Desenvolvimento de métodos de caracterização do comportamento mecânico de adesivos estruturais mediante ensaios de flexão

Abstract

As ligações coladas estruturais são cada vez mais usadas como alternativa às ligações soldadas e aparafusadas. O dimensionamento das ligações coladas exige a determinação do comportamento tensão-deformação do adesivo. Em particular, o comportamento ao corte é de grande importância nos principais tipos de juntas, cujo projeto deve garantir que as tensões de corte são dominantes. Todavia, os ensaios normalizados apresentam algumas desvantagens significativas, tais como gerarem tensões espúrias, exigirem juntas de pequenas dimensões e promoverem a rutura junto das extremidades das juntas. Ressurgiu recentemente o interesse no ensaio de flexão em 3 pontos de juntas coladas, que tem como principais vantagens: gerar um estado de corte puro sob tensão quase-constante numa zona de grandes dimensões; promover a rutura longe das extremidades da junta. Todavia, na forma atual, o referido ensaio tem limitações importantes: a elevada rigidez que o provete deve ter para evitar cedência plástica prematura dos substratos; a necessidade de aplicar métodos analíticos ou numéricos para obter apenas aproximações elasto-plásticas à curva tensão-deformação ao corte. Neste trabalho, essas duas desvantagens são ultrapassadas recorrendo, primeiramente, a provetes cujos substratos de aço têm espessura variável. A zona com substratos de menor espessura facilitará as medições das deformações na camada adesiva através da correlação digital de imagem, técnica que é cada vez mais usada nos ensaios de materiais. As zonas onde os substratos têm maior espessura evitam cedência plástica prematura. Realizou-se um estudo baseado em simulações por elementos finitos para definir provetes adequados para medir curvas tensão-deformação ao corte de camadas adesivas com espessuras de 0.5 e 1.0 mm. Em segundo lugar, desenvolveu-se um método de cálculo das tensões de corte no adesivo que não necessita de assumir qualquer tipo de aproximação elasto-plástica ao comportamento do adesivo. Recorrendo novamente a análises por elementos finitos, demonstrou-se ser possível obter com bastante rigor a curva tensão-deformação ao corte com base apenas nos valores da carga e em medições que serão obtidas por correlação digital de imagem.

Structural adhesive joints are increasingly employed as alternatives to welded and bolted joints. The design of adhesive joints requires determination of the adhesive stress-strain behaviour. The shear behaviour is of particular importance for the main types of joints, which should be designed to ensure that shear stresses are dominant. However, standard tests have some significant drawbacks e.g., generation of spurious stress, small bonded areas and failure near joint ends. There has been a recent interest in the 3-point bending test of adhesive joints, which has the main advantages of generating pure shear under quasi-constant stress in a large region, as well as promoting failure far from the joint ends. However, in its current form, the aforementioned test has important limitations: high specimen stiffness is needed to avoid premature substrate yielding; analytical or numerical methods are required in order to obtain just elastic plastic approximations to the shear stress-strain curve. In this work, those two drawbacks are overcome by using, firstly, specimens with variable thickness steel substrates. The region of thinner substrates will facilitate adhesive strain measurements by digital image correlation, a technique that is increasingly applied to materials testing. The regions of thicker substrates avoid premature yielding. A finite element simulations-based study was performed to define specimen that are adequate for measuring the shear stress-strain curves of 0.5 mm and 1.0 mm thick bondlines. Secondly, a method for computing adhesive shear stresses without assuming any kind of elastic-plastic approximation was developed. Again, finite element simulations showed that accurate shear stress-strain curves can be obtained using only the load and digital image correlation measurements.