ÎmbinĂri adezive pentru elemente dragos - rezumat...ÎmbinĂri adezive pentru elemente pultrudate...
TRANSCRIPT
UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN
IAȘI
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE
PULTRUDATE DIN COMPOZITE
POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
– REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT –
Doctorand:
Ing. Dragoș Ungureanu
Conducător de doctorat:
Prof. univ. dr. ing. dr. H.C. Nicolae Țăranu
IAȘI – 2018
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
i
CUPRINS
Capitolul 1 Introducere 1
1.1 Generalități 1
1.2 Motivația și obiectivele cercetării 1
1.3 Conținutul tezei 2
Capitolul 2 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru
elemente compozite
4
2.1 Introducere 4
2.2 Aplicații ale îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF 4
2.3 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru elemente
compozite
8
2.3.1 Generalități 8
Capitolul 3 Materiale compozite polimerice armate cu fibre 12
3.1 Introducere 12
3.2 Tipuri de fibre 14
3.2.1 Fibre de sticlă 15
3.2.2 Fibre de carbon 15
3.2.3 Fibre aramidice 16
3.3 Tipuri de matrice polimerice 16
3.3.1 Rășini epoxidice 16
3.3.2 Rășini poliesterice 17
3.3.3 Rășini vinilesterice 17
3.3.4 Rășini termoplastice 17
Capitolul 4 Adezivi pentru îmbinarea elementelor 18
4.1 Introducere 18
4.2 Clasificarea adezivilor 18
4.2.1 Clasificare în funcție de compoziția chimică 19
4.2.2 Clasificare în funcție de natura adezivului 19
Capitolul 5 Rezistența de aderență 20
5.1 Introducere 20
5.2 Teorii de aderență 20
5.2.1 Teoria conlucrării mecanice 20
5.2.2 Teoria atracției electrostatice 20
5.2.3 Teoria adsorbției 20
5.2.4 Teoria legăturilor chimice 20
5.2.5 Teoria difuziei moleculare 20
5.4 Studiul microscopic al suprafețelor elementelor CPAF 22
5.4.1 Descrierea studiului experimental 23
5.4.2 Gradul de omogenitate a suprafețelor elementelor CPAF 24
5.4.3 Porozitatea elementelor CPAF 24
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
ii
5.5 Concluzii 26
Capitolul 6 Principii de proiectare a îmbinărilor realizate cu adezivi 27
6.1 Introducere 27
6.3 Analiza stării de tensiuni din îmbinările adezive 27
6.4 Studiul analitic al stării de tensiuni din îmbinările adezive 28
6.4.1 Modelul Volkersen 28
6.4.2 Modelul Goland - Reisner 28
6.4.3 Modelul Hart - Smith 28
6.5 Analiza pe cale numerică a stării de tensiuni din îmbinările adezive 29
6.6 Calculul îmbinărilor adezive pe baza modelelor analitice și numerice și a
programelor experimentale
30
6.6.1 Proiectarea îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă 30
6.6.2 Proiectarea îmbinărilor în straturi sau cu eclise duble 31
6.7 Studiu comparativ între metodele analitice și metodele numerice aplicate în
vederea obținerii răspunsului structural al îmbinărilor adezive
32
6.7.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 32
6.7.2 Studiul distribuției tensiunilor pe cale analitică 34
6.7.3 Analiza numerică bazată pe metoda elementului finit 35
6.7.4 Rezultate 36
6.8 Optimizarea parametrilor constructivi ai îmbinărilor adezive pentru
elemente pultrudate din CPAF
39
6.8.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 39
6.8.2 Conceperea modelelor numerice 40
6.8.3 Rezultate 40
6.9 Concluzii 41
Capitolul 7 Cercetări experimentale privind eficiența structurală a îmbinărilor
adezive pentru elemente pultrudate
43
7.1 Generalități 43
7.4 Program experimental pentru investigarea îmbinărilor adezive dintre
elemente CPAF
43
7.4.1 Introducere 43
7.4.2 Descrierea epruvetelor fabricate pentru programul experimental 44
7.4.3 Asamblarea epruvetelor 48
7.4.4 Instrumentarea epruvetelor 57
7.4.5 Descrierea metodologiei de testare 58
Capitolul 8 Rezultate ale programului experimental privind eficiența structurală a
îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate
59
8.1 Introducere 59
8.2 Investigarea modurilor specifice de cedare în raport cu forțele capabile
ultime dezvoltate de îmbinări
59
8.2.1 Cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor 65
8.2.2 Cedarea prin cumul de moduri specifice 66
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
iii
8.2.2.1 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – desprinderea la nivelul interfeței
66
8.2.2.2 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – cedare coezivă
67
8.3 Trasarea curbelor forță - deplasare 68
8.4 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – deformații specifice 69
8.5 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare 75
8.6 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – lunecare 79
8.7 Concluzii 85
Capitolul 9 Modelare numerică a comportării îmbinărilor adezive pe baza metodei
cu elemente finite
88
9.1 Introducere 88
9.2 Modelarea și analiza numerică a îmbinărilor adezive pentru elemente
pultrudate din compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS)
88
9.2.1 Conceperea modelelor numerice 88
9.2.2 Rezultatele modelării numerice 90
9.3 Concluzii 100
Capitolul 10 Concluzii generale, contribuții personale și valorificarea rezultatelor 101
10.1 Concluzii generale 101
10.2 Contribuții personale 110
10.3 Valorificarea rezultatelor 111
Bibliografie generală 115
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
1
Capitolul 1
INTRODUCERE
1.1 Generalități
În ultimele decenii sectorul construcțiilor a dezvoltat un spectru larg de aplicații ale
materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) în domeniul ingineriei civile. În marea
lor majoritate, aceste aplicații constau în diferite sisteme de consolidare a elementelor structurale,
bazate pe utilizarea unor materiale și produse compozite cu proprietăți fizice și mecanice
superioare materialelor clasice. Eficiența metodelor de consolidare cu materiale CPAF a fost
studiată de numeroase echipe de cercetare prin programe experimentale. Astfel, pe baza
rezultatelor obținute, au fost fundamentate modele teoretice de calcul și s-au definit
particularitățile fiecărui sistem, necesare pentru implementarea metodelor de analiză numerică.
Ca urmare a succesului acestor studii, tendința firească a echipelor de cercetare a fost să
testeze aplicabilitatea materialelor compozite pentru fabricarea unor noi elemente structurale
pentru construcții. Astfel, atenția a fost captată de produsele pultrudate din CPAF, ca urmare a
proprietăților deosebite pe care acestea le prezintă (raport favorabil rezistență – greutate, rezistență
ridicată la coroziune, transparență electromagnetică, ș.a.).
1.2 Motivația și obiectivele cercetării
Tematica generală a tezei de doctorat se referă la studiul conlucrării dintre elementele
pultrudate din compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS), utilizate în cadrul
îmbinărilor adezive cu rol structural. Studiile relativ limitate din literatura de specialitate, care fac
referire la această tematică, au condus la elaborarea și realizarea unui program de cercetare ce
poate fi clasificat pe trei paliere: analitic (teoretic), numeric și experimental.
Principalele obiective urmărite în cadrul programului doctoral au fost:
• Realizarea unei sinteze bibliografice cuprinzătoare care prezintă stadiul actual al
cunoașterii în domeniul îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF, prin
raportarea la aplicațiile existente din domeniul ingineriei civile și la rezultatele promovate
de diferite echipe de cercetare;
• Prezentarea principalelor tipuri de materiale CPAF și de adezivi structurali existente pe
piața construcțiilor, precum și posibilele configurații ale îmbinărilor adezive;
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
2
• Prezentarea teoriilor de aderență aplicabile produselor compozite și caracterizarea
parametrilor definitorii ai acestora prin studiul microscopic al unora dintre cele mai
utilizate elemente din CPAF;
• Identificarea modelelor analitice de calcul pe baza cărora se pot evalua parametrii cheie
ai conlucrării;
• Definirea și caracterizarea parametrilor specifici pentru analiza pe cale numerică a
îmbinărilor adezive;
• Prezentarea unor principii de proiectare cu grad mare de aplicare;
• Studiul comparativ între metodele analitice și metodele numerice aplicate în vederea
obținerii răspunsului structural al îmbinărilor adezive;
• Optimizarea parametrilor constructivi ai îmbinărilor adezive prin șanfrenarea
extremităților stratului de adeziv. Studiu numeric comparativ pe diverse configurații;
• Studiul microscopic al metodelor de tratare a suprafețelor elementelor din CPAFS;
• Conceperea și realizarea unui program experimental pe baza căruia s-a studiat influența
proprietăților fizice și mecanice ale produselor CPAFS și ale adezivilor asupra
parametrilor de conlucrare;
• Validarea rezultatelor experimentale prin intermediul analizelor numerice bazate pe
metoda elementelor finite.
1.3 Conținutul tezei
Teza de doctorat este structurată pe zece capitole, după cum urmează:
Capitolul 1 – Introducere, definește motivația și prezintă premisele ce stau la baza
programului de cercetare. De asemenea, este descris succint conținutul fiecărui capitol.
Capitolul 2 – Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru elemente
compozite, este divizat în două secțiuni. În prima parte se prezintă aplicațiile efective, realizate la
nivel mondial, iar în cea de a doua parte, prin studierea aproape exhaustivă a literaturii de
specialitate, s-au selectat și prezentat cele mai importante studii, în raport cu tipul materialelor
CPAF și adezivilor.
Capitolul 3 – Materiale compozite polimerice armate cu fibre, prezintă cele mai utilizate
tipuri de materiale CPAF. Se identifică și se descriu fazele constituente, elementele componente
(fibre, matrice, adaosuri) și caracteristicile fizice și mecanice ale acestora.
Capitolul 4 – Adezivi pentru îmbinarea elementelor, identifică și caracterizează principalele
tipuri de adezivi și realizează clasificarea acestora în funcție de structură, de compoziția chimică,
de comportarea mecanică și de compatibilitatea cu materialele CPAF.
Capitolul 5 – Rezistența de aderență, descrie teoriile de aderență, prin raportarea la tipul și
natura legăturilor fizice, chimice și mecanice ce se formează la interfața compozit - adeziv.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
3
Capitolul 6 – Principii de proiectare a îmbinărilor realizate cu adezivi, prezintă metodele
analitice și numerice de evaluare a parametrilor de conlucrare. În încheierea capitolului, se
realizează două studii comparative. Primul studiu face referire la similaritatea rezultatelor obținute
pe cale analitică și numerică pentru două tipologii de îmbinare (îmbinarea prin suprapunere simplă
și îmbinarea cu aderenți rigizi), iar cel de al doilea la optimizarea parametrilor constructivi ai
îmbinărilor adezive prin șanfrenarea extremităților stratului de adeziv.
Capitolul 7 – Cercetări experimentale privind eficiența structurală a îmbinărilor adezive
pentru elemente pultrudate, constă în descrierea programului experimental dezvoltat în scopul
caracterizării particularităților de conlucrare dintre elementele CPAFS și adezivi. În acest sens, în
prima parte se prezintă succint metodele de investigare experimentală dezvoltate de diferite echipe
de cercetare, iar în cea de-a doua parte se descriu materialele utilizate pentru realizarea epruvetelor
și modalitățile de instrumentare a acestora, în vederea monitorizării pe parcursul testării. Tot în
cadrul acestui capitol, se realizează un studiu microscopic pentru determinarea parametrilor
procesului de tratare a suprafețelor elementelor CPAFS utilizate în cadrul experimentului.
Capitolul 8 – Rezultate ale programului experimental privind eficiența structurală a
îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate, prezintă și analizează rezultatele obținute pe cale
experimentală. Astfel, pentru fiecare epruvetă ce a făcut obiectul programului experimental:
• se descrie modul specific de cedare și se analizează microscopic suprafața de cedare;
• se evaluează forța capabilă ultimă, lunecarea maximă și deformația specifică ultimă;
• se trasează graficele încărcare – deplasare, tensiuni tangențiale – deformații specifice și
tensiuni tangențiale – lunecare;
• se urmărește variația deformațiilor specifice pe zona de îmbinare la diferite trepte de
încărcare.
Capitolul 9 – Modelare numerică a comportării îmbinărilor adezive pe baza metodei cu
elemente finite, prezintă rezultatele analizelor numerice efectuate pentru îmbinările ce au făcut
obiectul programului experimental. În finalul capitolului, se realizează o analiză comparativă a
rezultatelor în raport cu datele obținute pe cale experimentală.
Capitolul 10 – Concluzii generale, contribuții personale și valorificarea rezultatelor,
încheie teza de doctorat prin sintetizarea concluziilor generale și prezentarea contribuțiilor
personale ale autorului și modul în care acestea au fost valorificate.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
4
Capitolul 2
STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII ÎN DOMENIUL
ÎMBINĂRILOR ADEZIVE PENTRU ELEMENTE
COMPOZITE
Introducere
Utilizarea eficientă a elementelor portante realizate din materiale compozite polimerice
armate cu fibre (CPAF) este condiționată de proiectarea și realizarea corectă a îmbinărilor. Studiile
realizate în ultimul deceniu privind îmbinările adezive ale materialelor compozite au demonstrat
că, prin prisma calităților deosebite pe care acestea le posedă, îmbinările mecanice pot fi înlocuite
cu succes cu soluții bazate pe utilizarea adezivilor structurali sau cu îmbinări hibride adeziv-nituri
sau adeziv-șuruburi.
În urma consultării literaturii de specialitate, în prima parte a acestui capitol se prezintă
principalele construcții cu elemente compozite cu îmbinări adezive, iar în cea de-a doua parte se
descriu succint rezultatele relevante promovate de diverse echipe de cercetare, implicate în
caracterizarea răspunsului structural al îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF.
2.2 Aplicații ale îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din
CPAF
Realizarea îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF reprezintă cea mai
recentă arie de cercetare și dezvoltare a industriei adezivilor și materialelor compozite. Prima
structură de rezistență a unei construcții realizată integral din elemente CPAF a fost ”The
Eyecatcher”, în anul 1999. Această structură este compusă din trei cadre trapezoidale realizate din
elemente compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS). Unele elemente constructive
ale cadrelor au fost îmbinate utilizându-se un adeziv structural epoxidic bi-component, iar pentru
restul elementelor s-au utilizat îmbinări mecanice, în vederea dezasamblării și relocării
construcției.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
5
Figura 2.1 ”The Eyecatcher” building (https://fiberline.com/eyecatcher-building)
Cele mai numeroase aplicații ale îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF
se regăsesc în sectorul infrastructurii, cu precădere la poduri și la elementele structurale
componente ale acestora, și sunt localizate în Danemarca, Germania, Marea Britanie, Olanda,
Portugalia și Spania (Firth și Cooper, 2002; Farhey, 2005; Allampalli, 2006; Son et al, 2013; Li et
al, 2002).
Primul pod construit integral din materiale compozite pultrudate armate cu fibre de sticlă
(CPAFS) a fost realizat în anul 1997 în Danemarca de către compania Fiberline (Fig. 2.2). Podul
suspendat Kolding reunește 12 tipuri diferite de profile structurale Fiberline, îmbinate cu șuruburi
și adezivi și 8 cabluri de susținere din CPAFS.
Podul Nørre Aaby din Danemarca este realizat integral din materiale CPAF, îmbinate
mecanic și cu adezivi (pentru elementele componente ale tablierului) (Fig. 2.2). Podul este realizat
de către compania Fiberline și a fost dat în folosință în anul 2007 (https://fiberline.com/).
Podul Svendborg din Danemarca are lungimea de 40 m și lățimea de 3,2 m, fiind construit
integral din materiale CPAFS îmbinate mecanic și hibrid (mecanic și adeziv) (Fig. 2.2). Datorită
tehnologiilor de prefabricare și montaj rapid dezvoltate de către compania Fiberline, podul a fost
instalat în două ore, fără a fi necesară oprirea traficului (https://fiberline.com/).
T ablierul podului Karrebæksminde din Danemarca este realizat din profile CPAFS la
montajul cărora s-au utilizat și adezivi (Fig. 2.2). Această lucrare a fost realizată în anul 2011 și
reprezintă primul pod rutier basculant cu tablier din materiale CPAFS la nivel mondial (Sørensen,
2012).
Tablierul podului Esbjerg din Danemarca este realizat din profile compozite structurale
Fiberline. Pentru această lucrare s-au utilizat îmbinări adezive, atât pentru elementele componente
ale tablierului, cât și pentru prinderea tablierului de grinzile din oțel (Ascione et al, 2016).
Podul rutier Klipphausen din Dresden, Germania este compus din două secțiuni realizate din
profile Fiberline, îmbinate cu adezivi (Fig. 2.2). Podul a fost construit în anul 2003 și face parte
din strategia autorităților germane de înlocuire a podurilor din materiale tradiționale localizate în
zonele cu potențial de inundare (Biseke, 2005; Siwowski et al, 2018).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
6
Podul Friedberg reprezintă una din cele mai avansate lucrări din domeniul materialelor
compozite, realizate de către compania Fiberline în parteneriat cu firma Middelfart (Fig. 2.2).
Tablierul podului este compus din profile Fiberline ASSET (advanced structural systems for
tomorrows infrastructure) îmbinate cu adezivi și protejate prin acoperire cu un strat subțire de
beton polimeric cu rezistență ridicată la condiții agresive de mediu.
Podul Reinbek din Hamburg, Germania, are o structură mixtă compusă din beton armat
(pile), oțel (grinzi) și CPAFS (tablier) (Fig. 2.2). Lungimea totală a podului este de 100 m, fiind
acoperită prin conectarea mai multor elemente modulare de tablier (Trumpf, 2010).
Podul suspendat Halgover din Cornwall, Marea Britanie are o deschidere de 47 m și
reprezintă una din cele mai lungi structuri curbe din materiale CPAF din Europa. Îmbinările cu rol
structural au fost realizate cu adezivi, fiind satisfăcute în acest mod, atât cerințele de ordin
arhitectural, cât și cele impuse de condițiile de mediu (Hollaway, 2010).
Podul basculant Bonds Mill Road din Gloucestershire, Marea Britanie, traversează Canalul
Stroudwater Navigation, fiind dat în folosință în anul 1994. Podul este construit din 10 elemente
din CPAF de formă cubică, îmbinate cu adezivi, ce acoperă o deschidere de 8,5 m și o lățime de
4,25 m (Head, 1994).
Podul West Mill din Oxfordshire, Marea Britanie are deschiderea de 10 m și lățimea de 6,8
m (Fig. 2.2). Grinzile și tablierul podului sunt realizate din elemente pultrudate din CPAFS. Pentru
respectarea cerințelor de rigiditate au fost atașate cu adezivi lamele din CPAFC de grinzile podului
(Zhang și Canning, 2009).
În anul 2008, Agenția de drumuri din Maria Britanie a finalizat construcția unui pod rutier
peste autostrada M6, fabricat din profile compozite ASSETS (Fig. 2.3). Proiectarea a fost realizată
de compania Mouchel Group, specializată în structuri din materiale CPAF. Pentru îmbinări s-au
utilizat atât adezivi, cât și elemente mecanice de fixare (Canning, 2008).
O altă realizare notabilă în domeniul materialelor compozite și a îmbinărilor adezive este
reprezentată de podul cu structură hibridă oțel-CPAFS de pe autostrada A27 din Utrecht, Olanda.
Proiectarea, construcția și montajul podului au fost realizate de compania FiberCore Europe.
Pentru toate îmbinările (oțel – compozit și compozit – compozit) s-au folosit elemente mecanice
de fixare și adezivi (Ascione, 2016).
Podul Saint Sebastiaans din Delft, Olanda, este realizat de către compania Royal
HaskoningDHV și are o structură mixtă oțel-CPAFS. Profilele CPAFS au fost fabricate prin
vacuumare, iar îmbinarea lor este realizată prin metode mecanice și adezive. Podul are deschiderea
de 34 m, lățimea de 12 m și este destinat utilizării de către autovehicule și tramvaie (Ascione,
2016).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
7
Figura 2.2 Poduri din materiale CPAF (https://fiberline.com/)
Figura 2.3 Pod rutier peste autostrada M6, fabricat din profile compozite ASSETS
(https://fiberline.com/)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
8
Una din cele mai recente investiții realizate de autoritățile din Rotterdam, Olanda a constat
într-o suită de 62 de poduri din CPAF cu lungimi totale variind de la 6,6 m la 17,3 m și lățimi de
1,5 m până la 4,5 m. Aceste poduri au fost realizate și montate în parcurile din Rotterdam de
compania FiberCore Europe. Pentru fabricarea profilelor compozite s-a utilizat tehnologia
VARTM, iar pentru conectarea acestora s-au realizat atât îmbinări mecanice, cât și adezive.
Podul Mateus din centrul orașului Viseu reprezintă una din primele aplicații ale materialelor
CPAF și a îmbinărilor adezive în domeniul infrastructurii realizate în Portugalia. Podul are
deschiderea de 13,3 m, lățimea de 2 m și este realizat din grinzi de oțel și profile pultrudate,
multicelulare din CPAFS (Sa et al, 2017a, b).
Podul Lleida din Spania are o structură în arc cu deschiderea de 38 m și lățimea de 3 m.
Grinzile din componența arcului sunt realizate din profile CPAFS cu secțiune pătrată, îmbinate cu
adeziv epoxidic bi-component (Fig. 2.4). Podul este realizat integral din materiale CPAF și
reprezintă o realizare de referință în domeniu, fiind remarcat prin numeroase calități: durată redusă
de fabricare (3 luni), montaj rapid (3 ore) și cost total redus (320000 €) (Sobrino et al, 2002;
Russell, 2005).
Figura 2.4 Podul Lleida din Spania (https://fiberline.com/)
2.3 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru
elemente compozite
2.3.1 Generalități
Consolidarea elementelor structurale realizate din materiale compozite și dezvoltarea
îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF reprezintă cea mai recentă arie de
cercetare și dezvoltare din domeniul adezivilor și materialelor compozite. Astfel, în literatura de
specialitate se regăsesc studii ce pot fi clasificate în funcție de următoarele direcții de cercetare:
• Influența parametrilor geometrici asupra modurilor de cedare caracteristice (Taib, 2006);
• Îmbunătățirea rezistenței la oboseală pentru diferite configurații de îmbinare și tipuri de
solicitare (Roohollah, 2015);
• Inițierea și propagarea fisurilor pentru modurile de cedare specifice îmbinărilor adezive
(Zhang, 2010);
• Influența caracteristicilor elastice ale adezivului și ale aderenților asupra răspunsului
structural al îmbinării (Reis, 2005);
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
9
• Evaluarea modurilor specifice de cedare și răspunsului structural în raport cu parametrii
variabili de îmbinare (tipul și grosimea adezivului, lungimea de conlucrare) (Lee, 2009);
• Influența tratamentelor de suprafață asupra răspunsului structural (Palmieri et al, 2013).
În continuare sunt prezentate studiile reprezentative cu privire la îmbunătățirea modului de
comportare al îmbinărilor adezive pentru elemente din CPAF, din literatura de specialitate:
Hart-Smith (1973a, b) a dezvoltat modele analitice de calcul pentru îmbinările realizate prin
suprapunere simplă și dublă, pe baza unor programe experimentale ce au vizat aprofundarea
cercetărilor începute de Volkersen (1938), Goland și Reisner (1944). Pe baza rezultatelor
experimentale, autorul a propus o formă analitică de calcul extinsă, ce permite selectarea
aderenților realizați din materiale diferite, precum și utilizarea adezivilor având comportare
neliniară și deformații specifice mari.
Brison și Grant (1986) au studiat influența caracteristicilor mecanice ale adezivilor asupra
distribuției tensiunilor tangențiale pe aria de conlucrare. În acest sens, autorii au dezvoltat diferite
programe experimentale pentru diverse configurații geometrice ale îmbinărilor, cu scopul de a
induce îmbătrânirea adezivilor. Epruvetele obținute astfel, au fost testate prin solicitare la tracțiune
longitudinală până la cedare. Pe baza rezultatelor obținute au fost propuse noi tipologii de
îmbinare, pentru care cedarea are loc printr-un singur mod caracteristic, iar răspunsul structural
poate fi evaluat prin determinarea unei singure componente (dominante) a stării de tensiuni, în
raport cu timpul.
Reis și colaboratorii săi (2005) au efectuat studii experimentale în vederea stabilirii lungimii
optime de conlucrare pentru îmbinările adezive realizate prin suprapunere simplă pentru elemente
compozite obținute prin impregnare. În acest sens, au fost confecționate epruvete din țesături
Twintex T PP și fibre de sticlă, înglobate în matrice polimerică și îmbinate cu adeziv cianoacrilat
produs de firma Bostika. S-au testat prin solicitare la întindere, în regim static, epruvete cu 4
lungimi de conlucrare diferite (15, 30, 45 și 60 mm), concluzionându-se că, pentru configurațiile
adoptate, lungimea stratului de adeziv de 30 mm oferă o distribuție optimă a tensiunilor tangențiale
și normale.
Kelly (Kelly, 2005; Kelly, 2006) a studiat compatibilitatea a două tipuri de adezivi
(poliuretanic și epoxidic) cu elementele mecanice de fixare, în vederea realizării îmbinărilor
hibride pentru elemente CPAF. Pentru aderenți, s-au utilizat produse compozite realizate din rășini
epoxidice și fibre de carbon, dispuse pe două modele de orientare a straturilor [0/45/90/-45] (un
strat) și [0/45/90/-45] (2 straturi) cu grosimi totale de 1,6; respectiv 3,2 mm. Rezultatele
experimentale au demonstrat că rezistența la întindere pentru configurațiile testate poate crește cu
procente cuprinse între 11 % și 22 %, prin utilizarea elementelor mecanice de fixare pentru
securizarea îmbinărilor adezive.
Taib și colaboratorii săi (2006) au studiat influența parametrilor geometrici și condițiilor de
mediu asupra răspunsului structural a patru tipologii specifice de îmbinări adezive (îmbinări prin
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
10
suprapunere simplă și dublă, îmbinarea în L și îmbinarea prin aliniere). Pe baza rezultatelor
numerice și experimentale, autorii au concluzionat că rezistența mecanică a îmbinării adezive este
influențată în mod direct de ductilitatea adezivului și de fasonarea extremităților stratului de
adeziv.
Khalili și colaboratorii săi (2008) au studiat diferite metode de îmbunătățire a capacității
portante a îmbinărilor adezive pentru profile CPAFS, prin armarea adezivului. Astfel, s-au introdus
in compoziția adezivului, în procente diferite, fibre de sticlă tocate, unidirecționale, sau
transformate în praf. Rezultatele cele mai bune au fost înregistrate pentru cazul adezivului armat
cu fibre unidirecționale în fracțiune volumetrică de 30 %, forța ultimă fiind cu 125 % mai mare
comparativ cu cea dezvoltată de către îmbinările cu adezivi nearmați.
Lee și colaboratorii săi (2009) au dezvoltat programe experimentale ce au vizat
caracterizarea răspunsului structural pentru diferite configurații ale îmbinările adezive realizate
prin suprapunere simplă și dublă. Prin evaluarea și compararea modurilor specifice de cedare, a
valorilor maxime și a distribuțiilor tensiunilor tangențiale și normale, autorii au propus configurații
ideale pentru îmbinările adezive (grosimea ideală a stratului de adeziv fiind de 0,2 – 0,5 mm).
Aceste configurații nu pot fi utilizate în aplicațiile uzuale de șantier, ca urmare a condițiilor
riguroase de fabricație.
Beylergil și colaboratorii săi (2011) au realizat studii experimentale cu privire la
îmbunătățirea capacității portante la întindere a îmbinărilor adezive cu suprapunere simplă, prin
înglobarea unor tije confecționate din fibre de sticlă, în interiorul unor găuri realizate prin aderenți
și securizarea acestora cu adezivi. Epruvetele au fost confecționate din materiale compozite
obținute prin impregnarea fibrelor de sticlă cu rășini epoxidice și adezivi pe bază de rășină EL-
2210. Rezultatele experimentale au indicat că prin introducerea tijelor, se reduc considerabil
valorile ultime ale tensiunilor normale, iar forța ultimă înregistrată pentru îmbinările cu pini din
fibre este cu până la 80 % mai mare, comparativ cu cea înregistrată pentru îmbinările adezive
simple.
Palmieri și colaboratorii săi (2013) au investigat diferite tehnici laser de tratament de
suprafață aplicate aderenților realizați din CPAFC. În acest sens, au fost pregătite trei serii de
epruvete, după cum urmează. Epruvetele din prima serie nu au fost fasonate prin metode laser,
având suprafețele pre-tratate în vederea aplicării adezivilor. Pentru epruvetele din cea de a doua
serie s-au utilizat ablații laser după un tipar de suprafață prestabilit. Epruvetele din ultima serie au
fost, de asemenea, tratate prin ablație laser, dar au trecut și printr-un proces de îmbătrânire, realizat
prin utilizarea unor compuși higroscopici și depozitarea acestora în desicatoare. În urma studierii
epruvetelor, autorii au concluzionat că tratarea suprafețelor elementelor din CPAFC prin ablație
laser permite obținerea unor caracteristici (rugozitate, porozitate și energie de suprafață) superioare
celor dezvoltate de elementele cu suprafețele pre-tratate de către producător.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
11
Valee și colaboratorii săi (2013) au realizat studii comparative, numerice și experimentale,
pe trei metode de îmbinare: mecanică, adezivă și hibridă. Pentru confecționarea epruvetelor, s-au
utilizat elemente CPAFS, adeziv epoxidic Sika Force7851 și șuruburi metalice M12. Grosimea
stratului de adeziv a fost de 1 mm, lungimea de suprapunere a fost de 100 mm, iar pentru îmbinările
mecanice s-a folosit dispunerea șuruburilor în pătrat, cu raportul distanță marginală – diametru
gaură de 2,5. Pe baza rezultatelor obținute, s-a observat o creștere de 120 % a capacității portante
a îmbinărilor adezive comparativ cu cea înregistrată pentru îmbinările mecanice cu parametri
geometrici similari. În plus, rezultatele obținute pentru îmbinările hibrid au fost superioare celor
obținute pentru îmbinările mecanice și adezive, înregistrându-se îmbunătățiri a capacității portante
de 125 %, respectiv 5 %.
Girolamo și colaboratorii săi (2015) au efectuat studii numerice și experimentale pentru
caracterizarea răspunsului structural a îmbinărilor în trepte pentru elemente CPAF. Rezultatele
obținute pe baza programului experimental au reprodus fidel pe cele obținute prin intermediul
analizelor numerice. De altfel, autorii au concluzionat că studiul numeric pe baza metodei
elementelor finite poate fi aplicat la scară largă acestor tipuri de configurații a îmbinărilor adezive,
doar dacă se cunosc particularitățile modului dominant de cedare.
Ascione și colaboratorii săi (2017) au efectuat studii numerice și experimentale pentru
utilizarea îmbinărilor adezive la structuri în cadre pe CPAFS. Autorii au propus două configurații
de îmbinare adezivă grindă – stâlp, similare celor realizate cu elemente mecanice de fixare. Grinda
și stâlpul au fost realizate din profile CPAFS tip I, cu secțiune transversală de 200 x 100 x 10 mm.
Îmbinarea elementelor s-a realizat cu ajutorul unor colțari de fixare dispuși la extradosul grinzilor,
pe suprafața cărora s-a aplicat un strat de adeziv epoxidic Sikadur 30. Pentru patru din cele opt
probe, s-au dispus suplimentar plăcuțe încleiate cu adezivi în zona inimii stâlpului, pentru
rigidizarea îmbinărilor. Încărcarea s-a realizat în regim static, pe capătul liber al grinzii. Cedarea
epruvetelor s-a produs prin cumulul mai multor moduri caracteristice: coeziv și prin desprinderea
la nivelul interfeței adeziv – stâlp (cazul îmbinărilor rigidizate cu plăcuțe) sau prin delaminarea
profilului compozit la nivelul stâlpului, urmată de desprinderea și ruperea fibrelor din straturile
exterioare. Rezultatele obținute certifică îmbinările adezive ca alternativă viabilă la cele mecanice,
diferențele înregistrate pentru configurațiile rigidizate fiind similare celor obținute în studii
anterioare, efectuate de autori pentru îmbinări cu șuruburi.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
12
Capitolul 3
MATERIALE COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU
FIBRE
3.1 Introducere
În ansamblu, un material compozit este obținut prin asocierea a două sau mai multe materiale
componente cu structuri chimice distincte și interfață de separare clară; materialul rezultat are
proprietăți ce nu pot fi îndeplinite de oricare din elementele componente în mod individual (Daniel
și Ishai, 2006). Astfel, materialele compozite pot fi incluse în categoria materialelor multifazice,
fiind alcătuite din:
• faza continuă, denumită și matrice,
• faza discontinuă, alcătuită din elementele de armare,
• interfața dintre matrice și armătură.
Cele trei faze sunt prezentate în figura 3.1.
Figura 3.1 Structura și fazele materialelor compozite
Materialele compozite pot fi clasificate după criterii multiple, însă definitoriu este cel ce le
împarte în funcție de tipul matricei și al armăturilor (Fig. 3.2).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
13
Figura 3.2 Criterii de clasificare a materialelor compozite în funcție de tipul matricei și al armăturilor
(după Miracle și Donaldson, 2001; Tăranu et al, 2013)
În domeniul ingineriei civile se utilizează, de regulă, materiale compozite cu matrice
polimerică și armături dispuse continuu sau discontinuu, uni sau multidirecțional.
Un alt criteriu de clasificare a materialelor compozite este cel în raport cu sistemul de armare
și poate fi structurat pe patru paliere, după cum urmează (Fig.3.3):
• Compozite armate cu fibre;
• Stratificate din lamele compozite;
• Compozite armate cu foițe sau solzi;
• Compozite armate cu particule.
a) compozite armate cu fibre, b) stratificate din lamele compozite, c) compozite armate cu foițe sau
solzi, d) compozite armate cu particule
Figura 3.3 Sistemul de armare a materialelor compozite (după Țăranu et al, 2013)
În cadrul aplicațiilor cu rol structural, cele mai utilizate materiale compozite sunt cele armate
cu fibre și, în unele cazuri, cele stratificate. Posibilitățile de distribuire a fibrelor în structura
materialelor compozite sunt ilustrate în figura 3.4.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
14
a) fibre continue dispuse unidirecțional, b) fibre continue dispuse bidirecțional, c) fibre continue dispuse
multidirecțional, d) fibre discontinue dispuse aleatoriu, e) fibre discontinue dispuse orientat
Figura 3.4 Tipuri de dispunere a fibrelor (după Țăranu et al, 2013)
Principalele avantaje ale materialelor compozite sunt (Țăranu et al, 2013):
• Rezistența specifică ridicată;
• Stabilitate dimensională;
• Posibilitatea de dirijare a proprietăților prin controlul anizotropiei;
• Rezistența la oboseală;
• Rezistența la coroziune;
• Neutralitatea magnetică;
• Formabilitatea;
• Transparența;
• Conductibilitatea electrică.
După cum se poate observa, materialele CPAF prezintă o serie variată de avantaje ce le
recomandă ca alternativă viabilă la materialele tradiționale de construcție. Cu toate acestea,
utilizarea materialelor CPAF în domeniul ingineriei civile, este în unele cazuri obstrucționată de
anumite dezavantaje, după cum urmează (Campbell, 2010):
• Cost ridicat;
• Risc de delaminare;
• Fragilitate;
• Sensibilitate la efectul radiațiilor ultra-violete (UV).
3.2 Tipuri de fibre
Pentru aplicațiile din domeniul ingineriei civile, se utilizează, cu precădere, materiale
compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS), de carbon (CPAFC) și aramidice
(CPAFA) (Wallenberg et al, 2001; Walsh, 2001; Chang, 2001).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
15
3.2.1 Fibre de sticlă
În aplicațiile din domeniul ingineriei civile, materialele compozite sunt armate, în cele mai
multe cazuri, cu fibre de sticlă tip E și S. Caracteristicile fizice și chimice ale acestor tipuri de fibre
sunt prezentate în tabelul 3.4 (Țăranu et al, 2013), iar formele sub care se produc și comercializează
sunt ilustrate în figura 3.5.
Figura 3.6 Tipuri de fibre de sticlă: a) rovinguri, b) țesături, c) microfibre
Tabelul 3.4 Fibre de sticlă tip E și S - Proprietățile fizice și mecanice (Țăranu et al, 2013)
Tipul
fibrei
Densitate
[kg/m3]
Coeficient de
dilatare termică
[10-6/C]
Coeficientul lui
Poisson
Modulul de
elasticitate long.
[GPa]
Rezistența la
tracțiune [MPa]
Deformația ultimă
de rupere [%]
E 2500 5 0,22 72,4 3450 2,4
S 2500 2,9 0,22 85,5 4580 3,3
3.2.2 Fibre de carbon
Pe piața construcțiilor se regăsește o gamă largă de produse CPAFC, utilizate în cadrul
sistemelor de consolidare a elementelor realizate din materiale tradiționale. Fibrele de carbon
utilizate pentru ranforsarea acestor materiale compozite au modulul de elasticitate ridicat (200 GPa
– 1500 GPa), coeficient de dilatare termic mic și raport mare rezistență – densitate. Proprietățile
fizice și mecanice ale fibrelor de carbon sunt prezentate în tabelul 3.5.
Tabelul 3.5 Fibre de carbon - Proprietățile fizice și mecanice (Lupășteanu, 2016)
Tipul
fibrei
Densitate
[kg/m3]
Coeficient de
dilatare termică
[10-6/C]
Coeficientul lui
Poisson
Modulul de
elasticitate long.
[GPa]
Rezistența la
tracțiune [MPa]
Deformația
ultimă de rupere
[%]
Carbon
cu
rezistență
mare
1750 -0,2 ÷ -0,6 0,2 240 2800 1,1
Carbon
cu modul
ridicat
1950 -0,6 ÷ -1,3 0,2 380 2100 0,5
Formele de comercializare includ țesăturile bi și multidirecționale (cazul materialelor
compozite realizate prin impregnare in situ) și lamele de grosimi și forme variabile (Fig. 3.7).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
16
Figura 3.7 Fibre de carbon: a) țesături, b) înglobate în lamele
3.2.3 Fibre aramidice
Fibrele aramidice sunt fibre organice, poliamidice aromatice, cu densitate redusă și rezistență
mare. Astfel, dintre toate fibrele utilizate la armarea materialelor compozite, fibrele aramidice au
cel mai mare raport dintre rezistența la tracțiune și densitate (Mallick, 2008). Fibrele aramidice
sunt comercializate sub formă de rovinguri, microfibre și țesături (Fig. 3.8).
Figura 3.8 Fibre aramidice: a) rovinguri, b) microfibre, c) țesături
3.3 Tipuri de matrice polimerice
Matricele polimerice se utilizează extensiv în domeniul materialelor compozite, ocupând în
prezent un procent de aproximativ 75% din piața de profil. Acest fapt se datorează, în principal,
proprietăților fizico-chimice ce asigură compatibilitatea cu majoritatea tipurilor de fibre și costului
relativ mic de fabricare. Matricele polimerice pot fi clasificate pe două paliere, în raport cu
comportarea la temperatură: termorigide și termoplastice.
În continuare, sunt prezentate principalele tipuri de matrici polimerice termorigide și
termoplastice utilizate la fabricarea materialelor compozite.
3.3.1 Rășini epoxidice
Rășinile epoxidice sunt folosite, în cele mai multe cazuri, în combinație cu armături continue
și lungi, și reprezintă cele mai utilizate tipuri de rășini polimerice termorigide. Variația
caracteristicilor fizice și mecanice ale rășinilor polimerice epoxidice este prezentată în tabelul 3.6.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
17
Tabelul 3.6 Caracteristici fizico-mecanice ale matricelor epoxidice (Lupășteanu, 2016)
Densitate
[kg/m3]
Temperatura
de utilizare
[0C]
Contracții
la întărire
[%]
Coeficientul
lui Poisson
Modulul de
elasticitate
[GPa]
Rezistența
la întindere
[MPa]
1200 – 1300 ≤150 1 – 5 0,2 – 0,33 2,5 – 4 50 – 125
3.3.2 Rășini poliesterice
Rășinile poliesterice au la bază o componentă diacidă saturată (acizi organici) și un acid
saturat. Astfel, diversitatea componenților de bază și raporturile cantitative dintre aceștia
determină producerea unui spectru larg de rășini poliesterice, cu varietate largă de proprietăți
fizice, chimice și mecanice (Bunsell și Reinard, 2005; Mallick, 2008; Țăranu, 2011). În funcție de
domeniul de utilizare a materialului compozit și de cerințele impuse, se pot selecta următoarele
tipuri de rășini poliesterice:
• Rășinile clorice - se folosesc în condiții de temperaturi înalte și prezintă rezistența ridicată
la acțiunea peroxizilor, acizilor și solvenților;
• Rășinile fenolice – se folosesc în medii alcaline, puternic agresive și cu temperaturi
ridicate (1200C);
• Rășinile isoftalice – sunt rezistente la apă, substanțe alcaline și benzenuri. Temperatura
exterioară maximă este limitată la 800C.
3.3.3 Rășini vinilesterice
Comparativ cu rășinile epoxidice sau poliesterice, rășinile vinilesterice au legăturile dintre
catene de densitate mai redusă, însă prezintă cea mai ridicată compatibilitate cu fibrele de sticlă.
Caracteristicile fizico-mecanice ale rășinilor vinilesterice sunt influențate de natura materialelor
de bază și a celor de umplutură (Mallick, 2008; Țăranu, 2011).
3.3.4 Rășini termoplastice
Utilizarea matricelor termoplastice în domeniul ingineriei civile este destul de limitată, în
principal datorită compatibilității reduse cu tipurile de, a proceselor de fabricare cu grad înalt de
dificultate și a valorilor împrăștiate ale deformațiilor specifice la rupere (între 30 și 100%) (Bunsell
și Reinard, 2005). Cele mai des folosite rășini termoplastice sunt: poliesteri ai acizilor cetonic
(PEEK), sulfurile de polifenilen (PPS), polisulfatice (PSUL).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
18
Capitolul 4
ADEZIVI PENTRU ÎMBINAREA ELEMENTELOR
4.1 Introducere
De-a lungul timpului au fost formulate numeroase definiții ale adezivului, ce urmăreau fie
caracterizarea materialului din punct de vedere chimic, fie descrierea funcțiunilor pe care acesta le
îndeplinește în cadrul unei îmbinări. Pentru aplicațiile din ingineria civilă, adezivul poate fi definit
ca un material de legătură care, prin aplicarea pe suprafețele unor elemente, permite realizarea
îmbinării acestora, prin dezvoltarea proceselor de adeziune.
4.2 Clasificarea adezivilor
Adezivi utilizați pentru îmbinarea elementelor de construcție pot fi clasificați după criterii
multiple (Fig. 4.1), însă definitoriu este cel ce îi împarte în funcție de caracterul structural sau
nestructural al ansamblului rezultat.
Figura 4.1 Criterii de clasificare ale adezivilor
În secțiunile următoare se prezintă principalele particularități ale adezivilor, raportate la
nivelele de clasificare.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
19
4.2.1 Clasificare în funcție de compoziția chimică
Conform lui Ebnesajjad (2008), din punct de vedere al structurii chimice, majoritatea
adezivilor structurali au la bază una dintre cele 5 compoziții descrise în tabelul 4.2.
Tabelul 4.2 Tipuri de adezivi structurali în funcție de compoziția chimică (după Ebnesajjad, 2008)
Epoxidici Acrilici Cianoacrilați Poliuretanici Siliconici
Substraturi
compatibile
materiale
tradiționale și
compozite
materiale
compozite și
metalice
materiale
compozite și
cauciuc (suprafețe
plane, neporoase)
materiale
tradiționale
sticlă și materiale
compozite
Condiții de
întărire
durată mare,
temperaturi de 20-
25 0C
durată medie,
temperaturi de 20-
25 0C
durată scurtă,
umiditate
controlată
durată variabilă,
temperaturi de 20-
25 0C
durată medie,
umiditate
controlată
Formă de
produs
mono sau bi-
componentă
mono sau bi-
componentă mono-componentă bi-componentă mono-componentă
Rezistența
la impact slabă bună slabă ridicată bună
Rezistență
la
umiditate
ridicată bună slabă medie ridicată
Rezistență
la solvenți ridicată bună bună bună bună
Cost scăzut moderat ridicat moderat moderat
4.2.2 Clasificare în funcție de natura adezivului
Un alt criteriu de clasificare a adezivilor este cel în raport cu originea acestora și poate fi
structurat pe două paliere: adezivi naturali și adezivi sintetici. Cei de origine naturală prezintă o
serie de avantaje notabile (preț redus, sunt ecologici și biodegradabili), însă nu au aplicabilitate în
cazul îmbinărilor cu rol structural. Adezivii sintetici se pot clasifica în 2 categorii principale:
termoplastici și termorigizi.
Adezivii termorigizi sunt infuzibili și insolubili după întărire. Adezivii termoplastici sunt
sensibili la încălzire, fuzibili, solubili și au de regulă o capacitate portantă semnificativ mai redusă
decât cea a adezivilor termorigizi. Cei mai utilizați adezivi termorigizi sunt: adezivii epoxidici,
poliuretanici și fenolici, iar din categoria celor mai uzuali adezivi termoplastici fac parte: adezivii
acrilici și adezivii termoplastici (Mays și Hutchinson, 1992; Oltean, 2011).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
20
Capitolul 5
REZISTENȚA DE ADERENȚĂ
5.1 Introducere
Îmbinarea cu adezivi a elementelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) se bazează
pe adeziunea dintre un solid (aderentul) și un lichid (adezivul) și se poate explica prin apariția și
dezvoltarea fenomenului de aderență ce se manifestă la nivel molecular. Acest fenomen înglobează
totalitatea mecanismelor de legătură care generează contactul și cuplarea atomilor de suprafață ai
elementelor constituente ale îmbinării.
În cazul aplicațiilor în care conlucrarea are o funcție critică, interfețele dintre elementele
CPAF și adeziv pot suferi modificări în vederea creșterii rezistenței de aderență. Modalitățile de
tratare a suprafețelor elementelor compozite sunt stabilite în urma identificării
mecanismului/mecanismelor de aderență ce se formează după aplicarea adezivului.
5.2 Teorii de aderență
Teoriile de aderență utilizate la evaluarea mecanismelor de legătură specifice îmbinărilor
adezive pentru elemente CPAF sunt prezentate în tabelul 5.1 (Ebnesajjad și Landrock, 2009).
Tabelul 5.1 Principalele teorii de aderență (după Ebnesajjad și Landrock, 2009)
Tradiționale Recente Scara la care se raportează
➢ Conlucrare mecanică
➢ Atracție electrostatică
➢ Adsorbție
➢ Difuzie moleculară
➢ Conlucrare mecanică
➢ Atracție electrostatică
➢ Difuzie moleculară
➢ Conlucrare termodinamică
➢ Legături chimice
➢ Straturi de interfață slabe
➢ Microscopică
➢ Macroscopică
➢ Moleculară
➢ Moleculară
➢ Atomică
➢ Moleculară
5.2.1 Teoria conlucrării mecanice
Teoria conlucrării mecanice presupune că la baza aderenței stă capacitatea de cuplare a
adezivului cu neregularitățile de pe suprafața elementelor compozite (Fig. 5.1) (Packham, 2003).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
21
Prin dislocarea aerului blocat în cavitățile de pe suprafața materialelor CPAF, adezivul creează
puncte de ancoraj, ce îmbunătățesc semnificativ rezistența îmbinării.
Figura 5.1 Mecanismul conlucrării mecanice
5.2.2 Teoria atracției electrostatice
Legăturile fizice formate la interfața adeziv – aderent se bazează pe două teorii de aderență,
cea a atracției electrostatice și cea a adsorbției. Teoria atracției electrostatice a fost postulată de
către Deryaguin și colaboratorii săi (Deryaguin et al, 1978, 1987), care au concluzionat că
rezistența unei îmbinări adezive depinde de densitatea sarcinilor electrice de semne contrare
existente la nivelul interfețelor (Fig. 5.2).
Figura 5.2 Teoria electrostatică (după Baldan, 2004)
5.2.3 Teoria adsorbției
Teoria se bazează pe faptul că moleculele aflate la nivelul interfeței lichid - gaz sunt în
dezechilibru de forțe, datorită intensităților diferite ale forțelor de coeziune aferente celor două
stări. Fenomenul fizic de atracție a moleculelor unui material la nivelul interfeței cu alt material,
ca urmare a dezechilibrul forțelor de coeziune, poartă numele de adsorbție (Groll și Țăranu, 2003).
În cazul materialelor CPAF îmbinate adeziv, procesul prin care se stabilește contactul între
suprafețele adezivului și cele ale aderenților se numește udare sau umectare. Umectarea
suprafețelor elementelor CPAF este posibilă doar dacă tensiunea superficială a adezivului este mai
mică decât tensiunea superficială critică a aderenților.
Unul din parametrii definitorii, ce caracterizează gradul de umectare al unui material este
unghiul de contact sau de udare Ɵ, stabilit între o picătura de adeziv (sau lichid de control) și
suprafața materialului. Potrivit lui Habernicht (2009), rezultate satisfăcătoare se obțin dacă unghiul
Ɵ este menținut sub 30º. În figura 5.3 sunt prezentate diferite cazuri de umectare, specifice
elementelor CPAF.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
22
Figura 5.3 Unghiul de contact Ɵ pentru diferite cazuri de umectare (după Oltean, 2011)
5.2.4 Teoria legăturilor chimice
Mecanismul chimic este specific îmbinărilor adezive pentru elemente CPAF, adeziunea
chimică fiind bazată pe compatibilitatea grupărilor chimice ale suporților și ale adezivului. Această
teorie a fost postulată de către Bilkerman (1968) și presupune existența a patru tipuri de
interacțiuni: legături covalente, legături ale hidrogenului, legături inițiate de forțele Lifshitz-van
der Waals și legături ale acizilor.
5.2.5 Teoria difuziei moleculare
Principiul difuziei a fost postulat de către Voyutskii și colaboratorii săi (1963) ce au presupus
că rezistența unei îmbinări adezive depinde de gradul de difuzie al moleculelor elementelor
constituente ale sistemului. Fazele procesului de difuzie sunt ilustrate în figura 5.4 (Fourche,
1995).
Figura 5.4 Mecanismul difuziei (după Fourche, 1995)
a – inter-difuzia moleculelor adezivului, b – inter-difuzia moleculelor substraturilor
5.3 Studiul microscopic al suprafețelor elementelor CPAF
În vederea descrierii caracteristicilor de suprafață ale elementelor CPAF ce influențează în
mod direct fenomenul de aderență, s-a realizat un studiu microscopic pe 6 epruvete diferite (Fig.
5.5). Primele trei probe constau în elemente compozite polimerice armate cu fibre de sticlă
(CPAFS), pe când ultimele trei probe au fost confecționate din materiale compozite polimerice
armate cu fibre de carbon (CPAFC).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
23
Figura 5.5 Epruvete: а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Fiecare epruvetă a fost debitată utilizând o mașină de tăiat de mare viteză (10000 RPM)
echipată cu disc ranforsat de carbon. Dimensiunea plană a probelor este de 30 mm x 30 mm. Pentru
identificarea facilă a probelor și apelarea lor în secțiunea referitoare la interpretarea rezultatelor,
fiecărei probe i s-a atribuit un cod specific. Descrierea probelor și codurile specifice de identificare
sunt prezentate în tabelul 5.2 (Fiberline design manual, 2012; Lamele Sika CarboDur – Fișa
tehnică de produs, 2008; Sika CarboShear L – Product Data Sheet, 2014; Mapei Carboplate – Fișa
tehnică de produs, 2008).
Tabel 5.2 Descrierea probelor
(Fiberline design manual, 2012; Lamele Sika CarboDur – Fișa tehnică de produs, 2008;
Sika CarboShear L – Product Data Sheet, 2014;
Mapei Carboplate – Fișa tehnică de produs, 2008)
Probă Cod Dimensiuni [mm]
Profil compozit plat Fiberline G1 30x30
Profil compozit plat Fiberline cu model
de suprafață G2 30x30
CPAFS realizat prin procedeu manual G3 30x30
Sika CarboDur S512 CPAFC C1 30x30
Sika CarboShear L 4/20/50 CPAFC C2 30x30
Mapei Carboplate E170 CPAFC C3 30x30
5.3.1 Descrierea studiului experimental
Pentru studiul parametrilor ce caracterizează suprafața elementelor CPAF s-a utilizat un
microscop inversat XJP-6A, echipat cu o cameră foto de tip DV-2C. Imaginile captate de către
camera microscopului au fost investigate utilizând programul de analiză metalografică Material
Plus Image Software. Premergător analizei microscopice, probele au fost debitate la dimensiunea
nominală și curățate cu solvenți.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
24
5.3.2 Gradul de omogenitate a suprafețelor elementelor CPAF
Gradul de omogenitate a elementelor CPAF poate fi caracterizat de către numărul și
dimensiunea medie a micro-fisurilor prezente la suprafața acestora. De asemenea, în cazul utilizării
tratamentelor de suprafață, numărul și dimensiunea micro-fisurilor pot oferi informații relevante
cu privire la gradul de abraziune (Ungureanu et al, 2017). Se consideră că suprafețele elementelor
CPAF utilizate în acest studiu sunt omogene, deoarece atât numărul, cât și dimensiunea medie a
micro-fisurilor sunt reduse (Tabelul 5.3). Imaginile surprinse de către camera microscopului,
pentru fiecare epruvetă în parte, sunt prezentate în figura 5.6.
Figura 5.6 Micro-fisuri localizate la suprafața probelor (100x):
а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Tabelul 5.3 Dimensiunile nominale ale micro-fisurilor în µm
Micro-fisuri L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7
Epruvete
G1 817,066 766,44 433,197 722,348 982,665 977,464 1021,598
G2 173,764 131,579 192,123 181,598 153,198 184,886 574,028
G3 81,579 94,773 52,697 68,472 92,143 480,802 1021,91
C1 460,955 44,113 38,316 47,66 46,854 201,449 1750,065
C2 121,053 119,15 136,842 126,316 155,285 113,92 31,579
C3 844,753 847,385 855,267 828,952 676,316 681,579 602,632
5.3.3 Porozitatea elementelor CPAF
În vederea stabilirii valorii porozităților epruvetelor, în fiecare câmp de procesare, s-a utilizat
metoda prin analogie cu scara de intensități alb - negru (punct luminos - punct întunecat). Imaginile
captate de către camera microscopului prezintă zone luminoase, precum și zone întunecate.
Trecerea de la o zonă la alta se realizează cu un anumit gradient specific. Luând în calcul tipul de
lentilă folosită, intensitatea sursei de lumină și distanța de focalizare, programul Material Plus,
permite stabilirea unei scări alb - negru corespunzătoare profilului topografic al probei. Pentru
fiecare zonă ce prezintă elemente comune ca dimensiuni se atribuie o culoare, reliefându-se astfel
principalele câmpuri de procesare ale probei. După cum se poate observa din figura 5.10, trecerea
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
25
dintre regiuni se realizează cu un gradient redus în cazul probelor G1, G3 și C1, pe când în cazul
probelor G2, C2 și C3, trecerea este mult mai pronunțată, fapt datorat prezenței modelelor de
suprafață. Regiunile specifice, identificate pentru fiecare probă, sunt prezentate în figura 5.7.
Pentru fiecare epruvetă a fost determinat gradul de porozitate al fiecărei regiuni caracteristice
(câmp de procesare), (Tabelul 5.4). În acest sens, au fost atribuite fiecărei probe un număr de 10
puncte specifice de măsurătoare. Punctele de măsurătoare sunt localizate în centrul geometric al
regiunilor, precum și în imediata apropriere a zonelor de trecere dintre regiuni (Fig. 5.8).
Particulele ce sunt în contact cu punctul de măsurare au fost caracterizate prin monitorizarea
parametrilor privind: rotunjimea, volumul și diametrul. S-au înregistrat deviații nesemnificative
față de geometria sferică (maxim 0,009531 mm deviație în diametru și înălțime pentru proba C3).
Distribuția rugozităților medii pe suprafețele probelor sunt prezentate grafic în figura 5.9.
Figura 5.7 Imagini procesate ale epruvetelor, corespunzător gradelor de porozitate și rugozitate:
а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Tabelul 5.4 Porozitatea probelor [%]
Câmp F1 F2 F3 F4
Probă
G1 47.7 76.14 93.37 ---
G2 30.57 84.6 99.54 ---
G3 27.82 55.94 80.18 ---
C1 7.93 37.15 77.37 95.76
C2 14.02 57.84 98.72 ---
C3 71.86 --- --- ---
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
26
Figura 5.8 Regiunile specifice corespunzătoare valorilor maxime ale porozității și rugozității. Localizarea
punctelor de măsurătoare. а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Figura 5.9 Distribuția rugozității medii pe lungimea probelor:
а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
5.4 Concluzii
Rezultatele obținute în urma studiilor microscopice și grafice prezentate în acest capitol, au
oferit date utilizate atât în studiile numerice privind optimizarea configurațiilor îmbinărilor adezive
(Capitolul 6), cât și în stabilirea unor metode optime de tratare a elementelor CPAF utilizate în
cadrul programului experimental (Capitolele 7 și 8). Astfel, pornind de la rugozitatea medie și
porozitatea determinată în cadrul acestui studiu, s-au efectuat diferite metode de tratare mecanică
a suprafețelor până la atingerea unor caracteristici optime pentru dezvoltarea fenomenului de
adeziune. De asemenea, valoarea rugozității medii a profilelor Fiberline (G1) a fost atribuită
factorului de penetrare a adezivului, pentru analiza numerică cu element finit a îmbinărilor.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
27
Capitolul 6
PRINCIPII DE PROIECTARE A ÎMBINĂRILOR
REALIZATE CU ADEZIVI
6.1 Introducere
Conlucrarea dintre materialele compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) și cele
tradiționale (zidărie, beton, lemn, oțel, ș.a.) are un impact major asupra performanțelor îmbinărilor
adezive, atât în cazul aplicațiilor cu rol structural, cât și în cazul soluțiilor de consolidare.
Numeroase studii au fost efectuate în vederea fundamentării unor principii de proiectare, prin
intermediul cărora, să se obțină valori cu grad sporit de acuratețe și aplicabilitate pentru parametrii
definitorii ce caracterizează comportarea regiunilor de interfață dintre materialele compozite. Deși
metodele utilizate în elaborarea acestor principii de proiectare prezintă un grad mare de
variabilitate, în ansamblu, se bazează pe rezultate experimentale, pe analize numerice extinse, pe
extrapolări ale teoriei clasice de mecanica ruperii și pe metode combinate (utilizate în cazul
îmbinărilor adezive cu configurații geometrice complexe).
6.2 Analiza stărilor de tensiuni din îmbinările adezive
În îmbinărilor adezive, tensiunile principale ce se dezvoltă de-a lungul stratului de adeziv
sunt tensiunile tangențiale și tensiunile normale (de cojire) (Fig. 6.3).
Figura 6.3 Dezvoltarea tensiunilor tangențiale și normale (de cojire) în îmbinările adezive pentru
elemente pultrudate din CPAF
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
28
6.3 Studiul analitic al stării de tensiuni din îmbinările adezive
Modelele analitice de calcul descriu comportarea și relațiile care se stabilesc între tensiunile
tangențiale și tensiunile de cojire dintre două elemente, atașate prin intermediul unui adeziv (Stein
et al, 2016a; Abdi et al, 2016; Stein et al, 2016b).
6.3.1 Modelul Volkersen
Primul model teoretic de calcul al îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă îi este
atribuit lui Volkersen, (Volkersen 1938; Cognard, 2006; Rodriguez et al, 2012; Ozera și Oz, 2012).
Acest model este numit și model de forfecare pură, “shear lag model”, deoarece se consideră că
adezivul este solicitat numai la forfecare.
6.3.2 Modelul Goland - Reisner
Aprofundarea studiului inițiat de către Volkersen a fost realizată de Goland și Reisner prin
analiza deformațiilor rezultate din încovoierea aderenților și a deformațiilor transversale ale
adezivului, ca rezultat al tensiunilor din îmbinare (Goland și Reisner, 1944). Modelul inițial
Goland - Reisner a fost destinat analizei tensiunilor tangențiale și a tensiunilor de cojire pentru
îmbinările adezive dintre elemente realizate din materiale izotrope.
6.3.3 Modelele Hart - Smith
Modelele Hart - Smith sunt destinate analizei stării de tensiuni din îmbinările realizate prin
suprapunere simplă și dublă, între diferite tipuri de aderenți. Răspunsul structural al îmbinării este
evaluat prin corelarea stării de tensiuni - deformații specifice cu unul din cele trei modele
caracteristice (Fig. 6.4). Se consideră astfel că, aria totală delimitată de către curba tensiuni -
deformații specifice, obținută pe baza modelului Hart - Smith este egală cu cea corespondentă
stării reale de tensiuni - deformații specifice a adezivului (Figura 6.4).
Figura 6.4 Curbele tensiuni - deformații specifice pentru modelul analitic Hart – Smith
(după Hollaway, 1990)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
29
6.4 Analiza pe cale numerică a stării de tensiuni din îmbinările
adezive
Principalul avantaj al analizei numerice bazate pe metoda elementului finit constă în
posibilitatea obținerii răspunsului structural pentru orice tip de configurație geometrică a
îmbinărilor adezive și orice tip de materiale constituente (Barbero, 2014). Spre deosebire de
modelele analitice, analizele numerice folosesc în general un model tridimensional ce ține cont de
următoarele aspecte:
• Tipurile de încărcări la care este solicitată îmbinarea;
• Condițiile de rezemare;
• Posibilitatea apariției deplasărilor mari;
• Neconcordanțele de rigiditate între elementele constituente ale îmbinării;
• Magnitudinea tuturor eforturilor rezultate în îmbinare;
• Alte caracteristici ce țin de comportarea de ansamblu a îmbinării.
Calculul îmbinărilor adezive bazat pe metoda elementului finit poate fi structurat pe trei
nivele și anume: date de intrare, modelul de element finit, date de ieșire / analiza datelor.
Primul nivel este definit de trei sub-nivele independente: proprietățile materialelor, modelul
geometric tridimensional încărcări și condiții de rezemare. În cazul în care se obțin date
neconcludente sau date contrare celor obținute pe cale experimentală, se va proceda după
următoarea schemă (Fig. 6.5):
Figura 6.5 Schemă logică de procesare a datelor, specifică analizelor numerice bazate pe metoda
elementului finit
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
30
6.5 Calculul îmbinărilor adezive pe baza modelelor analitice și
numerice și a programelor experimentale
Există patru proceduri ce pot fi aplicate în proiectarea unei îmbinări adezive pentru elemente
CPAF, și anume:
• Procedura simplificată;
• Procedura bazată pe încercări;
• Modelarea și analiza numerică bazată pe metoda elementului finit;
• Procedura extinsă (riguroasă).
În procedura simplificată se folosesc bazele de date experimentale existente, în scopul
determinării unor caracteristici geometrice și mecanice, aplicabile în faza preliminară de proiectare
a oricărui tip de îmbinare adezivă. Procedura prin încercări poate fi utilizată în cazul unui număr
restrâns de configurații ale îmbinărilor adezive, pentru care se cunosc proprietățile fizice și
mecanice ale elementelor constituente. Pe de altă parte, procedura extinsă (bazată pe programe
experimentale) și metodele bazate pe analiza cu element finit pot fi aplicate în majoritatea
tipologiilor de îmbinări adezive ale elementelor CPAF.
6.5.1 Proiectarea îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă
Dacă aderenții sunt de același tip, variația tensiunii tangențiale poate fi aproximată utilizând
ecuația 6.1 (cu notațiile din Fig. 6.6).
−++= )1(
4
3tan)31(
8k
t
xck
t
l
bl
P (6.1)
Unde:
• t reprezintă grosimea aderenților; b este lățimea aderenților; k este un coeficient ce
ține cont de deplasarea aderenților;
• 1/2
8 a
a
tG
E t
=
;
• Ga este modulul de elasticitate la forfecare al adezivului; E este modulul de
elasticitate (axial) al aderenților; ta reprezintă grosimea adezivului.
Figura 6.6 Notații pentru îmbinarea prin suprapunere simplă
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
31
În cazul în care se utilizează adezivi aplicați în strat subțire (sub 1 mm) și aderenți rigizi,
efectul adițional al momentului încovoietor poate fi neglijat (Ecuația 6.2).
+
−−=
)2/cos(
)sin(
)2/sin(
)cos(
2 2211
1122
cl
cx
cl
cx
b
pc
tEtE
tEtE
(6.2)
Unde:
• l este lungimea de conlucrare; E1, E2 sunt modulii de elasticitate ai aderenților; t1, t2
reprezintă grosimile aderenților;
•
2/1
2211
112
+=
tEtEt
G
a
ac
6.5.2 Proiectarea îmbinărilor în straturi sau cu eclise duble
În cazul îmbinărilor în straturi, tensiunea tangențială maximă se calculează utilizând ecuația
6.3 (cu notațiile din Fig. 6.7):
+=
)cos(
)sin(
)sin(
)cos(
4max
c
c
c
cP fk
(6.3)
Unde:
• Pk este forța caracteristică pe unitate de lungime; Ω are valoarea cea mai mare dintre:
(1-Ψ)/(1+Ψ) și (Ψ-1)/(1+Ψ);
• 0 0
;2
i iE t
E t =
•
2/1
2211
212
+=
tEtEt
G
a
a
• 2
lc
=
.
Figura 6.7 Notații pentru îmbinarea prin suprapunere dublă
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
32
6.6 Studiu comparativ între metodele analitice și metodele numerice
aplicate în vederea obținerii răspunsului structural al îmbinărilor adezive
Configurațiile propuse pentru acest studiu includ: îmbinarea realizată prin suprapunere
simplă (SLJ – single lap joint) și îmbinarea cu aderenți rigizi (TAJ – thick adherents joint). Ambele
configurații sunt realizate utilizând profile compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS)
Fiberline (Fiberline, 2012) și adeziv structural epoxidic bi-component Sikadur30 (Fișa tehnică de
produs, Sikadur30, 2014). Profilele compozite Fiberline sunt realizate prin procesul de pultrudere
și utilizează fibre de sticlă și rășină poliesterică izoftalică. Proprietățile fizice și mecanice ale
profilelor, respectiv a adezivului sunt prezentate în tabelele 6.1 – 6.3.
Tabelul 6.1 Profile compozite plate – Caracteristici elastice (Fiberline, 2012)
Tip
Modul de
elasticitate
longitudinal (valoare medie)
[N/mm2]
Modul de
elasticitate
transversal (valoare medie)
[N/mm2]
Modul de
elasticitate la
forfecare (valoare medie)
[N/mm2]
Coeficientul
lui Poisson,
0°-90°
Coeficientul lui
Poisson,
90°-0°
Profil
plat
Fiberline
23000 8500 3000 0,23 0,09
Tabelul 6.2 Profile compozite plate – Rezistențe mecanice (Fiberline, 2012)
Tip
Rezistență la
tracțiune, 0°
[N/mm2]
Rezistență la
tracțiune, 90°
[N/mm2]
Rezistență la
compresiune, 0°
[N/mm2]
Rezistență la
compresiune, 90° [N/mm2]
Profil
plat
Fiberline
240 50 240 70
Tabelul 6.3 Adezivi (Fișă tehnică de produs Sikadur 30, 2014)
Tip
adeziv
Densitate
[kg/l]
(amestec)
Rezistență la
compresiune,
fc,adh
[N/mm2]
(7 zile, +100)
Rezistență la
tracțiune, ft,adh
[N/mm2]
(7 zile, 150C)
Modul de
elasticitate,
Eadh
(static)
[N/mm2]
Deformație
specifică la
rupere,
εu,adh
Sikadur
30 1,65 70-80 25-28 12800 1%
6.6.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate
Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor adezive constituie un factor determinant, atât în
cadrul studiului pe cale analitică, cât și pentru analizele numerice bazate pe metoda elementului
finit. Din acest motiv, pentru acest studiu de caz, se propune un spectru larg de configurații
geometrice, compuse din combinații între lungimea de conlucrare (70 mm, 100 mm, 150 mm) și
grosimea stratului de adeziv (1 mm, 2 mm, 3 mm). Pentru a fi identificate cu ușurință, fiecărui
model i se atribuie un cod nominal de identificare (Tabelul 6.4). Pentru analiza numerică, s-au
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
33
utilizat puncte specifice de măsurare și monitorizare a tensiunilor și deformațiilor specifice,
localizate la nivelul interfeței superioare adeziv – aderent. Fiecărui model i s-au atribuit trei serii
de puncte de monitorizare, după cum urmează: două serii localizate în zona capetelor libere a
lungimii de conlucrare și o serie localizată în zona de mijloc a îmbinării (Fig. 6.8). Pentru
reprezentarea grafică a distribuției tensiunilor, de-a lungul stratului de adeziv, s-au utilizat punctele
M1 – M6, rezultate din media aritmetică a fiecărui set de trei puncte consecutive, dispuse
transversal la nivelul interfeței.
Figura 6.8 Modele geometrice: a) Îmbinarea realizată prin suprapunere simplă b) Îmbinarea cu aderenți
rigizi - dimensiuni în mm (figurile nu respectă scara)
Pentru fiecare model, distanța dintre două puncte consecutive de monitorizare este constantă
(10 mm). Astfel, 24 de puncte specifice de monitorizare au fost utilizate pentru modelele S1-1(2,
3); T1-1(2, 3), 33 de puncte specifice de monitorizare pentru modelele S2-1(2, 3); T2-1(2, 3),
respectiv 48 de puncte specifice de monitorizare pentru modelele S3-1(2, 3); T3-1(2, 3).
Tabelul 6.4 Caracteristicile geometrice ale modelelor
Model Tip Lungimea de
conlucrare
[mm]
Grosimea stratului de
adeziv
[mm]
S1-1(2, 3) SLJ 70 1, 2, 3
S2-1(2, 3) SLJ 100 1, 2, 3
S3-1(2, 3) SLJ 150 1, 2, 3
T1-1(2, 3) SLJ 70 1, 2, 3
T2-1(2, 3) SLJ 100 1, 2, 3
T3-1(2, 3) SLJ 150 1, 2, 3
a) b)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
34
6.6.2 Studiul distribuției tensiunilor pe cale analitică
Analiza modelelor pe cale analitică a fost realizată utilizând modelul teoretic Goland -
Reisner (Oplinger, 1994; Wu et al, 1997; Groll și Țăranu, 2003; Luo și Tong, 2007) pentru
îmbinarea realizată prin simplă suprapunere, respectiv modelul teoretic dezvoltat în concordanță
cu standardul D3165 pentru îmbinarea cu aderenți rigizi (Yang et al, 2003; ASTM D3165, 2014).
Modelul analitic Goland - Reisner permite analiza distribuției tensiunilor tangențiale și
normale dezvoltate de îmbinările realizate prin suprapunere simplă. Pentru analiza tensiunilor
tangențiale, dezvoltate în stratul de adeziv, se utilizează ecuația 6.4.
( )a
aultim
Et
tGk 831
80 +
(6.4)
Unde:
t
dP fk = ;
)sinh()cosh(22)cos()sinh(
)sinh()cosh(
2121
12
cuLucuLu
Lucuk
+= ;
21 22 uu = ;
Etu
)1(3
2
1 22 −= ;
Pk – Forța pe unitate de lungime [N/m]; υ – Coeficientul lui Poisson pentru adeziv; Ga –
Modulul de elasticitate la forfecare al adezivului [MPa]; E – Modulul de elasticitate al aderenților
[MPa]; 2
Lc = [mm]; L – lungimea de conlucrare [mm]; ta – grosimea stratului de adeziv [mm]; t –
grosimea aderenților [mm]; γf – deformația specifică ultimă a adezivului.
În cazul modelului analitic bazat pe specificațiile standardului ASTM D3165, se consideră
că aderenții au o comportare liniar elastică, iar stratul de adeziv lucrează în domeniul elasto –
plastic, respectând criteriul von Mises (Yang et al, 2003; ASTM D3165, 2014). În acest sens,
pentru fiecare model s-au localizat trei zone de interes, după cum urmează:
• Aria de conlucrare – zonă cu comportare plastică;
• Două zone adiacente ariei de conlucrare cu comportament elastic.
Răspunsul structural al îmbinărilor adezive cu aderenți rigizi, specific zonei plastice, poate
fi caracterizat utilizând ecuația 6.5:
zxx
E
+−
−+ )1(
)1)(1(; (6.5)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
35
( )zxy
E
+
−+
)21)(1(;
zxz
E
)1(
)21)(1(−+
−+ ;
3
yield
pxz
=
Unde:
E – Modulul de elasticitate al adezivului [MPa]; υ – Coeficientul lui Poisson pentru adeziv;
σ – tensiunile din stratul de adeziv [MPa]; σyield – limita de curgere a adezivului [MPa];
ε – deformații specifice pentru adeziv [mm/mm].
6.6.3 Analiza numerică bazată pe metoda elementului finit
Analiza numerică a modelelor a fost realizată utilizând programul de calcul cu element finit
Ansys Workbench (ANSYS Workbench user’s guide, 2009). Modelele tridimensionale atribuite
îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă sunt compuse din trei forme primare, pe când cele
atribuite îmbinărilor cu aderenți rigizi constau în șapte forme primare. Fiecărei forme geometrice
primare i-au fost definiți parametrii de conectivitate corespunzători tipului de îmbinare ales.
Modelele tridimensionale finale au fost discretizate utilizând elemente finite triunghiulare, cu
dimensiuni de 0,2 - 1 mm pentru stratul de adeziv, respectiv elemente finite dreptunghiulare, cu
dimensiunea maximă de 2 mm, pentru aderenți.
Pentru zona de conlucrare s-a utilizat o discretizare fină. Nivelul de îndesire al discretizării
a fost setat la 0.1, însemnând limitarea dimensiunii maxime a elementului finit la 0,1 mm. S-au
utilizat de asemenea, zone tampon dispuse între regiunile cu elemente de discretizare de
dimensiuni diferite. În acest mod, trecerea dintre regiuni se realizează cu un gradient redus și se
evită riscul apariției punctelor de discontinuitate între elementele discretizării. Profilele compozite
Fiberline au fost definite ca materiale ortotrop, iar adezivul a fost modelat ca material izotrop,
ambele materiale având comportare liniar elastică.
În urma studiului microscopic, prezentat în capitolul precedent, s-au determinat
caracteristicile suprafețelor profilelor Fiberline, utilizate în cadrul analizei numerice a îmbinărilor.
Se evidențiază astfel următoarele aspecte urmărite pe parcursul realizării modelelor numerice:
• Regiunea de contact selectată – bonded contact;
• Parametrul definitoriu al punctelor de ancoraj – pure penalty formulation;
• Determinarea punctelor de contact în profunzimea profilelor – nodal points where
the normal axis is perpendicular to the plane of the contact surface;
• Factorul de penetrare al adezivului – Penetration factor – 0,0943 mm.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
36
6.6.4 Rezultate
Atât rezultatele obținute pe cale analitică, cât și cele generate de analiza numerică
demonstrează că stratul de adeziv este solicitat predominant la forfecare în cazul ambelor tipologii
de îmbinări. Cu toate acestea, se pot observa concentrări semnificative de tensiuni localizate în
zona de capăt a stratului de adeziv pentru modelele corespunzătoare seriei S1 (modelele cu
lungimea de conlucrare de 70 mm), (Fig. 6.7b). În cazul modelelor TAJ și SLJ având lungimea de
conlucrare de 100 mm, respectiv 150 mm, influența tensiunilor normale asupra răspunsului
structural al îmbinării este neglijabil. Din acest motiv, în acest studiu se prezintă grafic și se
analizează doar distribuțiile tensiunilor tangențiale. Distribuțiile tensiunilor tangențiale în lungul
stratului de adeziv pentru îmbinările prin suprapunere simplă sunt reprezentate grafic în figurile
6.11 – 6.13. Reprezentările grafice surprind atât valorile obținute pe cale numerică pentru punctele
de monitorizare, cât și cele obținute pe cale analitică. Distribuțiile tensiunilor tangențiale, a
tensiunilor normale și a tensiunilor von Misses pentru modelul S1-1 încărcat cu o forță de 1000 N
sunt prezentate în figura 6.9. Compararea valorilor tensiunilor tangențiale, obținute pe cale
analitică și numerică este prezentată în figurile 6.10a și b.
Figura 6.9 Harta distribuției tensiunilor a) tangențiale; b) de cojire, c) von Mises în stratul de adeziv
pentru modelul S1-1 [MPa]
Figura 6.10 Distribuția tensiunilor tangențiale în stratului de adeziv pentru modelul S1-1 obținută:
a) pe cale analitică; b) pe baza analizei numerice
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
37
Figura 6.11 Distribuția tensiunilor tangențiale în stratului de adeziv pentru:
a) S1-1; b) S1-2; c) S1-3
Figura 6.12 Distribuția tensiunilor tangențiale în stratului de adeziv pentru:
a) S2-1; b) S2-2; c) S2-3
Figura 6.13 Distribuția tensiunilor tangențiale în stratului de adeziv pentru:
a) S3-1; b) S3-2; c) S3-3
Valorile ultime ale tensiunilor normale, înregistrate în cazul configurațiilor TAJ, sunt mai
mici în comparație cu cele înregistrate pentru configurațiile SLJ. Această diminuare este
înregistrată pentru toate seriile analizate, incluzând și modelele cu lungimea de conlucrare de 70
mm. Distribuțiile tensiunilor tangențiale, tensiunilor normale și a tensiunilor von Misses pentru
modelul T1-1 încărcat cu o forță de 1000 N sunt prezentate în figura 6.14.
Figura 6.14 Harta tensiunilor în stratul de adeziv a) tangențiale; b) de cojire c) von Misses pentru
îmbinarea cu aderenți rigizi T1-1 [MPa]
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
38
Distribuțiile tuturor componentelor stării de tensiuni pentru modelul T1-1, evaluate atât pe
cale analitică, cât și numerică sunt prezentate în figura 6.15. Comparația dintre distribuțiile
tensiunilor tangențiale și normale evaluate prin intermediul metodelor analitice și numerice este
prezentată în figura 6.16. Distribuțiile tensiunilor tangențiale de-a lungul stratului de adeziv pentru
modelele TAJ, evaluate atât pe cale analitică, cât și pe cale numerică sunt reprezentate grafic în
figurile 6.17 – 6.18.
Figura 6.15 Distribuția tensiunilor în stratul de adeziv pentru modelul T1-1 obținută:
a) pe cale analitică; b) pe baza analizei numerice
Figura 6.16 Comparație între rezultatele analitice și cele numerice - Distribuția tensiunilor în lungul
zonei de îmbinare pentru modelul T1-1 a) tensiuni tangențiale; b) tensiuni de cojire
Figura 6.17 Distribuției tensiunilor tangențiale în stratul de adeziv conform analizei numerice (ANSYS):
a) T1-1(2, 3); b) T2-1(2,3); c) T3-1(2, 3)
Figura 6.18 Distribuția tensiunilor tangențiale în stratul de adeziv conform modelul analitic:
a) T1-1(2, 3); b) T2-1(2,3); c) T3-1(2, 3)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
39
6.7 Optimizarea parametrilor constructivi ai îmbinărilor adezive
pentru elemente pultrudate din CPAF
Cea mai utilizată configurație în cazul îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din
CPAF este cea prin suprapunere simplă. Acest tip de îmbinare se remarcă prin ușurința în execuție
și prin existența unui domeniu larg de aplicabilitate. Distribuția tensiunilor în cazul îmbinărilor
prin suprapunere simplă este influențată de două aspecte specifice. Primul face referire la grosimea
aderenților și a stratului de adeziv, aspect ce determină mărimea tensiunilor normale (de cojire),
iar cel de al doilea aspect vizează variația tensiunilor și concentrarea acestora în zona de capăt a
lungimii de conlucrare.
În vederea determinării regiunilor susceptibile apariției concentratorilor de tensiuni și pentru
diminuarea ordinului de mărime a acestora, se prezintă rezultatele unui studiu numeric realizat
prin intermediul programului de analiză numerică Ansys Worckbench (ANSYS Workbench user’s
guide, 2009). Pentru analiza numerică s-au utilizat îmbinări compuse din elemente CPAFS și
adeziv structural epoxidic, bi-component. Caracteristicile fizice și mecanice ale materialelor
coincid cu cele ale elementelor compozite structurale, plate, realizate de către Fiberline (Fiberline
design manual, 2012), respectiv a adezivului epoxidic bi-component Sikadur30 (Sikadur30 – Fișa
tehnică de produs, 2014), și au fost prezentate pe larg în studiul precedent (secțiunea 6.7).
6.7.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor studiate
Pentru studiul numeric s-au utilizat îmbinări adezive realizate prin suprapunere simplă. În
scopul comparării rezultatelor se propune o configurație de referință. Dimensiunile acestei
configurații sunt: 2 mm grosimea stratului de adeziv (ta), 6 mm grosimea substraturilor (ts), 170
mm lungime totală, 25 mm lățimea profilelor compozite și 70 mm lungimea de conlucrare. De
asemenea, pentru a fi cu ușurință identificate și apelate în compararea rezultatelor, fiecărei
configurații utilizate i s-a atribuit un cod specific (Tabel 6.5). Caracteristicile geometrice ale
îmbinărilor studiate sunt prezentate în figura 6.19.
Figura 6.19 Caracteristicile geometrice ale modelelor (dimensiuni în mm)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
40
Tabelul 6.5 Notații modele geometrice
Cod Descriere
NSP Geometrie de referință
SP15 15° canelură triangulară
SP30 30° canelură triangulară
SP45 45° canelură triangulară
6.7.2 Conceperea modelelor numerice
Pentru determinarea răspunsului structural al îmbinărilor testate la tracțiune, s-a utilizat
programul Ansys Worckbench (ANSYS Workbench user’s guide, 2009). Profilele compozite plate
Fiberline au fost modelate ca materiale ortotrope, ce au o comportare liniar - elastică, iar adezivul
ca material liniar - elastic, izotrop (Ungureanu et al, 2017). Fiecare model tridimensional este
compus din trei corpuri geometrice paralelipipedice. Fiecărei forme elementare, i s-au atribuit
parametrii specifici de formă și conectivitate pentru a corespunde modelului real. Modelele
geometrice finale au fost discretizate utilizând elemente finite dreptunghiulare pentru profilele
CPAFS, respectiv elemente finite triunghiulare pentru stratul de adeziv. Două nivele de îndesire a
discretizării au fost atribuite modelelor tridimensionale. Primul nivel corespunde stratului de
adeziv și constă în utilizarea elementelor finite având dimensiunea maximă de 1 mm, iar cel de-al
doilea nivel corespunde muchiilor stratului de adeziv și zonei de canelură și constă în utilizarea
elementelor finite cu dimensiunea maximă de 0,1 mm. S-a urmărit utilizarea unei zone tampon,
denumită ”smooth transition region”, pentru trecerea dintre diferite elemente și regiuni ale
discretizării. Modelele au fost încărcate prin aplicarea a două forțe de întindere de 5 kN, dispuse
simetric la cele două capete. Caracteristicile constructive ale modelelor tridimensionale și
condițiile de încărcare sunt prezentate în figurile 6.20 și 6.21.
Figura 6.20 Discretizarea modelelor tridimensionale
Figura 6.21 Condiții de încărcare
6.7.3 Rezultate
Analiza numerică a urmărit în primă fază distribuția tensiunilor pentru îmbinarea cu
caracteristicile geometrice de referință (muchia adezivului nefasonată). Scopul acestui studiu a
constat în obținerea unor valori de raportare pentru îmbinările optimizate (îmbinările ce prezintă
canelură). Rezultatele analizei arată că, atât distribuția tensiunilor tangențiale, cât și distribuția
tensiunilor normale, de-a lungul stratului de adeziv sunt simetrice față de mijlocul lungimii de
conlucrare și prezintă valori maxime în zona de capăt a acesteia. Cu toate acestea, distribuția
tensiunilor pe grosimea stratului de adeziv prezintă neregularități, valorile obținute nefiind astfel
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
41
potrivite spre a fi utilizate ca elemente de referință. Din acest motiv, s-au utilizat doar valorile
tensiunilor obținute la nivelul superior al interfeței adeziv - aderent. Diagramele distribuției
tensiunilor tangențiale sunt prezentate în figurile 6.22 - 6.29. Comparația rezultatelor este
reprezentată grafic în figurile 6.30 și 6.31.
Figura 6.22 Modelul NSP – Tensiuni tangențiale [MPa] Figura 6.23 Modelul NSP – Tensiuni normale [MPa]
Figura 6.24 Modelul SP 45 – Tensiuni tangențiale [MPa] Figura 6.25 Modelul SP 45 – Tensiuni normale [MPa]
Figura 6.26 Modelul SP 30 – Tensiuni tangențiale [MPa] Figura 6.27 Modelul SP 30 – Tensiuni normale [MPa]
Figura 6.28 Modelul SP 15 – Tensiuni tangențiale [MPa] Figura 6.29 Modelul SP 15 – Tensiuni normale [MPa]
Figura 6.30 Distribuția tensiunilor tangențiale Figura 6.31 Distribuția tensiunilor normale
6.8 Concluzii
Studiile efectuate în vederea elaborării unor modele analitice de calcul a îmbinărilor adezive
pentru elemente pultrudate din CPAFS prezintă un fundament comun deoarece, se bazează pe
extrapolarea modelelor teoretice dezvoltate pentru interfețe compozit – material tradițional (beton,
lemn, oțel, zidărie, ș.a.), prin utilizarea rezultatelor unor programe experimentale proprii. Din
punct de vedere cronologic, se observă că modelele teoretice pentru interfețele compozit –
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
42
compozit, s-au perfecționat în timp, astfel ca, pentru anumite configurații, este posibilă evaluarea
tuturor componentelor stării de tensiuni și deformații specifice prin intermediul unui singur model
analitic. Cu toate acestea, nu există încă un model analitic care să acopere toată paleta de produse
CPAF și adezivi și cu ajutorul căruia să se poată evalua răspunsul structural complet.
Pentru verificarea preciziei modelelor analitice în evaluarea acestor parametri, s-a efectuat
un studiu comparativ cu modelele numerice (secțiunea 6.7). Pe baza acestui studiu, se pot face
următoarele aprecieri:
• Spre deosebire de modelele analitice de calcul, analizele numerice permit modelarea și
evaluarea unui număr de parametri auxiliari cum ar fi: adâncimea de penetrare a adezivului,
rugozitatea medie și gradul de porozitate a elementului CPAF, caracteristici geometrice
particulare (canelură și șanfrenare), ș.a.;
• Pentru modelele analizate, rezultatele obținute pe baza modelării numerice sunt cu până la
30% mai mari comparativ cu cele obținute prin aplicarea modelului teoretic Goland -
Reisner, respectiv modelului teoretic dezvoltat în concordanță cu standardul D3165. În
această categorie sunt incluse tensiunile tangențiale, de cojire și von Misses;
• Spre deosebire de modelele analitice dezvoltate pentru îmbinările prin suprapunere simplă
și dublă (Volkersen, Hart–Smith, Goland - Reisner), modelul teoretic bazat pe specificațiile
standardului D3165 permite evaluarea răspunsului structural complet a îmbinărilor adezive
cu aderenți rigizi;
• În marea lor majoritate, modelele analitice sunt dezvoltate considerând că îmbinările adezive
dezvoltă un singur mecanism specific de cedare, de tip coeziv.
În cadrul studiului prezentat în secțiunea 6.8 au fost analizate configurații geometrice
obținute prin introducerea a 3 caneluri diferite (15°, 30° și 45°). Prin compararea rezultatelor
obținute pentru aceste modele cu cele determinate pentru configurația de referință (îmbinarea prin
suprapunere simplă cu unghiul de intrare de 90°), se pot formula următoarele concluzii:
• Fasonarea muchiilor adezivului prin introducerea canelurilor duce la o diminuare a valorilor
ultime ale tensiunilor tangențiale cu 3% pentru unghiul de intrare de 45°, 15% pentru unghiul
de intrare de 30°, respectiv 20% pentru unghiul de intrare de 15°;
• Procentul de diminuare a valorilor ultime a tensiunilor normale este unul redus. S-au
înregistrat diminuări a tensiunilor normale de 4,3%, respectiv 5% pentru modelele SP30 și
SP15;
• În cazul modelului SP15, se observă o schimbare în alura graficului, valorile ultime ale
tensiunilor normale fiind situate în vecinătatea zonei de capăt a lungimii de conlucrare.
Reducerea procentuală a acestora este de aproximativ 6,5%.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
43
Capitolul 7
CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND EFICIENȚA
STRUCTURALĂ A ÎMBINĂRILOR ADEZIVE PENTRU
ELEMENTE PULTRUDATE
7.1 Generalități
Comparativ cu domeniul consolidării elementelor din materiale tradiționale cu materiale
compozite, domeniul îmbinărilor adezive pentru elementele portante din compozite polimerice
este încă insuficient studiat. Principala lacună este dată de lipsa unor normative naționale/
internaționale, care să asigure un set de modele analitice accesibile și general acceptate spre a fi
utilizate în faza de proiectare a îmbinărilor. De asemenea, se remarcă necesitatea elaborării unor
ghiduri de aplicare practică a tehnicilor și metodelor existente pentru realizarea îmbinărilor adezive
cu rol structural pentru materialele compozite polimerice. Elaborarea unui normativ sau a unui
ghid de bune practici reprezintă un proces complex, bazat pe concordanța dintre rezultate obținute
pe cale analitică, numerică și experimentală. Prin intermediul acestor studii se urmărește enunțarea
și descrierea unor metode, tehnici și principii de proiectare cu grad sporit de aplicabilitate.
În continuare se prezintă metodologiile de investigare experimentală folosite cel mai
frecvent la studiul îmbinărilor adezive și pe baza cărora s-au obținut rezultate semnificative.
7.2 Program experimental pentru investigarea îmbinărilor adezive
dintre elemente CPAF
7.2.1 Introducere
Programul experimental descris în cadrul acestei lucrări a avut ca prim obiectiv identificarea
și descrierea caracteristicilor ce definesc conlucrarea dintre elementele CPAF îmbinate cu adezivi.
Astfel, proiectarea și elaborarea etapelor programului au urmărit realizarea unei corelări între
rezultatele existente în literatură și cele obținute pe baza testelor realizate. În acest mod, s-au creat
premisele elaborării unui set de principii de proiectare cu grad sporit de aplicabilitate. Totodată, în
urma programului experimental au fost identificate tehnicile și metodele optime de realizare a
îmbinărilor adezive.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
44
7.2.2 Descrierea epruvetelor fabricate pentru programul experimental
Metodologia selectată în cadrul programului experimental în vederea studiului parametrilor
de conlucrare dintre elementele CPAF îmbinate cu adezivi a constat în forfecarea stratului de
adeziv prin solicitarea la întindere a două tipologii distincte de îmbinare: îmbinarea prin
suprapunere simplă (SLJ – single lap joint) și îmbinarea cu aderenți rigizi (TAJ – thick adherends
joint). Selectarea acestei metodologii a avut la bază următoarele considerente:
• Asamblare epruvetelor este accesibilă și facilă, fiind realizată cu echipamente uzuale;
• Înregistrarea parametrilor caracteristici ce fac obiectul studiului este posibilă prin
instrumentarea celor două tipuri de epruvete cu minimum de resurse;
• Tipologiile de îmbinare selectate prezintă un plan comun de încărcare și cedare, fapt ce
facilitează monitorizarea deformațiilor specifice dezvoltate în zona de conlucrare;
• Ambele configurații sunt compatibile cu mașinile de testare și cu sistemul de achiziție a
datelor disponibile în Laboratorul de Materiale Compozite al Facultății de Construcții și
Instalații din Iași;
• Analiza modurilor de cedare este accesibilă și poate fi realizată utilizând microscopul
inversat XJP-6A cu cameră foto DV-2C aflat în dotarea laboratorului.
Epruvetele au fost realizate utilizând profile compozite plate armate cu fibre de sticlă și două
tipuri de adezivi cu proprietăți mecanice diferite. Criteriile care au stat la baza selectării profilelor
compozite plate Fiberline au vizat abordarea unor elemente structurale cu un spectru larg de
aplicabilitate datorat în principal rezistențelor mecanice superioare. Profilele compozite plate
Fiberline sunt realizate prin pultrudere, din rășină poliesterică izoftalică și fibre de sticlă. Formarea
prin pultrudere reprezintă un procedeu mecanizat (automat) de fabricare a produselor compozite
polimerice, ce permite obținerea unor caracteristici mecanice superioare pe direcție longitudinală
sau pe direcție transversală, în funcție de cerințele impuse. În cazul profilelor compozite plate
Fiberline, direcția principală după care sunt dispuse fibrele este cea longitudinală (Fig. 7.2).
Profilele au însă, în componența lor și țesături din fibre de sticlă dispuse spre exterior, ce contribuie
la formarea un strat adițional prin care se asigură protecția în timpul stocării și manipulării.
Proprietățile fizice și mecanice ale pofilelor utilizate în cadrul experimentul sunt prezentate în
tabelele 7.1 – 7.3.
Tabelul 7.1 Profile compozite plate – Proprietăți fizice (Fiberline, 2012)
Tip
Lățime,
bGFRP
[mm]
Grosime,
TGFRP
[mm]
Secțiune,
AGFRP
[mm2]
Densitate
[kg/m3]
Temperatura de
operare
[°C]
Volumul
fibrelor
[%]
Profil
plat
Fiberline
100 6 600 1650 -20...+80 ~ 60
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
45
Figura 7.2 Proprietăți mecanice ale profilelor Fiberline după direcțiile principale
Tabelul 7.3 Profile compozite plate – Rezistențe mecanice (Fiberline, 2012)
Tip
Rezistență la
tracțiune, 0°
[N/mm2]
Rezistență la
tracțiune, 90°
[N/mm2]
Rezistență la
compresiune, 0°
[N/mm2]
Rezistență la
compresiune, 90° [N/mm2]
Profil
plat
Fiberline
240 50 240 70
Pentru atașarea profilelor compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS) au fost
utilizați adezivi structurali ce fac parte din gama producătorului Sika. În acest sens au fost selectate
două tipuri de adezivi bicomponenți, tixotropici și fără solvenți, bazați pe o combinație de rășini
epoxidice și materiale speciale de umplere. Principalul parametru de diferențiere dintre cei doi
adezivi (Sikadur 30 și Sikadur 330) este dat de modulul de elasticitate, de aproximativ trei ori mai
mare în cazul celui de-al doilea. Pentru fiecare tipologie de îmbinare s-au realizat încleieri cu
ambele tipuri de adezivi, în trei grosimi diferite (1 mm, 2 mm și 3 mm). Proprietățile fizice și
mecanice ale celor două tipuri de adezivi sunt prezentate în tabelul 7.4.
Tabelul 7.4 Adezivi (Fișă tehnică de produs Sikadur 30, Sikadur 330)
Tip
adeziv
Densitate
[kg/l]
(amestec)
Rezistență la
compresiune,
fc,adh
[N/mm2]
(7 zile, +100)
Rezistență la
tracțiune, ft,adh
[N/mm2]
(7 zile, 150C)
Modul de
elasticitate,
Eadh
(static)
[N/mm2]
Deformație
spec. la
rupere,
εu,adh
Sikadur
30 1,65 70-80 25-28 12800 1%
Sikadur
330 1,30 30 33,8 4500 0,9%
Pentru fiecare configurație (SLJ și TAJ) s-au utilizat 3 parametri variabili: tipul de adeziv
(Sikadur 30, Sikadur 330), grosimea stratului de adeziv (1, 2 și 3 mm) și lungimea de conlucrare
(70, 100 și 150 mm), rezultând astfel un număr total de 30 de epruvete. În funcție de tipul îmbinării,
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
46
probele au fost divizate în două serii. Astfel, seriile S1 - S5 corespund îmbinărilor prin suprapunere
simplă, iar seria S6 corespunde îmbinărilor cu aderenți rigizi. Caracteristicile geometrice pentru
fiecare serie în parte sunt reprezentate grafic în figurile 7.3 și 7.4. Probele din seriile S3 - S4 au fost
pregătite utilizând aceeași configurație geometrică ca și în cazul probelor din seriilor S1 - S2,
parametrul de diferențiere fiind dat în acest caz de tipul de adeziv epoxidic: Sikadur 30 pentru
seriile S1 - S3, respectiv Sikadur 330 pentru seriile S3 - S4. Prin testarea la tracțiune longitudinală a
probelor cu caracteristici geometrice similare, dar încleiate cu adezivi diferiți, s-a vizat
evidențierea influenței caracteristicilor elastice și rezistențelor mecanice ale adezivului asupra
răspunsului structural al îmbinării. Caracteristicile probelor ce fac obiectul programului
experimental sunt prezentate în tabelele 7.5 și 7.6. În funcție de parametrii variabili, fiecărei
epruvete îi este atribuit un cod caracteristic de identificare (Tabelele 7.5 – 7.6). Termenii
constituenți ai codului au următoarele semnificații:
• Tipologia îmbinării (S – SLJ, T – TAJ);
• Lungimea de conlucrare în mm (70 / 100 / 150);
• Grosimea stratului de adeziv, în milimetri (1 / 2 / 3);
• Tipul de adeziv Sikadur (30 / 330);
• Distincție între epruvetele cu parametri identici (i / ii).
Figura 7.3 Configurația epruvetelor din seriile S1-S5 Figura 7.4 Configurația epruvetelor din seria S6
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
47
Tabelul 7.5 Detalierea probelor
Rez
iste
nță
tra
cțiu
ne
ad
eziv
, f t
,adh
[N/m
m2]
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
25
-28
34
34
34
34
34
34
34
Mo
du
l d
e
ela
stic
ita
te
ad
eziv
, E
adh
[N/m
m2]
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
12
800
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
Mo
du
l d
e
ela
stic
ita
te
CP
AF
S,
EC
PA
FG
[N/m
m2]
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
Lu
ng
ime
de
sup
rap
.
[mm
]
70
70
70
70
70
70
1
00
10
0
10
0
10
0
10
0
70
70
70
70
70
70
10
0
Gro
sim
e
ad
eziv
[mm
]
1
1
2
2
3
3
1
1
2
2
3
3
1
2
2
3
3
1
Tip
ad
eziv
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Tip
îmb
ina
re
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
Ser
ie /
Nu
me
pro
bă
S-7
0-1
-30
(i)
S-7
0-1
-30
(ii
)
S-7
0-2
-30
(i)
S-7
0-2
-30
(ii
)
S-7
0-3
-30
(i)
S-7
0-3
-30
(ii
)
S-1
00
-1-3
0 (
i)
S-1
00
-1-3
0 (
ii)
S-1
00
-2-3
0 (
i)
S-1
00
-2-3
0 (
ii)
S-1
00
-3-3
0 (
i)
S-7
0-1
-33
0 (
i) (
i)
S-7
0-1
-33
0 (
ii)
S-7
0-2
-33
0 (
i)
S-7
0-2
-33
0 (
ii)
S-7
0-3
-33
0 (
i)
S-7
0-3
-33
0 (
ii)
S-1
00
-1-3
30 (
i)
S1
S1
S1
S1
S1
S1
S2
S2
S2
S2
S2
S3
S3
S3
S3
S3
S3
S4
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
48
Tabelul 7.6 Detalierea probelor R
ezis
ten
ță
tra
cțiu
ne
ad
eziv
, f t
,adh
[N/m
m2]
34
34
34
34
34
34
34
25
-28
25
-28
34
25
-28
34
Mo
du
l d
e
ela
stic
ita
te
ad
eziv
, E
adh
[N/m
m2]
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
45
00
12
800
12
800
45
00
12
800
45
00
Mo
du
l d
e
ela
stic
ita
te
CP
AF
S,
EC
PA
FG
[N/m
m2]
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
23
000
Lu
ng
ime
de
sup
rap
.
[mm
]
10
0
10
0
10
0
10
0
10
0
15
0
15
0
10
0
10
0
10
0
10
0
10
0
Gro
sim
e
ad
eziv
[mm
]
1
2
2
3
3
2
2
1
1
1
2
2
Tip
ad
eziv
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a33
0
Sik
a30
Sik
a30
Sik
a33
0
Sik
a30
Sik
a33
0
Tip
îmb
ina
re
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
SL
J
TA
J
TA
J
TA
J
TA
J
TA
J
Ser
ie /
Nu
me
pro
bă
S-1
00
-1-3
30
(ii
)
S-1
00
-2-3
30
(i)
S-1
00
-2-3
30
(ii
)
S-1
00
-3-3
30
(i)
S-1
00
-3-3
30
(ii
)
S-1
50
-2-3
30
(i)
S-1
50
-2-3
30
(ii
)
T-1
00-1
-30
(i)
T-1
00-1
-30
(ii
)
T-1
00-1
-33
0 (
i)
T-1
00-2
-30
(i)
T-1
00-2
-33
0 (
i)
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
7.2.3 Asamblarea epruvetelor
Profilele CPAFS utilizate la asamblarea probelor au fost fasonate prin debitare dintr-o placă
de 6 mm grosime și cu dimensiuni de 0,1 x 7 m2, folosind o mașină universală de tăiat echipată cu
disc diamantat (Fig. 7.5). Neconformitățile apărute în timpul procesului de tăiere s-au rectificat
utilizând o mașină specială de retezat echipată cu disc de carbon ranforsat.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
49
Figura 7.5 Debitarea profilelor CPAFS
După fasonarea tuturor profilelor CPAFS necesare asamblării probelor, prima etapă a fost
cea de tratare și pregătire a suprafețelor de conlucrare în vederea creșterii capacității de aderență.
Tehnologia de pregătire a suprafețelor a fost selectată în urma analizei microscopice a probelor
tratate prin diferite metode. În acest sens au fost pregătite probe tratate prin șlefuire mecanică (prin
translare sau rotire a periilor), șlefuire manuală (cu benzi abrazive de granulație 100, 200 și 300)
și combinații de șlefuiri mecanice și manuale. În cadrul studiului microscopic s-au urmărit
variațiile a patru parametri definitorii pentru caracterizarea mecanismului de conlucrare mecanică
dintre aderenți și adeziv, și anume: dimensiunea microfisurilor prezente la suprafață (Fig. 7.7 a, b,
c), porozitatea (Fig. 7.8 a, b, c), omogenitatea suprafeței și rugozitatea (Fig. 7.9 a, b, c). Analiza
microscopică a fost efectuată utilizând un microscop inversat XJP-6A dotat cu cameră foto DV-
2C (Fig. 7.6), iar procesarea imaginilor captate a fost realizată utilizând programul de analiză
grafică Material Plus Image Software.
Figura 7.6 Microscop inversat XJP-6A dotat cu cameră foto DV-2C
Figura 7.7 Microfisuri prezente la suprafața elementelor CPAFS: a) probă prelucrată prin șlefuire
manuală, b) probă prelucrată prin șlefuire mecanică și manuală, c) probă prelucrată prin șlefuire mecanică
pe două direcții
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
50
Figura 7.8 Relevarea câmpurilor de prelucrare: a) probă prelucrată prin șlefuire manuală, b) probă
prelucrată prin șlefuire mecanică și manuală, c) probă prelucrată prin șlefuire mecanică pe două direcții
Prelucrarea prin șlefuire manuală nu asigură eliminarea în totalitate a lacului protector de la
suprafața elementului CPAFS și, prin urmare, nu se modifică în mod substanțial rugozitatea medie
a probei (Fig. 7.8 a și 7.9 a). Deoarece profilul topografic al probei rămâne neschimbat, se
concluzionează că această metodă de prelucrare nu aduce un aport favorabil la dezvoltarea
mecanismului de întrepătrundere și, implicit la creșterea forțelor de adeziune.
În cazul probei prelucrate exclusiv prin șlefuire mecanică, se pot observa două câmpuri
principale de prelucrare (regiunile de culoare galbenă și albastră, Fig. 7.8 c) și un câmp prelucrat
insuficient (regiunea de culoare verde, Fig. 7.8 c). Diferențele mari înregistrate în cazul
parametrilor de porozitate și rugozitate pentru cele 3 câmpuri demonstrează că această metodă nu
asigură obținerea unei suprafețe de conlucrare cu caracteristici unitare.
Din cele trei metode de tratare a suprafeței, prelucrarea prin combinații de șlefuiri mecanice
și manuale asigură cel mai mare grad de omogenitate, fapt probat de distribuția uniformă a
câmpurilor de prelucrare și de porozitatea ridicată a probei (Fig. 7.8 b, Fig. 7,9 b). După cum se
poate observa în figura 7.8 b, la suprafața probei au fost identificate 6 câmpuri de procesare cu
caracteristici geometrice similare. Diferența în arie dintre două câmpuri învecinate este mai mică
de 20 %, fapt ce conduce la concluzia că poate fi utilizat un factor comun de penetrare al adezivului
pentru toată suprafața elementului (ariile 1 și 5 nu sunt luate în considerare, deoarece reprezintă
sub 8 % din aria totală, Tabelul 7.7). Factorul de penetrare al adezivului are valoarea egală cu
rugozitatea medie a probei determinată pe cale experimentală și este utilizat în cadrul analizelor
numerice la definirea suprafețelor de contact. Dimensiunile micro-fisurilor prezente la suprafața
probei sunt reduse și, prin urmare, nu pot influența în mod semnificativ dezvoltarea forțelor de
adeziune (Tabelul 7.8).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
51
Figura 7.9 Omogenitatea suprafeței și rugozitatea – reliefarea câmpurilor supra-procesate: a) probă
prelucrată prin șlefuire manuală, b) probă prelucrată prin șlefuire mecanică și manuală, c) probă
prelucrată prin șlefuire mecanică pe două direcții
Tabelul 7.7 Ariile ocupate de cele 6 câmpuri de procesare identificate la suprafața probei
Aria A1 A2 A3 A4 A5 A6
[μm2] 183614,958 433220,222 1072465,374 952603,878 265207,756 416987,535
[%] 5,524 13,033 32,263 28,657 7,978 12,544
Tabelul 7.8 Dimensiunile micro-fisurilor prezente la suprafața probei
Microfisuri L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9
Dimensiuni
[μm] 1726,01 1594,94 289,47 240,51 1401,48 1481,25 1139,62 727,42 527,4
Prin suprapunerea imaginii captate de către camera microscopului (Fig. 7.7 b) cu imaginea
procesată (Fig. 7.8 b), programul de analiză grafică Material Plus Image Software realizează în
mod automat două scări metrice echivalente pentru măsurători în planul probei și pentru
măsurători pe adâncimea acesteia. Fiecărei unități de măsură îi corespunde o schimbare în
intensitatea luminoasă a imaginii originale (Fig. 7.7), respectiv o schimbare în tonalitatea culorii
complementare a imaginii procesate (Fig. 7.8). Pe baza scărilor echivalente, pentru fiecare din cele
6 câmpuri de procesare s-au identificat forma geometrică a particulelor de suprafață, circularitatea
și raportul dimensional. În acest sens, au fost atribuite 6 puncte de identificare și măsurare a
particulelor, situate în centrul geometric al fiecărei regiuni caracteristice (Fig. 7.10, Tabel 7.9).
Deoarece locația inițială a punctelor 5 și 6 corespunde regiunilor supra-procesate ce nu sunt
favorabile pentru măsurători (zonele colorate cu roșu), au fost permutate în imediata vecinătate a
acestora. Analizând datele obținute pentru cele 6 câmpuri de procesare, se observă că particulele
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
52
de suprafață au un raport dimensional aproximativ unitar, forma geometrică a acestora fiind
apropiată de forma sferică (0,018539 mm deviație maximă pentru diametru și înălțime). Astfel,
prin determinarea secțiunii transversale a particulei sferice, se poate estima adâncimea cavităților
prezente la suprafața probei, respectiv rugozitatea probei.
Tabelul 7.9 Dimensiunea particulelor
Figura 7.10 Locația punctelor pentru măsurători
În urma rezultatelor obținute pe baza studiului microscopic și grafic s-a selectat metoda
bazată pe combinații între șlefuirea mecanică și șlefuirea manuală. De asemenea, s-au stabilit tipul
și parametrii definitorii ai suprafeței de contact dintre elementele sistemului, utilizați în cadrul
analizelor numerice. Suprafața de contact selectată este de tip bonded contact with pure penalty
formulation fiind definită de 2 parametri caracteristici, numărul punctelor de contact (ales în
funcție de porozitatea probei în câmpul principal de prelucrare) și factorul de penetrare al
adezivului (valoarea medie a diametrelor particulelor de suprafață – 0.0943 mm, Tabelul 7.9).
Procesul de tratare a suprafețelor profilelor CPAFS s-a efectuat în laborator, utilizându-se
echipament specific de protecție. Prima etapă a constat în suflarea cu aer comprimat a profilelor
în vederea îndepărtării reziduurilor grosiere rezultate în urma debitării și fasonării. Întrucât
particulele fine nu au putut fi îndepărtate în totalitate prin suflare, suprafețele profilelor CPAFS au
fost curățate și cu solvenți (acetonă). Cea de a doua etapă a constat în îmbunătățirea rugozității
prin șlefuire mecanică și manuală. Șlefuirea mecanică a fost realizată cu perii rotative de sârmă, la
turații de 400-600 RPM (Fig. 7.11), iar uniformizarea suprafeței și implicit asigurarea unei
porozități constante a fost realizată prin șlefuire manuală cu benzi abrazive fine (circa 20-30 de
treceri), (Fig. 7.12).
În vederea limitării riscului de contaminare a suprafețelor elementelor CPAFS și pentru
obținerea unor caracteristici similare celor identificate prin intermediul studiului microscopic,
după finalizarea întregului proces de tratare a suprafețelor, profilele compozite au fost curățate cu
solvenți, înfășurare în folii termo-contractibile de poliofină și depozitate într-o încăpere ermetică.
Punct 1 2 3 4 5 6
Circularitate 55,839 48,5 38,675 37,3 50,538 43,069
Raport dimensional 1 1,867 1 1 1,494 1
Diametrul cercului
[µm]
121,160 58,506 94,113 114,727 81,450 95,969
Volumul sferei
[µm]3
134406,517 15133,450 62992,78 114115,214 40833,542 66794,562
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
53
Figura 7.11 Îmbunătățirea rugozității prin șlefuire mecanică: a) mișcare de translație, b) mișcare de
rotație
Figura 7.12 a) Îmbunătățirea rugozității prin șlefuire manuală, b) Curățarea suprafeței cu solvenți
Adezivii utilizați în cadrul programului experimental sunt de tip tixotropic, bi-
component, fiind alcătuiți dintr-o rășină și un întăritor. Rapoartele de amestecare a
componentelor este diferit, și anume: 3 la 1 în cazul adezivului Sikadur 30, repectiv 4 la 1 în
cazul adezivului Sikadur 330. Prepararea adezivilor s-a realizat în condiții de laborator și a
constat în amestecarea componentelor (rășină și întăritor) într-un recipient deschis și
transparent la turație redusă (400-600 RPM) timp de minim 3 minute (Fig. 7.14).
Figura 7.14 Dozarea și prepararea adezivului
În cazul îmbinărilor solicitate la forfecare ce sunt realizate cu aceste tipuri de adezivi,
curbele caracteristice de comportare tensiuni tangențiale – lunecare prezintă o alură bi-liniară,
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
54
aspect ce conduce la concluzia că adezivii 30 și 330 din gama producătorului Sika fac parte
din categoria adezivilor cu comportare elastică. Aceste tipuri de adezivi sunt utilizate în
diverse aplicații structurale și prezintă avantaje importante, cum ar fi:
• Prepararea și aplicarea adezivilor este facilă și nu necesită echipamente speciale;
• Suprafețele de adeziune nu necesită amorsare;
• Nu conțin solvenți;
• Dezvoltă rezistențe inițiale ridicate;
• Contracțiile dezvoltate pe parcursul întăririi sunt nesemnificative.
Principalele caracteristici pe baza cărora au fost selectați adezivii Sikadur 30 și Sikadur 330
sunt prezentate în tabelul 7.10.
Tabelul 7.10 Proprietățile adezivilor (Fișe tehnice: Sikadur30, 2014; Sikadur330, 2014)
Caracteristici Sikadur 30 Sikadur 330
Raport de amestecare (A:B) 3:1 4:1
Densitate [kg/l] 1,65 1,30
Coeficient de dilatare termică
[/0C] 9 x 10-5 45 x 10-6
Lucrabilitate
+80C ~ 120 min
+200C ~ 90 min
+350C ~ 40 min
+100C ~ 90 min
+350C ~ 30 min
Interval termic ambiant optim la
faza de aplicare +100C / 350C +80C / 350C
Grosime maximă strat adeziv [cm] 3 -
Umiditate maximă a suportului ≥ 4% ≥ 4%
Rezistența la compresiune la 7
zile,
fc,a,30/330 [N/mm2]
+100C ~ 70-80
+350C ~ 85-95 +230C ~ 30
Rezistența la întindere la 14 zile,
ft,a,30/330 [N/mm2]
+150C ~ 25-28
+350C ~ 27-32 +230C ~ 30
Rezistența la forfecare la 14 zile,
[N/mm2]
+150C ~ 15-18
+350C ~ 17-20 ---
Deformația specifică ultimă,
εu,a,30/330 [%]
1 0,9
Practica generală de execuție a îmbinărilor adezive recomandă aplicarea adezivului pe
unul din elementelele CPAF, apoi presarea acestuia pe elementul de bază. Această metodă
permite realizarea ansamblelor adezive într-un timp optim, fiind astfel pretabilă aplicațiilor
de șantier ce includ îmbinări cu lungimi de conlucrare considerabile. În cazul în care grosimea
stratului de adeziv este fixă, iar toleranțele de execuție sunt minimale, utilizarea metodei prin
aplicare directă a adezivului devine problematică, putând apărea situații nefavorabile. Astfel,
pentru aceste tipuri de îmbinări este necesară asamblarea în condiții de laborator, iar obținerea
caracteristicilor geometrice și respectarea toleranțelor impuse sunt asigurate prin folosirea
unor procedee tehnologice specifice.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
55
Pentru realizarea celor două tipologii de îmbinări (SLJ și TAJ) utilizate în cadrul programului
experimental s-au utilizat două procedee de control a grosimii stratului de adeziv. Primul procedeu
constă în fixarea pe suprafața elementului CPAFS de bază a unor distanțieri sferici din oțel cu
diametrul de 1, 2, respectiv 3 mm, în funcție de caracteristicile geometrice ale epruvetei (Fig. 7.15).
Cel de-al doilea procedeu s-a realizat prin montarea elementelor CPAFS suport într-un banc de
lucru conceput special pentru asigurarea dozajului și omogenității adezivului în timpul aplicării.
Bancul de lucru este compus dintr-un suport rigid pe suprafața căruia au fost fixate la distanța de
100 mm adaosuri de reglare, constând în platbande metalice având lungimea de 250 mm și grosime
variabilă, în funcție de grosimea stratului de adeziv. Spre exemplu, pentru epruvetele S-100-1-330
(i și ii), grosimea totală a adaosurilor de reglare este de 7,1 mm, asigurându-se astfel o grosime a
stratului de adeziv cu 0,1 mm mai mare decât cea proiectată. În acest mod, prin presarea celor două
elemente CPAFS (suport și bază), adezivul acoperă zona de contact în totalitate, iar cantitatea de
adeziv refulată în momentul atingerii distanțierilor sferici este minimă. În figura 7.16 este prezentat
modul de aplicare al adezivului, precum și caracteristicile bancului de lucru. După atașarea
aderenților s-a aplicat presiune pe suprafața profilelor Fiberline până la atingerea distanțierilor, iar
adezivul refulat a fost îndepărtat (Fig. 7.17). Planeitatea îmbinării a fost asigurată prin securizarea
probelor cu sisteme de prindere tip menghină timp de 14 zile, pâna la maturarea completă a
adezivilor (Fig. 7.18).
Figura 7.15 Fixarea distanțierilor sferici pe zona de conlucrare
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
56
Figura 7.16 Caracteristicile constructive ale bancului de lucru
Figura 7.17 Conectarea elementelor sistemului și îndepărtarea excesului de adeziv
Figura 7.18 Securizarea și depozitarea probelor
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
57
7.2.4 Instrumentarea epruvetelor
După finalizarea procesului de maturare a adezivilor s-a trecut la etapa de instrumentare a
probelor. Parametrii monitorizați în cadrul programelor de testare sunt: variația deplasărilor
relative dintre elementele sistemului, forța de tracțiune aplicată îmbinării și distribuția
deformațiilor specifice de-a lungul zonei de conlucrare.
Monitorizarea deplasărilor relative a fost efectuată prin montarea unui traductor inductiv de
deplasare (LVDT – linear variable displacement transducer) pe cele două elemente CPAFS
componente ale îmbinării, acoperind în acest mod întreaga zonă de conlucrare.
Forța de tracțiune aplicată îmbinării s-a măsurat prin recepția semnalului emis de mașina de
testare. De asemenea, toate semnalele emise de instrumentele de testare și măsurare au fost captate,
normalizate și sincronizate cu ajutorul unui sistem de achiziție a datelor.
Distribuția deformațiilor specifice în lungul zonei de conlucrare a fost înregistrată prin
montarea a 3 traductori rezistivi. Atașarea traductorilor a fost precedată de un proces elaborat de
pregătire a suprafețelor realizat cu ajutorul produselor de instrumentare marca Vishay –
MicroMeasurements.
În prima etapă a fost curățată suprafața de lipire prin ștergere cu șervețele textile îmbibate
cu acetonă (3 treceri longitudinale) și cu șervețele îmbibate cu alcool etilic (2 treceri longitudinale).
Ulterior, suprafața a fost șlefuită uscat cu carton abraziv de granulație 320 și umed cu carton
abraziv de granulație 195 și soluție de acid fosforic și apă distilată (M Prep Contitioner A).
După atingerea rugozității considerate optime, suprafața a fost curățată cu acetonă și au fost
trasate pozițiile traductorilor rezistivi. Premergător atașării traductorilor, suprafața a fost
neutralizată prin aplicarea unei soluții de hidroxid de amoniu și pentahidrat de sodiu (M Prep
Neutraliser 5A).
Lipirea traductorilor de suprafața elementelor CPAFS reprezintă, de asemenea, un proces
elaborat compus din mai multe etape pregătitoare. În prima etapă, traductorii rezistivi sunt
poziționați pe o suprafață de sticlă, decontaminată în prealabil, și sunt fixați cu benzi adezive.
Benzile adezive împreună cu traductorii au fost ulterior atașate provizoriu pe elementul CPAFS,
în vederea aplicării catalizatorului de aderență compus din soluție de propan (200 Catalyst-C ).
Lipirea traductorilor s-a realizat cu ajutorul unui adeziv pe bază de soluție de etil cianoacrilat (M
BOND 200), reacția de maturare a adezivului fiind declanșată prin presarea ansamblului timp de
2 minute. După lipirea celor 3 traductori ai unei probe, benzile adezive protectoare au fost
îndepărtate. Caracteristicile traductorilor rezistivi sunt prezentate în tabelul 7.11.
După instalarea traductorilor rezistivi, la racordajele electrice ale acestora au fost legate
firele conductoare. Pe fiecare epruvetă s-a fixat câte o rigletă electrică prin intermediul căreia s-a
realizat legătura dintre cablurile provenite de la sistemul de achiziție și firele conductoare ale
traductorilor rezistivi. Modalitatea de instrumentare a epruvetelor este prezentată în figura 7.19.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
58
Figura 7.19 Instrumentarea epruvetelor cu 3 traductori rezistivi și LVDT
Tabelul 7.6 Caracteristicile traductorilor rezistivi
Marcă Referință produs Lungime Factor
transformare
Rezistență
electrică
Coeficient
termic
HBM 6/120LY18 5 mm 2,18±1,0% 120,0 Ohm -0,010% / 0C
KIOWA KFRP-5-120-C1-1 5 mm 1,98±1,0% 120,0 Ohm -0,015% / 0C
7.2.5 Descrierea metodologiei de testare
Ambele tipuri de îmbinări (SLJ și TAJ) au fost solicitate la întindere, până a survenit cedarea,
utilizând mașina universală de testare ZWICK / Roell SP 1000 aflată în dotarea Laboratorului de
Materiale Compozite al Facultății de Construcții și Instalații din Iași. Testarea a fost realizată în
control de forță, la o rată prestabilită de 5 kN / min. Caracteristicile mașinii de testare sunt
prezentate în tabelul. 7.7.
Tabelul 7.7 Caracteristicile mașinii de încercare ZWICK / Roell SP1000
Capacitate maximă
admisibilă (tracțiune /
compresiune
Forța maximă
de strângere a
bacurilor
Tip de control a
celulei de încărcare
Înălțime Lățime Adâncime
1000 kN 2500 kN Forță 4200 mm 1100
mm
760 mm
Dimensiuni bacuri Cursa
maximă
Nivel decibeli la
încărcare maximă
Interval
deplasare brațe
--- ---
135x120 mm 600 mm 70 0,1 – 200
mm/min
--- ---
O etapă importantă, premergătoare testării, este constituită de poziționarea și centrarea
epruvetelor în bacurile presei. Echilibrarea epruvetelor tip SLJ s-a realizat cu ajutorul unor
adaosuri lipite la capetele probelor. Adaosurile au fost decupate din același tip de element CPAFS,
iar lipirea lor s-a efectuat utilizând aceiași adezivi epoxidici. Astfel, au fost compensate
excentricitățile rezultate în urma suprapunerii elementelor CPAFS, iar probele au fost centrate cu
ușurință în mașina de testare. În cazul epruvetelor tip TAJ, nu s-au utilizat adaosuri de montaj,
întrucât axa de încărcare coincide cu axa neutră a sistemului.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
59
Capitolul 8
REZULTATE ALE PROGRAMULUI EXPERIMENTAL
PRIVIND EFICIENȚA STRUCTURALĂ A ÎMBINĂRILOR
ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE
8.1 Introducere
Tipurile de epruvete descrise în capitolul anterior (cele realizate prin suprapunere simplă -
SLJ și cele obținute prin îmbinarea aderenților rigizi – TAJ) au fost solicitate la tracțiune
longitudinală până la cedare. Pe parcursul aplicării încărcării au fost monitorizați următorii
parametri specifici: forța de tracțiune, variația deformațiilor specifice în lungul zonei de conlucrare
și lunecarea dintre profilele compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS).
După finalizarea încercărilor, rezultatele au fost prelucrate și centralizate. Pe baza acestora,
au fost analizate modurile specifice de cedare, s-au trasat graficele tensiuni tangențiale – deformații
specifice și forță - deplasare, s-au investigat variațiile deformațiilor specifice ale adezivului la
diferite trepte de încărcare și s-au trasat graficele tensiuni tangențiale – lunecare.
8.2 Investigarea modurilor specifice de cedare în raport cu forțele
capabile ultime dezvoltate de îmbinări
Pentru fiecare epruvetă ce a făcut obiectul încercărilor experimentale, se prezintă în tabelul
8.1 modurile specifice de cedare și forțele capabile ultime. Pentru epruvetele cu caracteristici
identice s-au calculat indicatorii sintetici ai variației forțelor capabile (abaterea medie pătratică și
dispersia – variația).
În tabelul 8.1, notațiile utilizate pentru definirea mecanismelor de cedare specifice corespund
următoarelor cazuri:
• Cedări prin desprinderea și ruperea fibrelor la suprafața elementului CPAFS – F-T (fibre
tear failure);
• Cedări prin desprindere la interfața element CPAFS - adeziv – D (de-bonding failure);
• Cedări coezive localizate la nivelul stratului de adeziv – C (cohesive failure);
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
60
Pentru 13 epruvete, cedarea a survenit prin cumulul mai multor mecanisme specifice,
ordinea de enumerare a acestora fiind de la modul dominant spre cele secundare (locale).
Dispersia s-a calculat ca medie aritmetică simplă, întrucât epruvetele au fost divizate în serii
simple (nu s-au utilizat distribuții de frecvență). Deoarece valorile forțelor capabile ultime provin
din eșantioane de volum redus (grupuri de câte două epruvete identice), extinderea rezultatelor la
nivelul populației totale de epruvete s-a realizat prin inferență statistică. Astfel, în calculul
dispersiei, la numitor s-a folosit (n-1) și nu ’n’, obținându-se un estimator mai exact al dispersiei
față de colectivitatea generală (Ecuația 8.1) (Chauvat și Reau, 2004).
𝑆2 =∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2𝑛
𝑖=1
𝑛 − 1
(8.1)
Deoarece în cadrul programului experimental au fost testate epruvete obținute prin variația
mai multor parametri constructivi (tipologie de îmbinare, lungime de conlucrare, tip și grosime a
stratului de adeziv) este dificilă compararea valorilor forțelor capabile după caracteristici
exprimate prin aceeași unitate de măsură. Astfel, pentru fiecare set de epruvete cu caracteristici
identice, s-a calculat abaterea medie pătratică (Ecuația 8.2) pentru a se identifica devierea
rezultatelor de la tendința generală (Voineagu et al, 2007).
𝜎 = √(𝑆2)2 = √∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2𝑛
𝑖=1
𝑛
(8.2)
Tabelul 8.1 Modurile de cedare și forțe capabile ultime
Nr. Nume probă Tip
adeziv
Rezistența la
întindere a
adezivului,
ft,a [N/mm2]
Modulul de
elasticitate
a
adezivului,
Ea [GPa]
Grosime
adeziv,
ta,30/330 [mm]
Mecanism
de cedare
Forță
ultimă,
Pult [kN]
1 S-70-1-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T-C 25.22
2 S-70-1-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T 30.32
Dispersie: 13,00 Abaterea medie pătratică: 3,61
3 S-70-1-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 1 F-T-C 36,65
4 S-70-1-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 1 F-T-C 33,60
Dispersie: 4,65 Abaterea medie pătratică: 2,16
5 S-70-2-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 2 F-T-D 29,85
6 S-70-2-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 2 F-T 32,15
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
61
Dispersie: 2,64 Abaterea medie pătratică: 1,63
7 S-70-2-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 30,02
8 S-70-2-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 30,86
Dispersie: 0,35 Abaterea medie pătratică: 0,59
9 S-70-3-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 3 F-T 31,45
10 S-70-3-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 3 F-T 30,28
Dispersie: 0,34 Abaterea medie pătratică: 0,59
11 S-70-3-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 3 F-T 26,43
12 S-70-3-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 3 F-T 26,97
Dispersie: 0,07 Abaterea medie pătratică: 0,27
13 S-100-1-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T-C 46,87
14 S-100-1-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T-C 45,12
Dispersie: 0,77 Abaterea medie pătratică: 0,88
15 S-100-1-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 1 F-T-C 43,77
16 S-100-1-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 1 F-T-C 45,23
Dispersie: 0,53 Abaterea medie pătratică: 0,73
17 S-100-2-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 2 F-T 40,86
18 S-100-2-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 2 F-T-C 41,06
Dispersie: 1,55 Abaterea medie pătratică: 1,24
19 S-100-2-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 41,91
20 S-100-2-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 38,24
Dispersie: 0,90 Abaterea medie pătratică: 0,95
21 S-100-3-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 3 F-T 35,89
---- ----
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
62
22 S-100-3-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 3 F-T-C 31,55
23 S-100-3-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 3 F-T 32,20
Dispersie: 0,11 Abaterea medie pătratică: 0,33
24 S-150-2-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 63,55
25 S-150-2-330 (ii) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T-C 58,41
Dispersie: 6,60 Abaterea medie pătratică: 2,57
26 T-100-1-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T-C 40,65
27 T-100-1-30 (ii) Sikadur
30 25 12,80 1 F-T-C 41,99
Dispersie: 0,45 Abaterea medie pătratică: 0,67
28 T-100-1-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 1 F-T-D 44,80
29 T-100-2-30 (i) Sikadur
30 25 12,80 2 F-T 38,89
30 T-100-2-330 (i) Sikadur
330 30 4,50 2 F-T 40,13
Analizând valorile obținute pentru forțele capabile ultime dezvoltate de cele două tipologii
de îmbinări adezive (SLJ și TAJ), se pot face următoarele observații:
• Forțele capabile maxime (~ 60 kN) au fost înregistrate în cazul îmbinărilor de tip SLJ, cu
lungimea de conlucrare de 150 mm;
• Epruvetele de tip TAJ au dezvoltat forțe capabile ultime cu valori în intervalul 40 – 45 kN;
• Deoarece cedarea nu a fost controlată de proprietățile mecanice ale adezivului (cedarea
coezivă a fost înregistrată doar pe arii restrânse și izolate), forțele capabile ultime nu
variază în raport cu tipul și grosimea stratului de adeziv;
• În cazul epruvetelor cu aceiași parametri constructivi (lungime de conlucrare, tip și grosime
a stratului de adeziv), îmbinările de tip TAJ dezvoltă forțe capabile ultime mai mari,
comparativ cu îmbinările de tip SLJ. Acest fapt se explică prin caracteristicile geometrice
favorabile ale geometriei TAJ. Pentru îmbinările de tip TAJ, axa de încărcare coincide cu
axa neutră a sistemului, aspect ce contribuie în mod substanțial la diminuarea valorilor
tensiunilor normale (de cojire), ce se dezvoltă, cu precădere în zonele de capăt ale
îmbinărilor adezive.
În continuare (Fig. 8.1) sunt prezentate epruvetele, după finalizarea încercărilor.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
63
Epruveta 1 - S-70-1-30 (i) – Cedare F-T-C Epruveta 2 - S-70-1-30 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 3 - S-70-1-330 (i)– Cedare F-T-C Epruveta 4 - S-70-1-330 (ii)– Cedare F-T-C
Epruveta 5 - S-70-2-30 (i)– Cedare F-T-D Epruveta 6 - S-70-2-30 (ii)-Cedare F-T
Epruveta 7 - S-70-2-330 (i)– Cedare F-T Epruveta 8 - S-70-2-330 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 9 - S-70-3-30 (i)– Cedare F-T Epruveta 10 - S-70-3-30 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 11 - S-70-3-330 (i)– Cedare F-T Epruveta 12 - S-70-3-330 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 13 - S-100-1-30 (i)– Cedare F-T-C Epruveta 14 - S-100-1-30 (ii)– Cedare F-T-C
Epruveta 15 - S-100-1-330 (i)– Cedare F-T-C Epruveta 16 - S-100-1-330 (ii)– Cedare F-T-C
Epruveta 17 - S-100-2-30 (i)– Cedare F-T Epruveta 18 - S-100-2-30 (i)–– Cedare F-T-C
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
64
Epruveta 19 - S-100-2-330 (i)– Cedare F-T Epruveta 20 - S-100-2-330 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 21 - S-100-3-30 (i)– Cedare F-T Epruveta 22 - S-100-3-330 (i)– Cedare F-T-C
Epruveta 23 - S-100-3-330 (ii)– Cedare F-T
Epruveta 24 - S-150-2-330 (i)– Cedare F-T
Epruveta 25 - S-150-2-330 (ii)– Cedare F-T-C Epruveta 26 - T-100-1-30 (i)– Cedare F-T-C
Epruveta 27 - T-100-1-30 (ii)– Cedare F-T-C Epruveta 28 - T-100-1-330 (i)– Cedare F-T-D
Epruveta 29 - T-100-2-30 (i)– Cedare F-T Epruveta 30 - T-100-2-330 (i)– Cedare F-T-C
Figura 8.1 Ariile de conlucrare după cedarea epruvetelor
În urma investigării epruvetelor, după finalizarea testelor, s-a ajuns la concluzia că, în
majoritatea cazurilor, cedarea a survenit în stratul exterior al elementelor CPAFS, la o adâncime
de aproximativ 0,5 – 1,5 mm. În conformitate cu prevederile normativului ASTM 5573, această
tipologie de cedare se încadrează în categoria ‘fiber - tear’ (cedare prin desprinderea și ruperea
fibrelor). Cu toate acestea, pentru unele epruvete cedarea s-a produs printr-un cumul de tipologii
specifice, constând în combinații între modul dominant de cedare (fiber – tear) și desprinderi la
nivelul interfeței (i.e. S-70-2-30 (i), T-100-1-330 (i)) și/sau cedări locale, coezive, în stratul de
adeziv (i.e. S-70-1-330 (i), S-70-1-330 (ii), S-100-1-30 (i), S-100-1-30 (ii), S-100-1-330 (i), S-
100-1-330 (ii), S-100-2-30 (ii), S-100-3-330 (i), S-150-2-330 (ii), T-100-1-30 (i), T-100-1-30 (ii)).
Aceste moduri de cedare nu sunt comune sistemelor de îmbinări adezive cu caracteristici
geometrice similare, dar realizate cu substraturi distincte. De exemplu, în cazul elementelor CPAF
atașate prin adeziune pe substraturi din beton, cel mai des întâlnit mod de cedare constă în
desprinderea la nivelul interfeței, ca urmare a rezistenței scăzute la întindere și a comportamentului
fragil al betonului (Ceroni et al, 2016). Pentru îmbinările adezive dintre lamele CPAF și elemente
din oțel, modul dominant de cedare constă într-o combinație între cedarea coezivă (la nivelul
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
65
adezivului) și desprinderea la nivelul interfeței, datorată în principal rezistențelor ridicate la
tracțiune și forfecare ale oțelului (Fernando, 2010; Lupășteanu et al, 2017; Lupășteanu et al, 2018).
Investigarea modurilor specifice de cedare s-a realizat prin focalizarea și analiza
microscopică a unor regiuni specifice (1,6 mm x 2,1 mm), localizate pe suprafețele de cedare ale
epruvetelor. Pentru o mai bună înțelegere, imaginile captate de către camera microscopului au fost
procesate utilizând programul de analiză grafică Material Plus Image Software.
8.2.1 Cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor
Modul dominant de cedare pentru ambele tipologii de îmbinare (SLJ și TAJ) constă în
desprinderea și ruperea fibrelor din straturile exterioare ale elementelor CPAFS. Acest mod de
cedare a fost înregistrat ca mod singular în cazul a 17 epruvete, și în combinație cu alte moduri
(desprindere la nivelul interfeței și cedare coezivă) pentru 13 probe. Astfel, se poate concluziona
că cedarea probelor nu a fost controlată de proprietățile mecanice ale adezivului (i.e. rezistența la
forfecare), ci de rezistența scăzută la tracțiune a straturilor de țesături și rășină dispuse la exteriorul
elementelor CPAFS. După cum se poate observa în figura 8.2, pe suprafețele de cedare au fost
identificate micro-fisuri dezvoltate pe direcția de încărcare și regiuni specifice, caracterizate de
separarea fibrelor de matrice. Dimensiunile micro-fisurilor și perimetrele ariilor de separare dintre
fibre și matrice sunt prezentate în tabelul 8.2.
Tabelul 8.2 Defecte identificate pe suprafața de cedare
Notație Descriere Dimensiuni (μm)
A1 Regiune de separare fibre - matrice 96516,62
A2 Regiune de separare fibre - matrice 24667,59
A3 Regiune de separare fibre - matrice 18434,90
L1 Micro-fisură 547,43
L2 Micro-fisură 269,18
L3 Micro-fisură 417,48
L4 Micro-fisură 303,76
L5 Micro-fisură 285,10
L6 Micro-fisură 284,51
L7 Micro-fisură 419,63
L8 Micro-fisură 352,42
L9 Micro-fisură 205,89
L10 Micro-fisură 479,97
L11 Micro-fisură 1192,11
L12 Micro-fisură 732,81
L13 Micro-fisură 614,03
Figura 8.2 Desprinderea și ruperea fibrelor. a) 25X; b) Det. A, 250X: c) Det. B, 250X.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
66
Imaginea captată de către camera microscopului a fost procesată grafic prin atribuirea de
culori distincte pentru ariile ocupate de fibre (verde) și cele ocupate de matrice (roșu) (Fig. 8.3).
Astfel, s-a constatat că procentele corespunzătoare fibrelor (~65 %) și ale matricei (~35 %) sunt
în concordanță cu valorile minime ale fracțiunilor volumetrice asigurate de către producătorul
elementelor CPAFS în fișele tehnice de produs (Fiberline, 2012).
Figura 8.3 Desprinderea și ruperea fibrelor, 25X. Verde – Fibre; Roșu - Matrice
8.2.2 Cedarea prin cumul de moduri specifice.
8.2.2.1 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – desprinderea la nivelul interfeței
În cazul a două epruvete (S-70-2-30 (i), T-100-1-330 (i)), s-a observat că mecanismul de
cedare predominant (desprinderea și ruperea fibrelor) a fost însoțit de un mod secundar reprezentat
de desprinderea la nivelul interfeței adeziv – CPAFS. În urma analizei microscopice a suprafețelor
de cedare a acestor două epruvete, s-a observat că regiunile unde s-a produs desprinderea
adezivului de elementul CPAFS au fost tratate insuficient. Acest aspect este evidențiat de profilul
topografic neregulat al suprafețelor, ce prezintă micro-fisuri și cavități rezultate în urma procesului
de șlefuire (Fig. 8.4, Tabelul 8.3). În cazul aderenților ce pot fi tratați prin procese mecanizate (i.e.
sablare) în vederea creșterii rugozității, profilul topografic rezultat este regulat, fiind controlat prin
selecția parametrilor de definire a procesului (presiune și viteză jet, tip și granulație material
abraziv, grad de fricțiune, tip de lubrifiere, ș.a.). Procesele mecanizate de tratare a suprafeței nu
sunt aplicabile elementelor CPAFS utilizate în cadrul acestui program experimental, deoarece,
conform producătorului, riscul de deplasare a armăturii interne este ridicat (Fiberline, 2012).
Figura 8.4 Mod combinat de cedare: Mod dominant - Desprinderea și ruperea fibrelor; Mod secundar:
desprinderea la nivelul interfeței, 25X. Detaliul A, 250 X.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
67
Tabelul 8.3 Defecte identificate pe suprafața de cedare
Notație Descriere Dimensiuni (μm)
A1 Micro-fisură 867,42
A2 Micro-fisură 549,30
A3 Micro-fisură 403,80
L1 Micro-fisură 538,16
L2 Micro-fisură 343,54
L3 Micro-fisură 440,42
L4 Micro-fisură 356,28
A1 Perimetru cavitate 6475,07
A2 Perimetru cavitate 5969,53
A3 Perimetru cavitate 4078,95
A4 Perimetru cavitate 2139,89
A5 Perimetru cavitate 13421,05
Pentru a se evidenția regiunile unde s-a produs cedarea prin desprindere a adezivului,
imaginea captată de către camera microscopului a fost procesată grafic prin identificarea și
separarea zonelor caracteristice. Figura 8.5 prezintă zonele în care nu s-a dezvoltat procesul de
adeziune (colorate în roșu) datorită tratării insuficiente a suprafeței elementului CPAFS.
Figura 8.5 Regiuni tratate insuficient, 25X
8.2.2.2 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – cedare coezivă
În cazul a 11 epruvete (S-70-1-330 (i), S-70-1-330 (ii), S-100-1-30 (i), S-100-1-30 (ii), S-
100-1-330 (i), S-100-1-330 (ii), S-100-2-30 (ii), S-100-3-330 (i), S-150-2-330 (ii), T-100-1-30 (i),
T-100-1-30 (ii)), cedarea a survenit prin cumulul a două tipologii specifice, constând în modul
dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și cedarea de tip coeziv (modul secundar). Cedarea de
tip coeziv presupune atingerea rezistenței la forfecare a adezivului și reprezintă modul optim de
cedare a îmbinărilor adezive. Deși proprietățile suprafețelor de suprapunere au fost îmbunătățite
considerabil (sporirea porozității și rugozității) în urma aplicării tratamentului de suprafață,
cedarea nu s-a înregistrat la nivelul stratului de adeziv decât pe arii restrânse și izolate. Raportând
tipologiile de cedare la forțele capabile ultime, se observă că cedarea a survenit ca urmare a
atingerii rezistenței la întindere a straturilor superioare ale elementelor CPAFS, iar caracteristicile
mecanice ale adezivilor nu au fost utilizate în mod eficient.
Regiunile restrânse unde s-a identificat cedarea de tip coeziv sunt caracterizate de mai multe
planuri de cedare paralele, fiecare dezvoltând micro-fisuri și cavități în stratul de adeziv (Fig. 8.6).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
68
Dimensiunile minime ale micro-fisurilor au fost înregistrate pentru planurile de cedare de suprafață
(0,1 - 0,2 mm adâncime strat adeziv), iar cele maxime corespund planului median al stratului de
adeziv (Tabelul 8.4). De asemenea, cavitățile dezvoltate în stratul de adeziv cresc în perimetru și
adâncime, pe măsura dezvoltării planurilor de cedare.
Figura 8.6 Mod combinat de cedare: Mod dominant - Desprinderea și ruperea fibrelor; Mod secundar:
coeziv, 25X; Detaliul A, 250 X; Detaliul B, 500 X
Tabelul 8.4 Defecte identificate pe suprafața de cedare
Notație Descriere Dimensiuni (μm)
A1 Micro-fisură 803,59
A2 Micro-fisură 1175,20
A3 Micro-fisură 1404,79
L1 Micro-fisură 18303,00
L2 Micro-fisură 2252,05
L3 Micro-fisură 2318,38
8.3 Trasarea curbelor forță – deplasare
Trasarea curbelor forță – deplasare a fost realizată prin corelarea înregistrărilor variației
forței de tracțiune cu valorile deplasării relative dintre cei doi aderenți CPAFS, monitorizate cu
ajutorul traductorului liniar de tip LVDT. În continuare, (Fig. 8.7 – 8.10), se prezintă graficele ce
reunesc curbele de încărcare – deplasare, grupate pentru epruvetele de același tip și cu aceeași
lungime de conlucrare.
Figura 8.7 Grafic forță – deplasare pentru S - 70 Figura 8.8 Grafic forță – deplasare pentru S – 100
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
69
Figura 8.9 Grafic forță – deplasare pentru S – 150 Figura 8.10 Grafic forță – deplasare pentru T - 100
Analizând alura și panta curbelor de încărcare – deplasare, se constată că toate epruvetele
sunt caracterizate de un comportament liniar – elastic, cu modificări minore pe parcursul aplicării
forței. Variațiile de la această comportare au fost înregistrate în cazul îmbinărilor realizate prin
suprapunere simplă cu lungimea de conlucrare de 70 mm, respectiv 100 mm, după atingerea
pragului de 50 % din forța ultimă. În cazul îmbinărilor cu aderenți rigizi, curbele de încărcare –
deplasare prezintă o variație minoră de la caracterul liniar – elastic, caracterizată de un palier de
creștere accelerată a încărcării și de stagnare a deplasărilor în intervalul 2 – 12 kN. Forța de
tracțiune maximă (~ 60 kN) a fost înregistrată pentru îmbinările realizate prin suprapunere simplă
cu lungimea de conlucrare de 150 mm. Îmbinările cu aderenți rigizi au înregistrat forțe capabile
ultime cuprinse între 40 și 45 kN.
Datorită comportamentului liniar – elastic, deplasările maxime corespund îmbinărilor
realizate prin suprapunere simplă cu lungimea de conlucrare de 150 mm, fiind apropiate de 1,30
mm. Îmbinările de tip SLJ cu lungimile de conlucrare de 70 mm și de 100 mm au înregistrat
deplasări maxime de 0,6 mm, respectiv 0,8 mm. Comparând deplasările epruvetelor cu aceeași
configurație geometrică, dar îmbinate cu adezivi diferiți, se observă că variațiile sunt minore, fiind
cuprinse în intervalul 0,05 – 0,1 mm.
Pe baza tipologiilor de cedare ale epruvetelor și a comportamentului rezultat din curbele de
încărcare – deplasare, se poate stabili o legătură directă între mecanismul de cedare și alura curbei.
Astfel, întrucât mecanismul de cedare nu a fost controlat de proprietățile mecanice ale adezivului,
curbele de încărcare – deplasare nu prezintă modificări în ceea ce privește alura și valorile ultime
ale epruvetelor cu aceleași caracteristici geometrice și tip de adeziv, dar cu grosimi diferite ale
stratului de adeziv. Conform unor studii similare (Adams și Peppiatt, 1974; Lu și Youngblood,
2015; Marques et al, 2015; Machado et al, 2018), dacă mecanismul de cedare dominant ar fi fost
de tip coeziv, valorile ultime ale forței capabile și ale deplasărilor ar fi scăzut odată cu creșterea
grosimii straturilor de adeziv.
8.4 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – deformații specifice
Deformațiile specifice în raport cu lungimea de conlucrare au fost monitorizate, pe parcursul
aplicării încărcării, cu ajutorul traductorilor rezistivi fixați pe extradosul elementelor CPAFS.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
70
Deformațiile specifice înregistrate de aceste instrumente sunt apropriate ca valoare de cele
dezvoltate de adezivi, întrucât diferențele de rigiditate dintre elementele CPAFS și adezivi sunt
suficient de mari pentru a nu altera măsurătorile. Tensiunile tangențiale au fost obținute prin
raportarea forței de tracțiune la aria secțională a stratului de adeziv. Pe baza valorilor tensiunilor
tangențiale și a deformațiilor specifice, s-au trasat curbele de variație pentru epruvetele testate în
cadrul programului experimental (Fig. 8.11 – 8.27). Graficele sunt prezentate în ordinea stabilită
în tabelul 8.1, iar curbele epruvetelor cu configurații identice sunt ilustrate simultan.
Figura 8.11 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–1-30 (i) și S-70-1-30 (ii)
Figura 8.12 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–1-330 (i) și S-70-1-330 (ii)
Figura 8.13 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–2-30 (i) și S-70-2-30 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
71
Figura 8.14 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–2-330 (i) și S-70-2-330 (ii)
Figura 8.15 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–3-30 (i) și S-70-3-30 (ii)
Figura 8.16 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–70–3-330 (i) și S-70-3-330 (ii)
Figura 8.17 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–100–1-30 (i) și S-100-1-30 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
72
Figura 8.18 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–100–1-330 (i) și S-100-1-330 (ii)
Figura 8.19 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–100–2-30 (i) și S-100-2-30 (ii)
Figura 8.20 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–100–2-330 (i) și S-100-2-330 (ii)
Figura 8.21 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruveta:
S–100–3-30 (i)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
73
Figura 8.22 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S–100–3-330 (i) și S-100-3-330 (ii)
Figura 8.23 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
S-150-2-330 (i) și S-150-2-330 (ii)
Figura 8.24 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruvetele:
T–100–1-30 (i) și T-100-1-30 (ii)
Figura 8.25 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruveta:
T-100-1-330 (i)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
74
Figura 8.26 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruveta:
T–100–2-30 (i)
Figura 8.27 Grafic tensiuni tangențiale – deformații specifice pentru epruveta:
T–100–2-330 (i)
Se observă că tensiunile tangențiale cresc aproape liniar în raport cu deformațiile specifice,
iar alura graficelor este similară pentru epruvetele de același tip (SLJ sau TAJ). Variația dintre
datele înregistrate de traductorul rezistiv numărul 2 și traductorul rezistiv numărul 3 este restrânsă,
valorile maxime fiind situate în intervalul 0,5 – 0,8 ‰ pentru îmbinările de tip SLJ cu lungimea
de conlucrare de 70 mm, în intervalul 0,8 – 1,5 ‰ pentru îmbinările de tip SLJ cu lungimea de
conlucrare de 100 mm, respectiv în intervalul 1 – 2 ‰ pentru îmbinările de tip SLJ cu lungimea
de conlucrare de 150 mm. Aceste rezultate nu sunt însă valabile pentru îmbinările de tip TAJ, în
acest caz variațiile dintre deformațiile specifice înregistrate de traductorul rezistiv numărul 2 și
traductorul rezistiv numărul 3 fiind cuprinse între 1 ‰ și 7 ‰. Pentru îmbinările de tip SLJ, valorile
maxime ale deformațiilor specifice sunt înregistrate în aproprierea capătului încărcat al
epruvetelor, pe când, în cazul îmbinărilor de tip TAJ, datorită caracteristicilor geometrice
favorabile, întreaga arie de conlucrare este mobilizată, înregistrându-se astfel valori semnificative
și pentru traductorul rezistiv numărul 1.
De asemenea, se observă că nu au fost înregistrate variații considerabile privind alura și
valorile ultime ale tensiunilor tangențiale și ale deformațiilor specifice pentru epruvetele cu
configurații geometrice identice, dar realizate cu grosimi și tipuri diferite de adezivi. Acest aspect
este justificat de particularitățile mecanismului de cedare dominant (cedarea prin desprinderea și
ruperea fibrelor). Prin urmare, cedarea nu a fost controlată de proprietățile mecanice ale adezivilor,
ci de rezistența scăzută la întindere a straturilor exterioare ale elementelor CPAFS. Cedarea
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
75
epruvetelor corespunde astfel, unor tensiuni tangențiale cuprinse în intervalul 4 - 6 MPa, valori
mult mai reduse față de rezistențele la forfecare ale adezivilor.
8.5 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare
Variația deformațiilor specifice în raport cu lungimea de conlucrare reprezintă un parametru
definitoriu în descrierea caracteristicilor specifice conlucrării dintre elementele CPAFS îmbinate
adeziv. Pe parcursul încercărilor, deformațiile specifice au fost monitorizate cu ajutorul
traductorilor rezistivi atașați pe extradosul elementelor CPAFS, în dreptul zonei de conlucrare.
Figurile 8.28 – 8.44 reunesc curbele de variație a deformațiilor specifice, în lungul zonei de
conlucrare, la diferite trepte de aplicare a încărcării. Fracțiunile din forța capabilă sunt grupate pe
intervale mai mari în domeniul 0,1 - 0,7 Pult și mai restrânse în domeniul 0,85 Pult - Pult, cu scopul
de a identifica schimbările ce se pot produce anterior cedării finale.
Figura 8.28 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare -
epruvetele S–70–1-30 (i) și S-70-1-30 (ii)
Figura 8.29 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–1-330 (i) și S-70-1-330 (ii)
Figura 8.30 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–2-30 (i) și S-70-2-30 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
76
Figura 8.31 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–2-330 (i) și S-70-2-330 (ii)
Figura 8.32 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–3-30 (i) și S-70-3-30 (ii)
Figura 8.33 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–3-330 (i) și S-70-3-330 (ii)
Figura 8.34 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–1-30 (i) și S-100-1-30 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
77
Figura 8.35 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–1-330 (i) și S-100-1-330 (ii)
Figura 8.36 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–2-30 (i) și S-100-2-30 (ii)
Figura 8.37 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–2-330 (i) și S-100-2-330 (ii)
Figura 8.38 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta S–100–3-30 (i)
Figura 8.39 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–3-330 (i) și S-100-3-330 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
78
Figura 8.40 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S-150-2-330 (i) și S-150-2-330 (ii)
Figura 8.41 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele T-100-1-30 (i) și T-100-1-30 (ii)
Figura 8.42 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-1-330 (i)
Figura 8.43 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-2-30 (i)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
79
Figura 8.44 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-2-330 (i)
Analiza distribuțiilor deformațiilor specifice în lungul zonei de conlucrare, la diferite trepte
de încărcare, oferă informații legate de modul de comportare al celor două tipologii de îmbinări
(SLJ și TAJ), în raport cu variațiile parametrilor constructivi (lungime de conlucrare, tip și grosime
de adeziv) dar, mai ales, despre particularitățile mecanismelor specifice de cedare dezvoltate de
acestea. Astfel, comparând valorile obținute pentru epruvetele realizate cu adezivul Sikadur 30 în
raport cu cele ale epruvetelor realizate cu adezivul Sikadur 330, se observă că în al doilea caz,
valorile ultime ale deformațiilor specifice sunt relativ mai mari. Aceste diferențe sunt înregistrate,
cu precădere, în cazul epruvetelor ce au dezvoltat moduri de cedare combinate, incluzând cedarea
de tip coeziv, și pot fi justificate de diferențele dintre rezistențele mecanice și modulii de
elasticitate ale celor două tipuri de adezivi.
De asemenea, se observă că, pentru ambele tipuri de îmbinări, distribuțiile deformațiilor
specifice sunt grupate, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării. Acest aspect este
caracteristic mecanismului de cedare dominant dezvoltat de epruvete (cedare prin desprinderea și
ruperea fibrelor). Dacă cedarea ar fi survenit predominant la nivelul adezivului (cedare coezivă),
distribuțiile deformațiilor specifice ar fi fost mult mai împrăștiate și mai extinse spre capetele libere
ale îmbinărilor, ca urmare a mobilizării treptate a ariei de conlucrare.
Comparând graficele de distribuție a deformațiilor specifice obținute pentru epruvetele care
au configurație identică, dar grosimi diferite ale stratului de adeziv, se observă că atât valorile
ultime, cât și alura acestora nu variază semnificativ, în raport cu grosimea adezivului, aspect ce
derivă, de asemenea, din caracteristicile modului de cedare dominant al epruvetelor. În cazul în
care cedarea nu s-ar fi produs la nivelul stratului exterior al elementelor CPAFS, deformațiile
ultime și forțele capabile ultime ar fi scăzut în raport cu creșterea grosimii stratului de adeziv, lucru
demonstrat de rezultatele înregistrate de diferite echipe de cercetare ce au dezvoltat programe
experimentale în domeniul îmbinărilor adezive (Adams și Peppiatt, 1974; Lu și Youngblood, 2015;
Marques et al, 2015; Machado et al, 2018).
8.6 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – lunecare
Comportarea la nivelul interfețelor, la forfecare, a îmbinărilor adezive este caracterizată în
mod eficient de curba tensiuni tangențiale – lunecare. Această curbă este trasată în urma
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
80
determinărilor experimentale și stabilește o relație directă, aplicabilă în proiectarea îmbinărilor
adezive, între valorile tensiunilor tangențiale și lunecările corespondente, dintre elementele
CPAFS, în diferite puncte de monitorizare localizate pe lungimea de conlucrare.
În cazul epruvetelor realizate prin suprapunere simplă (SLJ sau TAJ), aceste valori se pot
obține pe baza variațiilor deformațiilor specifice, monitorizate cu ajutorul traductorilor rezistivi
atașați pe extradosul elementelor CPAFS, prin aplicarea ecuațiilor 8.1 și 8.2 (Pham și Al-Mahaidi,
2005).
( )
( )1
/2
1
i i
i CPAFC CPAFC
i i
E tL L
+
+
−=
−
(8.1)
( )( )
( )( )1 1 2
/2 1 2 14 2
ni i i i
i i i i i
i i
L L L L
+ + +
+ + +
=
− += − + −
(8.2)
unde:
• 휀𝑖 = valoarea deformației specifice înregistrată de traductorul rezistiv „i”, pornind dinspre
capătul încărcat al epruvetei, spre cel liber; 𝑛 = numărul total de traductori rezistivi; 𝐿𝑖 =
distanța până la centrul traductorului rezistiv „i”, pornind dinspre capătul încărcat al epruvetei,
spre cel liber; 𝜏𝑖/2 =(𝜀𝑖−𝜀𝑖+1)
(𝐿𝑖+1−𝐿𝑖)𝐸𝐶𝑃𝐴𝐹𝑆𝑡𝐶𝑃𝐴𝐹𝑆; 𝐸𝐶𝑃𝐴𝐹𝐶 , 𝑡𝐶𝑃𝐴𝐹𝐶 = modulul de elasticitate și
grosimea elementului CPAFS; 𝜏𝑖/2 = valoarea tensiunii tangențiale calculată la mijlocul
distanței dintre traductorii rezistivi „i” și „i+1”; 𝛿𝑖/2 = valoarea lunecării calculată la mijlocul
distanței dintre traductorii rezistivi „i” și „i+1”;
Valorile tensiunilor tangențiale și ale lunecărilor au fost calculate pe baza distanțelor indicate în
figura 8.45.
Figura 8.45 Distanțele de calcul a tensiunilor tangențiale și ale lunecărilor
Prin aplicarea ecuațiilor 8.1 și 8.2, au fost determinate valorile tensiunilor tangențiale și ale
lunecărilor și au fost trasate graficele aferente fiecărei epruvete (Fig. 8.46 – 8.62).
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
81
Figura 8.46 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare -
epruvetele S–70–1-30 (i) și S-70-1-30 (ii)
Figura 8.47 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–1-330 (i) și S-70-1-330 (ii)
Figura 8.48 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–2-30 (i) și S-70-2-30 (ii)
Figura 8.49 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–2-330 (i) și S-70-2-330 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
82
Figura 8.50 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–3-30 (i) și S-70-3-30 (ii)
Figura 8.51 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–70–3-330 (i) și S-70-3-330 (ii)
Figura 8.52 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–1-30 (i) și S-100-1-30 (ii)
Figura 8.53 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–1-330 (i) și S-100-1-330 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
83
Figura 8.54 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–2-30 (i) și S-100-2-30 (ii)
Figura 8.55 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–2-330 (i) și S-100-2-330 (ii)
Figura 8.56 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta S–100–3-30 (i)
Figura 8.57 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S–100–3-330 (i) și S-100-3-330 (ii)
Figura 8.58 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele S-150-2-330 (i) și S-150-2-330 (ii)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
84
Figura 8.59 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruvetele T-100-1-30 (i) și T-100-1-30 (ii)
Figura 8.60 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-1-330 (i)
Figura 8.61 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-2-30 (i)
Figura 8.62 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare la diferite trepte de încărcare –
epruveta T-100-2-330 (i)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
85
Principala concluzie ce rezultă în urma analizei graficelor tensiuni tangențiale – lunecare
este că alura acestora este liniară, fiind caracterizată de un palier singular, ascendent. Acest lucru
este susținut de lipsa caracterului progresiv și implicit coeziv al mecanismului dominant de cedare
identificat pentru cele două tipuri de îmbinări (SLJ și TAJ). Dacă cedarea ar fi fost de tip coeziv,
alura graficelor ar fi fost influențată în mod direct de caracteristicile adezivilor, fiind de tip bi-
liniar. Forma bi-liniară este caracterizată de două paliere, unul ascendent și unul descendent, inițiat
după atingerea tensiunilor tangențiale maxime. Pe baza graficelor tensiuni tangențiale – lunecare
ce prezintă alură liniară, se pot evalua doi dintre principalii parametrii de conlucrare (tensiunea
tangențială maximă, τmax și lunecarea aferentă atingerii tensiunii tangențiale maxime, δ1).
Tensiunile tangențiale maxime obținute prin aplicarea ecuației 8.1 variază nesemnificativ în
raport cu cele determinate prin metoda simplificată, prezentată în cadrul secțiunii 8.4. Astfel,
valorile maxime sunt cuprinse în intervalul (3,5 – 6 MPa), fiind cu mult reduse față de rezistențele
la forfecare ale adezivilor.
Pentru cele două tipologii de epruvete, analiza variației lunecărilor specifice în raport cu
lungimea de conlucrare permite formularea următoarelor observații:
• La epruvetele SLJ cu lungimea de conlucrare de 70 mm și grosimea stratului de adeziv de 1,
2 și 3 mm, lunecările maxime δf au fost situate în intervalul 0,015 – 0,025 mm. Se poate
observa că lunecările aferente atingerii tensiunilor tangențiale maxime nu variază în raport
cu grosimea adezivului și aparțin unui interval fix;
• La epruvetele SLJ și TAJ cu lungimea de conlucrare de 100 mm și grosimea stratului de
adeziv de 1, 2 și 3 mm, lunecările maxime δf au fost situate în intervalul 0,03 – 0,06 mm,
respectiv 0,015 – 0,2 mm. Se concluzionează astfel că pentru aceeași parametri constructivi
(lungime de conlucrare, tip și grosime adeziv), lunecările înregistrate în cazul îmbinărilor tip
TAJ sunt semnificativ mai mici în raport cu cele înregistrate de îmbinările tip SLJ.
• La epruvetele SLJ cu lungimea de conlucrare de 150 mm și grosimea stratului de adeziv de
1, 2 și 3 mm, lunecările maxime δf au fost situate în intervalul 0,09 – 0,9 mm;
• Concluzia rezultată pe baza analizei variației lunecărilor specifice, general valabilă pentru
toate epruvetele ce au făcut obiectul programului experimental este că atât valorile maxime
ale lunecărilor, cât și distribuția lor nu variază în raport cu tipul și cu incrementarea stratului
de adeziv.
8.7 Concluzii
Acest capitol a avut ca obiectiv principal prezentarea rezultatelor programului experimental,
raportate la parametrii ce caracterizează fenomenul de conlucrare dintre elementele compozite
pultrudate îmbinate adeziv. Toate cele 30 de epruvete ce au făcut obiectul programului
experimental au fost solicitate la forfecare, până la cedare, prin aplicarea forțelor de tracțiune la
nivelul elementelor CPAFS. Forțele capabile ultime au fost utilizate atât ca parametri de analiză a
răspunsului structural al îmbinărilor, cât și ca date de intrare pentru analiza numerică pe baza
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
86
metodei elementului finit, ce este prezentată în cadrul capitolului următor. Rezultatele obținute pe
cale experimentală (distribuțiile forțelor capabile, deplasărilor și deformațiilor specifice) nu au fost
comparate cu valori calculate prin intermediul modelelor teoretice, datorită incompatibilității
dintre modurile de cedare dezvoltate de către epruvete și cele presupuse de modelele analitice de
calcul. Modelele teoretice dezvoltate pentru îmbinările adezive dintre elemente CPAF presupun
dezvoltarea unui mecanism de cedare dominant de tip coeziv, progresiv, aspect infirmat de modul
de cedare dominant înregistrat în cadrul programului experimental (cedarea prin desprinderea și
ruperea fibrelor).
Pe baza analizei mecanismelor de cedare ale epruvetelor, s-a observat că acestea corespund
cu tipologii regăsite în cadrul altor lucrări de specialitate (Keller și Vallee, 2005; Vallee și Keller,
2006; Vallee et al, 2009). Deși 13 epruvete au dezvoltat un cumul de moduri de cedare, modul
dominant, ce constă în desprinderea și ruperea fibrelor, este comun tuturor epruvetelor. Modurile
subsidiare de cedare (desprinderi la nivelul interfețelor și cedarea de tip coeziv) au avut în
totalitatea cazurilor, un caracter local, izolat. Fiecare mecanism de cedare a fost caracterizat pe
baza analizei microscopice și grafice, concluzionându-se că principala preocupare în dezvoltarea
acestor tipuri de îmbinări constă în dirijarea cedării la nivelul stratului de adeziv pentru utilizarea
deplină a proprietăților mecanice ale acestuia.
În urma trasării curbelor de încărcare – deplasare, s-a observat că toate epruvetele sunt
caracterizate de un comportament liniar, cu schimbări minore de pantă pe parcursul aplicării
încărcării, înregistrate în general după atingerea pragului de 50 % din forța ultimă. Forța de
tracțiune maximă (60 kN) a fost obținută pentru îmbinările de tip SLJ cu lungimea de conlucrare
de 150 mm. Îmbinările de tip TAJ au înregistrat forțe capabile ultime cuprinse în intervalul 40 –
45 kN. De asemenea, ca urmare a comportamentului liniar – elastic, s-a constat o creștere a
deplasărilor în raport cu lungimea de conlucrare.
Analizând distribuțiile tensiunilor tangențiale, s-a observat o creștere aproape liniară în
raport cu deformațiile specifice, precum și o alură comună a curbelor pentru cele două tipologii de
epruvete (SLJ și TAJ). Concluzia principală ce derivă din investigarea acestor grafice este că nu
prezintă variații ale pantei și ale valorilor ultime (tensiuni tangențiale și deformații specifice),
pentru epruvetele cu caracteristici geometrice identice, dar realizate cu tipuri și grosimi diferite de
adezivi. Această deducție validează particularitățile mecanismului de cedare dominant (cedarea
prin desprinderea și ruperea fibrelor) și este general valabilă pentru toți parametrii investigați în
cadrul programului experimental (forțe ultime, deformații specifice, tensiuni tangențiale,
deplasări), raportați la grosimea și tipul adezivului.
În urma trasării curbelor de distribuție a deformațiilor specifice, în lungul zonei de
conlucrare, la diferite trepte de încărcare, s-a observat că valorile obținute pentru epruvetele
realizate cu adezivul Sikadur 30 sunt mai mici comparativ cu cele înregistrate în cazul epruvetelor
realizate cu adezivul Sikadur 330. Aceste diferențe au fost înregistrate, cu precădere, în cazul
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
87
epruvetelor ce au dezvoltat moduri de cedare combinate, incluzând cedarea de tip coeziv și pot fi
justificate de diferențele dintre rezistențele mecanice și modulii de elasticitate ale celor două tipuri
de adezivi. De asemenea, pentru ambele tipuri de îmbinări, distribuțiile deformațiilor specifice
sunt grupate, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării. Acest aspect este
demonstrat și de alura curbelor tensiuni tangențiale – lunecare. Astfel, în urma trasării graficelor,
s-a constatat că pentru toate cele 30 de epruvete, alura este liniară, fiind caracterizată de un singur
palier ascendent.
Corelând datele obținute pe baza programului experimental cu indicațiile prezentate în
propunerea de normativ Prospect for new guidance in the design of FRP, elaborată în cadrul
Comisiei Europene, se pot formula următoarele concluzii:
• Efectuarea unui tratament de suprafață corespunzător duce la creșterea performanțelor
structurale a îmbinărilor adezive pentru elemente CPAF;
• Tratamentul de suprafață nu poate asigura transmiterea tensiunilor către straturile cu rol
structural ale elementelor pultrudate CPAF. În acest sens, se recomandă selectarea unei
soluții hibride de îmbinare (îmbinări cu șuruburi sau nituri și adeziv) sau utilizarea mai
multor tipuri de adezivi cu proprietăți elastice diferite, dispuși pe aceeași arie de conlucrare;
• Îmbinările cu configurații geometrice favorabile (i.e. TAJ) pot dezvolta forțe capabile ultime
superioare în raport cu îmbinările de tip SLJ cu grosimi și lungimi ale stratului de adeziv
identice;
• Grosimea stratului de adeziv nu influențează în mod direct valorile ultime ale forțelor
capabile, tensiunilor tangențiale, deformațiilor specifice și deplasărilor, excepție fac
îmbinările ce dezvoltă modul de cedare dominant, de tip coeziv, progresiv;
• Îmbinările adezive dintre elemente CPAF sunt în proces de a fi acceptate ca îmbinări cu rol
structural și implicit introduse în suita de standarde Eurocode, însă selecția lor este
condiționată de realizarea unor programe experimentale extinse. Aceste programe au ca rol
principal caracterizarea fenomenului de conlucrare și obținerea unor date privind parametrii
definitorii, cu grad mare de aplicabilitate în faza de proiectare.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
88
Capitolul 9
MODELAREA NUMERICĂ A COMPORTĂRII
ÎMBINĂRILOR ADEZIVE PE BAZA METODEI CU
ELEMENTE FINITE
9.1 Introducere
Analiza numerică constă în studiul algoritmilor, pe baza aproximărilor numerice, pentru
probleme de matematică continuă (Radeș, 2006). În aplicațiile inginerești, analiza numerică poate
fi utilizată prin implementarea a trei metode distincte, după cum urmează (Rappaz et al, 2003):
• Metoda Diferențelor Finite (MDF);
• Metoda Elementelor Finite (MEF);
• Metoda elementelor de frontieră.
În domeniul ingineriei civile, se aplică, cu precădere, metoda elementelor finite. Bazele
acestei metode au fost formulate pentru prima dată în 1943 de către matematicianul Richard
Courant care, prin aplicarea teoriei Ritz în problemele de calcul variațional, a obținut rezultate
satisfăcătoare pentru diferite sisteme cu vibrații (Maksay și Bistrian, 2008). Metoda elementelor
finite constă în discretizarea unui domeniu în elemente geometrice simple (elemente finite) și
permutarea variabilelor generale de calcul la nivelul acestora. Prin stabilirea gradelor de libertate
și a condițiilor de echilibru și compatibilitate, se obțin soluțiile necunoscutelor de calcul, în raport
cu fiecare subdomeniu reprezentat de un element finit (Lateș, 2008).
9.2 Modelarea și analiza numerică a îmbinărilor adezive pentru
elemente pultrudate din compozite polimerice armate cu fibre de sticlă
(CPAFS)
9.2.1 Conceperea modelelor numerice
Analiza numerică a epruvetelor ce au făcut obiectul programului experimental, descris în
cadrul capitolelor 7 și 8, a fost realizată utilizând programul de calcul cu element finit Ansys
Workbench (ANSYS Workbench user’s guide, 2009). Geometria efectivă a modelelor a fost
obținută prin atribuirea a 3 forme geometrice simple pentru îmbinările prin suprapunere simplă
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
89
(SLJ), respectiv a 7 forme geometrice pentru îmbinările cu aderenți rigizi (TAJ) (Fig. 9.1 – 9.2).
Fiecărei forme geometrice (elementare) i-au fost definiți parametrii de conectivitate și formă
pentru a corespunde modelului real.
Figura 9.1 Model numeric pentru îmbinările tip SLJ Figura 9.2 Model numeric pentru îmbinările tip TAJ
Modelele numerice tridimensionale finale au fost discretizate utilizând elemente finite
triunghiulare de dimensiune 0,2 - 1 mm pentru stratul de adeziv, respectiv elemente finite
dreptunghiulare cu dimensiunea maximă de 1,5 mm, pentru aderenți (Fig. 9.3). Pentru aria de
conlucrare s-a utilizat o discretizare fină cu un nivel de îndesire ridicat (0,1 mm dimensiunea
maximă a elementului finit), (Fig. 9.4).
Figura 9.3 Discretizarea modelelor tridimensionale
Figura 9.4 Discretizarea ariei de conlucrare și a stratului de adeziv
De asemenea, același nivel de discretizare a fost atribuit și zonelor de capăt ale stratului de
adeziv, deoarece aceste regiuni, fiind susceptibile dezvoltării concentratorilor de tensiuni, necesită
o atenție ridicată. Trecerea dintre regiunile de discretizare cu nivele diferite s-a realizat progresiv,
cu un gradient redus, prin intermediul unor zone tampon, denumite și smooth transition regions.
Prin modelarea acestor zone de trecere, se evită riscul apariției punctelor de discontinuitate în
rețeaua de discretizare. Stabilirea tipului și dimensiunii maxime a elementelor de discretizare a
fost decisă în raport cu indicațiile și concluziile obținute în cadrul unor studii numerice anterioare
(Hudișteanu et al, 2016a, b; Hudișteanu et al, 2017a, b, c, d; Hudișteanu et al, 2018; Ungureanu et
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
90
al, 2016a, b; Ungureanu et al, 2017a, b, c, d; Ungureanu et al, 2018a, b) și în vederea satisfacerii
condițiilor de convergență (variație sub 1% a valorilor maxime a parametrilor analizați).
Elementele CPAFS au fost definite ca materiale ortotrope, cu comportare liniar elastică, iar
proprietățile fizice și mecanice ale acestora au fost luate din fișele tehnice furnizate de către
producător (Fiberline, 2012). Pentru definirea adezivilor structurali, epoxidici, bi-componenți,
Sikadur 30 și Sikadur 330, s-au utilizat materiale izotrope cu comportare liniar elastică, a căror
proprietăți au fost modificate în raport cu caracteristicile prezentate în fișele tehnice de produs
(Fișe tehnice Sikadur – 30, 2014; Sikadur – 330, 2014).
Zonele de interfață dintre cele două elemente ale sistemului (profilul CPAFS și adeziv) au
fost definite utilizând contactul de tip bonded (Fig. 9.5). Pentru acest tip de regiune de contact,
parametrul definitor constă în tipul și numărul punctelor de ancoraj ce se formează prin penetrarea
adezivului în cavitățile de pe suprafața aderentului. Astfel, s-a utilizat definirea de tip pure penalty
formulation, au fost determinate pozițiile punctelor de ancoraj utilizând nodurile matricei de
discretizare, unde axa normală este perpendiculară pe planul suprafeței de contact și a fost stabilit
factorul de penetrare al adezivului, în raport cu rezultatele studiilor microscopice prezentate în
cadrul capitolelor 5 și 7 (Kohnke, 1999; ANSYS Workbench user’s guide, 2009; Barbero, 2014).
Toate gradele de libertate au fost blocate la nivelul extremității libere a elementelor CPAFS,
iar eforturile obținute experimental au fost aplicate la capătul opus al îmbinărilor. Pentru
determinarea soluțiilor, s-a selectat analiza de tip liniar elastică.
Figura 9.5 Definirea suprafeței și tipului de contact (după Kohnke, 1999)
9.2.2 Rezultatele modelării numerice
Primul parametru de conlucrare, investigat în cadrul analizelor numerice a fost deplasarea
maximă a epruvetelor. După cum se poate observa în figurile 9.6 – 9.9, hărțile cromatice prezintă
un tipar comun, valorile maxime fiind înregistrate în zona capătului încărcat, iar zona capătului
liber dezvoltă deplasări nesemnificative. Având în vedere alura și cromatica comună a hărților de
deplasări, se prezintă câte o diagramă pentru fiecare serie de epruvete (în funcție de tipul îmbinării
și de lungimea de conlucrare). Rezultatele tuturor epruvetelor ce au făcut obiectul analizelor
numerice sunt prezentate grafic, prin comparație cu valorile determinate pe cale experimentală, în
figurile 9.10 – 9.18.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
91
Figura 9.6 Deplasarea totală – Epruveta S-70-1-30
Figura 9.7 Deplasarea totală – Epruveta S-100-1-330
Figura 9.8 Deplasarea totală – Epruveta S-150-2-330
Figura 9.9 Deplasarea totală – Epruveta T-100-1-30
Figura 9.10 Grafic comparativ pentru epruvetele S-70-1-30(i, ii, numeric) și S-70-1-330(i, ii, numeric)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
92
Figura 9.11 Grafic comparativ pentru epruvetele S-70-2-30(i, ii, numeric) și S-70-2-330(i, ii, numeric)
Figura 9.12 Grafic comparativ pentru epruvetele S-70-3-30(i, ii, numeric) și S-70-3-330(i, ii, numeric)
Figura 9.13 Grafic comparativ pentru epruvetele S-100-1-30(i, ii, numeric) și S-100-1-330(i, ii, numeric)
Figura 9.14 Grafic comparativ pentru epruvetele S-100-2-30(i, ii, numeric) și S-100-2-330(i, ii, numeric)
Figura 9.15 Grafic comparativ pentru epruvetele S-100-3-30(i, numeric) și S-100-3-330(i, ii, numeric)
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
93
Figura 9.16 Grafic comparativ pentru epruvetele S-150-2-30(i, ii, numeric)
Figura 9.17 Grafic comparativ pentru epruvetele T-100-1-30(i, ii, numeric) și T-100-3-330(i, numeric)
Figura 9.18 Grafic comparativ pentru epruvetele T-100-2-30(i, numeric) și T-100-2-330(i, numeric)
Valorile deplasărilor maxime înregistrate pe parcursul încercărilor experimentale au fost
comparate cu cele obținute pe baza analizelor numerice. Din analiza graficelor (Fig. 9.10 – 9.18),
se observă că valorile deplasărilor maxime determinate prin cele două metode sunt apropiate, dar
alura curbelor diferă. Astfel, analiza numerică liniară nu surprinde aspecte importante, determinate
pe cale experimentală, cum ar fi: gradul de mobilizare al lungimilor de conlucrare, variațiile date
de diferențele de rigiditate ale adezivilor și posibile cedări locale.
De asemenea, pe baza rezultatelor analizelor numerice, s-a investigat distribuția
deformațiilor specifice pentru stratul de adeziv. Acestea sub prezentate sub formă de hărți
cromatice, pentru epruvetele S-70-1-30, S-100-1-330, S-150-2-330 și T-100-1-30, în figurile 9.19
– 9.22.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
94
Figura 9.19 Variația deformațiilor specifice – Epruveta S-70-1-30
Figura 9.20 Variația deformațiilor specifice – Epruveta S-100-1-330
Figura 9.21 Variația deformațiilor specifice – Epruveta S-150-2-330
Figura 9.22 Variația deformațiilor specifice – Epruveta T-100-1-30
În continuare, pentru epruvetele S-70-1-30, S-100-1-330, S-150-2-330 și T-100-1-30,
distribuțiile deformațiilor specifice, pentru diferite trepte de încărcare, au fost analizate comparativ
cu valorile obținute pe cale experimentală (Fig. 9.23 – 9.26). Valorile rezultate în urma analizei
numerice au fost determinate prin creșterea procentuală a încărcării și monitorizarea deplasărilor,
prin intermediul unor puncte caracteristice de măsurare, a căror poziții corespund locațiilor în care
au fost atașați traductorii rezistivi pe epruvetele testate experimental.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
95
Figura 9.23 Variația deformațiilor specifice pe lungimea de conlucrare la diferite trepte de încărcare –
Epruvetele S-70-1-30 i și ii – experiment vs. analiză numerică
Figura 9.24 Variația deformațiilor specifice pe lungimea de conlucrare la diferite trepte de încărcare –
Epruvetele S-100-1-330 i și ii – experiment vs. analiză numerică
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
96
Figura 9.25 Variația deformațiilor specifice pe lungimea de conlucrare la diferite trepte de încărcare –
Epruvetele S-150-2-330 i și ii – experiment vs. analiză numerică
Figura 9.26 Variația deformațiilor specifice pe lungimea de conlucrare la diferite trepte de încărcare –
Epruvetele T-100-1-30 i și ii – experiment vs. analiză numerică
Conform analizei comparative a distribuțiilor deformațiilor specifice pe lungimea de
conlucrare, pentru diferite trepte de încărcare, se observă că, atât alura cât și valorile maxime ale
curbelor trasate cu ajutorul analizelor numerice sunt similare celor obținute pentru curbele
determinate pe cale experimentală. De asemenea, se observă că, pentru ambele tipuri de îmbinări,
distribuțiile deformațiilor specifice sunt grupate și nu variază în raport cu grosimea stratului de
adeziv, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării. Astfel, concluziile formulate pe
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
97
baza rezultatelor experimentale, prezentate în cadrul secțiunii 8.5, sunt validate și de rezultatele
numerice prezentate în acest capitolul.
Un alt parametru investigat în cadrul analizelor numerice a fost variația tensiunilor
tangențiale în lungul ariei de conlucrare. Acestea sub prezentate în figurile 9.27 – 9.30, sub formă
de hărți cromatice, corespunzătoare intensităților maxime ale încărcării, pentru epruvetele S-70-1-
30, S-100-1-330, S-150-2-330 și T-100-1-30.
Figura 9.27 Variația tensiunilor tangențiale maxime – Epruveta S-70-1-30
Figura 9.28 Variația tensiunilor tangențiale maxime – Epruveta S-100-1-330
Figura 9.29 Variația tensiunilor tangențiale maxime – Epruveta S-150-2-330
Figura 9.30 Variația tensiunilor tangențiale maxime – Epruveta T-100-1-30
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
98
Pe baza valorilor tensiunilor tangențiale maxime, determinate pe cale experimentală și pe
baza analizelor numerice, s-au trasat graficele comparative prezentate în figurile 9.31 – 9.39. După
cum se poate observa, ambele metode de analiză au oferit rezultate comparabile ca ordin de
mărime. Excepție fac epruvetele S-100-1-30 (i) și (ii), în cazul cărora valorile maxime diferă cu
aproximativ 50%. Acest aspect sugerează că epruveta S-100-1-30 (i) a cedat prematur, posibil ca
urmare a centrării defectuoase în bacurile mașinii de testare.
Figura 9.31 Tensiuni tangențiale maxime: S-70-1-30(i, ii, numeric) și S-70-1-330(i, ii, numeric), [MPa]
Figura 9.32 Tensiuni tangențiale maxime: S-70-2-30(i, ii, numeric) și S-70-2-330(i, ii, numeric) , [MPa]
Figura 9.33 Tensiuni tangențiale maxime: S-70-3-30(i, ii, numeric) și S-70-3-330(i, ii, numeric) , [MPa]
Figura 9.34 Tensiuni tangențiale maxime: S-100-1-30(i, ii, numeric) și S-100-1-330(i, ii, numeric),[MPa]
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
99
Figura 9.35 Tensiuni tangențiale maxime: S-100-2-30(i, ii, numeric) și S-100-2-330(i, ii, numeric),[MPa]
Figura 9.36 Tensiuni tangențiale maxime: S-100-3-30(i, numeric) și S-100-3-330(i, ii, numeric), [MPa]
Figura 9.37 Tensiuni tangențiale maxime: S-150-2-30(i, ii, numeric), [MPa]
Figura 9.38 Tensiuni tangențiale maxime: T-100-1-30(i, ii, numeric) și T-100-1-330(i, numeric), [MPa]
Figura 9.39 Tensiuni tangențiale maxime: T-100-2-30(i, numeric) și T-100-2-330(i, numeric), [MPa]
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
100
9.3 Concluzii
Valorile deplasărilor maxime înregistrate pe parcursul încercărilor experimentale au fost
comparate cu cele obținute pe baza analizelor numerice. Din analiza graficelor se observă că
valorile deplasărilor maxime determinate prin cele două metode sunt apropiate, dar alura curbelor
diferă. Astfel, analiza numerică liniară nu surprinde aspecte importante, determinate pe cale
experimentală, cum ar fi: gradul de mobilizare al lungimilor de conlucrare, variațiile date de
diferențele de rigiditate ale adezivilor și posibile cedări locale.
Conform analizei comparative a distribuțiilor deformațiilor specifice pe lungimea de
conlucrare, pentru diferite trepte de încărcare, se observă că, atât alura cât și valorile maxime ale
curbelor trasate cu ajutorul analizelor numerice sunt similare celor obținute pentru curbele
determinate pe cale experimentală. De asemenea, se observă că, pentru ambele tipuri de îmbinări,
distribuțiile deformațiilor specifice sunt grupate și nu variază în raport cu grosimea stratului de
adeziv, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării.
Pe baza valorilor tensiunilor tangențiale maxime, determinate pe cale experimentală și pe
baza analizelor numerice, s-au trasat graficele comparative prezentate. Prin studiul acestor grafice
se poate observa că ambele metode de analiză au oferit rezultate comparabile ca ordin de mărime.
Prin intermediul modelării și analizei numerice, s-a observat că distribuțiile tensiunilor
normale prezintă un caracter izolat, cu concentrări în treimea superioară a ariei de conlucrare.
Valorile maxime corespund extremităților stratului de adeziv și sunt cu mult reduse, comparativ
cu cele ale tensiunilor tangențiale (aproximativ 10 – 20 % τultim). Astfel, considerând aceste
aspecte, distribuțiile tensiunilor normale, determinate pe baza analizei numerice, nu sunt
prezentate în acest capitol.
Prin compararea rezultatelor obținute pe cale experimentală cu cele determinate pe baza
analizelor numerice, s-a constat o corelație satisfăcătoare pentru toți parametrii analizați (tensiuni
tangențiale, deformații specifice, deplasări totale). Astfel, se poate concluziona că studiile
microscopice și experimentale efectuate în vederea caracterizării regiunilor de interfață dintre
profilele CPAFS și adezivi, au oferit rezultate cu precizie ridicată și cu grad mare de aplicabilitate
în cazul analizelor numerice din prezentul capitol.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
101
Capitolul 10
CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI
VALORIFICAREA REZULTATELOR
10.1 Concluzii generale
❖ În ultimele decenii s-a dezvoltat un spectru larg de aplicații ale materialelor compozite
polimerice armate cu fibre (CPAF) în domeniul ingineriei civile. În marea lor majoritate, aceste
aplicații constau în diferite sisteme de consolidare a elementelor structurale bazate pe utilizarea
unor materiale și produse compozite cu proprietăți fizice și mecanice superioare materialelor
clasice, armarea elementelor din beton armat exploatate în medii corozive și realizarea unor
structuri integral compozite cu neutralitate magnetică.
❖ Ca urmare a rezultatelor obținute în numeroase programe de cercetare - dezvoltare s-a extins
aplicabilitatea materialelor compozite pentru fabricarea unor noi elemente structurale pentru
construcții. Astfel, atenția a fost captată de produsele pultrudate din CPAF, ca urmare a
proprietăților deosebite pe care acestea le posedă (raport redus rezistență – greutate, rezistență
ridicată la coroziune, transparență electromagnetică, ș.a.). Cu toate acestea, utilizarea
materialelor compozite pultrudate în aplicațiile structurale este încă limitată de lipsa unor
normative naționale și internaționale, care să asigure un set de modele analitice accesibile și
general acceptate spre a fi utilizate în faza de proiectare.
❖ Ca urmare a restricțiilor dimensionale impuse de procesul de producție și transport, îmbinarea
elementelor structurale din CPAF este inevitabilă. Cele mai uzuale metode de îmbinare includ:
îmbinarea mecanică, îmbinarea adezivă, precum și îmbinarea hibridă ce constituie o combinație
realizată între cele două metode precedente. În cazul îmbinărilor mecanice, modelele teoretice
de calcul și metodele de fabricare au fost extrapolate cu succes din sectorul structurilor metalice.
Dezavantajul principal al îmbinărilor mecanice constă în practicarea găurilor la nivelul
aderenților. Astfel, se întrerupe traseul armăturilor, rezultând o diminuare considerabilă a
rezistențelor mecanice ale elementelor. De asemenea, în regiunea adiacentă găurilor pot apărea
degradări locale ale suprafețelor elementelor CPAF și se pot dezvolta concentratori de tensiuni.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
102
Aceste aspecte nefavorabile pot fi eliminate prin adoptarea metodelor adezive de îmbinare ce
permit o distribuție uniformă a tensiunilor, cu intervenții minime asupra zonelor de conlucrare.
❖ Studiile analitice, numerice și experimentale efectuate până în prezent în domeniul îmbinărilor
adezive au urmărit stabilirea unor seturi de parametri constructivi, utilizarea eficientă a
tratamentelor specifice de suprafață și dezvoltarea unor tipologii de îmbinări în care adezivul
lucrează predominant la forfecare. Cu toate acestea, nu s-a reușit fundamentarea exhaustivă a
tuturor aspectelor legate de particularitățile modurilor de cedare în funcție de caracteristicile
constructive ale îmbinărilor.
❖ În ansamblu, un material compozit este obținut prin asocierea a două sau mai multe materiale
componente cu structuri chimice distincte și interfață de separare clară; materialul rezultat are
proprietăți ce nu pot fi asigurate de oricare din elementele componente în mod individual. În
domeniul ingineriei civile se utilizează, de regulă, materiale compozite cu matrice polimerică
și armături dispuse continuu sau discontinuu, uni sau multidirecțional. Aceste materiale au
costuri de fabricare convenabile și pot fi realizate într-o gamă variată de forme pentru a
îndeplini cerințele impuse de utilizatori. Utilitatea materialelor CPAF în cadrul aplicațiilor
structurale din domeniul ingineriei civile este justificată de multitudinea avantajelor pe care
acestea le întrunesc, cum ar fi:
• Rezistență specifică ridicată;
• Posibilitatea dirijării proprietăților prin controlul anizotropiei;
• Rezistență la oboseală ridicată;
• Rezistență la coroziune foarte bună în multe situații de exploatare;
• Stabilitate dimensională
• Ușurință la manipulare și montaj;
• Execuție rapidă.
❖ Îmbinarea cu adezivi a elementelor CPAF se bazează pe adeziunea dintre un solid (aderentul)
și un lichid (adezivul) și se poate explica prin apariția și dezvoltarea fenomenului de aderență
ce se manifestă la nivel molecular. Acest fenomen înglobează totalitatea mecanismelor de
legătură care generează contactul și cuplarea atomilor de suprafață ai elementelor constituente
ale îmbinării.
❖ În cazul aplicațiilor structurale, paleta de adezivi existenți pe piața construcțiilor este una extrem
de variată. Deși majoritatea produselor pot fi grupate după un număr restrâns de tipuri de
substanțe active, iar diferențele dintre diferite mărci țin de cele mai multe ori doar de materialele
de umplutură și de aditivii introduși în rețetă, selectarea unui adeziv poate prezenta un grad
ridicat de dificultate. Alegerea unui adeziv trebuie să urmărească identificarea și satisfacerea
următoarelor aspecte cu rol definitoriu asupra performanțelor structurale ale îmbinărilor:
• Structură și compatibilitate la nivelul compușilor chimici;
• Proces de fabricație;
• Condiții de uscare și maturare;
• Compatibilitate cu metodele de tratament de suprafață ale aderenților;
• Condiții de exploatare în raport cu mediul înconjurător;
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
103
• Metodologia de proiectare și realizare a îmbinării;
• Cerințe de transport, depozitare, operabilitate și manevrabilitate;
• Controlul calității;
• Metode experimentale de evaluare a proprietăților mecanice;
• Cerințe de ordin estetic;
• Condiții de reciclare.
❖ Maximizarea forțelor de adeziune dintre elementele CPAF și adezivi reprezintă un proces
complex, ce presupune patru etape principale: selectarea unor materiale compatibile, care să
asigure criteriile de performanță impuse; studiul caracteristicilor de suprafață a elementelor
CPAF în vederea identificării metodei optime de tratament; prelucrarea și tratarea suprafețelor
și crearea condițiilor optime pentru întărirea (maturarea) adezivului.
❖ Performanța mecanică a unei îmbinări este stabilită, de cele mai multe ori, doar prin prisma
proprietăților mecanice ale adezivului, fără a se lua în considerare intensitatea legăturilor fizice,
mecanice și chimice ce se dezvoltă la nivelul interfețelor dintre adezivi și elementele CPAF. Ca
urmare a acestui mod de tratare unilateral, comportarea neadecvată și, de cele mai multe ori,
cedarea prematură a îmbinărilor adezive nu pot fi evitate. Mecanismele și teoriile de aderență
au fost analizate în cadrul capitolului 5, în raport cu posibilitățile de tratare a suprafețelor, în
vederea creșterii în intensitate a forțelor de adeziune.
❖ Selectarea unor soluții optime de tratament de suprafață a aderenților, pentru îmbunătățirea
mecanismelor de legătură ce se dezvoltă la nivelul interfeței, reprezintă o etapă critică în
proiectarea unei îmbinări adezive pentru elemente CPAF. Această selecție presupune o
cunoaștere în detaliu a caracteristicilor suprafețelor suport și a influenței pe care acestea le au
asupra tipului și intensității legăturilor de adeziune. În vederea descrierii caracteristicilor de
suprafață ale unora dintre cele mai utilizate elementelor CPAF, s-a realizat un studiu
microscopic pe 6 epruvete diferite.
❖ Rezultatele obținute în urma studiilor microscopice și grafice prezentate în capitolul 5, au oferit
date utilizate atât în studiile numerice privind optimizarea configurațiilor îmbinărilor adezive
(Capitolul 6), cât și pentru stabilirea unor metode optime de tratare a elementelor CPAF utilizate
în cadrul programului experimental (Capitolele 7 și 8). Astfel, pornind de la rugozitatea medie
și porozitatea determinată în cadrul acestor studii, s-au aplicat diferite metode de tratare
mecanică a suprafețelor până la atingerea unor caracteristici optime pentru dezvoltarea
fenomenului de adeziune. De asemenea, valoarea rugozității medii a profilelor Fiberline a fost
atribuită factorului de penetrare a adezivului, pentru analiza numerică cu element finit a
îmbinărilor.
❖ Utilizarea eficientă a elementelor structurale CPAF este condiționată și de selectarea corectă a
tipului de îmbinare adezivă. Îmbinările de rezistență ale elementelor CPAF asigură transferul
tensiunilor de la un element la altul sau la o parte a structurii. Se consideră că o îmbinare
lucrează eficient dacă preia o fracțiune cât mai mare din efortul capabil al elementului îmbinat.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
104
Analiza stării de tensiuni pentru diferite configurații ale îmbinărilor adezive se poate realiza și
pe cale analitică sau cu programe de analiză numerică bazate pe metoda elementului finit.
❖ Studiile efectuate în vederea elaborării unor modele analitice de calcul a îmbinărilor adezive
pentru elemente pultrudate din CPAFS prezintă un fundament comun deoarece, se bazează pe
extrapolarea modelelor teoretice dezvoltate pentru interfețe compozit – material tradițional
(beton, lemn, oțel, zidărie, ș.a.), prin utilizarea rezultatelor unor programe experimentale
proprii. Din punct de vedere cronologic, se observă că modelele teoretice pentru interfețele
compozit – compozit, s-au perfecționat în timp, astfel că, pentru anumite configurații, este
posibilă evaluarea tuturor componentelor stării de tensiuni și deformații specifice prin
intermediul unui singur model analitic. Cu toate acestea, nu există încă un model analitic care
să acopere toată paleta de produse CPAF și adezivi și cu ajutorul căruia să se poată evalua
răspunsul structural complet.
❖ Pe baza modelelor analitice propuse până în prezent, se poate concluziona că parametrii
specifici îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF sunt: lungimea de
conlucrare, tensiunile tangențiale și normale, deformațiile specifice în stratul de adeziv,
lunecarea și forța ultimă. Pentru verificarea preciziei modelelor analitice în evaluarea acestor
parametri, s-a efectuat un studiu comparativ cu modelele numerice (secțiunea 6.7). Pe baza
acestui studiu, se pot face următoarele aprecieri:
• Spre deosebire de modelele analitice de calcul, analizele numerice permit modelarea și
evaluarea unui număr de parametri auxiliari cum ar fi: adâncimea de penetrare a adezivului,
rugozitatea medie și gradul de porozitate a elementului CPAF, caracteristici geometrice
particulare (canelură și șanfrenare), ș.a.;
• Pentru modelele analizate, rezultatele obținute pe baza modelării numerice sunt cu până la
30 % mai mari comparativ cu cele obținute prin aplicarea modelului teoretic Goland -
Reisner, respectiv a modelului teoretic dezvoltat în concordanță cu standardul ASTM
D3165. În această categorie sunt incluse tensiunile tangențiale, de cojire și von Misses;
• Spre deosebire de modelele analitice dezvoltate pentru îmbinările prin suprapunere simplă
și dublă (Volkersen, Hart–Smith, Goland - Reisner), modelul teoretic bazat pe specificațiile
standardului ASTM D3165 permite evaluarea răspunsului structural complet a îmbinărilor
adezive cu aderenți rigizi;
• În marea lor majoritate, modelele analitice sunt dezvoltate considerând că îmbinările adezive
dezvoltă un singur mecanism specific de cedare, de tip coeziv.
❖ Una din cele mai utilizate configurații în cazul îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate
din CPAF este cea prin suprapunere simplă. În vederea optimizării răspunsului structural al
acestor tipuri de îmbinări (prin reducerea concentratorilor de tensiuni), se pot prelucra și fasona
extremitățile stratului de adeziv la diferite unghiuri sau curburi (fațete oblice sau convexe). În
cadrul studiului prezentat în secțiunea 6.8 au fost analizate configurații geometrice obținute prin
introducerea a 3 caneluri diferite (15°, 30° și 45°). Prin compararea rezultatelor obținute pentru
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
105
aceste modele cu cele determinate pentru configurația de referință (îmbinarea prin suprapunere
simplă cu unghiul de intrare de 90°), se pot formula următoarele concluzii:
• Fasonarea muchiilor adezivului prin introducerea canelurilor duce la o diminuare a valorilor
ultime ale tensiunilor tangențiale cu 3% pentru unghiul de intrare de 45°, 15% pentru unghiul
de intrare de 30°, respectiv 20% pentru unghiul de intrare de 15°;
• Procentul de diminuare a valorilor ultime a tensiunilor normale este unul redus. S-au
înregistrat diminuări ale tensiunilor normale de 4,3%, respectiv 5% pentru modelele SP30 și
SP45;
• În cazul modelului SP15, se observă o schimbare în alura graficului, valorile ultime ale
tensiunilor normale fiind situate în vecinătatea zonei de capăt a lungimii de conlucrare.
Reducerea procentuală a acestora este de aproximativ 6,5%.
❖ Domeniul îmbinărilor adezive cu rol structural pentru elemente compozite polimerice se află
într-un stadiu de pionierat, rezultatele și concluziile deduse de specialiști până în momentul
actual fiind divergente și neunitare. Acest fapt se datorează în principal numărului insuficient
de programe experimentale desfășurate, ce nu poate acoperi în întregime paleta de materiale și
elemente compozite polimerice existente pe piața construcțiilor.
❖ În cadrul programelor experimentale se pot obține datele necesare proiectării îmbinărilor
adezive, se pot stabili parametrii procesului de control al calității, se pot valida materialele și,
nu în ultimul rând, se poate cuantifica impactul materialelor asupra mediului. În general, scopul
principal al unui program experimental privind eficiența îmbinărilor adezive pentru elemente
compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) este acela de a descrie răspunsul structural
(deplasări, deformații, tensiuni, etc), în raport cu modurile de cedare caracteristice îmbinării.
Acești parametri pot fi obținuți pentru elementele componente ale sistemului (adezivi și
aderenți) sau pentru întreg sistemul (diferite tipuri de materiale CPAF încleiate cu adezivi).
❖ Mecanismul caracteristic de cedare a îmbinărilor adezive pentru elemente CPAF solicitate la
tracțiune longitudinală reprezintă un factor determinant în evaluarea performanțelor structurale
ale acestor sisteme. Deși modurile de cedare specifice au fost analizate de diferite echipe de
cercetare, atât pe baza analizelor numerice ce urmăresc evoluția degradărilor (de tip damage
modelling), cât și în cadrul programelor experimentale, nu s-a reușit acoperirea pe deplin a
spectrului de materiale compozite și adezivi utilizate în aplicațiile inginerești. Selectarea
incorectă a modului de cedare specific constituie o eroare des întâlnită, cu consecințe asupra
întregului proces de realizare a îmbinării, cum ar fi:
• Selectarea incorectă a modelului analitic în faza de proiectare;
• Modelarea incorectă a interfețelor adeziv – aderenți în cadrul analizelor numerice cu EF;
• Incapacitatea de remediere a defectelor apărute în cadrul procesului de fabricare;
• Utilizarea unor metode de testare necorespunzătoare în cadrul programelor experimentale;
• Atribuirea unor certificate de calitate necorespunzătoare pentru îmbinările realizate în mediu
controlat.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
106
❖ Pe baza rezultatelor obținute în cadrul unor programe experimentale anterioare, s-a dedus că
cedarea unei îmbinări adezive poate surveni prin:
• Desprinderea la interfața element compozit – adeziv;
• Delaminarea lamelei compozite;
• Ruperea lamelei compozite;
• Prin ruperea adezivului (coezivă).
❖ Pe baza aspectelor menționate anterior, s-a elaborat un programul experimental extins, ce a avut
ca prim obiectiv identificarea și descrierea caracteristicilor ce definesc conlucrarea dintre
elementele CPAF îmbinate cu adezivi. Astfel, proiectarea etapelor programului a urmărit
realizarea unei corelări între rezultatele existente în literatură și cele obținute pe baza testelor
realizate. În acest mod, s-au creat premisele elaborării unui set de principii de proiectare cu grad
sporit de aplicabilitate. Totodată, în urma programului experimental au fost identificate
tehnicile și metodele optime de realizare a îmbinărilor adezive.
Principalele obiective atinse în cadrul programului experimental sunt:
• Investigarea mecanismului de cedare specific în cazul îmbinărilor adezive pentru elementele
CPAF, solicitate la tracțiune longitudinală;
• Analiza variațiilor parametrilor specifici conlucrării (forțe capabile, tensiuni, deformații
specifice, deplasări) în funcție de tipul îmbinării, de lungimea de conlucrare, de grosimea
stratului de adeziv și de tipul adezivului;
• Identificarea metodelor de tratare și pregătire a suprafețelor elementelor CPAF în vederea
optimizării caracteristicilor de conlucrare;
• Realizarea unui studiu comparativ între rezultatele obținute pe baza analizei numerice, a
celor furnizate pe baza programului experimental și a celor rezultate ca urmare a studiilor
analitice, numerice și experimentale efectuate de alte echipe de cercetare;
• Dezvoltarea unor metodologii standardizate de realizare și testare a îmbinărilor adezive
practicate exclusiv elementelor CPAF.
❖ Epruvetele care au făcut obiectul programului experimental au fost realizate utilizând profile
compozite plate armate cu fibre de sticlă și două tipuri de adezivi cu proprietăți mecanice
diferite. Criteriile care au stat la baza selectării profilelor compozite plate Fiberline au vizat
abordarea unor elemente structurale cu un spectru larg de aplicabilitate datorat în principal
rezistențelor mecanice superioare. Pentru îmbinarea profilelor s-au utilizat adezivi
bicomponenți, tixotropici și fără solvenți, bazați pe o combinație de rășini epoxidice și materiale
speciale de umplutură. Principalul parametru de diferențiere dintre cei doi adezivi (Sikadur 30
și Sikadur 330) este dat de modulul de elasticitate, de aproximativ trei ori mai mare în cazul
celui de-al doilea.
❖ Tehnologia de pregătire a suprafețelor profilelor Fiberline a fost selectată în urma analizei
microscopice a probelor tratate prin diferite metode. În acest sens au fost pregătite probe tratate
prin șlefuire mecanică (prin translare sau rotire a periilor), șlefuire manuală (cu benzi abrazive
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
107
de granulație 100, 200 și 300) și combinații de șlefuiri mecanice și manuale. În cadrul studiului
microscopic prezentat în capitolul 7, s-au urmărit variațiile a patru parametri definitorii pentru
caracterizarea mecanismului de conlucrare mecanică dintre aderenți și adeziv, și anume:
dimensiunea micro-fisurilor prezente la suprafață, porozitatea, omogenitatea suprafeței și
rugozitatea. Analiza microscopică a fost efectuată utilizând un microscop inversat XJP-6A
dotat cu cameră foto DV-2C, iar procesarea imaginilor captate a fost realizată utilizând
programul de analiză grafică Material Plus Image Software. În urma rezultatelor obținute pe
baza studiului microscopic și grafic s-a selectat metoda bazată pe combinații între șlefuirea
mecanică și șlefuirea manuală. De asemenea, s-au stabilit tipul și parametrii definitorii ai
suprafeței de contact dintre elementele sistemului, utilizați în cadrul analizelor numerice.
Suprafața de contact selectată este de tip bonded contact with pure penalty formulation fiind
definită de 2 parametri caracteristici, numărul punctelor de contact (ales în funcție de
porozitatea probei în câmpul principal de prelucrare) și factorul de penetrare al adezivului.
❖ Capitolul 8 a avut ca obiectiv principal prezentarea rezultatelor programului experimental,
raportate la parametrii ce caracterizează fenomenul de conlucrare dintre elementele compozite
pultrudate îmbinate adeziv.
❖ Toate cele 30 de epruvete ce au făcut obiectul programului experimental au fost solicitate la
forfecare, până la cedare, prin aplicarea forțelor de tracțiune la nivelul elementelor CPAFS.
Forțele capabile ultime au fost utilizate atât ca parametri de analiză a răspunsului structural al
îmbinărilor, cât și ca date de intrare pentru analiza numerică pe baza metodei elementului finit,
ce este prezentată în cadrul capitolului 9.
❖ Rezultatele obținute pe cale experimentală (distribuțiile forțelor capabile, deplasărilor și
deformațiilor specifice) nu au fost comparate cu valori calculate prin intermediul modelelor
teoretice, datorită incompatibilității dintre modurile de cedare dezvoltate de către epruvete și
cele presupuse de modelele analitice de calcul. Modelele teoretice dezvoltate pentru îmbinările
adezive dintre elemente CPAF presupun dezvoltarea unui mecanism de cedare dominant de tip
coeziv, progresiv, aspect infirmat de modul de cedare dominant înregistrat în cadrul
programului experimental (cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor).
❖ Pe baza analizei mecanismelor de cedare ale epruvetelor, s-a observat că acestea corespund cu
tipologii regăsite în cadrul altor lucrări de specialitate. Deși 13 epruvete au dezvoltat un cumul
de moduri de cedare, modul dominant, ce constă în desprinderea și ruperea fibrelor, este comun
tuturor epruvetelor. Modurile subsidiare de cedare (desprinderi la nivelul interfețelor și cedarea
de tip coeziv) au avut în totalitatea cazurilor, un caracter local, izolat. Fiecare mecanism de
cedare a fost caracterizat pe baza analizei microscopice și grafice, concluzionându-se că
principala preocupare în dezvoltarea acestor tipuri de îmbinări constă în dirijarea cedării la
nivelul stratului de adeziv pentru utilizarea deplină a proprietăților mecanice ale acestuia.
❖ În urma trasării curbelor încărcare – deplasare, s-a observat că toate epruvetele sunt
caracterizate de un comportament liniar, cu schimbări minore de pantă pe parcursul aplicării
încărcării, înregistrate în general după atingerea pragului de 50 % din forța ultimă. Forța de
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
108
tracțiune maximă (60 kN) a fost obținută pentru îmbinările de tip SLJ cu lungimea de conlucrare
de 150 mm. Îmbinările de tip TAJ au înregistrat forțe capabile ultime cuprinse în intervalul 40
– 45 kN. De asemenea, ca urmare a comportamentului liniar – elastic, s-a constat o creștere a
deplasărilor în raport cu lungimea de conlucrare.
❖ Analizând distribuțiile tensiunilor tangențiale, s-a observat o creștere aproape liniară în raport
cu deformațiile specifice, precum și o alură comună a curbelor pentru cele două tipologii de
epruvete (SLJ și TAJ). Concluzia principală ce derivă din investigarea acestor grafice este că
nu prezintă variații ale pantei și ale valorilor ultime (tensiuni tangențiale și deformații specifice),
pentru epruvetele cu caracteristici geometrice identice, dar realizate cu tipuri și grosimi diferite
de adezivi. Această deducție validează particularitățile mecanismului de cedare dominant
(cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor) și este general valabilă pentru toți parametrii
investigați în cadrul programului experimental (forțe ultime, deformații specifice, tensiuni
tangențiale, deplasări), raportați la grosimea și tipul adezivului.
❖ În urma trasării curbelor de distribuție a deformațiilor specifice, în lungul zonei de conlucrare,
la diferite trepte de încărcare, s-a observat că valorile obținute pentru epruvetele realizate cu
adezivul Sikadur 30 sunt mai mici comparativ cu cele înregistrate în cazul epruvetelor realizate
cu adezivul Sikadur 330. Aceste diferențe au fost înregistrate, cu precădere, în cazul epruvetelor
ce au dezvoltat moduri de cedare combinate, incluzând cedarea de tip coeziv și pot fi justificate
de diferențele dintre rezistențele mecanice și modulii de elasticitate ale celor două tipuri de
adezivi. De asemenea, pentru ambele tipuri de îmbinări, distribuțiile deformațiilor specifice
sunt grupate, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării. Acest aspect este
demonstrat și de alura curbelor tensiuni tangențiale – lunecare. Astfel, în urma trasării
graficelor, s-a constatat că pentru toate cele 30 de epruvete, alura este liniară, fiind caracterizată
de un singur palier ascendent.
❖ Corelând datele obținute pe baza programului experimental cu indicațiile prezentate în
propunerea de normativ Prospect for new guidance in the design of FRP, elaborată în cadrul
Comisiei Europene, se pot formula următoarele concluzii:
• Efectuarea unui tratament de suprafață corespunzător duce la creșterea performanțelor
structurale a îmbinărilor adezive pentru elemente CPAF;
• Tratamentul de suprafață nu poate asigura transmiterea tensiunilor către straturile cu rol
structural ale elementelor pultrudate CPAF. În acest sens, se recomandă selectarea unei
soluții hibride de îmbinare (îmbinări cu șuruburi sau nituri și adeziv) sau utilizarea mai
multor tipuri de adezivi cu proprietăți elastice diferite, dispuși pe aceeași arie de conlucrare;
• Îmbinările cu configurații geometrice favorabile (de ex. TAJ) pot dezvolta forțe capabile
ultime superioare în raport cu îmbinările de tip SLJ cu grosimi și lungimi identice ale
stratului de adeziv;
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
109
• Grosimea stratului de adeziv nu influențează în mod direct valorile ultime ale forțelor
capabile, tensiunilor tangențiale, deformațiilor specifice și deplasărilor, excepție fac
îmbinările ce dezvoltă modul de cedare dominant, de tip coeziv, progresiv;
• Îmbinările adezive dintre elemente CPAF sunt în proces de a fi acceptate ca îmbinări cu rol
structural și implicit introduse în suita de standarde Eurocode, însă selecția lor este
condiționată de realizarea unor programe experimentale extinse. Aceste programe au ca rol
principal caracterizarea fenomenului de conlucrare și obținerea unor date privind parametrii
definitorii, cu grad mare de aplicabilitate în faza de proiectare.
❖ Analiza numerică a epruvetelor ce au făcut obiectul programului experimental, descris în cadrul
capitolelor 7 și 8, a fost realizată utilizând programul de calcul cu element finit Ansys
Workbench (ANSYS Workbench user’s guide, 2009).
❖ Primul parametru de conlucrare, investigat în cadrul analizelor numerice a fost deplasarea
maximă a epruvetelor. Valorile deplasărilor maxime înregistrate pe parcursul încercărilor
experimentale au fost comparate cu cele obținute pe baza analizelor numerice. Din analiza
graficelor s-a observat că valorile deplasărilor maxime determinate prin cele două metode sunt
apropiate, dar alura curbelor diferă. Astfel, analiza numerică liniară nu surprinde aspecte
importante, determinate pe cale experimentală, cum ar fi: gradul de mobilizare al lungimilor de
conlucrare, variațiile date de diferențele de rigiditate ale adezivilor și posibile cedări locale.
❖ Conform analizei comparative a distribuțiilor deformațiilor specifice pe lungimea de
conlucrare, pentru diferite trepte de încărcare, se observă că, atât alura cât și valorile maxime
ale curbelor trasate cu ajutorul analizelor numerice sunt similare celor obținute pentru curbele
determinate pe cale experimentală. De asemenea, se observă că, pentru ambele tipuri de
îmbinări, distribuțiile deformațiilor specifice sunt grupate și nu variază în raport cu grosimea
stratului de adeziv, demonstrând astfel lipsa caracterului progresiv al cedării. Astfel, concluziile
formulate pe baza rezultatelor experimentale sunt validate și de rezultatele numerice prezentate
în capitolul 9.
❖ Pe baza valorilor tensiunilor tangențiale maxime, determinate pe cale experimentală și pe baza
analizelor numerice, s-au trasat graficele comparative prezentate. Prin studiul acestor grafice se
poate observa că ambele metode de analiză au oferit rezultate comparabile ca ordin de mărime.
Excepție fac epruvetele S-100-1-30 (i) și (ii), în cazul cărora valorile maxime diferă cu
aproximativ 50%. Acest aspect sugerează că epruveta S-100-1-30 (i) a cedat prematur, posibil
ca urmare a centrării defectuoase în bacurile mașinii de testare.
❖ Prin compararea rezultatelor obținute pe cale experimentală cu cele determinate pe baza
analizelor numerice, s-a constat o corelație satisfăcătoare pentru toți parametrii analizați
(tensiuni tangențiale, deformații specifice, deplasări totale). Astfel, se poate concluziona că
studiile microscopice și experimentale efectuate în vederea caracterizării regiunilor de interfață
dintre profilele CPAFS și adezivi, au oferit rezultate cu precizie ridicată și cu grad mare de
aplicabilitate în cazul analizelor numerice prezentate în capitolul 9.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
110
10.2 Contribuții personale
Pe baza concluziilor prezentate, se pot sintetiza următoarele contribuții personale, în raport
cu domeniul studiat:
❖ Elaborarea unui studiu de sinteză structurat pe două paliere care să prezinte principalele
construcții cu elemente compozite ce au implementate îmbinări adezive și să descrie succint
rezultatele relevante promovate de diverse echipe de cercetare, implicate în caracterizarea
răspunsului structural al îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF.
❖ Descrierea tipurilor de materiale și produse utilizate la fabricarea elementelor compozite cu rol
structural;
❖ Identificarea și clasificarea adezivilor structurali utilizați la realizarea îmbinărilor pentru
elemente pultrudate din CPAF;
❖ Identificarea teoriilor de aderență utilizate la evaluarea mecanismelor de legătură specifice
îmbinărilor adezive pentru elemente CPAF și stabilirea premiselor obținerii unor îmbinări
performante în raport cu acestea;
❖ Caracterizarea prin studii microscopice a suprafețelor straturilor suport pentru unele din cele
mai utilizate produse CPAF și selectarea soluțiilor optime de tratament, în vederea îmbunătățirii
conlucrării;
❖ Sintetizarea principalelor modele analitice și numerice de evaluare a parametrilor de conlucrare
dintre elemente CPAF și adezivi și efectuarea unor studii comparative prin aplicarea acestora
la tipologiile de îmbinări realizate prin suprapunere simplă și la cele cu aderenți rigizi;
❖ Identificarea metodelor de optimizare a parametrilor constructivi pentru îmbinările adezive și
testarea eficienței acestora prin modelări și analize numerice;
❖ Identificarea metodologiilor de investigare experimentală a performanțelor structurale ale
îmbinărilor adezive;
❖ Conceperea și elaborarea unui program experimental ce a avut ca obiectiv principal
identificarea și descrierea caracteristicilor ce definesc conlucrarea dintre elementele CPAF
îmbinate cu adezivi. În cadrul studiilor experimentale, se pot distinge următoarele activități
specifice și contribuții:
• Proiectarea unor configurații variate de epruvete ce au constat în două tipologii de îmbinare
(îmbinarea prin simplă suprapunere și îmbinarea cu aderenți rigizi), pentru care s-au utilizat
două tipuri distincte de adezivi structurali epoxidici, aplicați pe 3 lungimi de conlucrare (70,
100, 150 mm), respectiv pe 3 grosimi diferite (1, 2, 3 mm).
• Identificarea metodelor de tratare și pregătire a suprafețelor elementelor CPAF în vederea
optimizării caracteristicilor de conlucrare;
• Proiectarea unor dispozitive pentru eficientizarea procesului de aplicare a adezivilor;
• Conceperea și realizarea etapelor de pregătire a epruvetelor;
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
111
• Instrumentarea probelor și stabilirea parametrilor de testare;
• Investigarea mecanismelor de cedare specifice în cazul îmbinărilor adezive pentru
elementele CPAF, solicitate la tracțiune longitudinală;
• Identificarea efectelor ce derivă din tratarea suprafețelor elementelor CPAF, în raport cu
parametrii de conlucrare;
• Analiza variațiilor parametrilor specifici conlucrării (forțe capabile, tensiuni, deformații
specifice, deplasări), în funcție de tipul îmbinării, de lungimea de conlucrare, de grosimea
stratului de adeziv și de tipul adezivului;
❖ Realizarea unor analize numerice pe baza metodei cu element finit, cu scopul de a verifica și
valida rezultatele obținute pe cale experimentală;
❖ Realizarea unui studiu comparativ între rezultatele obținute pe baza analizei numerice, a celor
furnizate pe baza programului experimental și a celor rezultate ca urmare a studiilor analitice,
numerice și experimentale efectuate de alte echipe de cercetare;
❖ Identificarea celor mai reprezentative lucrări de specialitate, din domeniul îmbinărilor adezive
pentru elemente pultrudate din CPAF, prin prezentarea listei bibliografice.
10.3 Valorificarea rezultatelor
Pe parcursul programului doctoral, activitatea de cercetare desfășurată s-a valorificat în
următoarele moduri:
❖ Participarea, în calitate de membru, la activitatea de cercetare desfășurată în cadrul unui
proiect internațional:
✓ FP7-ENV-2013-603722-ANAGENNISI „Innovative Reuse of All Tyre
Components in Concrete”
❖ Participare la elaborarea unor materiale didactice la disciplinele de materiale și structuri
compozite din cadrul Facultății de Construcții și Instalații Iași
❖ Publicarea, în calitate de autor sau coautor, a unui număr de 30 de lucrări științifice, astfel:
Lucrări publicate în reviste cotate ISI cu factor de impact (4):
1. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Isopescu DN, Oprișan G, Mihai P (2018)
Experimental and numerical investigation of adhesively bonded single lap and thick
adherents joints between pultruded GFRP composite profiles. Composites Part B:
Engineering, 146:49-59.
2. Ungureanu D, Țăranu N, Isopescu DN, Lupășteanu V, Mihai P, Hudișteanu I (2017)
Analytical and numerical study of adhesively bonded composite pultruded elements.
Romanian Journal of Materials, 47(4):522-531.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
112
3. Hudișteanu I, Țăranu N, Isopescu DN, Bejan L, Axinte A, Ungureanu D (2017) Improving
the mechanical properties of composite laminates through the suitable selection of the
corresponding materials and configurations. Romanian Journal of Materials, 47(2):252-
266.
4. Lupășteanu V, Țăranu N, Mihai P, Oprișan G, Lupășteanu R, Ungureanu D (2016),
Behaviour of CFRP-to-steel interfaces in adhesively bonded joints. Romanian Journal of
Materials, 46(4):512-522.
Lucrări în curs de publicare în reviste/volume ISI Proceedings (4):
1. Țăranu N, Ungureanu D, Lupășteanu V, Scutaru MC, Maxineasa SG (2018) Experimental
and numerical studies of the shear structural response of adhesively bonded single lap
joints between GFRP composite profiles. 18 International Multidisciplinary Scientific
GeoConference SGEM 2018 (lucrare acceptată spre publicare)
2. Ungureanu D, Țăranu N, Isopescu DN, Lupășteanu V, Scutaru MC, Hudișteanu I (2018),
Failure particularities of adhesively bonded joints between pultruded GFRP composite
profiles. IOP conference series materials science and engineering, 400:1-14 (lucrare în curs
de indexare).
3. Hudișteanu I, Țăranu N, Isopescu DN, Ențuc IS, Oprișan G, Ungureanu D (2018)
Numerical analysis of interlaminar damage evolution on various composite laminates. IOP
conference series materials science and engineering, 400:1-13 (lucrare în curs de indexare).
4. Scutaru MC, Țăranu N, Comisu CC, Boacă G, Ungureanu D (2018) Case study regarding
the dynamic compensation of steel-concrete bridge hybrid structures. IOP conference
series materials science and engineering, 400:1-9 (lucrare în curs de indexare).
Lucrări publicate în reviste indexate BDI incluse în baze de date internaționale (14):
1. Lupășteanu V, Țăranu N, Ungureanu D (2018) Failure particularities of adhesively
bonded joints between steel and carbon fibre reinforced polymers composite elements.
Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 64(68)(1):63-72.
2. Ghiga DA, Țăranu N, Ențuc IS, Ungureanu D, Scutaru MC (2018) Modern strengthening
techniques for masonry structures. Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 64(68)(2):41-
58.
3. Scutaru MC, Țăranu N, Comisu CC, Boacă G, Ungureanu D, Ghiga DA (2018) Sensors
for bridge structural health monitoring. Buletinul Institutului Politehnic din Iași. Lucrare
acceptată spre publicare.
4. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Mihai P (2017) Shear structural response of
double lap joints for composite pultruded elements. Buletinul Institutului Politehnic din
Iași, 63(67)(1):9-19.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
113
5. Ungureanu D, Țăranu N, Hudișteanu I, Florența I, Lupășteanu V (2017) Shear structural
response of adhesively joints for FRP composites. Advanced Engineering Forum, 21:280-
285.
6. Hudișteanu I, Țăranu N, Bejan L, Oprișan G, Ungureanu D (2017) Progressive failure
envelopes for composite laminates. Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 63(67)(1):31-
39.
7. Hudișteanu I, Țăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D, Lupășteanu V (2017) Structural
response of sandwich beams with different facing materials subjected to bending.
Advanced Engineering Forum, 21:294-300.
8. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Roșu AR, Mihai P (2016) The adhesion theories
applied to adhesively bonded joints of fiber reinforced polymer composite elements.
Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 63(67)(2):37-45.
9. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Mihai P, Hudișteanu I (2016) Behaviour of
composite-to-composite interface for adhesively bonded joints experimental set-up.
Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 63(67)(3):29-41.
10. Scutaru MC, Țăranu N, Comisu CC, Ungureanu D (2017) Development of performant
technologies for bridge monitoring. Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 63(67)(1):55-
69.
11. Florența I, Țăranu N, Secu A, Ențuc IS, Scutaru MC, Ungureanu D (2017) Evaluation of
the wood strength class using the experimental approach. Buletinul Institutului Politehnic
din Iași, 63(67)(2):121-132.
12. Florența I, Țăranu N, Secu A, Roșu AR, Ungureanu D (2017) Analytical procedures for
calculation of horizontal displacement of timber shear walls. Advanced Engineering
Forum, 21:135-140.
13. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Hudișteanu I (2017) Influence of spew fillets
geometry on the bond strength of adhesively bonded FRP composite elements. Revista
Intersecții, 14(2):10-21.
14. Hudișteanu I, Țăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D (2017) Numerical investigations of
stresses and damage distributions on the layers of a sandwich beam with composite
laminated faces subjected to bending. Revista Intersecții, 14(1):45-58.
Lucrări publicate în volume ale conferințelor internaționale (8):
1. Ungureanu D, Țăranu N, Scutaru MC, Hudișteanu I, Ghiga DA (2018) Frp adhesively
bonded joints specimen preparation and testing procedures. Proceedings of the 18th
International Scientific Conference VSU’2018, Sofia, Bulgaria. Lucrare acceptată spre
publicare.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
114
2. Hudișteanu I, Țăranu N, Ungureanu D, Scutaru MC (2018) interlaminar stresses analysis
on quasi-isotropic composite laminates Proceedings of the 18th International Scientific
Conference VSU’2018, Sofia, Bulgaria. Lucrare acceptată spre publicare.
3. Scutaru MC, Țăranu N, Comisu CC, Boacă G, Ungureanu D, Ghiga DA (2018) Bridge
instrumentation for structural health monitoring. Proceedings of the 18th International
Scientific Conference VSU’2018, Sofia, Bulgaria. Lucrare acceptată spre publicare.
4. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Hudișteanu I (2017) Microscopic study of surface
characteristics of fibre reinforced polymer composite elements. Proceedings of the 17th
International Scientific Conference VSU’2017, Sofia, Bulgaria, 130 – 135.
5. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Dupir (Hudișteanu) I (2016) Numerical
modelling of the tensile structural response of pultruded carbon fibre reinforced polymer
composite strips. Proceedings of the 16th International Scientific Conference VSU’2016,
Sofia, Bulgaria, 346 – 351.
6. Hudișteanu I, Țăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D (2017) Analytical and numerical
evaluation of the flexural response of sandwich beams. Proceedings of the 17th
International Scientific Conference VSU’2017, Sofia, Bulgaria, 24 – 29.
7. Lupășteanu V, Țăranu N, Ungureanu D, Dupir (Hudișteanu) I (2016) Experimental
evaluation of the tensile strength of pultruded CFRP composite strips. Proceedings of the
16th International Scientific Conference VSU’2016, Sofia, Bulgaria, 205 – 210.
8. Hudișteanu I, Țăranu N, Lupășteanu V, Ungureanu D (2016) Comparative analysis of first
ply failure and progressive failure for symmetric composite laminates. Proceedings of the
16th International Scientific Conference VSU’2016, Sofia, Bulgaria, 134 – 139.
Lucrări publicate în volume ale conferințelor naționale cu participare internațională (1):
1. Lupășteanu V, Țăranu N, Mihai P, Ungureanu D (2017) Particularități privind cedarea
îmbinărilor adezive dintre oțel și produsele compozite polimerice armate cu fibre. A 15-a
conferință națională de construcții metalice cu participare internațională, Iași, 117-124.
Lucrări publicate în volume ale conferințelor naționale (1):
1. Ungureanu D (2016) Răspunsul structural al unei îmbinări adezive prin suprapunere
simplă solicitată la întindere uniaxială Creații universitare 2016 – Al IX-lea Simpozion
Național, Iași, România.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
115
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
1. Akpinar S, Doru MO, Ozel A, Aydin MD, Jahanpasand HG (2013) The effect of the spew
fillet on an adhesively bonded single-lap joint subjected to bending moment. Composites Part
B, 55: 55-64.
2. ANSYS Workbench user’s guide (2009) Canonsburg, Pennsylvania, USA.
3. Ascione L, Caron JF, Godonou P, IJselmuijden K, Knippers J, Mottram T, Oppe M, Sorensen
G, Taby J, Tromp L (2016) Prospect for new guidance in the design of FRP, EUR 27666 EN,
doi:10.2788/22306.
4. Ascione F, Lamberti M, Razaqpur AG, Spadea (2017) Strength and stiffness of adhesively
bonded GFRP beam-column moment resisting connections. Composite Structures, 160:1248-
1257.
5. Barbero EJ (2011) Introduction to composite materials design, 2nd Edition. CRC Press, Taylor
and Francis, Boca Raton, USA.
6. Barbero EJ (2014) Finite Element Analysis of composite materials using Ansys. CRC Press
Taylor and Francis Group, USA.
7. Brackmann W, Geisβ PL, Klingen J, Schroder B (2009) Adhesive bonding. Materials,
Applications and Technology. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany.
8. Davis MJ, Bond DA (2017) The importance of failure mode identification in adhesive bonded
aircraft structures and repairs. Aircraft structural integrity section Directorate General of
Technical Airworthiness Royal Australian Air Force. Amberley detachement, 501 Wing,
RAAF Amberley 4306, Australia.
9. Dilger K (2010) Selecting the right join design and fabrication techniques. Advances in
structural adhesive bonding. CRC press Woodhead Publishing Limited, UK, 295-313.
10. Fernholz KD (2010) Bonding of polymer matrix composites in ed. Dillard AD (2010)
Advances in structural adhesive bonding. CRC press Woodhead Publishing Limited, UK, 265-
291.
11. Ghiga DA, Țăranu N, Ențuc IS, Ungureanu D, Scutaru MC (2018) Modern strengthening
techniques for masonry structures. Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 64(68)(2):41-58.
12. Hollaway LC (2010) A review of the present and future utilisation of FRP composites in the
civil infrastructure with reference to their important in-service properties. Construction and
Building Materials, 24:2419-2445.
13. Hudişteanu I, Ţăranu N, Isopescu DN, Bejan L, Axinte A, Ungureanu D (2016) Improving
the mechanical properties of composite laminates through the suitable selection of the
corresponding materials and configurations. Revista Română de Materiale, 46(2):232-241.
14. Hudișteanu I, Ţăranu N, Lupășteanu V, Ungureanu D (2016) Comparative analysis of first
ply failure and progressive failure for symmetric composite laminates. Proceedings of the 16th
International Scientific Conference VSU’2016, Sofia, Bulgaria, 134 – 139.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
116
15. Hudişteanu I , Ţăranu N, Bejan L, Oprişan G, Ungureanu D (2017) Progressive failure
envelopes for composite laminates. Buletinul Institutului Politehnic din Iasi, 63(67)(1):31-39.
16. Hudișteanu I, Ţăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D (2017) Analytical and numerical
evaluation of the flexural response of sandwich beams. Proceedings of the 17th International
Scientific Conference VSU’2017, Sofia, Bulgaria, 24 – 29.
17. Hudișteanu I, Țăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D (2017) Numerical investigations of stresses
and damage distributions on the layers of a sandwich beam with composite laminated faces
subjected to bending. Revista Intersecții, 24(1):45-58.
18. Hudișteanu I, Țăranu N, Vlădoiu C, Ungureanu D, Lupășteanu V (2017) Structural response
of sandwich beams with different facing materials subjected to bending. Advanced
Engineering Forum, 21:294-300.
19. Hudișteanu I, Țăranu N, Isopescu DN, Ențuc IS, Oprișan G, Ungureanu D (2018) Numerical
analysis of interlaminar damage evolution on various composite laminates. ModTech
International Conference. Modern Technologies in Industrial Engineering, IOP conference
series materials science and engineering (lucrare acceptată spre publicare).
20. Li YF, Badjie S, Chen WW, Chiu YT (2016) Case study of first all-GFRP pedestrian bridge
in Taiwan. Case Studies in Construction Materials, 1:83-95.
21. Lupășteanu V, Țăranu N, Mihai P, Oprișan G, Lupășteanu R, Ungureanu D (2016), Behaviour
of CFRP-to-steel interfaces in adhesively bonded joints. Romanian Journal of Materials,
46(4):515-522.
22. Lupășteanu V, Țăranu N, Ungureanu D, Dupir (Hudișteanu) I (2016) Experimental
evaluation of the tensile strength of pultruded CFRP composite strips. Proceedings of the 16th
International Scientific Conference VSU’2016, Sofia, Bulgaria, 205 – 210.
23. Lupășteanu V, Țăranu N, Mihai P, Ungureanu D (2017) Particularități privind cedarea
îmbinărilor adezive dintre oțel și produsele compozite polimerice armate cu fibre. A 15-a
conferință națională de construcții metalice cu participare internațională, Iași, 117-124.
24. Lupășteanu V, Țăranu N, Ungureanu D (2018) Failure particularities of adhesively bonded
joints between steel and carbon fibre reinforced polymers composite elements. Buletinul
Institutului Politehnic din Iași, 64(68)(1):63-72.
25. Rahman NM, Sun CT (2014) Strength calculation of composite single lap joints with Fiber-
Tear-Failure. Composite Part B: Engineering, 62:249-255.
26. Rodríguez RQ, de Paiva WP, Sollero P, Rodrigues MRB, de Albuquerqueb ÉL (2012) Failure
criteria for adhesively bonded joints. International Journal of Adhesion and Adhesives, 37:26-
36.
27. da Silva LFM, Dillard DA, Blackman B, Adams RD (2012) Testing adhesive joints. Wiley-
VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany.
28. Stoian V, Nagy-Gyorgy T, Dan D, Gergely J, Daescu C (2004) Composite Materials for
Construction. Ed. Politehnică, Timișoara, România.
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
117
29. Țăranu N, Ungureanu D, Lupășteanu V, Scutaru MC, Maxineasa SG (2018) Experimental
and numerical studies of the shear structural response of adhesively bonded single lap joints
between GFRP composite profiles. 18 International Multidisciplinary Scientific
GeoConference SGEM 2018 (lucrare acceptată spre publicare)
30. Ungureanu D (2016) Răspunsul structural al unei îmbinări adezive prin suprapunere simplă
solicitată la întindere uniaxială Creații universitare 2016 – Al IX-lea Simpozion Național, Iași,
România.
31. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Hudișteanu I (2016) Numerical modelling of the
tensile structural response of pultruded carbon fibre reinforced polymer composite strips.
Proceedings of the 16th International Scientific Conference VSU’2016, Sofia, Bulgaria, 346 –
351.
32. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Mihai P, Hudișteanu I (2016) Behaviour of
composite-to-composite interface for adhesively bonded joints. Experimental set-up.
Buletinul Institutului Politehnic din Iasi, 62(66)(3):29-41.
33. Ungureanu D, Ţăranu N, Lupăşteanu V, Roșu AR, Mihai P (2016) The adhesion theories
applied to adhesively bonded joints of fiber reinforced polymer composite elements. Buletinul
Institutului Politehnic din Iasi, 2,62 (66):37-45.
34. Ungureanu D, Țăranu N, Isopescu DN, Lupășteanu V, Mihai P, Hudișteanu I (2017)
Analytical and numerical study of adhesively bonded composite pultruded elements. Revista
Română de Materiale, 47(4):522-531.
35. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Hudișteanu I (2017) Influence of spew fillets
geometry on the bond strength of adhesively bonded FRP composite elements. Revista
Intersecții, 14(2):10-21.
36. Ungureanu D, Țăranu N, Hudișteanu I, Florenţa I, Lupășteanu V (2017) Shear structural
response of adhesive joints for FRP composites. Advanced Engineering Forum, 21:280-285.
37. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Mihai P (2017) Shear structural response of double
lap joints for composite pultruded elements. Buletinul Institutului Politehnic din Iași, 1,
63(67):9-20.
38. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Hudișteanu I (2017) Influence of spew fillets
geometry on the bond strength of adhesively bonded FRP composite elements. Intersections,
14(2): 10-21.
39. Ungureanu D, Țăranu N, Isopescu DN, Lupășteanu V, Scutaru MC, Hudișteanu I (2018),
Failure particularities of adhesively bonded joints between pultruded GFRP composite
profiles. ModTech International Conference. Modern Technologies in Industrial Engineering,
IOP conference series materials science and engineering (lucrare acceptată spre publicare).
40. Ungureanu D, Țăranu N, Lupășteanu V, Isopescu DN, Oprișan G, Mihai P (2018)
Experimental and numerical investigation of adhesively bonded single lap and thick adherents
joints between pultruded GFRP composite profiles. Composites Part B: Engineering, 146:49-
59.