Preparation and characterization of micro and nano fiber reinforced natural rubber composites by latex stage processing

Use of short fibers as reinforcing fillers in rubber composites is on an increasing trend. They are popular due to the possibility of obtaining anisotropic properties, ease of processing and economy. In the preparation of these composites short fibers are incorporated on two roll mixing mills or in internal mixers. This is a high energy intensive time consuming process. This calls for developing less energy intensive and less time consuming processes for incorporation and distribution of short fibers in the rubber matrix. One method for this is to incorporate fibers in the latex stage. The present study is primarily to optimize the preparation of short fiber- natural rubber composite by latex stage compounding and to evaluate the resulting composites in terms of mechanical, dynamic mechanical and thermal properties. A synthetic fiber (Nylon) and a natural fiber (Coir) are used to evaluate the advantages of the processing through latex stage. To extract the full reinforcing potential of the coir fibers the macro fibers are converted to micro fibers through chemical and mechanical means. The thesis is presented in 7 chapters

A Study On The Utilisation Of Plastic Wastes In Stabilised Masonry Blocks

At this era of energy crisis and resource depletion, availability of conventional materials throughout the year in quantity and quality, pose a hectic problem for the builders. Adding fuel to the fire, the demand of these materials increases day by day, since the housing and habitat requirements exponentially increase time to time. There is an international concern over this crisis and researchers are reorienting themselves, so as to evolve appropriate masonry units, using locally available cheap materials and technology. The concept of green material and construction has been well conceived in the research so that marginal materials and unskilled labour can be employed for the mass production of building blocks. In this context, considering earth as a sustainable material, there is a growing interest in the use of it, as a modern construction material. Solid waste management is one of the current major environmental concerns in our country. Our country is left with millions of cubic metre of waste plastics. One of the methods to satisfactorily address this solid waste management and the environmental issues is to suitably accommodate the waste in some form (as fibres). Their employability in block making in the form of fibres (plastic fibre- mud blocks) can be investigated through a fundamental research. Also, the review of the existing literature shows that most studies on natural fibres are focussed on cellulose based/ vegetable fibres obtained from renewable plant resources except in very few cases, where animal fibre, plastic fibre and polystyrene fabric were used. At this context, for the plastic fibre-mud blocks to be more widely applicable, a systematic quantification of the relevant physical and mechanical properties of the fibre masonry units is crucial, to enable an objective evaluation of the composite material’s response to actual field condition. This research highlights the salient observations from the detailed investigation of a systematic study on the effect of embedded fibres, made of plastic wastes on the performance of stabilised mud blocks.

Settlement Of Reinforced Sand In Foundations

The technique of reinforcing soil for foundation improvement is well established. This paper addresses the aspect of settlement of reinforced sand foundations, where the major part of the existing work deals with the aspect of bearing capacity. A detailed analysis is made paying individual attention to soil, reinforcement, and the interface between the two. A three-dimensional, nonlinear finite-element analysis is presented that uses a three-dimensional, nonlinear soil-reinforcement interface friction element, along with other threedimensional elements to model the system. The results of the analysis are compared with those from tests conducted in the laboratory and are found to be in good agreement. The studies lead to a better understanding of the behavior of the system at different stages of loading

Mechanical Properties of Steel Fiber-Reinforced Concrete

This paper presents the results from an experimental program and an analytical assessment of the influence of addition of fibers on mechanical properties of concrete. Models derived based on the regression analysis of 60 test data for various mechanical properties of steel fiber-reinforced concrete have been presented. The various strength properties studied are cube and cylinder compressive strength, split tensile strength, modulus of rupture and postcracking performance, modulus of elasticity, Poisson’s ratio, and strain corresponding to peak compressive stress. The variables considered are grade of concrete, namely, normal strength 35 MPa , moderately high strength 65 MPa , and high-strength concrete 85 MPa , and the volume fraction of the fiber Vf =0.0, 0.5, 1.0, and 1.5% . The strength of steel fiber-reinforced concrete predicted using the proposed models have been compared with the test data from the present study and with various other test data reported in the literature. The proposed model predicted the test data quite accurately. The study indicates that the fiber matrix interaction contributes significantly to enhancement of mechanical properties caused by the introduction of fibers, which is at variance with both existing models and formulations based on the law of mixtures

Strength and serviceability performance of beams reinforced with GFRP bars in flexure

Glass fiber reinforced polymer (GFRP) rebars have been identified as an alternate construction material for reinforcing concrete during the last decade primarily due to its strength and durability related characteristics. These materials have strength higher than steel, but exhibit linear stress–strain response up to failure. Furthermore, the modulus of elasticity of GFRP is significantly lower than that of steel. This reduced stiffness often controls the design of the GFRP reinforced concrete elements. In the present investigation, GFRP reinforced beams designed based on limit state principles have been examined to understand their strength and serviceability performance. A block type rotation failure was observed for GFRP reinforced beams, while flexural failure was observed in geometrically similar control beams reinforced with steel rebars. An analytical model has been proposed for strength assessment accounting for the failure pattern observed for GFRP reinforced beams. The serviceability criteria for design of GFRP reinforced beams appear to be governed by maximum crack width. An empirical model has been proposed for predicting the maximum width of the cracks. Deflection of these GFRP rebar reinforced beams has been predicted using an earlier model available in the literature. The results predicted by the analytical model compare well with the experimental data

Flexure-shear Analysis of Concrete Beam Reinforced with GFRP bars

This paper gives the details of flexure-shear analysis of concrete beams reinforced with GFRP rebars. The influence of vertical reinforcement ratio, longitudinal reinforcement ratio and compressive strength of concrete on shear strength of GFRP reinforced concrete beam is studied. The critical value of shear span to depth ratio (a/d) at which the mode of failure changes from flexure to shear is studied. The fail-ure load of the beam is predicted for various values of a/d ratio. The prediction show that the longitudinally FRP reinforced concrete beams having no stirrups fail in shear for a/d ratio less than 9.0. It is expected that the predicted data is useful for structural engineers to design the FRP reinforced concrete members.

Lateral spreading in basal reinforced embankments supported by pile-like elements

Bei Dämmen auf wenig tragfähigem Untergrund ist es zwischenzeitlich Stand der Technik, an der Dammbasis eine Bewehrung aus hochzugfesten Geokunststoffen (Gewebe oder Geogitter) einzulegen. Dabei können die Bewehrungslagen direkt auf den weichen Boden oder über Pfahlelementen angeordnet werden, die die Dammlasten in tiefere, tragfähigere Schichten abtragen. Die horizontale Bewehrung an der Dammbasis hat die Aufgabe, die vertikalen Dammlasten und die nach außen wirkenden Spreizkräfte aufzunehmen. Dies ist besonders für bewehrte Tragschichten über Pfählen von großer Bedeutung, da sonst die Pfähle/Säulen eine Biegebeanspruchung erhalten, die sie aufgrund des geringen Durchmessers (oftmals unbewehrt) nicht aufnehmen können. Abgesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse über Größe und Verteilung der Spreizspannung in Höhe ober- und unterhalb der Bewehrungslagen liegen derzeit noch nicht vor, aus denen dann auch die Beanspruchung abzuleiten ist, die aus der Spreizwirkung bei der Geokunststoffbemessung zu berücksichtigen ist. Herr Dr.-Ing. Gourge Fahmi hat dafür zunächst den Kenntnisstand zur Spreizbeanspruchung ohne und mit Bewehrung sowie ohne und mit Pfahlelementen zusammengefasst. Ein wesentlicher Teil einer wissenschaftlichen Untersuchungen stellt die Modellversuche in einem relativ großen Maßstab dar, die u. a. auch zur Validierung von numerischen Berechnungen zur Fragestellung vorgesehen waren. Dabei konnte nach gewissen Parameteranpassungen überwiegend eine gute Übereinstimmung zwischen Modellversuchen und FEM-Berechnungen erreicht werden. Lediglich bei den Dehnungen bzw. Zugkräften in den Geogittern über Pfahlelementen ergab die FEM bei dem verwendeten Programmsystem viel zu niedrige Werte. Es wurde dazu in der Arbeit anhand eigener Untersuchungen und Vergleichsergebnissen aus der Literatur eine Hypothese formuliert und zunächst die Berechnungsergebnisse mit einem Faktor angepasst. Mit den durchgeführten Verifikationen stand damit dann ein weitestgehend abgesichertes numerisches Berechnungsmodell zur Verfügung. Aufbauend auf diesen Vorarbeiten konnten Parameterstudien mit numerischen und analytischen Methoden zur Spreizproblematik durchgeführt werden. Dabei wurden die Randbedingungen und Parametervariationen sinnvoll und für die Fragestellung zutreffend gewählt. Die numerischen Verfahren ergaben vertiefte Erkenntnisse zur Mechanik und zum Verhalten der Konstruktion. Die analytischen Vergleichsberechnungen validierten primär die Güte dieser vereinfachten Ansätze für praktische Berechnungen. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass erwartungsgemäß die Spreizkräfte im Geogitter nahezu linear mit der Dammhöhe anwachsen. Von besonderer Bedeutung für die Größe der Spreizkräfte ist die Steifigkeit der Weichschichten. Dieser Parameter wird bei den bisher bekannten analytischen Berechnungsverfahren nicht berücksichtigt. Je weicher der Untergrund, je größer wird das Verhältnis zwischen Spreiz- und Membranbeanspruchung. Eine steilere Dammböschung hat erwartungsgemäß ebenfalls eine höhere Spreizwirkung zur Folge. Des Weiteren ergeben sich bei mehrlagigen Geogittern die höheren Beanspruchungen in der unteren Lage aus dem Membraneffekt und in der oberen Lage aus dem Spreizeffekt. Zu diesen Erkenntnissen wurden in der Arbeit erste Vorschläge für die praktischen Bemessungen gemacht, die aber noch weiter zu optimieren sind. Schließlich erfolgt von Herrn Fahmi eine Betrachtung der Pfahlelementbeanspruchung aus Pfahlkopfverschiebung und Biegemomenten. Dabei wurde ersichtlich, dass die Pfahlelemente bei hohen Dämmen erhebliche Beanspruchungen erhalten können, wenn relativ weicher Untergrund vorhanden ist, und es zeigt die Notwendigkeit entsprechend abgesicherter Bemessungsverfahren auf.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Assessment of virtual design and manufacturing techniques for fibre reinforced composite materials

Virtual tools are commonly used nowadays to optimize product design and manufacturing process of fibre reinforced composite materials. The present work focuses on two areas of interest to forecast the part performance and the production process particularities. The first part proposes a multi-physical optimization tool to support the concept stage of a composite part. The strategy is based on the strategic handling of information and, through a single control parameter, is able to evaluate the effects of design variations throughout all these steps in parallel. The second part targets the resin infusion process and the impact of thermal effects. The numerical and experimental approach allowed the identificationof improvement opportunities regarding the implementation of algorithms in commercially available simulation software.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.