Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico estático de diferentes cabos poliméricos reforçados por fibras em solicitações de tração e flexão através de ensaios experimentais, modelos analítico e numérico, inserindo as incertezas probabilísticas experimentais. Diferentes fios de compósitos pultrudados de seção circular foram ensaiados experimentalmente para se determinar seus respectivos coeficientes de atrito estático (COF), módulo de elasticidade (E1), coeficiente de Poisson (12) e máxima deformação axial na ruptura (). Cabos utilizando fibras de carbono e resina epóxi de arquitetura 1×7 foram ensaiados experimentalmente em tração e flexão 4 pontos, os resultados foram comparados com um modelo analítico bidimensional simplificado adaptado do modelo de Costello e com um modelo numérico tridimensional dedicado. Considerou-se as incertezas probabilísticas em ambos os modelos incorporando as variações experimentais das principais propriedades de entrada. O modelo numérico foi empregado para o estudo de cabos com construções híbridas (fios de diferentes compósitos). Como principais resultados para o cabo 1×7 CFRP, a carga de ruptura média em tração foi 190,25 kN, em flexão o cabo apresentou uma força média de 598,5 N para um deslocamento de 10 mm. O modelo numérico mostrou-se muito confiável, com uma diferença de -1,15% (181,1 kN) em relação aos resultados experimentais médios para tração, mas o modelo analítico simplificado apresentou diferenças acima de 10%. Para os ensaios em flexão o desempenho dos dois modelos foram similares, o numérico apresentou uma diferença de -3,11% (580,5 N) com relação ao experimental e o modelo analítico apresentou diferença acima de 10% (680,5 N). As análises estatísticas constataram não haver diferenças significativas entre os resultados do modelo numérico em relação ao experimental para ambas as solicitações analisadas. Por outro lado, há uma diferença estatística significativa entre os resultados experimentais e os gerados pelo modelo analítico. Concluiu-se também que todos as propriedades de entrada contribuem de maneira similar aos resultados dos dois modelos. Com o modelo numérico, comprovou-se a ocorrência de escorregamento entre os fios do cabo levando a uma perda da seção transversal circular e diminuição do momento de inércia. Encontrou-se o melhor compromisso entre maior flexibilidade em flexão sem comprometer a resistência à tração, para o cabo 1×7 com passo entre 90 e 150 mm, e que a variação do COF não afeta significativamente o desempenho do cabo em tração e flexão. Por fim, os demais resultados obtidos empregando este modelo indicam que os cabos de compósitos, mesmo em construções multicamadas, apresentam um real potencial de aplicação em diversos setores da engenharia. / The aim of this work is to evaluate the static mechanical behavior of different fiber reinforced polymer cables in tensile and flexural stresses through experimental, analytical and numerical models, inserting the experimental probabilistic uncertainties. Different wires of pultruded composites of circular section were tested experimentally to determine their respective coefficients of static friction (COF), modulus of elasticity (E1), Poisson coefficient (12) and maximum axial deformation at rupture (). Cables using carbon fibers and epoxy resin of 1 × 7 architecture were tested experimentally in traction and 4-point bending, the results were compared with a simplified two-dimensional analytical model adapted from the Costello model and also with a dedicated three-dimensional numerical model. Probabilistic uncertainties were considered in both models by incorporating the experimental variations of the main input properties. The numerical model was used for the study of cables with hybrid constructions (wires of different composites). As the main results for the 1 × 7 CFRP cable, the average tensile ultimate load was 190.25 kN, in flexion the cable had a mean force of 598.5 N for a displacement of 10 mm. The numerical model was very reliable, with a difference of -1.15% (181.1 kN) in relation to the average experimental results for traction, but the simplified analytical model presented differences above 10% For the bending test the performance of the two models was similar, the numerical one presented a difference of -3.11% (580.5 N) in relation to the experimental one and the analytical model showed difference above 10% (680.5 N) . Statistical analysis showed that there were no significant differences between the results of the numerical model in relation to the experimental one for both analyzed requests. On the other hand, there is a statistically significant difference between the experimental results and those generated by the analytical model. It was also concluded that all input properties contribute in a similar way to the results of the two models. With the numerical model, it was verified the occurrence of sliding between the cables of the cable leading to a loss of the circular cross section and decrease of the moment of inertia. The best compromise between greater bending flexibility without compromising tensile strength was found for the 1 × 7 cable with pitch length between 90 and 150 mm, and that the COF variation did not significantly affect the cable's performance in traction and bending. Finally, the other results obtained using this model indicate that composite cables, even in multilayer constructions, present a real potential of application in several engineering sectors.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Joaquim Figueiras

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico estático de diferentes cabos poliméricos reforçados por fibras em solicitações de tração e flexão através de ensaios experimentais, modelos analítico e numérico, inserindo as incertezas probabilísticas experimentais. Diferentes fios de compósitos pultrudados de seção circular foram ensaiados experimentalmente para se determinar seus respectivos coeficientes de atrito estático (COF), módulo de elasticidade (E1), coeficiente de Poisson (12) e máxima deformação axial na ruptura (). Cabos utilizando fibras de carbono e resina epóxi de arquitetura 1×7 foram ensaiados experimentalmente em tração e flexão 4 pontos, os resultados foram comparados com um modelo analítico bidimensional simplificado adaptado do modelo de Costello e com um modelo numérico tridimensional dedicado. Considerou-se as incertezas probabilísticas em ambos os modelos incorporando as variações experimentais das principais propriedades de entrada. O modelo numérico foi empregado para o estudo de cabos com construções híbridas (fios de diferentes compósitos). Como principais resultados para o cabo 1×7 CFRP, a carga de ruptura média em tração foi 190,25 kN, em flexão o cabo apresentou uma força média de 598,5 N para um deslocamento de 10 mm. O modelo numérico mostrou-se muito confiável, com uma diferença de -1,15% (181,1 kN) em relação aos resultados experimentais médios para tração, mas o modelo analítico simplificado apresentou diferenças acima de 10%. Para os ensaios em flexão o desempenho dos dois modelos foram similares, o numérico apresentou uma diferença de -3,11% (580,5 N) com relação ao experimental e o modelo analítico apresentou diferença acima de 10% (680,5 N). As análises estatísticas constataram não haver diferenças significativas entre os resultados do modelo numérico em relação ao experimental para ambas as solicitações analisadas. Por outro lado, há uma diferença estatística significativa entre os resultados experimentais e os gerados pelo modelo analítico. Concluiu-se também que todos as propriedades de entrada contribuem de maneira similar aos resultados dos dois modelos. Com o modelo numérico, comprovou-se a ocorrência de escorregamento entre os fios do cabo levando a uma perda da seção transversal circular e diminuição do momento de inércia. Encontrou-se o melhor compromisso entre maior flexibilidade em flexão sem comprometer a resistência à tração, para o cabo 1×7 com passo entre 90 e 150 mm, e que a variação do COF não afeta significativamente o desempenho do cabo em tração e flexão. Por fim, os demais resultados obtidos empregando este modelo indicam que os cabos de compósitos, mesmo em construções multicamadas, apresentam um real potencial de aplicação em diversos setores da engenharia. / The aim of this work is to evaluate the static mechanical behavior of different fiber reinforced polymer cables in tensile and flexural stresses through experimental, analytical and numerical models, inserting the experimental probabilistic uncertainties. Different wires of pultruded composites of circular section were tested experimentally to determine their respective coefficients of static friction (COF), modulus of elasticity (E1), Poisson coefficient (12) and maximum axial deformation at rupture (). Cables using carbon fibers and epoxy resin of 1 × 7 architecture were tested experimentally in traction and 4-point bending, the results were compared with a simplified two-dimensional analytical model adapted from the Costello model and also with a dedicated three-dimensional numerical model. Probabilistic uncertainties were considered in both models by incorporating the experimental variations of the main input properties. The numerical model was used for the study of cables with hybrid constructions (wires of different composites). As the main results for the 1 × 7 CFRP cable, the average tensile ultimate load was 190.25 kN, in flexion the cable had a mean force of 598.5 N for a displacement of 10 mm. The numerical model was very reliable, with a difference of -1.15% (181.1 kN) in relation to the average experimental results for traction, but the simplified analytical model presented differences above 10% For the bending test the performance of the two models was similar, the numerical one presented a difference of -3.11% (580.5 N) in relation to the experimental one and the analytical model showed difference above 10% (680.5 N) . Statistical analysis showed that there were no significant differences between the results of the numerical model in relation to the experimental one for both analyzed requests. On the other hand, there is a statistically significant difference between the experimental results and those generated by the analytical model. It was also concluded that all input properties contribute in a similar way to the results of the two models. With the numerical model, it was verified the occurrence of sliding between the cables of the cable leading to a loss of the circular cross section and decrease of the moment of inertia. The best compromise between greater bending flexibility without compromising tensile strength was found for the 1 × 7 cable with pitch length between 90 and 150 mm, and that the COF variation did not significantly affect the cable's performance in traction and bending. Finally, the other results obtained using this model indicate that composite cables, even in multilayer constructions, present a real potential of application in several engineering sectors.

Este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico estático de diferentes cabos poliméricos reforçados por fibras em solicitações de tração e flexão através de ensaios experimentais, modelos analítico e numérico, inserindo as incertezas probabilísticas experimentais. Diferentes fios de compósitos pultrudados de seção circular foram ensaiados experimentalmente para se determinar seus respectivos coeficientes de atrito estático (COF), módulo de elasticidade (E1), coeficiente de Poisson (12) e máxima deformação axial na ruptura (). Cabos utilizando fibras de carbono e resina epóxi de arquitetura 1×7 foram ensaiados experimentalmente em tração e flexão 4 pontos, os resultados foram comparados com um modelo analítico bidimensional simplificado adaptado do modelo de Costello e com um modelo numérico tridimensional dedicado. Considerou-se as incertezas probabilísticas em ambos os modelos incorporando as variações experimentais das principais propriedades de entrada. O modelo numérico foi empregado para o estudo de cabos com construções híbridas (fios de diferentes compósitos). Como principais resultados para o cabo 1×7 CFRP, a carga de ruptura média em tração foi 190,25 kN, em flexão o cabo apresentou uma força média de 598,5 N para um deslocamento de 10 mm. O modelo numérico mostrou-se muito confiável, com uma diferença de -1,15% (181,1 kN) em relação aos resultados experimentais médios para tração, mas o modelo analítico simplificado apresentou diferenças acima de 10%. Para os ensaios em flexão o desempenho dos dois modelos foram similares, o numérico apresentou uma diferença de -3,11% (580,5 N) com relação ao experimental e o modelo analítico apresentou diferença acima de 10% (680,5 N). As análises estatísticas constataram não haver diferenças significativas entre os resultados do modelo numérico em relação ao experimental para ambas as solicitações analisadas. Por outro lado, há uma diferença estatística significativa entre os resultados experimentais e os gerados pelo modelo analítico. Concluiu-se também que todos as propriedades de entrada contribuem de maneira similar aos resultados dos dois modelos. Com o modelo numérico, comprovou-se a ocorrência de escorregamento entre os fios do cabo levando a uma perda da seção transversal circular e diminuição do momento de inércia. Encontrou-se o melhor compromisso entre maior flexibilidade em flexão sem comprometer a resistência à tração, para o cabo 1×7 com passo entre 90 e 150 mm, e que a variação do COF não afeta significativamente o desempenho do cabo em tração e flexão. Por fim, os demais resultados obtidos empregando este modelo indicam que os cabos de compósitos, mesmo em construções multicamadas, apresentam um real potencial de aplicação em diversos setores da engenharia. / The aim of this work is to evaluate the static mechanical behavior of different fiber reinforced polymer cables in tensile and flexural stresses through experimental, analytical and numerical models, inserting the experimental probabilistic uncertainties. Different wires of pultruded composites of circular section were tested experimentally to determine their respective coefficients of static friction (COF), modulus of elasticity (E1), Poisson coefficient (12) and maximum axial deformation at rupture (). Cables using carbon fibers and epoxy resin of 1 × 7 architecture were tested experimentally in traction and 4-point bending, the results were compared with a simplified two-dimensional analytical model adapted from the Costello model and also with a dedicated three-dimensional numerical model. Probabilistic uncertainties were considered in both models by incorporating the experimental variations of the main input properties. The numerical model was used for the study of cables with hybrid constructions (wires of different composites). As the main results for the 1 × 7 CFRP cable, the average tensile ultimate load was 190.25 kN, in flexion the cable had a mean force of 598.5 N for a displacement of 10 mm. The numerical model was very reliable, with a difference of -1.15% (181.1 kN) in relation to the average experimental results for traction, but the simplified analytical model presented differences above 10% For the bending test the performance of the two models was similar, the numerical one presented a difference of -3.11% (580.5 N) in relation to the experimental one and the analytical model showed difference above 10% (680.5 N) . Statistical analysis showed that there were no significant differences between the results of the numerical model in relation to the experimental one for both analyzed requests. On the other hand, there is a statistically significant difference between the experimental results and those generated by the analytical model. It was also concluded that all input properties contribute in a similar way to the results of the two models. With the numerical model, it was verified the occurrence of sliding between the cables of the cable leading to a loss of the circular cross section and decrease of the moment of inertia. The best compromise between greater bending flexibility without compromising tensile strength was found for the 1 × 7 cable with pitch length between 90 and 150 mm, and that the COF variation did not significantly affect the cable's performance in traction and bending. Finally, the other results obtained using this model indicate that composite cables, even in multilayer constructions, present a real potential of application in several engineering sectors.

Esta pesquisa tem como objetivo analisar a resistência ao trincamento, bem como princípio de propagação de trincas e previsão vida de fadiga de misturas asfálticas empregando o ensaio de flexão em amostra semicircular com fenda (semi-circular bending test – SCB), estático e dinâmico, respectivamente. As trincas que surgem nos revestimentos asfálticos revelam-se como um dos grandes danos que afetam diretamente a serventia e qualidade das estruturas de pavimentos flexíveis. Considerando que a reabilitação dos pavimentos fissurados é geralmente onerosa, revela-se um grande desafio aos engenheiros projetistas dimensionar misturas asfálticas a quente que apresentem resistência suficiente capaz de evitar tanto a deformação permanente, quanto o trincamento por fadiga. Sendo assim, a primeira etapa desta pesquisa analisa três misturas asfálticas, dosadas pelo método Superpave: uma com cimento asfáltico de petróleo CAP 50/70, outra com asfalto modificado por polímero AMP 60/85 e a terceira com asfalto borracha AB8. Os resultados indicam para a maior rigidez da mistura com asfalto modificado, que também apresentou maior vida de fadiga. Os corpos de prova com CAP 50/70 e AB8 apresentaram-se dúcteis e com menor velocidade de propagação das microtrincas. A segunda parte deste trabalho apresenta os resultados dos ensaios conduzidos em amostras com asfalto convencional no teor de projeto (TP) e com 0,5% a mais de ligante asfáltico (TP+0,5%), simulando a camada rich-bottom, amplamente utilizada em projetos de pavimentos perpétuos. Quando comparada a mistura no teor ótimo, aquela com maior quantidade de ligante garante uma mistura mais flexível, pois requer maiores deslocamentos para que se atinja o número de ciclos necessários ao desenvolvimento do trincamento e à ruptura. / This study aims to analyze the cracking resistance, as well as the principle of cracking propagation and prediction of fatigue life in hot mix asphalt (HMA) by means of the semi-circular bending test (SCB), static and dynamic, respectively. Pavement surface cracking is one of the major distress mechanisms that affect the serviceability and quality of flexible pavement structures. Considering that the rehabilitation of a damaged pavement is generaly costly, it becomes a challenge for the engineers to design HMA that endures both rutting and fatigue cracking. Therefore, the first part of this research investigates the cracking resistance and fatigue life of three asphalt concrete mixes, designed by the Superpave method: one with standard binder pen50/70, a polymer modified PMB60/85 (softening point/elastic recuperation) and a third mix with asphalt-rubber binder type AB8. The results indicated to the PMB60/85 mixture stiffness that also presented longer fatigue life. The samples with binder pen50/70 e AB8 demonstrated more ductility, with less microcracks propagation speed. The second part of this work presents the results of tests conducted on standard binder pen50/70 specimens at the design asphalt binder content and with a binder additional of 0,5%, representing the rich-bottom layer, widely used in perpetual pavement structures. The +0,5% asphalt content mix provided a more flexible mixture when compared to the mix at design binder content, because required higher displacements to reach the number of cycles to the development of cracking and failure.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil - Especialização em Geotecnia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Esta pesquisa tem como objetivo analisar a resistência ao trincamento, bem como princípio de propagação de trincas e previsão vida de fadiga de misturas asfálticas empregando o ensaio de flexão em amostra semicircular com fenda (semi-circular bending test – SCB), estático e dinâmico, respectivamente. As trincas que surgem nos revestimentos asfálticos revelam-se como um dos grandes danos que afetam diretamente a serventia e qualidade das estruturas de pavimentos flexíveis. Considerando que a reabilitação dos pavimentos fissurados é geralmente onerosa, revela-se um grande desafio aos engenheiros projetistas dimensionar misturas asfálticas a quente que apresentem resistência suficiente capaz de evitar tanto a deformação permanente, quanto o trincamento por fadiga. Sendo assim, a primeira etapa desta pesquisa analisa três misturas asfálticas, dosadas pelo método Superpave: uma com cimento asfáltico de petróleo CAP 50/70, outra com asfalto modificado por polímero AMP 60/85 e a terceira com asfalto borracha AB8. Os resultados indicam para a maior rigidez da mistura com asfalto modificado, que também apresentou maior vida de fadiga. Os corpos de prova com CAP 50/70 e AB8 apresentaram-se dúcteis e com menor velocidade de propagação das microtrincas. A segunda parte deste trabalho apresenta os resultados dos ensaios conduzidos em amostras com asfalto convencional no teor de projeto (TP) e com 0,5% a mais de ligante asfáltico (TP+0,5%), simulando a camada rich-bottom, amplamente utilizada em projetos de pavimentos perpétuos. Quando comparada a mistura no teor ótimo, aquela com maior quantidade de ligante garante uma mistura mais flexível, pois requer maiores deslocamentos para que se atinja o número de ciclos necessários ao desenvolvimento do trincamento e à ruptura. / This study aims to analyze the cracking resistance, as well as the principle of cracking propagation and prediction of fatigue life in hot mix asphalt (HMA) by means of the semi-circular bending test (SCB), static and dynamic, respectively. Pavement surface cracking is one of the major distress mechanisms that affect the serviceability and quality of flexible pavement structures. Considering that the rehabilitation of a damaged pavement is generaly costly, it becomes a challenge for the engineers to design HMA that endures both rutting and fatigue cracking. Therefore, the first part of this research investigates the cracking resistance and fatigue life of three asphalt concrete mixes, designed by the Superpave method: one with standard binder pen50/70, a polymer modified PMB60/85 (softening point/elastic recuperation) and a third mix with asphalt-rubber binder type AB8. The results indicated to the PMB60/85 mixture stiffness that also presented longer fatigue life. The samples with binder pen50/70 e AB8 demonstrated more ductility, with less microcracks propagation speed. The second part of this work presents the results of tests conducted on standard binder pen50/70 specimens at the design asphalt binder content and with a binder additional of 0,5%, representing the rich-bottom layer, widely used in perpetual pavement structures. The +0,5% asphalt content mix provided a more flexible mixture when compared to the mix at design binder content, because required higher displacements to reach the number of cycles to the development of cracking and failure.

Esta pesquisa tem como objetivo analisar a resistência ao trincamento, bem como princípio de propagação de trincas e previsão vida de fadiga de misturas asfálticas empregando o ensaio de flexão em amostra semicircular com fenda (semi-circular bending test – SCB), estático e dinâmico, respectivamente. As trincas que surgem nos revestimentos asfálticos revelam-se como um dos grandes danos que afetam diretamente a serventia e qualidade das estruturas de pavimentos flexíveis. Considerando que a reabilitação dos pavimentos fissurados é geralmente onerosa, revela-se um grande desafio aos engenheiros projetistas dimensionar misturas asfálticas a quente que apresentem resistência suficiente capaz de evitar tanto a deformação permanente, quanto o trincamento por fadiga. Sendo assim, a primeira etapa desta pesquisa analisa três misturas asfálticas, dosadas pelo método Superpave: uma com cimento asfáltico de petróleo CAP 50/70, outra com asfalto modificado por polímero AMP 60/85 e a terceira com asfalto borracha AB8. Os resultados indicam para a maior rigidez da mistura com asfalto modificado, que também apresentou maior vida de fadiga. Os corpos de prova com CAP 50/70 e AB8 apresentaram-se dúcteis e com menor velocidade de propagação das microtrincas. A segunda parte deste trabalho apresenta os resultados dos ensaios conduzidos em amostras com asfalto convencional no teor de projeto (TP) e com 0,5% a mais de ligante asfáltico (TP+0,5%), simulando a camada rich-bottom, amplamente utilizada em projetos de pavimentos perpétuos. Quando comparada a mistura no teor ótimo, aquela com maior quantidade de ligante garante uma mistura mais flexível, pois requer maiores deslocamentos para que se atinja o número de ciclos necessários ao desenvolvimento do trincamento e à ruptura. / This study aims to analyze the cracking resistance, as well as the principle of cracking propagation and prediction of fatigue life in hot mix asphalt (HMA) by means of the semi-circular bending test (SCB), static and dynamic, respectively. Pavement surface cracking is one of the major distress mechanisms that affect the serviceability and quality of flexible pavement structures. Considering that the rehabilitation of a damaged pavement is generaly costly, it becomes a challenge for the engineers to design HMA that endures both rutting and fatigue cracking. Therefore, the first part of this research investigates the cracking resistance and fatigue life of three asphalt concrete mixes, designed by the Superpave method: one with standard binder pen50/70, a polymer modified PMB60/85 (softening point/elastic recuperation) and a third mix with asphalt-rubber binder type AB8. The results indicated to the PMB60/85 mixture stiffness that also presented longer fatigue life. The samples with binder pen50/70 e AB8 demonstrated more ductility, with less microcracks propagation speed. The second part of this work presents the results of tests conducted on standard binder pen50/70 specimens at the design asphalt binder content and with a binder additional of 0,5%, representing the rich-bottom layer, widely used in perpetual pavement structures. The +0,5% asphalt content mix provided a more flexible mixture when compared to the mix at design binder content, because required higher displacements to reach the number of cycles to the development of cracking and failure.