Probabilistic-based design factor for the elastic modulus of a pultruded composite material reinforced with a 3D braided preform

Abstract

This work describes research aimed to probabilistically assess the mechanical properties of a pultruded fiber-reinforced polymer (FRP) reinforced with a 3D braid and roving. In addition, reliability-based reduction factors for the design of such materials are developed and proposed. Elastic moduli are investigated because the design of most civil engineering applications is dominated by serviceability and buckling limit states rather than the strength. To posses a certain level of confidence in these value estimation, it is necessary to fully explode the material applications. This methodology combines simplified classical lamination theory in one case and a 3D model (Fiber Inclination Model) for braid preform in another case with experimental values in a probabilistic model to simulate the randomness of the system by the Monte Carlo technique. The accuracy of the theoretical model is investigated, evaluating the coupling effect caused by the variations in contituents and fiber orientation. Randomness is considered beginning at the micromechanical level (fiber/matrix) up to the macromechanical level (ply mechanics). All fibers were E-glass embedded in vinyl ester matrix. Reduction factors for the material are suggested providing at least a 95 % confidence level. Parametric analysis were performed evaluating the effect in the material properties by a variation of the mechanical properties (Ef, Em) at micromechanical level, the fibers orientation (θ), and the fiber volume fraction (vf). The proposed reduction φ factors for the stiffness design of the pultruded material reinforcement with a 3D braided textile are φx= 0.50 and φy= 0.75. The parametric analysis indicated that the fiber orientation and the fiber volume fraction are the variables that mostly control the variability of the material.

Este trabajo describe la intención de la investigación para evaluar probabilísticamente las propiedades mecánicas de un polímero reforzado con fibras, reforzados con trenzado en 3 dimensiones y fibras paralelas en una dirección. En adición, factores de reducción para servicio para el diseño de estos materiales han sido desarrollados y propuestos. Los módulos son investigados debido a que en muchos de las aplicaciones en ingeniería civil el diseño es controlado por el nivel de servicio y limites de pandeo, más que por la capacidad. Para adquirir un cierto nivel de confianza al estimar estos valores, es necesario explotar totalmente las aplicaciones del material. Esta metodología combina la teoría de lamina clásica simplificada en un caso y un modelo de 3 dimensiones (Modelo de Fibra Inclinada) para el trenzado, a realizar en otro caso con valores experimentales en un modelo probabilística para simular la aleatoriedad del sistema por medio de la técnica de Monte Carlo. La precisión de los modelos teóricos es investigada, evaluando el efecto de acoplamiento causado por la variación en las componentes y la orientación de la fibra. La aleatoriedad es considerada empezando al nivel de la micromecánica (fibra/matriz) hasta el nivel la macro mecánica (mecánica de láminas). Todas las fibras son de vidrio tipo E, están recubiertas en resina “vinyl ester”. Análisis paramétricos fueron desarrollados evaluando el efecto en las propiedades del material por una variación de las propiedades mecánicas (Ef, Em) a nivel de la micromecánica, la orientación de las fibras(θ) y la fracción de volumen de fibra (vf). Los factores de reducción φ propuestos para el diseño por servicio del material reforzado con trenzado en 3 dimensiones son φx= 0.50 y φy= 0.75. El análisis paramétrico nos indica que la dirección de la fibra y la fracción de volumen de fibra son las variables que mayormente controlan la variabilidad del material.