The continuing quest for higher performance levels of modern gas turbine engines has been accompanied by the demand for higher engine operating temperatures. The use of Thermal Barrier Coatings (TBCs) enabled gas turbines to operate at higher temperatures by protecting the blade material (nickel superalloy) while operating in extreme environments. The TBC system typically consists of a bond coat for protection of the nickel–based superalloy against oxidation followed by a top coat consisting of a thermally insulating zirconia-yttria. In addition to the complex gradation in phases, the coatings are subjected to continuous oxidation with service exposure, mechanical loading on rotating parts, fatigue, thermal mis-match and temperature gradients. Hence, the study of failure mechanisms of TBCs become important in deciding operational reliability and service life of the coating. As there are many systems in which the operating temperatures are not high enough to warrant the use of the top coat (ceramic layer), the study of failure mechanisms in superalloys coated with only the bond coat continue to be of great interest. The present work concentrates on the fracture behavior of NiAl bond coats on nickel superalloy and seeks to evaluate the fracture toughness of the coating through the use of micro-machined samples. A review of the relevant literature indicated that while a considerable body of work exists on bulk tests of failure (spalling, splitting, etc.), not much has been reported in the open literature on the evaluation of basic quantities such as the toughness of the coating itself. The present thesis seeks to establish a protocol for the evaluation of toughness and crack propagation mechanisms in coatings through a combination of micro-sample testing that allows fracture to be correlated with location in the film and the use of an analytical model to quantitatively evaluate stress intensity factors in a bi-material system. A system of NiAl coating produced by pack aluminizing is studied for the fracture properties of the coating. Specimen geometries are optimized to enable micro-cracks to be machined and propagated in a low load testing system, such as a depth sensing indenter, so that crack lengths (and position relative to the interface) can be correlated with load. To enable linear elastic theory to be used, dimensions are determined that allow fracture before general yielding. A three point bending test using miniaturized micro-beam specimens of ~ 4 X 0.3 X 0.3 mm is found to be suitable for the above purpose. The technique is a challenging one that requires focused ion beam machining (FIB) along with careful handling and alignment of small samples. The coatings are characterized for their microstructure by electron microscopy to identify compositional variation across the thickness and to determine the thickness of the coating and inter diffusion zone (IDZ). The crack advancement is monitored with increments of loading and the stress intensity factor is evaluated using a program written in “MAPLE” for an edge crack subjected to bending in a bilayered material. Surprisingly, fracture in this system is found to be stable owing to a gradual increase in toughness from the coating surface to the interface. Such an increase from less than 2 to more than 9 MPa m0.5 may be due to the increasing Ni/Al ratio across the thickness of the bond coat. Crack branching is observed as the crack approaches the IDZ and the reasons for such behaviour are not fully understood. This work establishes the viability of this technique to determine fracture properties in highly graded coated systems and may be readily extended to more complex coating architectures and other forms of loading such as cyclic, mixed mode, etc.

H αύξηση των περιβαλλοντικών, αισθητικών και λειτουργικών απαιτήσεων που πρέπει να πληρούν οι σύγχρονες κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού, σε συνδυασμό με την απαίτηση για συμπίεση του κόστους του κύκλου ζωής τους, οδηγούν στην ανάγκη για τη διερεύνηση της εφαρμογής νέων υλικών και μεθόδων που θα εφαρμοσθούν στη κατασκευή των δομικών έργων. Στην κατεύθυνση αυτή κινούνται οι μέθοδοι κατασκευής δομικών στοιχείων με τη χρήση παραμενόντων τύπων. Η παρούσα Διατριβή πραγματεύεται, τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο, το σχεδιασμό επίπεδων στοιχείων Ο/Σ που παρασκευάζονται έναντι παραμενόντων τύπων παρασκευασμένων από σύνθετα υλικά τσιμεντοειδούς μήτρας και οπλισμένων με πλέγματα μη μεταλλικών ινών (Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα-ΙΑΜ). Η Διατριβή αναπτύσσει την διαδικασία σχεδιασμού που προορισμός της είναι να ενσωματωθεί σε έναν αλγόριθμο βέλτιστου σχεδιασμού για την επίτευξη σχεδιαστικών λύσεων που θα αντιστοιχούν στο ελάχιστο κόστος κατασκευής για το σύμμεικτο στοιχείο. Η διαδικασία σχεδιασμού τροφοδοτείται από ένα εκτενές πρόγραμμα πειραματικών δοκιμών. / The continuously raising demands for cost effective and environmental friendly concrete structures which should fulfill also high aesthetic design criteria, lead the Engineers to explore new construction methods and materials. The application of semi-prefabrication techniques, involving the use of participating Stay-in-Place formwork elements seems to be an attractive solution. The present dissertation deals with the experimental and analytical investigation of one-way concrete slabs cast over Stay-In-Place formwork elements produced from cementitious composite materials reinforced with textile structures from non-metallic continuous fibers (Textile Reinforced Concrete). In this dissertation a design procedure for Composite Reinforced Concrete (RC)/TRC one-way slabs is developed. For the development of the design procedure the results from an extensive experimental investigation campaign were exploited. The campaign focused on the mechanical behavior of RC/TRC composite slabs under four point bending. Also tests on the formwork elements under four point bending tests were carried out. Ahead of the bending tests, uniaxial tension tests on dumbbell TRC specimens were conducted in order to characterize this composite material. Finally, the design procedure was integrated on a Genetic Algorithm in order to achieve minimum-cost design solutions.

A reciclagem de pavimentos com adição de cimento Portland é uma técnica que permite reutilizar estruturas degradadas de pavimentos flexíveis na conformação de uma nova camada estabilizada. Seu dimensionamento, no Brasil, tem sido abordado de forma empírica. Entretanto, os métodos racionais desenvolvidos para pavimentos semirrígidos estão baseados principalmente na previsão da vida de fadiga das camadas cimentadas, associada ao nível de deformação atuante na sua fibra inferior. Com o intuito de contribuir no desenvolvimento de um método de dimensionamento de pavimentos com camadas recicladas com adição de cimento, a pesquisa relatada nesta dissertação teve como objetivo principal o estudo laboratorial do comportamento a fadiga de misturas constituídas por fresado asfáltico (20%, 50% e 70%), brita graduada e cimento Portland (teores de 2% e 4%). O programa experimental foi baseado no protocolo para caraterização de materiais cimentados da Austroads (2008; 2012), para ensaios estáticos e de fadiga, além de recomendações para caracterização flexural da JCI (1984), procurando-se avaliar a sua aplicabilidade. Os ensaios de fadiga foram realizados em vigotas com dimensões 10 cm x 10 cm x 40 cm, curadas por pelo menos 28 dias. O modo dos ensaios foi o de tensão controlada como função da resistência à tração na flexão, previamente determinada. O sistema de carregamento é conhecido como fadiga a 4 pontos. Foram obtidos modelos de fadiga em função da tensão de tração atuante, da deformação inicial e da energia dissipada inicial. Os resultados dos ensaios estáticos indicam a predominante influência do teor cimento na resistência a tração na flexão das misturas (valores entre 0,21 MPa e 1,53 MPa), enquanto a porcentagem de fresado tem efeito significativo na deformação de ruptura, tornando as misturas mais dúcteis, e no Módulo de Elasticidade Flexural (que variou entre 1483 MPa e 12800 MPa). No caso dos ensaios de fadiga, os Módulos de Resiliência Flexural iniciais (valores entre 2913 MPa e 7725 MPa) mostraram-se mais dependentes do teor de cimento e independentes do nível de tensão. Nos modelos de fadiga obtidos, os valores dos exponentes de dano por deformação variaram entre 7 e 15, sendo próximos aos relatados pela Austroads para materiais cimentados. Esses modelos foram empregados na modelagem de estruturas de pavimento com camadas de base reciclada, de espessura de 18 cm a 40 cm, visando quantificar o efeito do teor de cimento e da porcentagem de fresado na vida de fadiga, bem como das espessuras da camada reciclada e da nova camada asfáltica sobrejacente. Observou-se que espessuras de camada reciclada inferiores a 30 cm terão curta vida de fadiga. Por outro lado, também ficou evidenciado que a vida de fadiga dessa camada depende significativamente da espessura da nova camada asfáltica sobrejacente, recomendando-se espessuras de no mínimo 10 cm. Finalmente, destaca-se que o volume de dados gerado durante os ensaios de fadiga, e seu processamento por meio de algoritmos desenvolvidos na pesquisa, permitiram abordar conceitos de energia dissipada, como aproximação à definição de critérios de micro e macrofissuração, o que mostrou a utilidade deste tipo de abordagem para futuras pesquisas. / Full-depth reclamation with Portland cement (FDR-C), is a technique allowing the reuse of flexible pavements damaged structures, in order to build a new stabilized layer. In Brazil, pavement design with FDR-C has been determined by empirical approaches. However, mechanistic approach developed for semi-rigid pavements mainly use fatigue relationships based on deformations occurring at the bottom of the cemented layer. In order to develop a pavement design method with FDR-C materials, this research work aimed to study, in laboratory, the fatigue behavior of FDR-C mixtures, for three cement grades (2 %, 4 % e 6 %) and three RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) percentages (20 %, 50 % e 70 %).The experimental program was based on the protocol for the characterization of cemented materials of the Austroads (2008; 2012), for static and dynamic tests, and on the recommendations for flexural characterization of concrete reinforced with steel fibers, of the JCI (1984), evaluating the availability of these procedures. Fatigue tests were executed using beams (10 cm x 10 cm x 40 cm), static compacted and with a minimum curing time of 28 days. Stress controlled mode was used, based on flexural strength, previously determined. Loading system was a four-point bending test. Were developed fatigue strain, stress and dissipated energy relationships. Static tests results show that cement is the principal influence on the flexural strength of the mixtures (0.21 MPa up to 1.53 MPa), while the RAP have a major effect in the increasing of the tensile strains making it more ductile (flexural elastic modulus were 1483 MPa up to 12800 MPa). In the case of fatigue tests, flexural modulus were more dependent on the degree of cementation (2913 MPa up to 7725 MPa), and not on the applied stress level. About the fatigue models of FDR-C mixtures, strain damage exponents (7 up to 15) were similar to those reported by Austroads. Laboratory models based on strain were used in modeling of pavement structures, with a FDR-C base layer. Results showed benefits of thickness in FDR-C mixtures and asphalt layers (18 cm up to 40 cm), in order to evaluate the effect of the cement and RAP content on fatigue life, and FDR-C new asphalt thickness as well. This model highlights that FDR-C with a thickness inferior than 30 cm will have a shorter fatigue life. On the other side, was showed that the fatigue life of this layer mainly depends on new hot mix asphalt thickness layer (thickness recommended up to 10 cm). Finally, the volume of data generated during the fatigue tests and his processing through algorithms developed in research allowed using dissipated energy criteria as an approximation of the definition of micro and macro-cracking limits which indicate the utility of this methodology for future research. / El reciclaje de pavimentos con adición de cemento Portland es una técnica que permite la reutilización de estructuras degradadas de pavimentos flexibles para la conformación de una nueva capa estabilizada. Su diseño, en Brasil, ha sido abordado de forma empírica. Sin embargo, métodos racionales desarrollados para pavimentos semirrígidos están basados en la vida de fatiga de las capas cementadas, asociada al estado de deformaciones actuante en su base. Con el objetivo de contribuir al desarrollo de un método de dimensionamiento de pavimentos con capas recicladas con adición de cemento, la investigación relatada en esta disertación tuvo como objetivo principal el estudio laboratorial del comportamiento de fatiga de mezclas constituidas por fresado asfáltico (20%, 50% y 70%), base granular y cemento Portland (2%, 4 % y 6 %). El programa experimental fue basado en protocolos de caracterización de materiales cementados de la Austroads (2008, 2012), para ensayos estáticos y de fatiga, además de recomendaciones para caracterización flexural de concreto reforzado con fibras de acero de la JCI (1984), procurando evaluar su aplicabilidad. Los ensayos de fatiga fueron realizados en vigotas con dimensiones de 10 cm x 10 x cm x 40 cm, moldadas estáticamente y curadas por lo menos 28 días. El modo de carga fue de esfuerzo controlado en función de la resistencia de tracción en la flexión, previamente determinada. El sistema de carga es conocido como fatiga 4 puntos. Los resultados de los ensayos estáticos mostraron una influencia predominante del contenido de cemento respecto a la resistencia flexural de las mezclas (valores entre 0,21 MPa y 1,53 MPa), mientras que el material fresado tiene un efecto significativo en la deformación de tracción al tonar más dúctiles las mezclas, afectando módulo de elasticidad flexural (valores entre 1483 MPa y 12800 MPa). En el caso de los ensayos de fatiga, los Módulos de Resiliencia Flexural iniciales (valores entre2913 MPa y 7725 MPa) mostraron ser más dependientes del grado de cementación e independientes del nivel de esfuerzo aplicado. Los valores de los exponentes de daño por deformación en los modelos de fatiga, que variaron entre 7 y 15, fueron próximos a los relatados por la Austroads. Estos modelos fueron usados en la modelación de estructuras de pavimento con capas de base reciclada, de espesor entre 18 cm y 40 cm, buscando cuantificar el efecto del contenido de cemento y de fresado en la vida de fatiga. Se observó que espesores de la capa reciclada inferiores a 30 cm tendrán corta vida de fatiga. Por otro lado, fue evidenciado que la vida de fatiga de esta capa depende significativamente del espesor del nuevo revestimiento asfáltico, recomendándose espesores superiores a 10 cm. Finamente, se destaca que el volumen de datos generados durante los ensayos de fatiga y su procesamiento por medio de algoritmos desarrollados en la investigación permitieron abordar conceptos de energía disipada, como aproximación a la definición de criterios de micro y macro fractura que mostraron la utilidad de este tipo de metodologías para estudios futuros.

A reciclagem de pavimentos com adição de cimento Portland é uma técnica que permite reutilizar estruturas degradadas de pavimentos flexíveis na conformação de uma nova camada estabilizada. Seu dimensionamento, no Brasil, tem sido abordado de forma empírica. Entretanto, os métodos racionais desenvolvidos para pavimentos semirrígidos estão baseados principalmente na previsão da vida de fadiga das camadas cimentadas, associada ao nível de deformação atuante na sua fibra inferior. Com o intuito de contribuir no desenvolvimento de um método de dimensionamento de pavimentos com camadas recicladas com adição de cimento, a pesquisa relatada nesta dissertação teve como objetivo principal o estudo laboratorial do comportamento a fadiga de misturas constituídas por fresado asfáltico (20%, 50% e 70%), brita graduada e cimento Portland (teores de 2% e 4%). O programa experimental foi baseado no protocolo para caraterização de materiais cimentados da Austroads (2008; 2012), para ensaios estáticos e de fadiga, além de recomendações para caracterização flexural da JCI (1984), procurando-se avaliar a sua aplicabilidade. Os ensaios de fadiga foram realizados em vigotas com dimensões 10 cm x 10 cm x 40 cm, curadas por pelo menos 28 dias. O modo dos ensaios foi o de tensão controlada como função da resistência à tração na flexão, previamente determinada. O sistema de carregamento é conhecido como fadiga a 4 pontos. Foram obtidos modelos de fadiga em função da tensão de tração atuante, da deformação inicial e da energia dissipada inicial. Os resultados dos ensaios estáticos indicam a predominante influência do teor cimento na resistência a tração na flexão das misturas (valores entre 0,21 MPa e 1,53 MPa), enquanto a porcentagem de fresado tem efeito significativo na deformação de ruptura, tornando as misturas mais dúcteis, e no Módulo de Elasticidade Flexural (que variou entre 1483 MPa e 12800 MPa). No caso dos ensaios de fadiga, os Módulos de Resiliência Flexural iniciais (valores entre 2913 MPa e 7725 MPa) mostraram-se mais dependentes do teor de cimento e independentes do nível de tensão. Nos modelos de fadiga obtidos, os valores dos exponentes de dano por deformação variaram entre 7 e 15, sendo próximos aos relatados pela Austroads para materiais cimentados. Esses modelos foram empregados na modelagem de estruturas de pavimento com camadas de base reciclada, de espessura de 18 cm a 40 cm, visando quantificar o efeito do teor de cimento e da porcentagem de fresado na vida de fadiga, bem como das espessuras da camada reciclada e da nova camada asfáltica sobrejacente. Observou-se que espessuras de camada reciclada inferiores a 30 cm terão curta vida de fadiga. Por outro lado, também ficou evidenciado que a vida de fadiga dessa camada depende significativamente da espessura da nova camada asfáltica sobrejacente, recomendando-se espessuras de no mínimo 10 cm. Finalmente, destaca-se que o volume de dados gerado durante os ensaios de fadiga, e seu processamento por meio de algoritmos desenvolvidos na pesquisa, permitiram abordar conceitos de energia dissipada, como aproximação à definição de critérios de micro e macrofissuração, o que mostrou a utilidade deste tipo de abordagem para futuras pesquisas. / Full-depth reclamation with Portland cement (FDR-C), is a technique allowing the reuse of flexible pavements damaged structures, in order to build a new stabilized layer. In Brazil, pavement design with FDR-C has been determined by empirical approaches. However, mechanistic approach developed for semi-rigid pavements mainly use fatigue relationships based on deformations occurring at the bottom of the cemented layer. In order to develop a pavement design method with FDR-C materials, this research work aimed to study, in laboratory, the fatigue behavior of FDR-C mixtures, for three cement grades (2 %, 4 % e 6 %) and three RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) percentages (20 %, 50 % e 70 %).The experimental program was based on the protocol for the characterization of cemented materials of the Austroads (2008; 2012), for static and dynamic tests, and on the recommendations for flexural characterization of concrete reinforced with steel fibers, of the JCI (1984), evaluating the availability of these procedures. Fatigue tests were executed using beams (10 cm x 10 cm x 40 cm), static compacted and with a minimum curing time of 28 days. Stress controlled mode was used, based on flexural strength, previously determined. Loading system was a four-point bending test. Were developed fatigue strain, stress and dissipated energy relationships. Static tests results show that cement is the principal influence on the flexural strength of the mixtures (0.21 MPa up to 1.53 MPa), while the RAP have a major effect in the increasing of the tensile strains making it more ductile (flexural elastic modulus were 1483 MPa up to 12800 MPa). In the case of fatigue tests, flexural modulus were more dependent on the degree of cementation (2913 MPa up to 7725 MPa), and not on the applied stress level. About the fatigue models of FDR-C mixtures, strain damage exponents (7 up to 15) were similar to those reported by Austroads. Laboratory models based on strain were used in modeling of pavement structures, with a FDR-C base layer. Results showed benefits of thickness in FDR-C mixtures and asphalt layers (18 cm up to 40 cm), in order to evaluate the effect of the cement and RAP content on fatigue life, and FDR-C new asphalt thickness as well. This model highlights that FDR-C with a thickness inferior than 30 cm will have a shorter fatigue life. On the other side, was showed that the fatigue life of this layer mainly depends on new hot mix asphalt thickness layer (thickness recommended up to 10 cm). Finally, the volume of data generated during the fatigue tests and his processing through algorithms developed in research allowed using dissipated energy criteria as an approximation of the definition of micro and macro-cracking limits which indicate the utility of this methodology for future research. / El reciclaje de pavimentos con adición de cemento Portland es una técnica que permite la reutilización de estructuras degradadas de pavimentos flexibles para la conformación de una nueva capa estabilizada. Su diseño, en Brasil, ha sido abordado de forma empírica. Sin embargo, métodos racionales desarrollados para pavimentos semirrígidos están basados en la vida de fatiga de las capas cementadas, asociada al estado de deformaciones actuante en su base. Con el objetivo de contribuir al desarrollo de un método de dimensionamiento de pavimentos con capas recicladas con adición de cemento, la investigación relatada en esta disertación tuvo como objetivo principal el estudio laboratorial del comportamiento de fatiga de mezclas constituidas por fresado asfáltico (20%, 50% y 70%), base granular y cemento Portland (2%, 4 % y 6 %). El programa experimental fue basado en protocolos de caracterización de materiales cementados de la Austroads (2008, 2012), para ensayos estáticos y de fatiga, además de recomendaciones para caracterización flexural de concreto reforzado con fibras de acero de la JCI (1984), procurando evaluar su aplicabilidad. Los ensayos de fatiga fueron realizados en vigotas con dimensiones de 10 cm x 10 x cm x 40 cm, moldadas estáticamente y curadas por lo menos 28 días. El modo de carga fue de esfuerzo controlado en función de la resistencia de tracción en la flexión, previamente determinada. El sistema de carga es conocido como fatiga 4 puntos. Los resultados de los ensayos estáticos mostraron una influencia predominante del contenido de cemento respecto a la resistencia flexural de las mezclas (valores entre 0,21 MPa y 1,53 MPa), mientras que el material fresado tiene un efecto significativo en la deformación de tracción al tonar más dúctiles las mezclas, afectando módulo de elasticidad flexural (valores entre 1483 MPa y 12800 MPa). En el caso de los ensayos de fatiga, los Módulos de Resiliencia Flexural iniciales (valores entre2913 MPa y 7725 MPa) mostraron ser más dependientes del grado de cementación e independientes del nivel de esfuerzo aplicado. Los valores de los exponentes de daño por deformación en los modelos de fatiga, que variaron entre 7 y 15, fueron próximos a los relatados por la Austroads. Estos modelos fueron usados en la modelación de estructuras de pavimento con capas de base reciclada, de espesor entre 18 cm y 40 cm, buscando cuantificar el efecto del contenido de cemento y de fresado en la vida de fatiga. Se observó que espesores de la capa reciclada inferiores a 30 cm tendrán corta vida de fatiga. Por otro lado, fue evidenciado que la vida de fatiga de esta capa depende significativamente del espesor del nuevo revestimiento asfáltico, recomendándose espesores superiores a 10 cm. Finamente, se destaca que el volumen de datos generados durante los ensayos de fatiga y su procesamiento por medio de algoritmos desarrollados en la investigación permitieron abordar conceptos de energía disipada, como aproximación a la definición de criterios de micro y macro fractura que mostraron la utilidad de este tipo de metodologías para estudios futuros.

L’objectif de la thèse « Etude et modélisation des renforcements de chaussées à l’aide de grilles en fibre de verre sous sollicitations de fatigue » est de caractériser le rôle du renforcement de la couche de surface en béton bitumineux d’une structure de chaussée soumise à des sollicitations de fatigue au moyen d’une grille en fibre de verre appelée « géo-grille ». Le comportement en fatigue du composite formé de béton bitumineux et de géo-grille est étudié en laboratoire par des essais de flexion en quatre points (4PB), pilotés en déformation avec un chargement sinusoïdal alterné, à 10°C et 25 Hz. Les éprouvettes testées sont des poutres prismatiques de grandes dimensions 630 x 100 x 100 mm3. Elles sont de deux types : en béton bitumineux (non-renforcées) et en béton bitumineux renforcé par deux géo-grilles (renforcées). Le dispositif d’essais est un banc de fatigue en flexion en quatre points prototype, qui respecte les normes européennes. Les résultats expérimentaux ont été utilisés dans la modélisation de l’évolution de l’endommagement en fatigue de deux types d’éprouvettes. Les lois d’endommagement des matériaux de type Bodin sont implantées dans le code aux éléments finis CAST3M. Deux catégories de modèles ont été conçues, respectivement monocouche et tri-couches. Chaque catégorie comprend un modèle de poutre non-renforcée et un modèle de poutre renforcée. Le modèle de Castro-Sanchez a été testé pour prédire l’endommagement et notamment le nombre de cycles à la rupture pour chaque type de poutre. / The objective of the PhD thesis « Study and modelling of the pavement reinforcement with glass fibre grid under fatigue loading » is to characterize the reinforcement role of the asphalt surface layer of a pavement subjected to fatigue loading with the glass fibre grid or « geo-grid ». The fatigue behaviour of the composite formed of asphalt mixture and geo-grid is studied in laboratory with four point bending tests (4PB) performed with sinusoidal waveform, at 10°C and 25 Hz. The tested specimens are 630 x 100 x 100 mm3 beams of two types: asphalt beams (non-reinforced) and asphalt beams reinforced with geo-grid (reinforced). A four point bending prototype device was designed to perform the fatigue tests on the big size asphalt specimens. The device respects the European Standards. The experimental results were used for modelling of the damage evolution under fatigue loading of the both types of beams. The damage laws of the materials are Bodin laws programmed in Cast3M finite element code. Two categories of models were conceived, respectively: one layer beam models and tri-layers beam models. Each category has a model of non-reinforced beam and a model of reinforced beam. Furthermore, Castro-Sanchez model was used to predict damage evolution and in particular the number of cycles to failure correspondent to the two types of beams.

Design and manufacture of test elements for experimental testing laboratory. Testing of selected mechanical characteristics of test elements. Experimental analysis of test elements in the lab, creating a mathematical model in ATENA software and static calculation. Evaluation of experimental analysis and comparison with the values of numerical analysis. Graphic comparing the results of a final overall evaluation.

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Im Bauwesen kommen verschiedene Kantenausführungsarten von Glas zum Einsatz. In Abhängigkeit ihrer Art erfüllen sie Anforderungen an den Schnittschutz, die Maßhaltigkeit und die Ästhetik. Nach DIN 1249-11 erfolgt die Einteilung entsprechend des äußeren Erscheinungsbildes in geschnittene (KG), gesäumte (KGS), maßgeschliffene (KMG), geschliffene (KGN) und polierte (KPO) Kanten. Die mechanische Festigkeit der Glaskante ist jedoch gesondert zu betrachten. Die charakteristische Biegezugfestigkeit von Glas ist maßgeblich von dessen Oberflächenzustand abhängig. Die Herstellung und Bearbeitung der Kante erfolgt durch einen Materialeingriff mit harten Schneid- und Schleifwerkzeugen. Dabei werden die Oberflächenbeschaffenheit verändert und das Bruchverhalten beeinflusst. Bisher regelt die europäische Normung Kantenfestigkeiten in der Bemessung in Form von Beiwerten, welche die charakteristische Biegezugfestigkeit pauschal oder in Abhängigkeit der Kantenausführungsart abmindern. Bestehende Untersuchungen zeigen jedoch wesentliche Unterschiede der Kantenfestigkeit in Abhängigkeit von Kantenausführungsart und Herstellungsprozess. Die Bemessungswerte der Kantenfestigkeit gelten als untere Grenze der auf dem Markt verfügbaren Qualitäten. Wissenschaftlich belegte Beurteilungen der visuellen Kantenqualität mit Einschätzung ihrer mechanischen Festigkeit liegen bisher nur für die geschnittene Kantenausführung vor. Für den industriellen Schneidprozess wurden auf Basis systematischer Untersuchungen Parameter detektiert, die sich positiv auf die Kantenfestigkeit auswirken. Es ist unbekannt, wie sich der Oberflächeneingriff durch Schleif- und Polierprozesse auf die mechanische Festigkeit der dabei hergestellten Kantenausführungsarten auswirkt und welche Ursachen dafür zu benennen sind. Zudem fehlen geregelte, einheitliche Methoden, um die Kantenqualitäten optisch und mechanisch zu erfassen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Versuchsmethodik entwickelt, welche über mikroskopische Analysen und Bruchversuche die Erfassung vergleichbarer optischer und mechanischer Kennwerte ermöglicht. In einer Zusammenführung der Methoden erfolgt erstmalig die Charakterisierung bruchverursachender Fehlstellen und deren Rückführung auf den Entstehungsort im Herstellungsprozess. Anhand einer systematischen Untersuchung verschiedener Kantenausführungsarten eines Herstellers findet die Erprobung und Bewertung der entwickelten Versuchsmethodik statt. Anschließend werden Prozessanpassungen zur Fehlstellenreduzierung vorgenommen und in Bezug auf eine Steigerung der Kantenfestigkeit untersucht. Weitere Analysen des Herstellungsprozesses eines zweiten Herstellers erfolgen für verschieden polierte Kanten. Entsprechend der ermittelten bruchverursachenden Fehlstellen werden Hypothesen für zukünftige Untersuchungen abgeleitet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit stellen die wissenschaftliche Grundlage für verfahrenstechnische Handlungsempfehlungen zur Herstellung von Glaskanten dar. Der aktuelle Stand bedeutender europäischer Bemessungsregeln wird für abschließende normative Empfehlungen einbezogen. Die gesäumte Kante ergibt sich beim ersten Hersteller als Kantenausführungsart mit der höchsten Kantenfestigkeit. Für die maßgeschliffene, geschliffene und polierte Kante ergeben sich im Vergleich zur geschnittenen und gesäumten Kante geringere Festigkeiten. Die Untersuchung der polierten Kantenausführung des zweiten Herstellers ergibt, verglichen mit der polierten Kante des ersten Herstellers, eine höhere Kantenfestigkeit. Daraus leitet sich der Einfluss der Maschinenkonfiguration als einflussreicher Prozessparameter ab. Die Analyse der bruchverursachenden Fehlstellen zeigt, dass höherfeste Kanten mit einer Reduzierung von mikroskopisch erfassbaren Fehlstellen für die geschnittene, gesäumte und polierte Kante korrelieren. Darüber hinaus gewährleisten die in dieser Arbeit entwickelten Fehlstellenanalysen eine Detektion festigkeitsmindernder Fehlstellen, die auf eine Einbringung nach der Herstellung hindeuten und somit die Notwendigkeit von Kantenschutzmaßnahmen nach sich ziehen. Definitionen allgemeingültiger Prozessparameter in Schleif- und Polierprozessen, die eine positive Auswirkung auf die Kantenfestigkeit bearbeiteter Kanten haben, sind bisher in der Literatur nicht vorhanden. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse dienen als Grundlage zur Optimierung der Prozessparameter für hohe Kantenfestigkeiten. Experimentelle Nachweise der mechanischen Festigkeit sind dabei unabdingbar. Die Kantenqualität ist in optische und mechanische Eigenschaften zu unterscheiden. Die optisch als am hochwertigsten geltende polierte Kante geht nicht zwangsläufig mit einer hohen Kantenfestigkeit einher, was eine in der Praxis weitverbreitete Annahme widerlegt. In diesem Kontext leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der Herstellungsprozesse und der Bemessung von Glasbauteilen, um den steigenden Anforderungen im konstruktiven Glasbau gerecht zu werden.:1 Einleitung 2 Grundlagen zu Glaskanten 3 Wissensstand zur Kantenfestigkeit 4 Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Erfassung der Kantenqualität 5 Systematische Analyse der Kantenqualität eines Herstellers 6 Einfluss von Prozessparametern auf die Kantenfestigkeit nach Kantenausführungsart 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Bemessungsansätze für Glaskanten 9 Handlungsempfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur / In the building industry, different types of glass edges are used. Depending on their type, they fulfil requirements for cutting protection, dimensional accuracy, and aesthetics. According to DIN 1249-11, the classification is based on the visual appearance and includes cut (KG), arrissed (KGS), ground (KMG), smooth ground (KGN), and polished (KPO) edge finishing type. However, the mechanical strength of the glass edge requires additional consideration. The characteristic bending tensile strength of glass depends mostly on its surface condition. During production and processing the edge comes in contact with hard tools, which modifies the optical appearance and influences the strength. Presently, the European standardization regulates the edge strength in the design by general coefficients, which reduce the characteristic bending tensile strength depending on the edge finishing type. Existing studies show a large range of values in edge strength depending on the edge finishing and the manufacturer. The design edge strength considers the lower limits of the available glass edge finishing types. Scientifically based evaluation of the optical edge quality with assessment of the mechanical strength is available only for the cut edge. For the industrial cutting process, parameters have been determined on the basis of systematic investigations that show a positive influence on edge strength. It is still unknown how surface interferences by grinding and polishing processes affect the edge strength of processed glass edges and what are the underlying mechanisms. In addition, there is a lack of unified methods for assessing the mechanical edge quality. Within the scope of this work, a test methodology is developed that enables the determination of comparable optical and mechanical characteristics by means of microscopic analysis and destructive tests. A combination of different methods is used to characterize fracture-causing defects and to identify the location of their creation in the manufacturing process. The testing methods are approved and evaluated on the basis of a systematic examination of different edge types of one manufacturer. Subsequently, process adjustments for defect reduction are conducted and investigated with regard to an increase in edge strength. Moreover, the manufacturing process of various polished edge types of a second manufacturer are examined. Thereby, fracture-causing flaws are identified and hypotheses for future investigations are derived that form the basis for processing recommendations for the manufacturing of glass edges. The current status of relevant European design rules is finally discussed for normative recommendations. The arrised edge finishing type revealed the highest edge strength. For the ground, smooth ground, and polished edges, the edge strength is lower compared to the cut and arrised edges. The examination of the polished edge from the second manufacturer resulted in a higher edge strength compared to the polished edge from the first manufacturer. Therefore, the influence of the machine configuration is derived as an impacting process parameter. The analysis of fracturecausing defects has confirmed that a higher edge strength correlates with a reduction in microscopically detectable defects for the cut, arrised, and polished edge types. The defect analysis also enables the detection of strength-reducing defects that are introduced after production and require edge protection measures. Definitions of generally valid process parameters in grinding and polishing that positively affect the edge strength of machined edges are unknown. However, the results of this work enable manufacturers to optimize processes specific to their (manufacturing) process in order to ensure high values of edge strength. Nonetheless, experimental verifications are indispensable in this respect. Optical and mechanical properties of glass edges need to be considered separately. For example, the polished edge is considered to offer the highest optical quality. However, contrary to a widespread assumption, it does not necessarily display high edge strength. A better understanding of the manufacturing processes and the verification of edge strength are necessary for the design to meet the increasing demands in structural glass applications.:1 Einleitung 2 Grundlagen zu Glaskanten 3 Wissensstand zur Kantenfestigkeit 4 Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Erfassung der Kantenqualität 5 Systematische Analyse der Kantenqualität eines Herstellers 6 Einfluss von Prozessparametern auf die Kantenfestigkeit nach Kantenausführungsart 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Bemessungsansätze für Glaskanten 9 Handlungsempfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur

Combining the most recent technologies in concrete, Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) arises as a promising material for the near future. UHPFRC have shown how flexible concrete can be to adapt to the ever-changing social and environmental demands. With its high flexibility composition and its mechanical properties, UHPFRC is full of both unexplored and unexploited possibilities. Engineers should take responsibility for this task. However, it is fair to acknowledge that this is not an easy task and it requires the development of reliable and widely accepted design standards provided by the scientific community. A major concern about durability, long-lasting structures and reduction of maintenance cost, as well as the development of new concrete technologies, improved knowledge of fibre effect and a huge growth in the fibre industry accompanied by fibre price reduction have led, among other factors, to the development of new types of concrete whose mechanical behaviour substantially differs from conventional fibre-reinforced concrete. This is why current characterisation methodologies and design standards must be reviewed and adjusted to these newer materials. However, design standard revision cannot disregard former milestones achieved thanks to decades of hard work. It must offer an integrated view in which new types of concrete comprise existing ones in a broader group, because at the end of the day and despite having newer and improved properties, new types of concrete are still concrete. That is how it should be understood and how it must be reflected in newer codes and standards. The work presented herein is focused on one of these recently developed materials that embraces major advanced technologies in concrete: Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC). This work is specifically focused on those crucial requirements for the development and widespread use of it, such as constitutive tensile characterisation and classification. This work includes a deep revision of the uniaxial tensile behaviour of concrete and its development as fibre technology has evolved. In addition, traditional characterisation standard methods as well as those recently developed for its specific use on UHPFRC are reviewed and called into question. Throughout the document, the development of different methodologies to determine the uniaxial constitutive tensile behaviour of UHPFRC from bending tests are shown, together with a simplified characterisation proposal specially developed for being included in a standard. All developed methodologies presented herein are checked and validated. These methods are specifically designed for their application on experimental results obtained from a special type of four-point bending test, whose standardisation proposal for UHPFRC is also shown. Finally, a classification proposal is presented as a function of more relevant UHPFRC tensile parameters necessary for design that can be directly obtained from the standard characterisation test method suggested. Proposed classification encompasses the existing classification for conventional reinforced and fibre-reinforced concrete. In it, both plain concrete and fibre-reinforced concrete are presented as a particular case of a more general tensile constitutive response for concrete. Standard methodology and classification proposed are in accordance with the evolution of concrete and unify historic milestones achieved by the international research community. / El Hormigón de Muy Alto Rendimiento (HMAR) combina los últimos avances tecnológicos en hormigón y se erige como un material prometedor para el futuro. El HMAR ha demostrado su gran capacidad para adaptarse a las cada vez más exigentes demandas sociales y medioambientales. Con un gran abanico de posibilidades en su dosificación para conseguir las propiedades mecánicas deseadas, el HMAR es un material lleno de posibilidades aún sin explorar y sin explotar. Los ingenieros tienen la responsabilidad de esta tarea. Sin embargo, es justo reconocer que no se trata de una tarea fácil y que requiere de un desarrollo previo de códigos de diseño adecuados y ampliamente aceptados por parte de la comunidad científica. La aparición de nuevas tecnologías, el mayor conocimiento sobre la aportación de las fibras así como su industrialización y bajada de precios, las mayores preocupaciones sobre la durabilidad estructural, incremento de la vida útil o la reducción de los costes de mantenimiento, entre otros factores, han derivado en el desarrollo de nuevas tipologías de hormigones cuyo comportamiento mecánico difiere de manera sustancial de los tradicionales hormigones con fibras. Es por ello que tanto la readaptación de las metodologías de caracterización como las metodologías de diseño deben ser reformuladas. Y esto debe hacerse de manera no disruptiva, es decir, manteniendo la línea de los hitos alcanzados en los hormigones con fibras convencionales de manera que queden integrados en metodologías de caracterización y de diseño que los engloben, porque al fin y al cabo, y aunque con nuevas y mejores propiedades mecánicas, los nuevos hormigones siguen siendo hormigones. Así debe ser entendido y así debe quedar reflejado en las nuevas normativas. El presente trabajo se centra en uno de esos nuevos materiales desarrollados con el avance de las nuevas tecnologías como es el HMAR. En especial, este documento se centra en ese aspecto tan fundamental para el desarrollo de nuevos hormigones como es la caracterización mecánica y la tipificación. Este trabajo incluye una revisión del comportamiento mecánico uniaxial a tracción del hormigón y de su evolución con la aparición de las diferentes tecnologías. Además, se revisan y se ponen en cuestión los sistemas tradicionales de caracterización, así como los nuevos sistemas desarrollados en los últimos años para su empleo específico en el HMAR. A lo largo del documento se desarrollan diferentes metodologías para la obtención del comportamiento constitutivo a tracción del HMAR, así como la propuesta de una metdología simplificada de caracterización especialmente diseñada para ser incluida en una norma, todas ellas debidamente validadas. Estas metodologías son de aplicación específica a los resultados experimentales obtenidos mediante un ensayo a cuatro puntos sin entalla, cuya propuesta de estandarización para el HMAR ha sido también desarrollada. Finalmente, se presenta una propuesta de tipificación de acuerdo a los parámetros más relevantes del comportamiento a tracción del HMAR que son necesarios para el diseño y que pueden ser directamente obtenidos del ensayo de caracterización propuesto. Esta clasificación engloba a la clasificación existente para el hormigón armado convencional y los actuales hormigones con fibras, de manera que se presenta la actual definición de hormigón con fibras como un caso particular de estos nuevos hormigones, respetando al máximo la evolución de este material y aunando los logros conseguidos por la comunidad científica. / Dins de les combinacions de les tecnologies més recents en el formigó, el formigó de molt alt rendiment (UHPFRC) sorgeix com un material prometedor per al futur pròxim. L'UHPFRC ha demostrat poder ser un formigó flexible per adaptar-se a les sempre canviants demandes socials i mediambientals. Amb una gran flexibilitat en la seua composició i les seues propietats mecàniques, l`UHPFRC està ple de possibilitats de ser explorades i explotades. Els enginyers han de prendre la responsabilitat d'aquesta tasca. No obstant això, és just reconèixer que això no serà fàcil i requerirà el desenvolupament de normes de disseny fiables i àmpliament acceptades per la comunitat científica. Hi ha una gran preocupació al voltant de la durabilitat, la vida útil de les estructures i la reducció del cost de manteniment, juntament amb el desenvolupament de noves tecnologies de formigó, un millor coneixement de l'efecte de la fibra i un enorme creixement en la indústria de la fibra acompanyat per la reducció del preu de la fibra, han conduït, entre altres factors, al desenvolupament de nous tipus de formigons, el comportament mecànic dels quals es diferencia substancialment dels formigons reforçats amb fibres convencionals. És per això que les metodologies de caracterització actuals i les normes de disseny han de ser revisades i ajustades a aquests nous materials. No obstant això, la revisió del codis de disseny no pot prescindir de les antigues fites aconseguides gràcies a dècades de treball dur. S'ha d'oferir una visió integrada en la qual els nous tipus de formigons integren els ja existents en un grup més ampli, ja que, al cap i la fi i malgrat tenir propietats noves i millorades, els nous tipus de formigons són encara un tipus de formigó. Així es com s'hauria d'entendre i reflectir-se en els nous codis i normes. El treball presentat en aquest document es centra en un d'aquests materials que s'han desenvolupat recentment i que abasta les principals tecnologies avançades en el formigó: el Formigó de Molt Alt Rendiment Reforçat amb Fibres (UHPFRC). Aquest treball se centra específicament en els requisits fonamentals per al desenvolupament i l'ús generalitzat d'aquest, com ara la caracterització i classificació del comportament constitutiu a tracció. Aquest treball inclou una revisió profunda del comportament a tracció uniaxial del formigó i els seus canvis al temps que la tecnologia de les fibres ha evolucionat. A més, els mètodes tradicionals estàndard de caracterització, així com els recentment desenvolupats per al seu ús específic en l'UHPFRC són revisats i qüestionats. Al llarg del document, es mostra el desenvolupament de diferents metodologies per a determinar el comportament constitutiu a tracció uniaxial de l'UHPFRC, juntament amb una proposta de caracterització simplificada especialment desenvolupada per poder ser inclosa en normativa. Totes les metodologies desenvolupades presentades en aquest document han estat comprovades i validades. Aquests mètodes estan dissenyats específicament per a la seva aplicació en els resultats experimentals obtinguts a partir d'un tipus especial d'assaig de flexió a quatre punts, a més també s'inclou una proposta d'estandardització per a l'UHPFRC. Finalment, es presenta una proposta de classificació en funció dels paràmetres més rellevants del comportament a tracció de l'UHPFRC que són necessaris per al disseny i que es poden obtindre directament del mètode d'assaig estàndard suggerit per a la caracterització de l'UHPFRC. La classificació proposada té amb compte la classificació existent per al formigó armat convencional i el reforçat amb fibres. En ella, tant el formigó en massa com el formigó reforçat amb fibres es presenten com un cas particular d'una resposta constitutiva a tracció més general per al formigó. La metodologia estàndard i la classificació proposada estan d'acord amb l'evolució de formigó i unifica l / López Martínez, JÁ. (2017). CHARACTERISATION OF THE TENSILE BEHAVIOUR OF UHPFRC BY MEANS OF FOUR-POINT BENDING TESTS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79740

L’électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L’exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l’état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive. / Power electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly.