Temperature-dependent behaviour and viscoelasticity of fibre polymer composites and polymeric foams used in sandwich panels

Eloísa Maria Castilho dos Santos

Key information

Authors:

Eloísa Maria Castilho dos Santos (Eloísa Maria Castilho dos Santos)

Supervisors:

João Pedro Lage da Costa Firmo (João Pedro Lage da Costa Firmo); Mário Alexandre de Jesus Garrido (Mário Alexandre De Jesus Garrido); João Pedro Ramôa Ribeiro Correia (João Pedro Ramôa Ribeiro Correia)

Published in

December 4, 2025

Abstract

Esta tese investiga o comportamento mecânico de compósitos de polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP) e espumas de polietileno tereftalato (PET) a temperatura elevada (TE), considerando a sua aplicação estrutural em painéis sanduíche. O desempenho dos laminados GFRP como lâmina externa e da espuma PET como núcleo é analisado, focando-se no comportamento dependente do tempo e da temperatura — um fator crítico em materiais poliméricos sujeitos a temperaturas de serviço elevadas ou à ação do fogo. A primeira parte do trabalho aborda o comportamento mecânico dos laminados de GFRP a TE, avaliando a influência da temperatura nas propriedades mecânicas em tração e compressão, com especial ênfase no papel da arquitetura das fibras nos mecanismos de degradação. São caracterizadas experimentalmente três configurações de fibras (unidirecional, bidirecional e “off-axis”) e identificam-se diferenças na degradação térmica das propriedades, distinguindo entre comportamentos dominados pela matriz ou pelas fibras. Verificou-se que a degradação do módulo elástico longitudinal varia significativamente consoante a orientação das fibras. Para complementar os resultados experimentais, foi desenvolvido um modelo baseado na Teoria Clássica de Laminados (CLT), que permite prever analiticamente a degradação térmica do módulo elástico considerando a arquitetura das fibras. Este modelo é particularmente relevante no dimensionamento de painéis sanduíche, uma vez que estes elementos são frequentemente condicionados pelos estados limite de serviço (SLS). A segunda parte da tese investiga o comportamento viscoelástico de curta duração dos laminados de GFRP e da espuma PET sob TE. Ensaios de fluência com duração de 3h, a temperaturas até 300◦C, revelaram um comportamento diferido significativamente dependente da temperatura, em particular devido ao amolecimento da matriz. A adequabilidade de modelos analíticos para descrever a fluência de curta duração sob TE foi verificada, após calibração com os dados experimentais. Considera-se que os contributos desta tese poderão ser relevantes no desenvolvimento de disposições melhoradas para a análise e o dimensionamento da resistência ao fogo de estruturas sanduíche em GFRP, assim como na melhoria das disposições de projeto para aplicações em ambiente exterior, onde as temperaturas de serviço podem atingir valores relativamente elevados. This thesis investigates the mechanical behaviour of glass fibre-reinforced polymer (GFRP) composites and polyethylene terephthalate (PET) foams at elevated temperatures (ET), considering their use in structural applications of sandwich panels. The study advances the understanding of the mechanical performance of GFRP laminates as outer skins and PET foam as a core material, focusing on their time- and temperature-dependent behaviour — a critical factor when considering polymeric materials exposed to high service temperatures or f ire. The first part of the work focuses on the mechanical behaviour of GFRP laminates at ET, evaluating the influence of temperature on their tensile and compressive properties, with particular emphasis on the role of fibre architecture on degradation mechanisms. The study experimentally characterises three fibre configurations (unidirectional, bidirectional and offaxis) and identifies differences in the temperature-dependent reduction of mechanical properties, distinguishing fibre- and matrix-dominated behaviour. Elastic modulus degradation was observed to vary significantly with fibre orientation. To complement the experimental f indings, a Classical Laminate Theory (CLT)-based model was used to analytically predict the temperature-dependent degradation of the longitudinal modulus, considering the fibre architecture. This model is particularly relevant for sandwich panel design, as these members are often governed by serviceability limit states (SLS). The second part of the thesis investigates the short-term creep behaviour of both GFRP laminates and PET foam under ET. Creep tests were conducted for 3h at temperatures up to 300◦C, showing significant temperature-dependent viscoelastic behaviour, particularly due to the matrix softening. The suitability of analytical creep models to describe the short-term creep behaviour at ET was assessed. These models, calibrated with the experimental data, were found to be appropriate for simulating short-term creep at ET. The contributions of this thesis are expected to be useful for the development of improved provisions for the analysis and design of the fire resistance behaviour of GFRP sandwich structures. In addition, they can also be used to improve the design guidance for outdoor applications, where service temperatures can be relatively high.