Tensile fracture characterization of adhesive joints by standard and optical techniques

The use of adhesive joints has increased in recent decades due to its competitive features compared with traditional methods. This work aims to estimate the tensile critical strain energy release rate (GIC) of adhesive joints by the Double-Cantilever Beam (DCB) test. The J-integral is used since it enables obtaining the tensile Cohesive Zone Model (CZM) law. An optical measuring method was developed for assessing the crack tip opening (δn) and adherends rotation (θo). The proposed CZM laws were best approximated by a triangular shape for the brittle adhesive and a trapezoidal shape for the two ductile adhesives.

Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

Estudo e otimização de juntas do tipo Tpeel soldadas, adesivas e híbridas

A necessidade de utilizar métodos de ligação que melhor satisfaçam as necessidades de projeto tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A sua utilização em diversas aplicações industriais justifica-se pela redução de peso, redução de concentrações de tensões, isolamento acústico e melhor resistência à corrosão. Contudo, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas, a fraca resistência a esforços de arrancamento e a complexidade da previsão da sua resistência. As juntas híbridas são obtidas por combinação de uma técnica tradicional com uma ligação adesiva. As juntas híbridas adesivas-soldadas obtêm-se através da combinação da ligação adesiva com a ligação soldada, sendo a soldadura de resistência por pontos a técnica de soldadura mais usada no fabrico deste tipo de juntas. A sinergia entre ligação adesiva e soldadura por pontos oferece vantagens competitivas em relação às ligações adesivas, tais como superior resistência e rigidez, e maior resistência ao arrancamento e à fadiga. No presente trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas T-peel soldadas, adesivas e híbridas (adesivas-soldadas) solicitadas ao arrancamento. Considerouse o adesivo frágil Araldite® AV138 e os adesivos dúcteis Araldite® 2015 e Sikaforce® 7752 e aderentes de aço (C45E). Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efetuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos pelo Método de Elementos Finitos (MEF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por MDC. Observou-se que, dos três adesivos em estudo, o adesivo Sikaforce® 7752 é o que apresenta o melhor desempenho na ligação de juntas T-peel. A boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos permitiu validar a utilização de MDC para previsão da resistência de juntas T-peel adesivas e híbridas. Assim, o presente trabalho representa uma base para posterior aplicação no projeto deste tipo de ligação, com as vantagens decorrentes na redução do tempo de projeto e maior facilidade de otimização.

Estudo da resistência e mecanismos de dano em juntas adesivas entre materiais compósitos com defeitos de adesão

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. 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, uma das limitações das juntas adesivas é a dificuldade em prever a resistência da junta após fabrico e durante a sua vida útil devido à presença de defeitos no adesivo. Os defeitos são normalmente gerados pela preparação inadequada das juntas ou degradação do adesivo devido ao ambiente (por exemplo, humidade), reduzindo a qualidade da ligação e influenciando a resistência da junta. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples (JSS) com a inclusão de defeitos centrados na camada de adesivo para comprimentos de sobreposição (LO) diferentes. Os adesivos utilizados foram o Araldite® AV138, apresentado como sendo frágil, e o adesivo Sikaforce® 7752, intitulado como adesivo dúctil. A parte experimental consistiu no ensaio à tração das diferentes JSS permitindo a obtenção das curvas força-deslocamento (P-δ). A análise numérica por modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento ((σy) e as tensões de corte (τxy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade dos MDC na previsão da resistência da junta. Constatou-se um efeito significativo dos defeitos de diferentes dimensões na resistência das juntas, que também depende do tipo de adesivo utilizado e do valor de LO. Os modelos numéricos permitiram a descrição detalhada do comportamento das juntas e previsão de resistência, embora para o adesivo dúctil a utilização de uma lei coesiva triangular tenha provocado alguma discrepância relativamente aos resultados experimentais.

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.

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.

Friction surfacing of aluminium alloys

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Characterization of processed materials by electrical currents: development of equipment and applications

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Analysis and treatment of a nineteenth century oil painting

This thesis focused on the study and treatment of a 19th century female portrait in oil from ECOMUSEU Municipal do Seixal, Portugal. The portrait, which depicts Isabel Maria Lourenço Affonso was in poor condition and a large strip of paint and canvas was missing (approximately 9cm by 66cm, almost 11% of the total surface area). The portrait is a companion piece to a male portrait (the relationship was established as part of this study), therefore a technical study of both paintings was considered essential to support the choices made during the treatment. The project involved three main areas: - The study of the history, condition, materials and techniques of both paintings. This allowed their comparison and understanding of their relationship; - The treatment of Isabel Maria Lourenço Affonso. The choices made and problems encountered are described. - The production of a replacement for the missing strip of paint and canvas. The practical solution developed to overcome such an unusual challenge is described along with the creative and flexible thinking required. Because not all traditional infill materials cope well on a mechanical level with thin layers over a very large surface (many are too brittle), strict criteria had to be employed to choose the appropriate material. The primary goal was to find a fill which would remain flexible and be capable of accepting surface texture, such that there would be a good visual match with the painting. Analysis and testing was carried out to evaluate the physical properties of the fill material chosen, BEVA® Gesso-P. The successful creation of the replacement strip has resulted in two publications and one presentation: Publication pending in The Picture Restorer, Leslie Carlyle, Raquel Marques, Isabel Pombo Cardoso and Sara Babo, “Creating a Textured Replacement Strip for the Missing Lower Portion of an Oil Portrait: Problem Solving and Practical Solutions”. Abstract accepted for presentation and publication, International Meeting on Retouching of Cultural Heritage (2RECH), Raquel Marques, Leslie Carlyle and Isabel Pombo Cardoso, “Textured Replacement Strip for a Missing Portion of a Portrait: Problem Solving and Practical Solutions”.

Pesquisa experimental para avaliação da eficiência da fibra de aço na resistência à punção de lajes lisas reforçadas simetricamente

O presente artigo é dedicado à avaliação experimental da eficiência do reforço com fibra de aço em termos da resistência à punção de lajes lisa carregadas simetricamente. Para este fim, oito lajes de 2550 x 2550 x 150 mm3 foram ensaiadas até a ruína, onde se investigou a influência do consumo de fibras (0, 60, 75 e 90 kg/m3) e da resistência do concreto (50 e 70 MPa). Duas lajes de referência, sem fibras, uma para cada classe de resistência do concreto, e uma laje para cada consumo de fibra e para cada classe de resistência do concreto compuseram o programa experimental. Todas as lajes foram armadas à flexão com barras de aço (armadura convencional) de forma a garantir a ruína por punção das lajes de referência. O único reforço transversal foi garantido pelas fibras de aço hooked ends com comprimento e diâmetro de 37 e 0,55 mm, respectivamente, e resistência à tração de aproximadamente 1100 MPa. Os resultados revelaram que as fibras de aço são muito eficientes em converter uma ruína frágil por cisalhamento em uma ruína dúctil por flexão, aprimorando ambos, carga de ruptura e deslocamento. Neste artigo o programa experimental é abordado em detalhe e os principais resultados são apresentados e discutidos.

Recycled steel fibre reinforced concrete failing in bending and in shear

Recent research is showing that the addition of Recycled Steel Fibres (RSF) from wasted tyres can decrease significantly the brittle behaviour of cement based materials, by improving its toughness and post-cracking resistance. In this sense, Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete (RSFRC) seems to have the potential to constitute a sustainable material for structural and non-structural applications. To assess this potential, experimental and numerical research was performed on the use of RSFRC in elements failing in bending and in beams failing in shear. The values of the fracture mode I parameters of the developed RSFRC were determined by performing inverse analysis with test results obtained in three point notched beam bending tests. To assess the possibility of using RSF as shear reinforcement in Reinforced Concrete (RC) beams, three point bending tests were executed with three series of RSFRC beams flexurally reinforced with a relatively high reinforcement ratio of longitudinal steel bars in order to assure shear failure for all the tested beams. By performing material nonlinear simulations with a computer program based on the finite element method (FEM), the applicability of the fracture mode I crack constitutive law derived from the inverse analysis is assessed for the prediction of the behaviour of these beams. The performance of the formulation proposed by RILEM TC 162 TDF and CEB-FIP 2010 for the prediction of the shear resistance of fibre reinforced concrete elements was also evaluated.

Assessment of the effectiveness of steel fibre reinforcement for the punching resistance of flat slabs by experimental research and design approach

The present paper deals with the experimental assessment of the effectiveness of steel fibre reinforcement in terms of punching resistance of centrically loaded flat slabs, and to the development of an analytical model capable of predicting the punching behaviour of this type of structures. For this purpose, eight slabs of 2550 x 2550 x 150 mm3 dimensions were tested up to failure, by investigating the influence of the content of steel fibres (0, 60, 75 and 90 kg/m3) and concrete strength class (50 and 70 MPa). Two reference slabs without fibre reinforcement, one for each concrete strength class, and one slab for each fibre content and each strength class compose the experimental program. All slabs were flexurally reinforced with a grid of ribbed steel bars in a percentage to assure punching failure mode for the reference slabs. Hooked ends steel fibres provided the unique shear reinforcement. The results have revealed that steel fibres are very effective in converting brittle punching failure into ductile flexural failure, by increasing both the ultimate load and deflection, as long as adequate fibre reinforcement is assured. An analytical model was developed based on the most recent concepts proposed by the fib Mode Code 2010 for predicting the punching resistance of flat slabs and for the characterization of the behaviour of fibre reinforced concrete. The most refined version of this model was capable of predicting the punching resistance of the tested slabs with excellent accuracy and coefficient of variation of about 5%.

Experimental assessment of an innovative strengthening material for brick masonry infills

The vulnerability of masonry infill walls has been highlighted in recent earthquakes in which severe inplane damage and out-of-plane collapse developed, justifying the investment in the proposal of strengthening solutions aiming to improve the seismic performance of these construction elements. Therefore, this work presents an innovative strengthening solution to be applied in masonry infill walls, in order to avoid brittle failure and thus minimize the material damage and human losses. The textilereinforced mortar technique (TRM) has been shown to improve the out-of-plane resistance of masonry and to enhance its ductility, and here an innovative reinforcing mesh composed of braided composite rods is proposed. The external part of the rod is composed of braided polyester whose structure is defined so that the bond adherence with mortar is optimized. The mechanical performance of the strengthening technique to improve the out-of-plane behaviour of brick masonry is assessed based on experimental bending tests. Additionally, a comparison of the mechanical behaviour of the proposed meshes with commercial meshes is provided. The idea is that the proposed meshes are efficient in avoiding brittle collapse and premature disintegration of brick masonry during seismic events.

Development of ductile cementitiuos composites using carbon nanotubes

Concrete is the primary construction material for civil infrastructures and generally consists of cement, coarse aggregates, sand, admixtures and water. Cementitious materials are characterized by quasi-brittle behaviour and susceptible to cracking [1]. The cracking process within concrete begins with isolated nano-cracks, which then conjoin to form micro-cracks and in turn macro-cracks. Formation and growth of cracks lead to loss of mechanical performance with time and also make concrete accessible to water and other degrading agents such as CO2, chlorides, sulfates, etc. leading to strength loss and corrosion of steel rebars. To improve brittleness of concrete, reinforcements such as polymeric as well as glass and carbon fibers have been used and microfibers improved the mechanical properties significantly by delaying (but could not stop) the transformation of micro-cracks into macro forms [2]. This fact encouraged the use of nano-sized fillers in concrete to prevent the growth of nano-cracks transforming in to micro and macro forms. Nanoparticles like SiO2, Fe2O3, and TiO2 led to considerable improvement in mechanical performance and moreover, nano-TiO2 helped to remove organic pollutants from concrete surfaces [3].

Seismic behavior of concrete block masonry buildings

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil