Carbon fiber reinforced composites are utilized in many design applications where high strength, low weight, and/or high stiffness are required. While composite materials can provide high strength and stiffness-to-weight ratios, they are also more complicated to analyze due to their inhomogeneous nature. One important failure mode of composite structures is delamination. This failure mode is common when composite laminates are subject to impact loading. Various finite element methods for analyzing delamination exist. In this research, a modeling strategy based on contact tiebreak definitions in LS-DYNA®was used. A finite element model of a low-velocity impact event was created to predict delamination in a composite laminate. The resulting delamination relative size and shape was found to partially agree with analytical and experimental results for similar impact events, while the force-time plot agreed well with experimental results. A small difference in contact time in the simulation compared to experimental testing is likely due to the omission of composite failure modes other than delamination. Experimental impact testing and subsequent vibrothermography analysis showed delamination damage in locations shown in previous research. This confirmed the validity of vibrothermography as a nondestructive evaluation technique for analyzing post-impact delamination.

This master’s thesis deals with the composite materials and especially aims on the carbon and glass fiber composites. It points out different composition types and manufacturing methods which reflect in the different mechanical properties, final quality of the manufactured part and also in the manufacturing time. The practical part includes two particular manufacturing methods using prepregs, one cured in an autoclave and one by hot compression moulding.

Composite materials offer a high strength-to-weight ratio and directional load bearing capabilities. Compression molding of composite materials yields a superior surface finish and good dimensional stability between component lots with faster processing compared to traditional manufacturing methods. This experimental compression molding capability was developed for the ME composites lab using unidirectional carbon fiber prepreg composites. A direct comparison was drawn between autoclave and compression molding methods to validate compression molding as an alternative manufacturing method in that lab. A method of manufacturing chopped fiber from existing unidirectional prepreg materials was developed and evaluated using destructive testing methods. The results from testing both the continuous and chopped fiber were incorporated into the design of a functionally graded hybrid continuous and chopped carbon fiber component, the manufacture of which resulted in zero waste prepreg material.

The manufacture, laminate design, and modeling of a part with complex geometry are explored. The ultimate goal of the research is to produce a model that accurately predicts part stiffness. This is validated with experimental results of composite parts, which refine material properties for use in a final prototype part model. The secondary goal of this project is to explore manufacturing methods for improved manufacturability of the complex part. The manufacturing portion of the thesis and feedback into material model has incorporated a senior project team to perform research on manufacturing and create composite part to be used for experimental testing. The senior project was designed, led, and managed by the author with support from the committee chair. Finite element modeling was refined using data from coupon 3-point bend testing to improve estimates on material properties. These properties were fed into a prototype part model which predicted deflection of composite parts with different layups and materials. The results of the model were compared to experimental results from prototype part testing and 3rd party analysis. The results showed that an accurate mid-plane shell element model could be used to accurately predict deflection for 2 of 3 experimental parts. There are recommendations in the thesis to further validate the models and experimental testing.

The diploma thesis describes the design of a carbon fiber monocoque Formula Student car according to current rules. The first part is focused on construction solutions of frames used in Formula Student cars. Following is a summary of the important rules for constructing composite monocoque. Subsequently are described composite materials and their properties. The main part of the thesis deals with the structural design of the CAD program and a computational model to simulate the load case in FEM program. The obtained results from the analysis of the monocoque are compared with the values allowed by the rules of Formula Student. In conclusion of this thesis is evaluated the proposed composite monocoque.

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang

Im Luftfahrtbereich haben sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten längst als Konstruktionswerkstoffe etabliert. In der Großserienfertigung von Automobilkarosserien kommt diese Materialgruppe jedoch nur zögerlich zum Einsatz. Offensichtlich sprechen noch viele Argumente für den Einsatz von metallischen Werkstoffen: Denn auch Leichtmetalle und pressgehärtete Stähle ermöglichen immer höhere Leichtbaugrade, ohne dabei signifikante Kostensteigerungen zu generieren. Zudem sind Fertigungs- und Montageabläufe für Metallkarosserien etabliert und weitgehend frei von Entwicklungsrisiken. Vor diesem Hintergrund erscheint es schwer, mit neuen Leichtbaumaterialien und den zugehörigen Bauweisen einen Durchbruch erzielen zu können. Dabei zeigt das Produktsegment der Supersportwagen schon deutlich, dass zusätzliche Leichtbaupotentiale durch beanspruchungsgerecht gestaltete und optimierte CFK-Strukturen für den Automobilbau eröffnet werden. Bislang lassen sich derartig optimierte CFK-Strukturen jedoch kaum wettbewerbsfähig in Großserie realisieren. An dieser Stelle ergeben sich Chancen und zugleich neue Herausforderungen für die Produktentwickler: Zum einen sind Faserverbundbauweisen zu erarbeiten, mit denen die Leichtbaupotentiale von CFK weitgehend ausgereizt werden. Zum anderen ist die automatisierte Fertigung bei hohen Taktraten zu ermöglichen. Die Lösung beider Teilaufgaben setzt den Einsatz geeigneter materialspezifischer Konstruktionsmethoden voraus.

This article reports the successful manufacturing of hybrid yarns from virgin staple CF (40 or 60 mm) or recycled staple CF (rCF) by mixing with polyamide 6 (PA 6) fibers of defined length. The hybrid yarns are produced using an optimized process route of carding, drawing, and flyer machine. Furthermore, the influence of CF length, CF type (i.e. virgin or rCF), CF volume content, and twist of the yarn are also investigated regarding the tensile properties of unidirectionally laid (UD) thermoplastic composites. The results show that CF length, yarn twist, and CF content of composites play a big role on the tensile properties of thermoplastic composites. From the comparison of tensile strength of UD composites produced from 40 and 60mm virgin staple CF, it can be seen that the increase of yarn twist decreases the tensile strength. However, the effect of twist on the tensile properties of UD composites manufactured from 40mm virgin staple CF is insignificant. The tensile strength of UD thermoplastic composites manufactured from the hybrid yarn with 40 and 60mm virgin staple CF and rCF is found to be 771 ± 100, 838 ± β1, and 801 ± 53.4 MPa, respectively, in the case of 87 T/m containing 50 volume% CF.

La demande mondiale en fibre de carbone est estimée à 89 000 tonnes en 2020. Une quantité croissante de déchets de composites renforcés à fibres de carbone (PRFC) est donc attendue. Le recyclage des fibres de carbone, produits de forte valeur ajoutée, contenues dans les composites, présente des avantages économiques et environnementaux qui sont aujourd'hui la force motrice pour le développement des filières de recyclage. L'objectif est de récupérer les fibres de carbone afin de pouvoir envisager un réemploi dans d'autres applications. Leurs propriétés mécaniques et structurales doivent alors être le plus proche possible de celles des fibres neuves. C'est dans ce but que le procédé de vapo-thermolyse a été développé au sein du laboratoire RAPSODEE. La vapo-thermolyse est le procédé qui combine la pyrolyse et la vapeur d'eau surchauffée à pression ambiante afin de décomposer la matrice organique du composite. Le travail a consisté à effectuer une étude de l'échelle laboratoire à l'échelle pilote sur la valorisation des composites à fibres de carbone par le procédé de vapo-thermolyse. Notre étude se focalise sur les composites thermoplastiques provenant des chutes de fabrication. Deux types de composites, disponibles en industrie, avec les matrices polyamide 6 et polysulfure de phénylène ont été utilisées. Les analyses thermogravimétriques et l'étude cinétique ont permis une compréhension initiale du comportement thermique des composites et ont prouvé l'efficacité de la présence de la vapeur d'eau. A l'échelle pilote, des plans d'expériences ont été effectués pour déterminer les meilleures conditions opératoires du procédé de vapo-thermolyse, en regardant l'efficacité de la dégradation des résines polymériques et la qualité des fibres obtenues. Les fibres récupérées avec les conditions opératoires optimales sont propres, régulières et similaires aux fibres neuves. Elles conservent plus de 80 % de leur résistance à la traction initiale. Les liquides et gaz sortants du procédé ont été identifiés et quantifiés. A la fin, une analyse du cycle de vie (ACV) a permis de comparer les impacts environnementaux d'un scénario sans recyclage des composites et un autre avec recyclage par le procédé de vapo-thermolyse. Cette étude montre que la valorisation des composites par récupération des fibres de carbone, amène des avantages évidents d'un point de vue environnemental. / The global demand for carbon fiber is forecast to rise to 89,000 tonnes by 2020, therefore an increasing amount of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) waste is expect to be generated. Recycling of carbon fibers, a high value added material, from the composite waste offers both environmental and economic incentives for the development of recycling routes. The aim is to recover the carbon fibers, as close as possible to their initial state, in order to envisage a reuse in other applications. For this purpose, steam-themolysis has been developed at RAPSODEE Laboratory. Steam-thermolysis is a process that combines pyrolysis and superheated steam at atmospheric pressure to decompose the organic matrix of the composite. The work consists of a study of recovering carbon fibers by steam-thermolysis of the composites at both the laboratory and pilot scale. In this work the samples under investigation includes thermoplastic composites from manufacturing cut-offs. Two commercially available composites of polyamide and polyphenylene sulfide resins were studied. Thermo-gravimetric analyses and kinetic studies were conducted to understand the thermal behavior of the samples and to prove the efficiency of the steam-thermolysis compared to conventional pyrolysis. At the pilot scale, an experimental design was carried out to determine the best possible operational conditions of the steam-thermolysis process in terms of the removal efficiency of the polymer matrix and the quality of the recovered carbon fibers. The carbon fibers recovered from the optimized steam-thermolysis process presented a resin free and uniform surface. They retained over 80 % of their original tensile strength. The outgoing liquids and gases of the process were identified and quantified. Finally, a life cycle assessment (LCA) was performed to compare a scenario without recycling with one where the composites are recycled by steam-thermolysis. According to this study, the recycling of CFRP, with recovery of carbon fibers, provides clear environmental advantages.

i Abstract The Nockeby Bridge, in the western part of Stockholm, is a prestressed concrete bridge with an openable swing span of steel. The bridge was built during 1970 and should now be widened with 0.5 meters on each side. The concrete bridge deck is supported by two main-beams and cross-beams are located at the position of all supports. Previous studies of the bridge show that the torsional resistance is too low and the bridge needs strengthening while widened. The aim of this master  thesis  was  to  study  and  compare  different  strengthening  methods  for  The  Nockeby Bridge.  Eight  different  bridges  in  Sweden  and  China  were  reviewed  to  find  possible  strengthening  methods  for  The  Nockeby  Bridge.  External  prestressing  tendons  and  additional  cross-beams between  the  two  main-beams  were  seen  to  have  good  influence  on  the  resistance.  The  effect from strengthening with carbon-fiber reinforced polymer was questioned during small loads and was not seen as a suitable strengthening method for The Nockeby Bridge.  Four different FE-models were generated to be able to compare two strengthening methods. The compared strengthening methods were a method with additional cross-beams between the main-beams and a method with external prestressing tendons. All FE-models were built up by solid- and  truss  elements  where  the  concrete  was  modelled  with  solid  elements  and  the  prestressed reinforcement was modelled with truss elements.  Only a few load-cases were included to limit the scope of the study. The included load-cases were deadweight,  prestressing  forces  and  vehicle  load  from  standard  vehicle  F,  G,  H  and  I.  Two influence lines were created to be able to place the vehicle loads in an unfavorable way. From the FE-models, shear  stresses were  extracted  along two  lines, one  on  each  side  of the main-beam. The torsional part of the shear stresses was calculated from these two results and compared with the torsional resistance of the bridge. While calculating the torsional resistance, the normal force in the cross-section from prestress was extracted with the function “free body cut”. The results showed that none of the tested strengthening methods were enough to  strengthen The  Nockeby  Bridge.  However, the  method  with additional  cross-beams  was  seen  as  a  better method than external prestressing tendons. A combination of the two methods might be suitable but  was  not  tested.  Adding  four  cross-beams  in  each  span  might  also  increase  the  resistance enough, but this was neither tested. It was also seen that a reduction of the torsional stiffness had a large influence on the result. Such a reduction is allowed in some cases and should be utilized if possible. Furthermore,  it  was  seen  that  solid-models  were  extremely  time  consuming  and  there  is  not  a  good alternative to design a bridge with only a solid model. / Nockebybron i västra Stockholm är en förspänd betongbro med ett öppningsbart svängspann av stål. Bron byggdes 1970 och ska nu breddas med 0.5 meter på varje sida. Betongplattan stöds upp av två huvudbalkar och tvärbalkar är placerade vid samtliga stöd. Tidigare studier av bron visar att brons vridstyvhet är låg och bron behöver förstärkas i samband med breddningen. Syftet med detta examensarbete är att undersöka och jämföra olika förstärkningsmetoder för Nockebybron. Åtta olika  broar  i  Sverige  och  Kina  undersöktes  för  att  hitta möjliga  förstärkningsåtgärder  för Nockebybron. Extern spännarmering och extra tvärbalkar mellan de två huvudbalkarna hade en bra inverkan på kapaciteten. Kapacitetsökningen fån förstärkning med kolfiberförstärkt plast är ifrågasatt vid låga laster och uppfattas inte som en bra metod för att förstärka Nockebybron.  Fyra     olika     FE-modeller     skapades     för     att     jämföra     två     förstärkningsmetoder. Förstärkningsmetoderna som jämfördes var metoden med extra tvärbalkar mellan huvudbalkarna samt   en   metod   extern   spännarmering.   Alla   FE-modeller   byggdes  upp   med  solid-  och stångelement  där  betongen  modellerades  med  solidelement  och  den  förspända  armeringen modellerades med stångelement.  Enbart ett fåtal lastfall inkluderades i studien för att minska studiens omfattning. De inkluderade lastfallen  var  egenvikt,  förspänningskrafter  samt  trafiklast  från  typfordon  F,  G,  H  och  I.  Två influenslinjer  skapades  för  att  placera  trafiklasten  på  ett  ogynnsamt  sätt.  Från  FE-modellerna extraherades   skjuvspänningar   från   bägge   sidor   av   en   av   huduvbalkarna.   Från   dessa skjuvspänningar   beräknades   vrid-delen   av   skjuvspänningarna   som   jämfördes   med   brons vridkapacitet.  När  vridkapaciteten  beräknades  togs  tryckkraften  från  tvärsnittet  fram  genom funktionen ”free body cut”.  Resultatet visade att ingen av de testade förstärkningsmetoderna var tillräckliga för att  förstärka Nockebybron.  Hur  som  helst,  metoden  med  extra  tvärbalkar  ansågs  som  en  bättre  metod  än extern  spännarmering.  En  kombination  av  de  bägge  förstärkningsmetoderna  kan  vara  lämplig men detta testades inte. Att lägga in fyra tvärbalkar i varje spann kan också leda till en tillräcklig ökning av kapaciteten, men detta fall testades inte heller. En reduktion av vridstyvheten sågs ha en stor påverkan på resultatet. En sådan reduktion är tillåten i vissa fall och borde utnyttjas om möjligt. Vidare  upptäcktes  att  en  solidmodell  är  väldigt  tidskrävande  varför  det  inte  är  lämpligt  att  dimensionera en bro enbart med hjälp av en solidmodell.