Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

Caraterização das propriedades macânicas e de fratura de um adesivo estrutural de alta ductilidade

As juntas adesivas são uma alternativa viável para substituir ligações comuns como as mecânicas ou soldadas, devido a diversas vantagens como a possibilidade de união de materiais de natureza diferente, maior leveza, menores custos inerentes ao fabrico e ainda prevenção da corrosão galvânica que pode ocorrer nas ligações entre dois materiais metálicos diferentes. A resistência de uma junta depende, para um determinado tipo de solicitação imposta, da distribuição de tensões no interior da junta. Por outro lado, a geometria das juntas, as propriedades mecânicas dos adesivos e os componentes a ligar vão influenciar a distribuição de tensões. O carregamento nas camadas adesivas de uma junta poderá induzir tensões de tração, compressão, corte, arrancamento ou clivagem, ou ainda uma combinação de duas ou mais destas componentes. O objetivo da presente dissertação é a caraterização completa de um adesivo estrutural de alta ductilidade recentemente lançado no mercado (SikaPower® -4720), para facilitar o projeto e otimização de juntas adesivas ligadas com o mesmo. São quatro os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes maciços (também denominados de bulk), ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test, ensaios Double-Cantilever Beam e ainda ensaios End-Notched Flexure. Com a realização dos ensaios referidos, são determinadas as propriedades essenciais à caraterização mecânica e de fratura do adesivo. Os resultados obtidos para cada ensaio resultaram em propriedades medidas com elevada repetibilidade, da mesma maneira que se revelaram de acordo com os dados disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes estavam disponíveis.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Comparação dos métodos ENF e 4-ENF para determinação da tenacidade ao corte de juntas adesivas

Ao longo destes últimos anos as ligações adesivas têm vindo a verificar um aumento progressivo em aplicações estruturais em detrimento das ligações mecânicas convencionais. Esta alteração de paradigma deve-se às vantagens que as juntas adesivas possuem relativamente aos outros métodos de ligação. A mecânica da fratura e os Modelos de Dano Coesivo (MDC) são critérios comuns para prever a resistência em juntas adesivas e usam como parâmetros fundamentais as taxas de libertação de energia. Pelo facto do ensaio 4-Point End Notched Flexure (4-ENF), aplicado em juntas adesivas, ainda estar pouco estudado é de grande relevância um estudo acerca da sua viabilidade para a determinação da taxa crítica de libertação de energia de deformação ao corte (GIIc). Esta dissertação tem como objetivo principal efetuar uma comparação entre os métodos End- Notched Flexure (ENF) e 4-ENF na determinação de GIIc em juntas adesivas. Para tal foram utilizados 3 adesivos: Araldite® AV138, Araldite® 2015 e SikaForce® 7752. O trabalho experimental passou pela conceção e fabrico de uma ferramenta para realização do ensaio 4-ENF, seguindo-se o fabrico e a preparação dos provetes para os ensaios. Pelo facto do ensaio 4-ENF ainda se encontrar pouco divulgado em juntas adesivas, e não se encontrar normalizado, uma parte importante do trabalho passou pela pesquisa e análise em trabalhos de investigação e artigos científicos. A análise dos resultados foi realizada por comparação direta dos valores de GIIc com os resultados obtidos no ensaio ENF, sendo realizada por série de adesivo, através da comparação das curvas P-δ e curvas-R. Como resultado verificou-se que o ensaio 4-ENF em ligações adesivas não é o mais versátil para a determinação do valor de GIIc, e que apenas um método de obtenção de GIIc é viável. Este método é baseado na medição do comprimento de fenda (a). Ficou evidenciado que o ensaio ENF, devido a ser um ensaio normalizado, por apresentar um setup mais simples e por apresentar uma maior disponibilidade de métodos para a determinação do valor de GIIc, é o mais recomendado. Conclui-se assim que o ensaio 4-ENF, embora sendo uma alternativa ao ensaio ENF, tem aplicação mais limitada.

Estudo da aplicação de adesivos de cura UV em conservação e restauro de vidro e vitral

Do presente trabalho resultou a submissão de um artigo, com o título UV Curing Adhesives for Conservation of Glass- Chemical and Mechanical Stability, para comunicação oral em conferência internacional intitulada Recent Advances in Glass and Ceramics Conservation, a ocorrer em Wroclaw, Polónia, de 25 a 29 de Maio de 2016, no âmbito do ICOM-CC Glass and Ceramics Working Group Interim Meeting.

Utilização de colas naturais para placas de derivados de madeira – uma síntese

Resumo: Nos últimos anos tem-se verificado um interesse crescente pela área das colas naturais, em particular na produção de placas de derivados de madeira para utilização no interior das construções. Estas colas parecem ser uma boa alternativa às colas sintéticas, derivadas do petróleo, pois, ao contribuírem para uma melhor qualidade do ar interior associada a uma menor incorporação de energia no produto final, apresentam vantagens interessantes em termos ambientais e de saúde. Nesse sentido fez-se uma revisão da bibliografia sobre a utilização laboratorial e mesmo semi-industrial de colas naturais em placas de derivados de madeira. São apresentados e discutidos alguns exemplos de materiais que estas colas aglutinam, bem como as suas características finais com vista a futuros desenvolvimentos experimentais de placas fabricadas a partir de resíduos agrícolas comuns. Abstract: An increased interest for bio-based adhesives for wood-based panels for building purposes has been arising. This type of adhesives could be a good alternative for petroleum based synthetic adhesives as bio-based adhesives can contribute for healthier indoor environments and, simultaneously, present lower embodied energy. For the previous reasons a bibliographic review was conducted, on the use of bio-based adhesives for the production of wood-based building panels. Some examples of the adhesives, the type of applications and the characterization of the resulting products are presented and compared, bearing in mind contributing for a future increase of research in this area.

Analytical approach for the flexural analysis of RC beams strengthened with prestressed CFRP

The objective of this paper is to propose a simplified analytical approach to predict the flexural behavior of simply supported reinforced-concrete (RC) beams flexurally strengthened with prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcements using either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques. This design methodology also considers the ultimate flexural capacity of NSM CFRP strengthened beams when concrete cover delamination is the governing failure mode. A moment–curvature (M–χ) relationship formed by three linear branches corresponding to the precracking, postcracking, and postyielding stages is established by considering the four critical M–χ points that characterize the flexural behavior of CFRP strengthened beams. Two additional M–χ points, namely, concrete decompression and steel decompression, are also defined to assess the initial effects of the prestress force applied by the FRP reinforcement. The mid-span deflection of the beams is predicted based on the curvature approach, assuming a linear curvature variation between the critical points along the beam length. The good predictive performance of the analytical model is appraised by simulating the force–deflection response registered in experimental programs composed of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP reinforcements.

Transfer zone of prestressed CFRP reinforcement applied according to NSM technique for strengthening of RC structures

This study presents an experimental program to assess the tensile strain distribution along prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcement flexurally applied on the tensile surface of RC beams according to near surface mounted (NSM) technique. Moreover, the current study aims to propose an analytical formulation, with a design framework, for the prediction of distribution of CFRP tensile strain and bond shear stress and, additionally, the prestress transfer length. After demonstration the good predictive performance of the proposed analytical approach, parametric studies were carried out to analytically evaluate the influence of the main material properties, and CFRP and groove cross section on the distribution of the CFRP tensile strain and bond shear stress, and on the prestress transfer length. The proposed analytical approach can also predict the evolution of the prestress transfer length during the curing time of the adhesive by considering the variation of its elasticity modulus during this period.

Evaluation of the bond performance in FRP-brick components re-bonded after initial delamination

The bond behavior between Fiber Reinforced Polymers (FRPs) and masonry substrates has been the subject of many studies during the last years. Recent accelerated aging tests have shown that bond degradation and FRP delamination are likely to occur in FRP-strengthened masonry components under hygrothermal conditions. While an investigation on the possible methods to improve the durability of these systems is necessary, the applicability of different bond repair methods should also be studied. This paper aims at investigating the debonding mechanisms after repairing delaminated FRP-strengthened masonry components. FRP-strengthened brick specimens, after being delaminated, are repaired with two different adhesives: a conventional epoxy resin and a highly flexible polymer. The latter is used as an innovative adhesive in structural applications. The bond behavior in the repaired specimens is investigated by performing single-lap shear bond tests. Digital image correlation (DIC) is used for deeper investigation of the surface deformation and strains development. The effectiveness of the repair methods is discussed and compared with the strengthened specimens.

Tensile creep of a structural epoxy adhesive: experimental and analytical characterization

Epoxy adhesives are nowadays being extensively used in Civil Engineering applications, mostly in the scope of the rehabilitation of reinforced concrete (RC) structures. In this context, epoxy adhesives are used to provide adequate stress transference from fibre reinforced polymers (FRP) to the surrounding concrete substrate. Most recently, the possibility of using prestressed FRPs bonded with these epoxy adhesives is also being explored in order to maximize the potentialities of this strengthening approach. In this context, the understanding of the long term behaviour of the involved materials becomes essential. Even when non-prestressed FRPs are used a certain amount of stress is permanently applied on the adhesive interface during the serviceability conditions of the strengthened structure, and the creep of the adhesive may cause a continuous variation in the deformational response of the element. In this context, this paper presents a study aiming to experimentally characterize the tensile creep behaviour of an epoxy-based adhesive currently used in the strengthening of concrete structures with carbon FRP (CFRP) systems. To analytically describe the tensile creep behaviour, the modified Burgers model was fitted to the experimental creep curves, and the obtained results revealed that this model is capable of predicting with very good accuracy the long term behaviour of this material up to a sustained stress level of 60% of the adhesive’s tensile strength.

Estudo da influência de nanotubos de carbono funcionalizados nas propriedades de revestimentos de poliuretano

Dissertação de mestrado em Propriedades e Tecnologias de Polímeros

Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Influência do tipo de adesivo no comportamento de elementos de betão reforçados com laminados de CFRP de acordo com a técnica NSM

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Enzymatic treatments to improve mechanical properties and surface hydrophobicity of jute fiber membranes

Fiber membranes prepared from jute fragments can be valuable, low cost, and renewable. They have broad application prospects in packing bags, geotextiles, filters, and composite reinforcements. Traditionally, chemical adhesives have been used to improve the properties of jute fiber membranes. A series of new laccase, laccase/mediator systems, and multi-enzyme synergisms were attempted. After the laccase treatment of jute fragments, the mechanical properties and surface hydrophobicity of the produced fiber membranes increased because of the cross-coupling of lignins with ether bonds mediated by laccase. The optimum conditions were a buffer pH of 4.5 and an incubation temperature of 60 °C with 0.92 U/mL laccase for 3 h. Laccase/guaiacol and laccase/alkali lignin treatments resulted in remarkable increases in the mechanical properties; in contrast, the laccase/2,2-azino-bis-(3-ethylthiazoline-6-sulfonate) (ABTS) and laccase/2,6-dimethoxyphenol treatments led to a decrease. The laccase/ guaiacol system was favorable to the surface hydrophobicity of jute fiber membranes. However, the laccase/alkali lignin system had the opposite effect. Xylanase/laccase and cellulase/laccase combined treatments were able to enhance both the mechanical properties and the surface hydrophobicity of jute fiber membranes. Among these, cellulase/laccase treatment performed better; compared to mechanical properties, the surface hydrophobicity of the jute fiber membranes showed only a slight increase after the enzymatic multi-step processes.

Aromatic amines sources, environmental impact and remediation

Aromatic amines are widely used industrial chemicals as their major sources in the environment include several chemical industry sectors such as oil refining, synthetic polymers, dyes, adhesives, rubbers, perfume, pharmaceuticals, pesticides and explosives. They result also from diesel exhaust, combustion of wood chips and rubber and tobacco smoke. Some types of aromatic amines are generated during cooking, special grilled meat and fish, as well. The intensive use and production of these compounds explains its occurrence in the environment such as in air, water and soil, thereby creating a potential for human exposure. Since aromatic amines are potential carcinogenic and toxic agents, they constitute an important class of environmental pollutants of enormous concern, which efficient removal is a crucial task for researchers, so several methods have been investigated and applied. In this chapter the types and general properties of aromatic amine compounds are reviewed. As aromatic amines are continuously entering the environment from various sources and have been designated as high priority pollutants, their presence in the environment must be monitored at concentration levels lower than 30 mg L1, compatible with the limits allowed by the regulations. Consequently, most relevant analytical methods to detect the aromatic amines composition in environmental matrices, and for monitoring their degradation, are essential and will be presented. Those include Spectroscopy, namely UV/visible and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR); Chromatography, in particular Thin Layer (TLC), High Performance Liquid (HPLC) and Gas chromatography (GC); Capillary electrophoresis (CE); Mass spectrometry (MS) and combination of different methods including GC-MS, HPLC-MS and CE-MS. Choosing the best methods depend on their availability, costs, detection limit and sample concentration, which sometimes need to be concentrate or pretreated. However, combined methods may give more complete results based on the complementary information. The environmental impact, toxicity and carcinogenicity of many aromatic amines have been reported and are emphasized in this chapter too. Lately, the conventional aromatic amines degradation and the alternative biodegradation processes are highlighted. Parameters affecting biodegradation, role of different electron acceptors in aerobic and anaerobic biodegradation and kinetics are discussed. Conventional processes including extraction, adsorption onto activated carbon, chemical oxidation, advanced oxidation, electrochemical techniques and irradiation suffer from drawbacks including high costs, formation of hazardous by-products and low efficiency. Biological processes, taking advantage of the naturally processes occurring in environment, have been developed and tested, proved as an economic, energy efficient and environmentally feasible alternative. Aerobic biodegradation is one of the most promising techniques for aromatic amines remediation, but has the drawback of aromatic amines autooxidation once they are exposed to oxygen, instead of their degradation. Higher costs, especially due to power consumption for aeration, can also limit its application. Anaerobic degradation technology is the novel path for treatment of a wide variety of aromatic amines, including industrial wastewater, and will be discussed. However, some are difficult to degrade under anaerobic conditions and, thus, other electron acceptors such as nitrate, iron, sulphate, manganese and carbonate have, alternatively, been tested.