Innovative electrospun nanofibers for improving delamination resistance and damping of CFRP laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) are well renowned for their excellent mechanical properties, superior strength-to-weight characteristics, low thermal expansion coefficient, and fatigue resistance over any conventional polymer or metal. Due to the high stiffness of carbon fibers and thermosetting matrix, CFRP laminates may display some drawbacks, limiting their use in specific applications. Indeed, the overall laminate stiffness may lead to structural problems arising from their laminar structure, which makes them susceptible to structural failure by delamination. Moreover, such stiffness given by the constituents makes them poor at damping vibration, making the component more sensitive to noise and leading, at times, to delamination triggering. Nanofibrous mat interleaving is a smart way to increase the interlaminar fracture toughness: the use of thermoplastic polymers, such as poly(ε- caprolactone) (PCL) and polyamides (Nylons), as nonwovens are common and well established. Here, in this PhD thesis, a new method for the production of rubber-rich nanofibrous mats is presented. The use of rubbery nanofibers blended with PCL, widely reported in the literature, was used as matrix tougheners, processing DCB test results by evaluating Acoustic Emissions (AE). Moreover, water-soluble electrospun polyethylene oxide (PEO) nanofibers were proposed as an innovative method for reinforcing layers and hindering delamination in epoxy-based CFRP laminates. A nano-modified CFRP was then aged in water for 1 month and its delamination behaviour compared with the ones of the commercial laminate. A comprehensive study on the use of nanofibers with high rubber content, blended with a crystalline counterpart, as enhancers of the interlaminar properties were then investigated. Finally, PEO, PCL, and Nylon 66 nanofibers, plain or reinforced with Graphene (G), were integrated into epoxy-matrix CFRP to evaluate the effect of polymers and polymers + G on the laminate mechanical properties.

Effects of Accelerated Hygroscopic Ageing on Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of CFRP

This study, which is undertaken in cooperation with Riba-COMPOSITES, investigates the effects of hygroscopic ageing on the Interlaminar Shear Strength and Glass Transition Temperature of short-beams made of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites provided by two different vendors. The materials have the same weave pattern but differ in the epoxy resin formulation. The tests are done in accordance with ASTM. Accelerated ageing techniques are carried out by immersion of the specimens in deionized water at 70°C for different periods of time, developing different degrees of ageing. The results of the tests confirm that hygroscopic ageing causes a loss of properties and a depression of the glass transition temperature in both the materials. However, since one of the two materials shows more constant property degradation, its behaviour in service conditions should be more easily predictable.

On the characterization of the mechanical behaviour of bonded steel-CFRP adhesive joints

The use of adhesively bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is well established to repair metallic structural elements in the aerospace industry for more than three decades. Despite a few exceptions, this technology has yet not been exploited for the steel construction industry where there is a great need to rehabilitate old metallic bridges. For instance, in Europe more than 30% of the railway bridge stock operated for more than 100 years. These bridges are made of old mild steel or puddle iron that exhibits poor behaviour due to the quality of the material itself and degradation caused by the long-term loading or environmental effects. The modest results for Steel/CFRP joints obtained may be due to the type of adhesive used. In fact, most of the previous studies utilized brittle adhesives specially developed for concrete structures. Recent ductile adhesives that made for the automotive industry for metallic joints should be more appropriate. In this study, an experimental investigation on the behaviour of CFRP/steel adhesively bonded joints is presented. A comparison between brittle adhesives and ductile adhesives is conducted. The results show that the ductile adhesives achieve much higher performance than the brittle ones. The brittle adhesives provide more stiffness to the adhesive joint. In the specimens with the ductile adhesives, the failure pattern started by yielding the steel bars first then the adhesive joint which is promising since it can facilitate the design significantly if the steel yielding can be used as a design criterion. The main disadvantage of ductile adhesives is they are usually more expensive than brittle ones. In order to solve this issue, bi-adhesive joints, in which the joint is mainly made of (low cost) brittle adhesive and ductile adhesive in the stress concentration region, are proposed. The results revealed very high improvement up to the yielding strength of the steel bars and with a balanced stiffness.

Loading and damage modelling for an integrated SHM system of a prestressed concrete railway bridge in Naples

The thesis explores recent technology developments in the field of structural health monitoring and its application to railway bridge projects. It focuses on two main topics. First, service loads and effect of environmental actions are modelled. In particular, the train moving load and its interaction with rail track is considered with different degrees of detail. Hence, results are compared with real-time experimental measurements. Secondly, the work concerns the identification, definition and modelling process of damages for a prestressed concrete railway bridge, and their implementation inside FEM models. Along with a critical interpretation of the in-field measurements, this approach results in the development of undamaged and damaged databases for the AI-aided detection of anomalies and the definition of threshold levels to prompt automatic alert interventions. In conclusion, an innovative solution for the development of the railway weight-in-motion system is proposed.

Debonding and crack propagation in cracked steel beams strengthened with CFRP and subjected to cyclic loads.

The reinforcement methods used to restore or increase the bearing capacity of metal structures are based on the application of steel plates to be bolted or welded to the original structure, which can cause problems to the integrity of the original structure. These difficulties can be overcome with the introduction of fiber-reinforced composite materials. FRPs are characterized by high strength to weight ratio, and they are very resistant to corrosion. In this dissertation a cracked steel I-beam reinforced with Carbon Fiber-Reinforced Polymer will be studied by performing a numerical evaluation of the structure with the commercial Finite Element Method software ABAQUS. The crack propagation will be computed using XFEM, while the debonding of the reinforcement layer will be found by considering a cohesive contact interface between the beam and the CFRP plate. The results will show the efficiency of the strengthening method in increasing the load carrying capacity of the cracked beam, and in reducing the crack opening of the initial notch.

BIM-FEM model interoperability for the design of a prestressed concrete bridge deck

In questa tesi ho analizzato il passaggio dall'ambiente BIM a quello FEM di un impalcato da ponte a travata precompressa, identificando criteri e applicando una metodologia che hanno consentito lo sviluppo di un modello FEM utilizzabile per l'analisi strutturale. Nella tesi si descrive l'opera e il suo dimensionamento, con l'analisi statica e le verifiche strutturali eseguite sia a mano sia sul modello in ambiente FEM importato dall'ambiente BIM. Oltre a ciò, viene modellata l'opera nella sua interezza ed inserita in un contesto reale. La tesi discute l'interoperabilità tra i due software evidenziando vantaggi (modello geometrico di partenza in ambiente FEM, trasferimento di informazioni inserite in ambiente BIM, riduzione dei tempi di modellazione e inserimento proprietà dei materiali e caratteristiche degli oggetti, inserimento armature di precompressione) e criticità (implementazione manuale di alcuni elementi nel modello geometrico, perdita di alcune informazioni, definizione di alcuni parametri, limitata interoperabilità FEM-BIM) della metodologia applicata.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Power-law creep behavior of a semiflexible chain

Rheological properties of adherent cells are essential for their physiological functions, and microrheological measurements on living cells have shown that their viscoelastic responses follow a weak power law over a wide range of time scales. This power law is also influenced by mechanical prestress borne by the cytoskeleton, suggesting that cytoskeletal prestress determines the cell's viscoelasticity, but the biophysical origins of this behavior are largely unknown. We have recently developed a stochastic two-dimensional model of an elastically joined chain that links the power-law rheology to the prestress. Here we use a similar approach to study the creep response of a prestressed three-dimensional elastically jointed chain as a viscoelastic model of semiflexible polymers that comprise the prestressed cytoskeletal lattice. Using a Monte Carlo based algorithm, we show that numerical simulations of the chain's creep behavior closely correspond to the behavior observed experimentally in living cells. The power-law creep behavior results from a finite-speed propagation of free energy from the chain's end points toward the center of the chain in response to an externally applied stretching force. The property that links the power law to the prestress is the chain's stiffening with increasing prestress, which originates from entropic and enthalpic contributions. These results indicate that the essential features of cellular rheology can be explained by the viscoelastic behaviors of individual semiflexible polymers of the cytoskeleton.

Dimensionamento à punção em apoios internos de lajes protendidas sem aderência

Esta dissertação trata da punção em lajes protendidas com cordoalhas não aderentes, para pilares internos, calculadas através das normas ABNT NBR 6118:2007, ABNT NBR 6118:2014, EN 1992-1-1:2004 e ACI 318-11. Ao longo do trabalho, são apresentados dimensionamentos à punção através desses códigos a fim de se obter uma análise comparativa dos resultados. Além disso, são expostas três situações de provas de carga não destrutivas para punção, realizadas em lajes reais. Os casos, verificados a partir da comparação entre as quatro normas, servem de base para avaliações sobre o nível de segurança estrutural entre os dimensionamentos. Após as análises teóricas, conclui-se que, no geral, o EC2:2004 e a NBR 6118:2014 são os códigos que geram os resultados menos conservadores no cálculo das armaduras de punção. Já o ACI 318-11 e a NBR 6118:2007 obtêm os resultados mais conservadores para esse dimensionamento. Quando considerados os carregamentos máximos sem utilização de armadura de punção, a norma americana se destaca, obtendo valores comparáveis aos do EC2:2004 e da NBR 6118:2014. A NBR 6118:2007 resulta em dimensionamentos sempre mais conservadores.

Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates

Fine recycled aggregates are seen as the last choice in recycling for concrete production. Many references quote their detrimental influence on the most important characteristics of concrete: compressive and tensile strength; modulus of elasticity; water absorption; shrinkage: carbonation and chloride penetration. These two last characteristics are fundamental in terms of the long-term durability of reinforced or prestressed concrete. In the experimental research carried out at IST, part of which has already been published, different concrete mixes (with increasing rates of substitution of fine natural aggregates sand - with fine recycled aggregates from crushed concrete) were prepared and tested. The results were then compared with those for a reference concrete with exactly the same composition and grading curve, but with no recycled aggregates. This paper presents the main results of this research for water absorption by immersion and capillarity, chloride penetration (by means of the chloride migration coefficient), and carbonation resistance, drawing some conclusions on the feasibility of using this type of aggregate in structural concrete, while taking into account any ensuing obvious positive environmental impact.

Projecto de execução de fundações e estruturas de uma ponte em betão armado pré-esforçado

Este Trabalho refere-se ao Projecto de Execução de Fundações e Estruturas de uma Ponte Rodoviária em betão armado pré-esforçado, realizado no âmbito do Trabalho Final de Mestrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas, do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. O Projecto de Execução é composto de Peças Escritas e Peças Desenhadas. Nas Peças Escritas estão incluídos: Memória Justificativa e Descritiva; Cálculos Justificativos e Anexos. A ponte é composta por dois tabuleiros paralelos com 10,28m de largura cada um e afastados entre si de 0,10m. A obra é constituída de 8 tramos; os tramos correntes com 31m de comprimento e os tramos extremos com 25 e 20m de comprimento, perfazendo um comprimento total de 231m. A obra foi parcialmente isolada dos sismos pela introdução, em todos os pilares, de aparelhos de apoio de elevado amortecimento sísmico do tipo HDRB (High Damping Rubber Bearings). Encontram-se particularmente discriminadas e detalhadas neste projecto as seguintes situações: - Cálculo do Pré-esforço e respectivas perdas; - Acção das sobrecargas rodoviárias; - Diferença de comportamento da obra na entrada em serviço e no longo prazo; - Análise sísmica e do isolamento sísmico; - Estudo dos efeitos diferidos: retracção e fluência. Tendo as abordagens de cálculo e as verificações de segurança seguido a regulamentação nacional em vigor, nomeadamente RSA e REBAP, foi no entanto feita uma aproximação às regras do “Capacity Design” previstas no EC8, em que se privilegia a actuação do projectista sobre o comportamento da estrutura, procurando uma resposta não linear da mesma, visando garantir que: - A rotura não ocorrerá nos elementos de fundação; - Nos pilares a dissipação de energia se faz através de rótulas plásticas, evitando-se roturas associadas a esforços transversos. A aplicação destas regras neste Projecto demonstrou haver um agravamento substancial na definição dos esforços a que devem resistir alguns dos componentes da estrutura, designadamente os pilares e as fundações, originando soluções de secções de betão e armaduras bem mais exigentes do que aqueles que resultariam da simples verificação de segurança, pela comparação entre esforços actuante e esforços resistentes “secção a secção”, imposta pela actual regulamentação nacional.

Projecto de estabilidade da Escola Superior de Enfermagem Artur Ravara

O presente trabalho, refere-se ao projecto de estabilidade, em betão armado e pré-esforçado, da Escola Superior de Enfermagem Artur Ravara, situada na zona da EXPO em Lisboa. O edifício apresenta-se com uma implantação em “L”, tendo como dimensões máximas 38,50m x 54,80m e desenvolve-se em altura por quatro pisos, dos quais, dois são enterrados. A estrutura do edifício em causa, apresenta duas juntas de dilatação, por forma a tornar desprezáveis os efeitos devidos à retracção e diminuição de temperatura, dividindo o edifício em três blocos. As suas fundações são indirectas, constituídas por estacas moldadas no terreno e respectivos maciços de encabeçamento. As lajes são fungiformes aligeiradas de moldes perdidos, de modo a permitir vencer maiores vãos, que variam entre os 6,60m e os 10,00m, e permitindo também maior rapidez de execução e maior economia. As consolas de 3,50m de vão, em laje maciça, são suportadas por vigas pré-esforçadas de secção variável. Para o cálculo automático da estrutura e da obtenção dos respectivos desenhos das armaduras, foi utilizado o programa de cálculo automático, Tricalc 7.1. O conteúdo do projecto em questão, sendo de carácter académico, não corresponde à versão real, à qual não se teve acesso. O dimensionamento das fundações, devido à fraca resistência dos solos e o dimensionamento da estrutura, devido à geometria e dimensões do edifício, permitiram enfrentar desafios interessantes. Tais desafios, deram possibilidade de enriquecer bastante os conhecimentos sobre a engenharia de estruturas.

Projecto de fundações e estrutura de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo

Este trabalho tem como objectivo a elaboração do projecto de estruturas de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo, caracterizando as suas diferentes fases de execução, desde a etapa inicial de concepção até à fase final de dimensionamento. Trata-se de um projecto complexo de uma estrutura com elementos estruturais em betão armado e pré-esforçado, e com muros de contenção. Na concepção do edifício foram utilizados os critérios gerais de dimensionamento presentes na regulamentação Europeia (Eurocódigos), uma vez que estes elementos representam o futuro da regulamentação de estruturas em termos Europeus, vindo substituir a nível nacional o “Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Betão Armado (RSA)” e o “Regulamento para Estruturas de Betão Armado e Pré- Esforçado (REBAP)”. A adopção das normas europeias representam assim um elevado desafio devido ao aumento da complexidade na concepção e dimensionamento de estruturas que estes regulamentos traduzem, principalmente o Eurocódigo 8, que define de um modo mais detalhado e complexo a análise sísmica, relativamente à regulamentação actual em vigor. Devido à elevada complexidade que os projectos de estruturas apresentam, utilizam-se actualmente ferramentas de cálculo automático. No dimensionamento deste edifício foi utilizado um programa tridimensional de elementos finitos para a modelação da estrutura. Pretende-se com a escolha deste projecto e dos métodos de dimensionamento presentes nos Eurocódigos, o desenvolvimento de um trabalho detalhado e correcto, permitindo assim adquirir conhecimentos importantes relativamente às futuras normas, e pôr em prática as competências e os conhecimentos obtidos ao longo curso.

Projecto de execução de uma obra de arte rodoviária

O presente trabalho foi realizado no âmbito do Trabalho Final de Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. O trabalho consistiu em realizar um Projecto de Execução de uma Passagem Superior com três tramos em Betão Armado e Pré-Esforçado. Foram tidos em conta os condicionamentos da topografia local, geotécnica e de traçado. O dimensionamento dos elementos estruturais foi efectuado de acordo com a regulamentação portuguesa actualmente em vigor, nomeadamente o Regulamento de Segurança e Acções (RSA) e o Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado (REBAP). A verificação da segurança foi efectuada em relação aos Estados Limites Últimos e de Utilização. Para a análise estrutural foi utilizado o programa de cálculo automático SAP2000.