In the design of adhesive structures, it is extremely important to accurately predict their strength and fracture properties (critical strain energy release rate in tension, GIC, and shear, GIIC). In most cases, the loads occur in mixed-mode (tension plus shear). Thus, it is of great importance the perception of fracture in these conditions, namely of the strain energy release rates in tension, GI, and shear, GII, relative to different crack propagation criteria or fracture envelopes. This comparison allows to determine the most suitable energetic propagation criterion to be used in cohesive zone models (CZM). The main objective of this work is to verify, by CZM, which is the power law parameter (α) that best suits the energetic crack propagation criterion for CZM modelling, using single-lap joints (SLJ) and double-lap joints (DLJ) with aluminium adherends and bonded with a ductile adhesive. With this purpose, numerical simulations of the SLJ and DLJ are carried out, and the maximum load (Pm) is compared with experiments. For the tested materials and geometries, the energetic criterion resulting from the experimental work provided matching numerical results and, thus, the fracture envelope was validated.

As juntas adesivas têm tido um enorme crescimento em aplicações industriais em detrimento dos métodos tradicionais como a soldadura, brasagem e ligações aparafusadas e rebitadas. A maior utilização das juntas adesivas deve-se às vantagens que estas oferecem, como facto de serem mais leves, por se comportarem bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, por possibilitarem a ligação de materiais diferentes e por apresentarem menores concentrações de tensões. No projeto de estruturas adesivas, é extremamente importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa critica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades estão diretamente relacionadas com a Mecânica da Fratura e são estimadas através de uma análise energética. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Na maioria dos casos relativos a juntas adesivas, as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tração e corte). Como tal, é de grande importância a perceção da fratura nestas condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Esta comparação permite, por exemplo, averiguar qual o melhor critério energético de rotura a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos de Dano Coesivo. O principal objetivo desta dissertação é verificar, através de métodos numéricos por modelos de dano coesivo, qual o parâmetro que mais se adequa para o critério energético de propagação de dano de juntas de sobreposição simples (JSS) e dupla (JSD) com substratos de alumínio e coladas com três diferentes adesivos. Dos três adesivos um é frágil, um é moderadamente dúctil e outro é dúctil. Após a verificação numérica de qual o parâmetro energético que mais se adequa a cada um dos adesivos, os valores obtidos experimentalmente para a força máxima (Pmáx) que a junta suportou irão ser comparados com os valores obtidos numericamente. Após a comparação dos valores de Pmáx obtidos experimentalmente com os obtidos numericamente, verificou-se que curva de valores de Pmáx obtidos experimentalmente mais se assemelhava aos obtidos numericamente e qual o critério energético correspondente a essa curva. Como, para os três adesivos, os critérios energéticos resultantes do trabalho experimental coincidiram com os resultantes do trabalho numérico, validaram-se os envelopes de fratura.

A utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, brasagem e ligações aparafusadas e rebitadas. Este facto deve-se às vantagens que estas oferecem, como o facto de serem mais leves, comportarem-se bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, a ligação de materiais diferentes e menores concentrações de tensões. Para aumentar a confiança no projeto de estruturas adesivas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades estão diretamente relacionadas com a Mecânica da Fratura e são estimadas através de uma análise energética. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Como na maioria dos casos as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tração com corte), é de grande importância a perceção da fratura nesta condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Esta comparação permite, por exemplo, averiguar qual o melhor critério energético de rotura a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos de Dano Coesivo. Neste trabalho é realizado um estudo experimental utilizando o ensaio Single-Leg Bending (SLB) em provetes colados com três tipos de adesivos, de forma a estudar e comparar as suas propriedades de fratura. Para tal, são aplicados alguns modelos de redução da taxa de libertação de energia de deformação à tração, GI, e corte, GII, enquadrados nos modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda e nos modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente. Numa fase posterior, procedeu-se à análise e comparação dos resultados adquiridos durante a fase experimental de GI e GII de cada adesivo. A discussão de resultados foi também feita através da análise dos valores obtidos em diversos envelopes de fratura, no sentido de averiguar qual o critério de rotura mais adequado a considerar para cada adesivo. Foi obtida uma concordância bastante boa entre métodos de determinação de GI e GII, com exceção do adesivo mais dúctil, para o qual o método baseado no comprimento de fenda equivalente apresentou resultados ligeiramente superiores.

Ao longo dos últimos anos a utilização das juntas adesivas tem vindo a verificar um aumento acentuado em aplicações estruturais em detrimento dos métodos tradicionais de união. Em aplicações reais, as juntas adesivas são submetidas a solicitações de modo misto I+II, o que aumenta significativamente a complexidade da previsão de resistência das juntas adesivas. De facto, os ensaios desenvolvidos para o estudo de juntas adesivas, sob carregamento em modo misto, são bastante complexos e considerados realmente relevantes para a caracterização à fratura. Existem vários ensaios de modo misto, dos quais se destaca o ensaio Mixed-Mode Bending (MMB) pela sua capacidade de permitir a variação do rácio de modo misto praticamente sem limitações e, desta forma, permitir analisar a influência do rácio de modo misto na resistência à fratura da junta. Contudo, apesar de existirem várias propostas de configuração MMB, o ensaio ainda é considerado complexo, sendo que algumas das soluções existentes não permitem o ensaio em materiais mais rígidos, pelo que este foi um dos principais aspetos considerados no desenvolvimento da dissertação. Neste sentido, o desafio proposto para esta dissertação consistiu em projetar, modelar numericamente e validar experimentalmente um equipamento de ensaio MMB, para a realização de ensaios de adesivos estruturais. No trabalho experimental, foi desenvolvido um equipamento com uma configuração mais simples e versátil, que permite medir a tenacidade de juntas adesivas em vários rácios de modo misto, baseado unicamente na curva carga-deslocamento (P-δ) e sem a necessidade de medição do comprimento de fenda (a). Este equipamento foi projetado e fabricado para realização de ensaios e tratamento de dados conducente à validação do funcionamento do equipamento para ensaio de adesivos, que consistiu na obtenção dos envelopes de fratura de adesivos e comparação com resultados da literatura. No trabalho numérico, a geometria do equipamento foi criada em software e foram realizadas as respetivas simulações, de modo a otimizar a geometria do equipamento projetado. Nomeadamente, foi efetuada uma comparação entre o equipamento de base de estudo, desenvolvido por Chaves [1], e as soluções apresentadas durante a evolução do projeto. O equipamento desenvolvido apresenta um fácil manuseamento durante a realização de ensaios e características melhoradas ao nível da sua geometria, apesar de robusta. Este equipamento é adequado para provetes de ensaio de elevada rigidez, pelo que permite uma carga máxima de 20 kN.

Nos últimos anos a utilização de adesivos em aplicações estruturais tem vindo a aumentar bastante, pelo que as ligações adesivas têm substituído os métodos tradicionais de ligação como as ligações aparafusadas, por rebites, soldadura e brasagem. Isto deve-se às muitas vantagens que a utilização de ligações adesivas concede, como permitirem a construção de estruturas mais leves, mais resistentes à fadiga, com menores concentrações de tensões, possibilitarem a ligação de diferentes materiais e concederem um aspeto agradável à ligação. Com a cada vez maior utilização das ligações adesivas em aplicações estruturais torna-se importante conhecer as propriedades mecânicas dos adesivos, e para isso foram desenvolvidos e normalizados vários ensaios que testam adesivos em estado maciço ou aplicado numa junta. Para possibilitar a expansão deste tipo de ligação é importante conseguir prever a resistência da ligação adesiva. Com esta finalidade foram desenvolvidos vários ensaios de caracterização à fratura nos vários modos de fratura, que se baseiam nos conceitos da mecânica da fratura linear elástica para determinar a taxa de libertação de energia de deformação. Neste trabalho é estudado o ensaio Asymmetric Tapered Double-Cantilever Beam (ATDCB). Foram efetuados ensaios experimentais com três adesivos com diferente ductilidade, o adesivo Araldite® AV138, Araldite® 2015 e o adesivo SikaForce® 7752. São apresentados os resultados na forma de curvas P-δ e curvas-R para cada provete testado e contruídos os envelopes de fratura de cada adesivo, o que permitiu determinar o critério de propagação em modo misto a aplicar nas simulações numéricas. Foi também escolhida a lei coesiva mais adequada para descrever o comportamento dos adesivos e foram realizados ensaios numéricos com estas condições. É apresentada a comparação dos resultados numéricos com os experimentais e analisados de forma a averiguar a validade da lei de dano coesivo e o critério de propagação em modo misto aplicados. É também realizado um estudo numérico da sensibilidade de cada adesivo à variação dos parâmetros GIC, GIIC, tn0 e ts0. Com este trabalho, determinou-se o critério de propagação em modo misto mais adequado para os três adesivos e foi efetuada a respetiva validação numérica.

A utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, em substituição dos métodos tradicionais tais como a soldadura, brasagem e ligações aparafusadas e rebitadas. Este facto deve-se às vantagens que estas oferecem, como o facto de serem mais leves, comportarem-se bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, permitirem a ligação de materiais diferentes e apresentarem menores concentrações de tensões. De modo a aumentar a confiança no projeto de estruturas adesivas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades estão diretamente relacionadas com a Mecânica da Fratura e são estimadas através de uma análise energética. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Como na maioria dos casos as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tração com corte), é de grande importância a perceção da fratura nestas condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Esta comparação permite, por exemplo, averiguar qual o melhor critério energético de rotura a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos de Dano Coesivo. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e um numérico utilizando o ensaio Single-Leg Bending (SLB) em provetes colados com três tipos de adesivos, de forma a estudar e comparar as suas propriedades de fratura. Para tal, são aplicados alguns modelos de redução da taxa de libertação de energia de deformação à tração, GI, e corte, GII, enquadrados nos modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda e nos modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente. Numa fase posterior, procedeu-se à análise e comparação dos resultados adquiridos durante a fase experimental de GI e GII de cada adesivo. A discussão de resultados foi também feita através da análise dos valores obtidos em diversos envelopes de fratura, no sentido de averiguar qual o critério de rotura mais adequado a considerar para cada adesivo. Em geral, foi obtida uma concordância bastante boa entre métodos de determinação de GI e GII. Nos ensaios numéricos foi possível retratar o comportamento verificado nos ensaios experimentais, tendo sido validados os critérios de propagação escolhidos através da análise dos resultados experimentais.

A utilização dos adesivos em construções industriais tem vindo nos últimos anos a aumentar em larga escala, em substituição dos métodos tradicionais como a soldadura, brasagem, e ligações mecânicas como aparafusamentos e rebitagens. Esta tendência verifica-se devido às elevadas vantagens que este tipo de ligação oferece, dos quais se destacam a leveza, o bom comportamento sob cargas cíclicas ou fadiga, e sem dúvida a maior de todos, permitem a ligação de diferentes materiais e menores concentrações de tensões. No sentido de se aumentar a confiança na projecção de juntas adesivas, é importante conseguir prever com a máxima precisão a sua resistência mecânica e respectivas propriedades de fractura (taxa critica de libertação de energia de deformação à tracção e ao corte, GIC GIIC respectivamente). Estas duas propriedades relacionam-se com a mecânica da fractura e são estimadas através de uma análise energética. Para esse efeito existem três modelos distintos, sendo os que necessitam de medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, o modelo que utiliza o comprimento de fenda equivalente e o modelo baseado no integral J. Na maioria dos casos as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tracção e corte em simultâneo), a importância da fractura deve ser entendida nestas condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios e envelopes de fractura. Esta comparação possibilita averiguar qual o critério energético de ruptura mais preciso a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos do Dano Coesivo. No presente trabalho são apresentados os dois estudos efectuados, experimental e numérico utilizando o ensaio Single-Leg Bending (SLB) em provetes colados com o adesivo Sikaforce®-7752, com diferentes espessuras. Para isso, são aplicados alguns modelos de redução da taxa de libertação de energia de deformação à tracção GI, e corte, GII, enquadrados nos modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda e nos modelos de que utilizam um comprimento de fenda equivalente (CBBM). Na fase seguinte, procedeu-se à análise dos valores obtidos experimentalmente GI e GII de cada espessura de adesivo. Na discussão de resultados foi efectuada uma análise dos valores em diversos envelopes de fractura, no sentido de se conseguir averiguar qual o critério de ruptura mais adequado a considerar para ta de 1 mm. Na análise dos dados experimentais obtidos através dos vários modelos, conseguiu-se uma concordância bastante boa entre modelos de determinação de GI e GII. Nos ensaios numéricos foi possível retractar o comportamento verificado nos ensaios experimentais, apresentando estes, critérios de propagação aproximados relativamente aos resultados experimentais.

The adhesive technology has been constantly growing and expanding into industrial environments, not only for traditional applications but also for high-end applications, where it has been competing fairly with the conventional connection technologies, such as welding, brazing, bolting and riveting. Its unique key features allow it to raise the type of technology to unreachable levels, for certain applications, by its competitors. Some of the advantages are the lightness of the adhesively-bonded joints, good behaviour under cycling and fatigue loading conditions, flexibility in bonding several types of materials and low stress concentrations. However, in order to design and develop efficient adhesively-bonded joints, the strength prediction must be accurate for the assessment of the fracture properties, mainly the critical energy release rate for tensile (JIC) and shear (JIIC), associated to the mode I and II, respectively. For most of the adhesively-bonded joints applications, the loading conditions under operational service feature a combination of different stresses, for instance tensile and shear stresses, from which the concept of mixed-mode came to exist. For this reason, the assessment of fracture properties under those conditions is essential, especially the energy release rates related to different mode-mixities. The fracture properties are related to Fracture Mechanics and are obtained through energetic analyses, from which three methods are often used: models based on the measurement of the crack length during the damage propagation, models based on an equivalent crack length and methods based on the Jintegral formulation. In the specific case of the J-integral it is furthermore possible to obtain the cohesive laws of the adhesive, which can be later used in the design of adhesively-bonded joints. This current work presents an experimental and numerical analysis of a Single-Leg Bending (SLB) adhesively-bonded joint where the specimens were bonded with three distinct adhesives, in order to assess and compare their behaviour under mixed-mode load conditions, fracture properties and cohesive laws. For that purpose, the J-integral formulation of Ji et al. [1] was considered to obtain the energy release rate for mode I and II, tensile (JI) and shear (JII), respectively, whereas the cohesive laws are attained through direct differential operation of the JI-w0 and JII-δ0 curves, where w0 and δ0 are the local normal separation and local tangential slip between the two adherends at the cross-section of the crack tip, respectively. Afterwards, the fracture analysis was performed, where the experimental results were compared through load-displacement (P-δ) curves. The JI and JII values, obtained through correlation between experimental and numerical results incorporated into the J-integral formulation, were addressed by R curves and fracture envelopes. These latter were used to establish which criterion was more suitable for each adhesive type. For last, the tensile and shear stresses were determined through the cohesive laws, attained by the direct method. Overall, a good agreement on the fracture properties was obtained between the specimens of the same adhesive. Moreover, the cohesive laws also presented a good correspondence between specimens, and further enabled the design of adhesively-bonded joints with arbitrary geometry.

A utilização de juntas adesivas em diversas aplicações oferece vantagens em relação aos métodos tradicionais tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. De facto, as juntas adesivas apresentam uniões mais leves, melhor comportamento na presença de cargas cíclicas ou de fadiga, permitem a ligação de materiais diferentes naturezas e apresentam melhores distribuições de tensões nas zonas unidas. De forma a dimensionar corretamente ligações adesivas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades são obtidas com recurso da mecânica da fratura, através de análises energéticas. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Como geralmente as solicitações ocorrem em modo misto (tração e corte em simultâneo), é de grande importância a medição das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Este trabalho é iniciado tendo por base um estudo experimental, realizado numa dissertação anterior, e um estudo numérico, correspondente à presente dissertação, onde foram modelados provetes Single-Leg Bending (SLB) em juntas onde se aplicaram três tipos de adesivos, de forma a estudar e comparar as suas propriedades de fratura. Numericamente obtiveram-se as curvas carga aplicada vs. deslocamento (P-δ) e aplicouse o modelo do integral-J para redução da taxa de libertação de energia de deformação à tração, GI, e corte, GII. Após esta fase iniciou-se a discussão dos resultados, onde se compararam os resultados numéricos com os resultados experimentais. Os elementos utilizados para comparação foram as curvas P-δ, GI, GII, e o enquadramento de GI e GII nos envelopes de fratura de cada adesivo. Em geral, foi obtida uma concordância bastante boa nos resultados obtidos. Os ensaios numéricos permitiram retratar o comportamento verificado nos ensaios experimentais e validar os critérios de propagação através da análise dos resultados experimentais, comprovando que o integral J é um método eficaz na medição da energia de fratura.

Cohesive zone modelling (CZM) is widespread for the strength analysis of bonded joints. The fracture toughness (GC) is required to use CZM. A scarcely studied mixed-mode test is the Asymmetric Tapered Double-Cantilever Beam (ATDCB), which merges a Tapered Double-Cantilever Beam (TDCB) adherend with a Double-Cantilever Beam (DCB) adherend. This work addresses the ATDCB test to estimate the fracture envelope of a structural adhesive. TDCB and End-Notched Flexure (ENF) tests were also performed to acquire the tensile (GIC) and shear fracture toughness (GIIC), respectively. Numerically, mixed-mode CZM laws were constructed based on the obtained data, and the results were compared with experiments, to validate the CZM laws and the mixed mode propagation criterion. As a result, the best damage propagation criterion for mixed mode was estimated and validated.