Fracture behaviour of pultruded GRFP profiles: application to web-crippling phenomena

Lourenço Rocheta de Almeida Fernandes

Informações chave

Autores:

Lourenço Rocheta de Almeida Fernandes (Lourenço Rocheta de Almeida Fernandes)

Orientadores:

Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre (Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre), João Pedro Ramôa Ribeiro Correia (João Pedro Ramôa Ribeiro Correia)

Publicado em

11/12/2020

Resumo

Esta tese aborda dois temas distintos, aplicados a perfis pultrudidos de polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP): (i) a caracterização experimental da energia de fratura; e (ii) o esmagamento da alma de vigas estruturais. Estes temas apresentam âmbitos consideravelmente distintos, pois a energia de fratura é um tema vasto, que pode ser implementado numa grande variedade de aplicações, enquanto o esmagamento da alma é um caso estrutural bem conhecido e específico, envolvendo a aplicação de forças concentradas na direção transversal de um perfil. Contudo, estes dois temas intersetam-se nesta tese, devido ao potencial de implementação da energia de fratura em modelos numéricos de elementos finitos (EF) para simular a evolução do dano em materiais de rotura frágil, como materiais compósitos de GFRP. Esta metodologia numérica foi selecionada para simular a rotura por esmagamento da alma de perfis pultrudidos de GFRP, um tópico que ainda carece significativamente de investigação. Numa primeira fase, vários perfis pultrudidos de GFRP, produzidos por diferentes fabricantes e contendo diferentes teores e arquiteturas de fibras, foram submetidos a uma campanha de caracterização mecânica, orientada para determinar as suas propriedades elásticas e resistentes à tração, compressão e corte. Adicionalmente, estes materiais foram submetidos a ensaios de calcinação, com o objetivo de avaliar a arquitetura de fibras de cada material, assim como o teor de fibras para diversas orientações. Através deste programa experimental, as propriedades mecânicas transversais de cada material foram totalmente caracterizadas e avaliadas em relação à arquitetura de fibras. Tendo caracterizado o comportamento mecânico de cada material, o estudo da caracterização da energia de fratura consistiu, numa primeira fase, no desenvolvimento de metodologias experimentais para determinar as propriedades de fratura na direção transversal de vários materiais pultrudidos de GFRP. Nesse sentido, foram realizados ensaios de tração compacta (CT) com o objetivo de avaliar a energia de fratura transversal em tração (G2 + ) dos vários materiais. No entanto, verificou-se existir uma dependência significativa dos resultados em relação à geometria dos provetes e, portanto, esta configuração de ensaio teve de ser modificada. A dependência dos resultados em relação à geometria dos provetes foi atribuída à curta largura dos mesmos, que impediu o desenvolvimento do processo de fratura. Como alternativa, foi implementado o ensaio de tração compacta alargado (WCT). A geometria de um provete WCT resume-se a um provete CT com o dobro da largura, proporcionando espaço adicional para o crescimento da fenda. Ao combinar ensaios WCT e métodos de processamento de dados baseados em observações visuais do crescimento de fendas, foram determinadas estimativas satisfatórias de G2 + para a maioria dos provetes ensaiados. Verificou-se ainda que o valor de G2 + apresenta uma tendência exponencial em relação ao teor de fibras de reforço transversal (fibras orientadas a 45° ou 90°). De seguida, a energia de fratura em compressão transversal (G2 - ) foi avaliada através de ensaios de compressão compacta (CCT), associados a uma metodologia numérica inversa. Esta metodologia consistiu em calibrar as energias de fratura e a tensão residual de modelos numéricos de EF, para se atingir um ajuste adequado entre as curvas força vs. deslocamento experimentais e numéricas. Desta forma, os valores de G2 - foram determinados para todos os materiais, tendo-se encontrado uma tendência diferente nestes resultados, quando comparados aos resultados de G2 + , pois teores de fibra mais elevados na direção transversal não originaram um aumento significativo dos valores de G2 - . This thesis addresses two main research topics, both of which are applied to pultruded glass fibre reinforced polymer (GFRP) materials and profiles: (i) fracture toughness; and (ii) webcrippling of structural beams. These are considerably different topics, as fracture toughness is a topic that can be implemented in a wide variety of frameworks, whereas web-crippling is a wellknown and specific structural case, involving concentrated transverse loads. However, these two topics closely intersect in this thesis, as fracture toughness properties can be implemented in finite element (FE) numerical models to simulate damage evolution of brittle materials, such as GFRP composites. This numerical methodology was thus selected to simulate the web-crippling failure of pultruded GFRP profiles, a topic that currently has significant research needs. In an initial stage, several pultruded GFRP materials, produced by different manufacturers and comprising different fibre contents and layups, were subjected to a comprehensive mechanical characterization campaign, focusing on determining the elastic and strength properties in tension, compression and shear. In addition, these materials were subjected to calcination tests to assess the fibre layup of each material and the fibre content in each direction. Through this experimental programme, the transverse mechanical properties of each test material were fully characterized and assessed in respect to the fibre layup. Having characterized the mechanical behaviour of each material, the initial part of the study on fracture toughness characterization consisted of developing experimental methodologies to determine the fracture properties in the in-plane transverse direction of several pultruded GFRP materials. To this end, compact tension tests (CT) were initially carried out to assess the transverse tensile fracture properties (G2 + ) of the various tested materials. However, significant specimen geometry dependency was found in the results and thus the test configuration had to be reconfigured. The specimen geometry dependency found in the results was attributed to the short width of the specimens, which hindered the development of the fracture process. As an alternative, the wide compact tension test (WCT) was implemented. The WCT specimen geometry consists of CT specimens with doubled width, providing additional room for crack growth. By combining WCT tests with data reduction methods based on visual observations of crack growth, accurate estimates of G2 + were determined for most tested materials. G2 + was found to present an exponential trend in regard to the transverse reinforcement fibre content (fibres oriented at 45° or 90°). In a subsequent step, the transverse compressive fracture toughness (G2 - ) of the tested materials was assessed through compact compression tests (CCT) coupled with an inverse numerical methodology. This methodology consisted of calibrating FE numerical models in respect to their fracture properties and residual strength, in order to provide the best fit between numerical and experimental load vs. displacement curves. Through this procedure, the transverse compressive fracture properties of all materials were assessed and a different trend was found in these results, when compared to G2 + results, as higher transverse reinforcement fibre content did not lead to increasing G2 - values.