de aceros, en dos tipos de secciones diferentes, resaltando las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos, mayormente centrándose en la resistencia y el coste que tiene cada uno de ellos. Los resultados demuestran que el acero inoxidable supone una ventaja considerable en algunos ámbitos de uso, a pesar de que en otros el acero al carbono siga siendo más viable. A pesar de esto, queda claro que la evolución ascendente del uso de armaduras de acero inoxidable está de sobra justificada.

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

Análise dinâmica e controle de vibrações de pisos de edificações submetidos a atividades humanas rítmicas.

Um aumento crescente dos problemas estruturais associados à vibração excessiva de pisos de edificações de estruturas mistas (aço-concreto) e de concreto armado devido a atividades humanas rítmicas constitui a principal motivação para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto respaldada na obtenção da resposta dinâmica de pisos mistos (aço-concreto) e de concreto armado, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Para tal, os modelos estruturais estudados baseiam-se em pisos de edificações mistas (aço-concreto) e de concreto armado submetidos a aulas de ginástica aeróbica. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Um estudo paramétrico foi realizado sobre os modelos estruturais investigados e foram obtidos valores elevados para as acelerações de pico violando os critérios de projeto e indicando níveis de vibrações excessivas. Considerando-se os aspectos mencionados anteriormente foi desenvolvida uma estratégia com base em alternativas viáveis para o controle estrutural, objetivando a atenuação das vibrações excessivas a partir da instalação de atenuadores dinâmicos sincronizados (ADS) nos pisos analisados.

Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres.

Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto, onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas nestas situações.

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

BEHAVIOUR OF FIXED CANTILEVER WALLS SUBJECT TO LATERAL SHAKING.

A programme of research on the seismic behaviour of retaining walls has been under way at Cambridge since 1981. Centrifuge tests have presently been conducted both on cantilever walls and isolated mass walls, retaining dry sands of varying grading and density. This paper is devoted to the modelling of fixed-base cantilever walls retaining Leighton Buzzard (14/25) sand of relative density 99% with a horizontal surface level with the crest of the wall. The base of the centrifuge container was used to fix the walls, and to provide a rigid lower boundary for the sand. No attempt was made to inhibit the propagation of compression waves from the side of the container opposite the inside face of the model wall. The detailed analysis of dynamic deflections and bending moments was made difficult by the anelastic nature of reinforced concrete, and the difficulty of measuring bending strains thereon. A supplementary programme of well-instrumented tests on Dural walls of similar stiffness, including the modelling of models, was therefore carried out. Refs.