When designing structures and vehicles using composite materials, engineers need access to critical information regarding the composite materials in question. This information describes the strength, stiffness, failure mode, and other variables that can be used to properly determine how a structure will perform while undergoing various loads and effects. Within boat building industries, several ISO standards are leveraged to allow for easier and faster design of new craft. One suite of ISO standards that provide this information is the ISO 12215 group. Within this group, ISO 12215-5:2019 provides calculation methods for designing boats using fiberglass and carbon fiber composites as well as the values required to do so. Diab, a manufacturer of composite materials that are often used by boat building companies, provides guidance and its expertise when designing and building with the materials they fabricate and sell. Being familiar with the ISO 12215 standards, Diab has helped multiple customers better understand the process of designing small boats with composite materials. To ensure that it provides accurate information, Diab has validated many of the values outlined in ISO 12215-5:2019. One set of values still need to be validated, the compression strength and stiffness of an E type fiberglass. To do so, Diab engineers would like to fabricate and test coupons in a 4-point bending test then compare the results to the values outlined within ISO 12215-5:2019. This thesis outlines the theory, method, tests, and results found while validating this information. The project found that the fiberglass likely has a higher failure strength and a lower stiffness than outlined in the ISO standard. The team members in this project had hypothesized that the strength in the standard would be lower for safety reasons.

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One of the major health problems in western societies is back pain, with a prevalence rate of 49%–80%. In many cases, the back pain is due to degenerated discs. The gold standard to treat a severely degenerated disc is spinal fusion, where the vertebral disc is replaced with a cage structure. However, fusion cages have a failure rate of 30%, hence the need for further development. The focus of this thesis is to evaluate the combination of calcium phosphate cement with titanium, for a spinal application. Mechanical tests in the form of tensile, compression and 4-point-bending were performed to study the different material properties. The obtained results was applied as material parameters for isotropic linear elastic material models, using ANSYS. This was then used to develop a cage design through topology optimisation which was further evaluated by using Finite Element Analysis. From the tensile testing of the titanium, isotropic behaviour was found. It was also found that a longer mixing time of the cement resulted in poorer mechanical properties of the calcium phosphate, however, no conclusive results were obtained from the 4-point-bending tests. The final cage geometry filled with calcium phosphate was tested under compression to see whether the cage could protect the calcium phosphate or not. MicroCT after the test confirmed that no larger cracks developed during the testing, suggesting that the cage is strong enough to protect the calcium phosphate from mechanical failure.

With the vast array of genetically altered (knockout) mice becoming available there is a need for quantitative, repeatable, and efficient methodologies to characterize the phenotypic consequences of knocking out specific genes. Since knockout animals often have the ability to compensate for a single missing gene, it is important to examine the structural, material and morphological properties to obtain a thorough understanding of the changes occurring. For this project, femurs of knockout mice were first scanned using microcomputed tomography (micro-CT) to obtain high-resolution images of the trabecular bone in the distal femur, as well as cortical bone in the mid-diaphysis. After scanning, the femurs were tested to destruction in four-point bending at the mid-diaphysis about the medial lateral axis of the femur. These methodologies allowed quantification of (1) morphologic properties such as bone volume fraction, trabecular properties and 2nd moment of the area (2) structural properties such as stiffness, maximum load at failure, and post yield deformation and (3) material properties such as bone mineral density, elastic modulus and yield strength. As part of two independent studies, two different knockout mice, cyclooxygenase-2 (COX-2 -/-) and Apolipoprotein E (APOE -/-), were examined for structure-function relationships using these methodologies. COX-2 knockout mice were found to have decreased mineral content in their femurs, and increased post yield deformation. APOE knockout mice at 10 weeks of age had decreased bone mass and structural properties. However, by 40 weeks of age APOE deficient mice caught up to and exceeded the structural properties and bone mass of their wild type counterparts.

L’objectif de ce travail est d’établir des relations entre chimie d’interface et propriétés mécaniques dans les assemblages bimétalliques. Il met en évidence que les mécanismes qui contrôlent le développement d’une interface entre alliage Al-Si et renfort ferreux ou titane ont une influence majeure sur les propriétés mécaniques de cette interface. La caractérisation mécanique des interfaces est réalisée par un test de flexion 4 points sur des lames bimétallique élaborées par aluminiage au trempé sur lesquelles un raidisseur est rapporté par collage ou surmoulage. L’évolution de la chimie de la zone de réaction interfaciale est provoquée par un traitement thermique à 535°C à différents temps. La caractérisation des zones de réaction ainsi que des chemins de fissuration est réalisée par diffraction des rayons X et microsonde électronique. Pour les interfaces Fe/A-S7G03 brutes d’élaboration, avant traitement thermique, l’analyse des essais mécaniques conduit à l’obtention d’une valeur du taux de restitution d’énergie de 23 J/m2 qui correspond à la propagation d’une fissure dans la phase η−Al5Fe2(Si). En ce qui concerne les interfaces Ti/A-S7G03, leur force n’a pas permis la propagation d’une fissure dans les conditions de l’essai. A la suite d’un traitement thermique à 535°C, les interfaces Fe/A-S7G03 sont fragilisées par le mécanisme de croissance de la couche de réaction interfaciale qui conduit à l’apparition de porosités Kirkendall en son sein. A l’inverse, dans le cas des interfaces Ti/A-S7G03, aucun affaiblissement de l’interface n’est associé au traitement thermique en raison d’un mécanisme de croissance différent. / The objective of this work is to establish the relationships between interface chemistry and mechanical properties in bimetallic assemblies. It proves that the mechanisms which control the development of an interface between Al-Si alloy and titanium or ferrous reinforcement have a major influence on the mechanical properties of this interface. The mechanical characterization of these interfaces is performed by a 4-point bending test on the bimetallic plates elaborated by hot dip aluminizing on which a stiffener is joined by bonding or overmolding. The chemistry evolution of the interfacial reaction zone is induced by a heat treatment at 535 °C at different reaction times. The characterization of reaction zones and the crack paths is performed by X-ray diffraction and electron probe microanalysis. Before heat treatment, the analysis of mechanical tests performed on Fe/A-S7G03 interfaces leads to a value for the energy release rate of 23 J/m2 which corresponds to a crack propagation in the η- Al5Fe2 (Si) phase. As regards the Ti/A-S7G03 interfaces, their strength did not allow a crack propagation under the test conditions. After a heat treatment at 535°C, the Fe/A-S7G03 interfaces are weakened by the growth mechanism of interfacial reaction layer which leads to the appearance of Kirkendall voids within it. Conversely, in the case of Ti/A-S7G03 interfaces, the heat treatment is not associated with any weakening of the interfacial zone because of a different growth mechanism.

Auf der Basis der Bemessungsgrundlagen (DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und DIN 1045-1) wurden ausgewählte Bauteilversuche mit entsprechenden rechnerischen Überprüfungen der experimentell ermittelten Ergebnisse durchgeführt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Ermittlung der Effizienz von ausgewählten Stahlfasern in Betonen mit und ohne Betonstahlbewehrung in durch Biegung ohne Längskraft belasteten Versuchskörpern unter Betrachtung der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZG) und Tragfähigkeit (GZT). Das Versuchsprogramms umfasste neben der Prüfung ausgewählter Frischbetoneigenschaften die Bestimmung von Festbetonparametern an standardisierten Probekörpern. Des Weiteren wurden 4-Punkt-Biegezugversuche an Balken mit den Abmessungen l/h/b = 70/15/15 cm aus reinem Stahlfaserbeton sowie stahlfaserbewehrtem Stahlbeton, in Anlehnung an das DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ vom DAfStb, durchgeführt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Materialversuchen im Labormaßstab wurden anschließend Untersuchungen an großformatigen Biegebalken (l/h/b = 420/40/20 cm) durchgeführt. Im Weiteren erfolgten Prüfungen und Auswertungen von Einzelfaserausziehversuchen mit ausgewählten Stahldrahtfasern in Verbindung mit Betonen unterschiedlicher Druckfestigkeit unter Berücksichtigung des Einflusses der Einbindelänge sowie des Einbindewinkels. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die auf der Grundlage der 4-Punkt-Biegezugversuche ermittelten Ergebnisse analysiert und mit dem derzeit gültigen Bemessungsmodell nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ rechnerisch überprüft. Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgte die Entwicklung eines Ansatzes zur Optimierung der bestehenden Bemessungsansätze. Gegenstand dieser Forschungsarbeit war ebenfalls die Entwicklung eines Fasermodells, mit dem man auf der Grundlage des eingesetzten Fasergehaltes und der Faserart Rückschlüsse auf die Faseranzahl in einer rechteckigen Bruchfläche ziehen kann. Hierbei wurde ein Modell für Rechteckquerschnitte entwickelt, welches es ermöglicht, die durchschnittliche Faseranzahl in einer Bruchfläche, auf der Basis vereinfachter Annahmen, abzuschätzen. Die Verifizierung des Modells erfolgte durch den Vergleich der errechneten Faseranzahl mit zahlreichen experimentellen Versuchsergebnissen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Herleitung bzw. Generierung von Bemessungshilfsmitteln zur Biegebemessung von Stahlfaserbeton mit und ohne Betonstahlbewehrung behandelt. Die Ausführungen beziehen sich dabei auf dimensionslose Bemessungstafeln und Interaktionsdiagrammen für Rechteckquerschnitte.

Disertační práce se zabývala vlivem adheze mezi vláknovým (FRC) a částicovým (PFC) kompozitem a složením obou komponent na mechanické vlastnosti a způsob porušování modelových bi-materiálových kompozitních těles při statickém namáhání. Zkoumán byl také vliv způsobu přípravy bi-materiálového kompozitního tělesa na pevnost adheze mezi jeho kompozitními komponentami. K hodnocení mechanických vlastností bi-materiálových PFC/FRC těles byl použit jak 3 tak 4-bodový ohybový test za pokojové teploty a relativní vlhkosti 70%. Modifikovaný vytrhávací test byl použit k měření smykové pevnosti adheze mezi vláknovým a částicovým kompozitem. Tyto výsledky byly korelovány s výsledky ze strukturní a fraktografické analýzy (TGA, SEM). Experimentální data byla poté analyzována pomocí existujících mikromechanických modelů a byl nalezen vztah mezi tuhostí modelových bi-materiálových těles, složením a geometrií uspořádání jejich komponent a pevností adheze mezi těmito komponentami. Na základě těchto výsledků byl navržen optimální způsob vrstvení a přípravy PFC/FRC bimateriálových těles. Navržené postupy byly použity k přípravě a pre-klinickým testům nosných konstrukcí zubních můstků.

Auf der Basis der Bemessungsgrundlagen (DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und DIN 1045-1) wurden ausgewählte Bauteilversuche mit entsprechenden rechnerischen Überprüfungen der experimentell ermittelten Ergebnisse durchgeführt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Ermittlung der Effizienz von ausgewählten Stahlfasern in Betonen mit und ohne Betonstahlbewehrung in durch Biegung ohne Längskraft belasteten Versuchskörpern unter Betrachtung der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZG) und Tragfähigkeit (GZT). Das Versuchsprogramms umfasste neben der Prüfung ausgewählter Frischbetoneigenschaften die Bestimmung von Festbetonparametern an standardisierten Probekörpern. Des Weiteren wurden 4-Punkt-Biegezugversuche an Balken mit den Abmessungen l/h/b = 70/15/15 cm aus reinem Stahlfaserbeton sowie stahlfaserbewehrtem Stahlbeton, in Anlehnung an das DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ vom DAfStb, durchgeführt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Materialversuchen im Labormaßstab wurden anschließend Untersuchungen an großformatigen Biegebalken (l/h/b = 420/40/20 cm) durchgeführt. Im Weiteren erfolgten Prüfungen und Auswertungen von Einzelfaserausziehversuchen mit ausgewählten Stahldrahtfasern in Verbindung mit Betonen unterschiedlicher Druckfestigkeit unter Berücksichtigung des Einflusses der Einbindelänge sowie des Einbindewinkels. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die auf der Grundlage der 4-Punkt-Biegezugversuche ermittelten Ergebnisse analysiert und mit dem derzeit gültigen Bemessungsmodell nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ rechnerisch überprüft. Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgte die Entwicklung eines Ansatzes zur Optimierung der bestehenden Bemessungsansätze. Gegenstand dieser Forschungsarbeit war ebenfalls die Entwicklung eines Fasermodells, mit dem man auf der Grundlage des eingesetzten Fasergehaltes und der Faserart Rückschlüsse auf die Faseranzahl in einer rechteckigen Bruchfläche ziehen kann. Hierbei wurde ein Modell für Rechteckquerschnitte entwickelt, welches es ermöglicht, die durchschnittliche Faseranzahl in einer Bruchfläche, auf der Basis vereinfachter Annahmen, abzuschätzen. Die Verifizierung des Modells erfolgte durch den Vergleich der errechneten Faseranzahl mit zahlreichen experimentellen Versuchsergebnissen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Herleitung bzw. Generierung von Bemessungshilfsmitteln zur Biegebemessung von Stahlfaserbeton mit und ohne Betonstahlbewehrung behandelt. Die Ausführungen beziehen sich dabei auf dimensionslose Bemessungstafeln und Interaktionsdiagrammen für Rechteckquerschnitte.

The diploma thesis deals with using of reinforcing composite materials in asphalt layers. These geosynthetic materials are in road construction used especially to reduce spreading cracks and extend the service life of the construction. As par of this work, test specimens of different types of asphalt layers were produced. These samples were subjected to laboratory testing, where the results of different reinforced asphalt slabs were compared. Within the diploma thesis primarily deals with the testing of the shear bond strength between asphalt layers in order to determine what are the other influencing factors of the test. Another part of the thesis is the 4-point bending test, during which a special technology in the form of a DIC camera was used to monitor the behavior of the asphalt layer over time.