Resistencia a fatiga en materiales compuestos considerando degradación higrotérmica

Abstract

Fiber-reinforced polymer composites (FRP) constitute an attractive alternative in the construction industry to conventional materials such as steel and concrete. However, understanding of the influence of environmental conditions in their long-term mechanical behavior is of vital importance to ensure their implementation. The main objective of this thesis is to assess the effect of hygrothermal exposure on the fatigue performance of glass/vinyl-ester composites. Two types of laminates (unidirectional and cross-ply) and vinyl-ester neat resin are investigated. The specimens are immersed in distilled water at 40°C [104°F] for periods of times ranging from 50 hours to 500 days. Fatigue tests are performed at a stress ratio (R) of 0.1 and a frequency of 5 Hz. Three stress levels are evaluated: 70%, 50% and 30% of the unaged ultimate tensile strength. Using Epaarachchi and Clausen methodology, a fatigue life prediction model is proposed that incorporates the hygrothermal conditioning effect on the fatigue life. The aging specimens show a decrease in fatigue life compared to the as-received specimens. The higher fatigue life degradation occurred in the unidirectional laminate samples. Fatigue life time predictions of vinyl-ester neat resin samples based on exposure time show a better correlation than the results based on moisture absorption. In the case of laminate specimens, both approaches show good correspondence with experimental results.

Los materiales compuestos fibro-reforzados se presentan como una atractiva alternativa para la construcción frente a materiales tradicionales como acero y hormigón. Sin embargo, su uso aún es limitado y el entendimiento de su comportamiento a largo plazo bajo la exposición a condiciones ambientales es de vital importancia para posibilitar su aplicación. Esta tesis presenta la evaluación de los efectos de la exposición higrotérmica en la resistencia a fatiga en los compuestos de fibra de vidrio y resina viniléster. Se estudian dos laminados, con refuerzo unidireccional y bidireccional y una resina viniléster sin refuerzo. El acondicionamiento ambiental consiste en la sumersión en agua destilada a una temperatura de 40°C [104°F] por periodos de 50 a 500 días aproximadamente. Los ensayos a fatiga se realizan utilizando un índice de reversión (R) de 0.10, una frecuencia de 5 Hz y se ensayan tres niveles de esfuerzos: 70%, 50% y 30% del esfuerzo último a tensión del material sin añejar. Se propone una metodología de predicción basada en un modelo desarrollado por Epaarachchi y Clausen, establecida a partir del análisis de los resultados experimentales y que integra los efectos del condicionamiento higrotérmico en base a porcentaje de absorción de humedad y tiempo de exposición. Los resultados del ensayo de vida a fatiga de los especímenes envejecidos presentan una disminución respecto a los especímenes de control, mostrando la mayor degradación en las muestras de laminado unidireccional. Las predicciones del modelo propuesto en base al tiempo de exposición para las muestras de resina viniléster presentan una mejor correlación que los resultados en base al porcentaje de humedad. Mientras que en los laminados ambos enfoques muestran una buena correspondencia con los resultados experimentales.