Caratterizzazione meccanica di un incollaggio acciaio-CFRP per applicazione automotive

Nella tesi viene caratterizzato meccanicamente un giunto incollato acciaio-CFRP usato nella produzione di un componente automotive. In particolare viene analizzata l'influenza data da trattamenti termici di invecchiamento e sono messe a confronto diverse tipologie di adesivi.

Studio del decadimento delle proprietà meccaniche di compositi CFRP sottoposti a invecchiamento termico

I componenti del carbonio in ambito strutturale (aeronautico, navale, automobilistico) sono soggetti a deterioramenti ambientali di difficile determinazione, in particolare alla temperatura e all'umidità. Scopo di questa tesi è determinare i danneggiamenti dei materiali compositi CFRP in funzione di un invecchiamento a diverse percentuali della temperatura di transizione vetrosa Tg. In particolare si vuole studiare e approfondire il processo di reazione della matrice e del carbonio. Per meglio descrivere il procedimento di deterioramento e reazione del materiale composito dovuto ad alti livelli di temperatura, mi sono avvalso del supporto pratico dell’azienda “Riba Composites” di Faenza che in particolare si occupa della prototipazione e produzione di componenti strutturali in materiali compositi avanzati e che si è dimostrata leader nel settore dei compositi CFRP. Pochi studi sono stati condotti su tale argomento. Da qui il mio interesse specifico nel volere studiare e dimostrare come questo processo possa ulteriormente apportare un aiuto agli studi in ambito strutturale già effettuati e pubblicati precedentemente. La dimostrazione pratica della seguente tesi è avvenuta, con l’aiuto dell’Ing. Paolo Proli, nel laboratorio di MaSTeR Lab dell’Università di Bologna, dove si è deciso di eseguire vari invecchiamenti termici a diverse temperature per constatare i livelli di deterioramento e influenza delle variazioni di temperatura sulla matrice del composito preso in analisi. Gli effetti di tale studi sono stati sostenuti anche grazie alla guida del Professore Lorenzo Donati, e verranno dettagliatamente evidenziati nello specifico con spiegazioni in ambito teorico e dimostrazioni pratiche affiancate da schemi dimostrativi e supporto grafico.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Simulazione numerica di incollaggi single-strap joint

Nel presente lavoro sono esposti i comportamenti e le caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un single-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Travi in parete sottile con deformabilità a taglio e distorsione di sezione: formulazione teorica, modellazione numerica e applicazioni

Il presente lavoro di tesi ha riguardato una riformulazione teorica, una modellazione numerica e una serie di applicazioni della Generalized Beam Theory per lo studio dei profili in parete sottile con particolare riguardo ai profili in acciaio formati a freddo. In particolare, in questo lavoro è proposta una riscrittura della cinematica GBT che introduce in una forma originale la deformabilità a taglio della sezione. Tale formulazione consente di conservare il formato della GBT classica e introducendo uno spostamento di warping variabile lungo lo spessore della generica parete della sezione trasversale, garantisce perfetta coerenza tra la componente flessionale e tagliante della trave. E' mostrato, come tale riscrittura consente in maniera agevole di ricondursi alle teorie classiche di trave, anche deformabili a taglio. Inoltre, in tale contesto, è stata messa a punto una procedura di ricostruzione dello sforzo tridimensionale in grado ricostruire la parte reattiva delle componenti di tensioni dovuta al vincolamento interno proprio di un modello a cinematica ridotta. Sulla base di tali strumenti, è stato quindi proposto un approccio progettuale dedicato ai profili in classe 4, definito ESA (Embedded Stability Analysis), in grado di svolgere le verifiche coerentemente con quanto prescritto dalle normative vigenti. Viene infine presentata una procedura numerica per la progettazione di sistemi di copertura formati a freddo. Tale procedura permette di effettuare in pochi semplici passi il progetto dell'arcareccio e dei dettagli costruttivi relativi alla copertura.

Simulazione numerica di incollaggi double-strap joint

Esposizione di comportamenti e caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un double-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Studio e progettazione di giunti incollati di tipo strutturale per applicazioni aeronautiche

Il presente elaborato è stato approfondito e sviluppato presso lo stabilimento della Blackshape Aircraft S.p.A. sito in Monopoli (Bari). L’obiettivo è stato principalmente orientato sull’individuazione di un metodo di progettazione di giunzioni incollate fra laminati in CFRP basato su di un modello matematico in grado di prevederne la resistenza. Per realizzare tale studio sono stati necessari approfondimenti preliminari relativi al comportamento meccanico dei laminati in materiale composito e agli studi condotti da Hart-Smith sulla teoria degli incollaggi. E’ stato determinato un metodo analitico per il calcolo della lunghezza di sovrapposizione degli aderenti. Il criterio di resistenza del giunto individuato, basato sulla teoria del cedimento multiassiale di Von Mises, è stato approvato dalla Agenzia Europea per la Sicurezza Aerea, EASA. A livello numerico-pratico è stato preso in esempio il giunto fra i gusci di fusoliera relativi al nuovo velivolo Blackshape con certificazione VLA (Very Light Aircraft).

Influenza del rapporto lunghezza/diametro sulla resistenza a taglio in temperatura di giunti incollati tramite adesivo epossidico

Studio dell'influenza del rapporto d'aspetto (lunghezza/diametro) sulla resistenza a taglio di un giunto incollato tramite adesivo epossidico in temperatura. Sono stati utilizzati quattro diversi rapporti d'aspetto e il materiale è un acciaio C40. Sono state eseguite prove di spiantaggio su diversi "pin" e "collar" e poi elaborati i dati con una metodologia statistica. La temperatura in questione è di 60 gradi e lo studio analizza se il rapporto d'aspetto ha influenza o meno sulla resistenza a taglio dell'adesivo epossidico.

Comparison between ACI 440 and FIB 14 design guidelines in using CFRP for strengthening of a concrete bridge headstock

This paper compares and reviews the recommendations and contents of the guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures reported by ACI committee 440 and technical report of Externally bonded FRP reinforcement for RC structures (FIB 14) in application of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites in strengthening of an aging reinforced concrete headstock. The paper also discusses the background, limitations, strengthening for flexure and shear, and other related issues in use of FRP for strengthening of a typical reinforced concrete headstock structure such as durability, de-bonding, strengthening limits, fire and environmental conditions. A case study of strengthening of a bridge headstock using FRP composites is presented as a worked example in order to illustrate and compare the differences between these two design guidelines when used in conjunction with the philosophy of the Austroads (1992) bridge design code.

Strengthening of circular hollow steel tubular sections using high modulus CFRP sheets

This paper describes the behaviour of very high strength (VHS) circular steel tubes strengthened by carbon fibre reinforced polymer (CFRP) and subjected to axial tension. A series of tests were conducted with different bond lengths and number of layers. The distribution of strain through the thickness of CFRP layers and along CFRP bond length was studied. The strain was found to generally decrease along the CFRP bond length far from the joint. The strain through the thickness of the CFRP layers was also found to decrease from bottom to top layer. The effective bond length for high modulus CFRP was established. Finally empirical models were developed to estimate the maximum load for a given CFRP arrangement.

Bond–slip models for double strap joints strengthened by CFRP

This paper presents the results of a series of tension tests on CFRP bonded steel plate double strap joints. The main aim of this research is to provide detailed understanding of bond characteristics using experimental and numerical analysis of strengthened double strap joints under tension. A parametric study has been performed by numerical modelling with the variables of CFRP bond lengths, adhesive maximum strain and adhesive layer thicknesses. Finally, bond-slip models are proposed for three different types of adhesives within the range of the parametric study.

Bond characteristics between CFRP and steel plates in double strap joints

This paper describes a series of double strap shear tests loaded in tension to investigate the bond between CFRP sheets and steel plates. Both normal modulus (240 GPa) and high modulus (640 GPa) CFRPs were used in the test program. Strain gauges were mounted to capture the strain distribution along the CFRP length. Different failure modes were observed for joints with normal modulus CFRP and those with high modulus CFRP. The strain distribution along the CFRP length was found to be similar for the two cases. A shorter effective bond length was obtained for joints with high modulus CFRP whereas larger ultimate load carrying capacity can be achieved for joints with normal modulus CFRP when the bond length is long enough. The Hart-Smith Model was modified to predict the effective bond length and ultimate load carrying capacity of joints between the normal modulus CFRP and steel plates. The Multilayer Distribution Model developed by the authors was modified to predict the load carrying capacity of joints between the high modulus CFRP and steel plates. The predicted values agreed well with experimental ones.

Experimental and finite element analysis of a double strap joint between steel plates and normal modulus CFRP

Strengthening of steel structures using externally-bonded carbon fibre reinforced polymers ‘CFRP’ is a rapidly developing technique. This paper describes the behaviour of axially loaded flat steel plates strengthened using carbon fibre reinforced polymer sheets. Two steel plates were joined together with adhesive and followed by the application of carbon fibre sheet double strap joint with different bond lengths. The behaviour of the specimens was further investigated by using nonlinear finite element analysis to predict the failure modes and load capacity. In this study, bond failure is the dominant failure mode for normal modulus (240 GPa) CFRP bonding which closely matched the results of finite elements. The predicted ultimate loads from the FE analysis are found to be in good agreement with experimental values.

A review on environmental durability of CFRP strengthened system

Recently the use of the carbon fibre reinforced polymer(CFRP) composites appears to be an excellent solution for retrofitting and strengthening of concrete and steel structures because of its superior physical and mechanical properties through the integration of other materials. However, the overall functionality and durability under various environmental conditions of the system has not yet been well documented. This paper reviews the environmental durability of CFRP strengthened system that has received only small coverage in previous review articles. Future research topics have also been indentified, such as durability of steel circular hollow section under various environmental conditions subjected to bending. Environment of interests are moisture/solution, alkalinity, creep/relaxation, fatigue, fire, thermal effects (including freeze-thaw), and ultraviolet exposure.