Reference : Proposal of a Failure Criterion of Adhesively Bonded Connections with Silicone
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Civil engineering
Physics and Materials Science
http://hdl.handle.net/10993/34392
Proposal of a Failure Criterion of Adhesively Bonded Connections with Silicone
English
Staudt, Yves Nico Louis mailto [University of Luxembourg > Faculty of Science, Technology and Communication (FSTC) > > ; > Research Unit in Engineering Sciences]
17-Nov-2017
University of Luxembourg, ​Luxembourg, ​​Luxembourg
Docteur en Sciences de l'Ingénieur
209
Odenbreit, Christoph mailto
Schneider, Jens mailto
Zilian, Andreas mailto
Becker, Wilfried
Marzi, Stephan
Wolf, Andreas T.
Koenders, Eduardus
[en] Silicone ; adhesively bonded connections ; experimental investigations ; Finite Element Analysis ; failure criterion of bulk material ; critical energy release rate ; Finite Fracture Mechanics ; Theory of Critical Distances
[en] In the field of façade engineering, structural silicone sealants have been used in adhesively bonded connections since the 1960s. The low strength and stiffness of silicone rubber compared to other types of adhesives are compensated by the excellent adhesion properties and the good resistance against ageing and environmental influences, like UV radiation. Silicone sealants show a pronounced nonlinear material behaviour. The applicable design concepts in civil engineering propose simplified design equations, which are based on the assumption of a linear material law. Due to the current state of knowledge and to compensate the simplified model assumptions in the design concept, high reduction factors on the material strength and many restrictions on applications are defined. In order to overcome these drawbacks, the stress state within the sealant is increasingly described using the Finite Element Method. Considering the results of these analysis, the assessment of both the complex stress states with a suitable failure criterion and the influence of stress singularities on the failure behaviour constitute inevitable questions.

The present work addresses these two questions. In the first step, the strain magnitude has been determined as a suitable failure criterion for the defect-free bulk material of the considered Dow Corning® 993 structural silicone sealant, subjected to a quasi-static loading. The failure criterion has been calibrated using the results of uniaxial tension as well as circular shear tests and validated with the results of compression tests. The strain magnitude is a strain-based failure criterion, which can be seen as a measure for the distortion of the molecular chains.

In a second step, the stress distribution of the single-lap shear joint has been investigated in detail. For the assessment of the singular stresses and strains at the edge area of the interface between the adhesive and the substrate, referred to as two-material wedge, the so-called coupled stress and energy criterion, a concept of Finite Fracture Mechanics, was extended to nonlinear elastic material behaviour. Based on results of conduced simple shear tests on small bonded connections with varying adhesive thicknesses and overlap lengths, the coupled criterion was used to predict the crack initiation loads and a good agreement with the experimentally recorded values was obtained. Knowing the strength and the critical energy release rate of the material, the crack initiation load and the corresponding crack length are determined in the coupled criterion by solving an optimisation problem based on a Finite Element Analysis. The stress partial criterion has been modified to consider the strain magnitude as a failure criterion. In order to analyse the energy partial criterion, the critical energy release rate of Dow Corning® 993 structural silicone sealant has been determined in Double Cantilever Beam tests using the evaluation method based on the J-integral approach. Furthermore, concepts of the Theory of Critical Distances were used to determine the failure loads of the small scale tests. Unlike as for the notched circular shear tests and the tension tests on small scale bonded connections, good predictions were found in the Finite Element Analysis for the simple shear specimens, when a constant element size and formulation at the vicinity of the two-material wedge were used. Similar results were obtained with the point method and the control volume approach. These findings indicate that the characteristic material length for silicone rubber is not constant.
[de] Im Bereich Fassadenbau werden Silikone bereits seit den 1960er Jahren in geklebten lastabtragenden Verbindungen eingesetzt. Die im Vergleich zu anderen Strukturklebstoffen geringe Steifigkeit und Festigkeit werden durch die hervorragende Hafteigenschaften sowie die gute Alterungs- und Witterungsbeständigkeit ausgeglichen. Silikone zeigen ein stark nichtlineares Materialverhalten. Das anzuwendende Bemessungskonzept im Bauwesen schlägt vereinfachte Bemessungsformeln vor, die auf der Annahme eines linear elastischen Materialverhaltens beruhen. Aufgrund des aktuellen Wissensstands und zur Kompensation der vereinfachten Modellannahmen bei der Bemessung werden sehr hohe Abminderungsfaktoren auf der Materialfestigkeit sowie Einschränkungen hinsichtlich der Nutzung vorgeschrieben. Um diese Nachteile zu überwinden wird die Beanspruchung des Silikons zunehmend mit der Finite Elemente Methode ermittelt. Die Bewertung sowohl der komplexen Spannungszustände mittels eines geeigneten Versagenskriteriums als auch der Einfluss von Singularitäten auf das Versagensverhalten stellen hinsichtlich der Ergebnisse einer solchen Berechnung unausweichliche Fragestellungen dar.

Die vorliegende Arbeit behandelt diese beiden Fragen. In einem ersten Schritt wurde der Dehnungsbetrag als geeignetes Versagenskriterium für das defektfreie Grundmaterial des Zweikomponentensilikonklebstoffs Dow Corning® 993 unter quasi statischen Belastungen ermittelt. Das Versagenskriterium wurde anhand der Ergebnisse von uniaxialen Zug- sowie Kreisschubversuchen kalibriert und mit den Ergebnissen von Druckversuchen validiert. Der Dehnungsbetrag ist ein dehnungsbasiertes Versagenskriterium, welches als ein Maß für die Verzerrung der Molekülketten gesehen werden kann.

In einem zweiten Schritt wurde die Spannungsverteilung in der einschnittig überlappten schubbeanspruchten Klebeverbindung detailliert untersucht. Zur Bewertung der singulären Spannungen und Dehnungen im Eckbereich der Grenzschicht zwischen Fügeteil und Klebstoff, der sogenannten Bimaterialkerbe, wurde das gekoppelte Spannungs- und Energiekriterium, eine Methode der Finiten Bruchmechanik, auf nichtlinear elastisches Materialverhalten erweitert. Auf der Grundlage der Ergebnisse von durchgeführten Schubversuchen an kleinen Bauteilproben mit unterschiedlichen Klebschichtdicken und Überlappungslängen wurde die Rissinitiierungslast mithilfe des gekoppelten Kriteriums ermittelt und eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erzielt. Mit Kenntnis der Festigkeit und der kritischen Energiefreisetzungsrate des Materials werden im Rahmen des gekoppelten Kriteriums auf Grundlage von Finite Elemente Berechnungen in einem Optimierungsproblem sowohl die Rissinitiierungslast als auch die entsprechende Risslänge ermittelt. Das Spannungsteilkriterium wurde dabei auf ein dehnungsbasiertes Kriterium, den Dehnungsbetrag, umformuliert. Zur Anwendung des Energiekriteriums wurden Double Cantilever Beam Versuche am Dow Corning® 993 durchgeführt und die kritische Energiefreisetzungsrate mit der J-Integral Methode ausgewertet. Darüber hinaus wurden Methoden der Theorie der kritischen Distanzen zur Ermittlung der Rissinitiierungslast bei den Kleinteilversuchen herangezogen. Anders als bei den gekerbten kreisförmigen Schubproben und den Zugproben an geklebten Verbindungen konnte eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen bei den Schubversuchen festgestellt werden, wenn in der Finite Elemente Simulation eine konstante Elementgröße und Formulierung gewählt wurden. Ähnliche Ergebnisse wurden mit der Punktmethode und dem Ansatz eines Kontrollvolumens erzielt. Die Untersuchungen zeigen, dass der charakteristische Längenparameter keine Materialkonstante ist.
[fr] Dans le domaine de la construction de façades, des silicones ont déjà été utilisés comme matériau de base pour la réalisation d’assemblages collés depuis les années 1960. La résistance et la rigidité du silicone sont relativement faibles comparées à d’autres types d’adhésifs, ce gap de performances étant compensé par une excellente adhésion et une bonne résistance au vieillissement et aux impacts environnementaux. Le comportement mécanique du silicone est fortement non linéaire. Les règlements de dimensionnement en vigueur dans le domaine du génie civil proposent des équations simplifiées, qui sont basées sur l’hypothèse d’un comportement linéaire du silicone. Du fait de l’état de l’art actuel, soit la faible capacité à prédire de façon optimale le comportement de ce matériau et pour compenser les hypothèses simplifiées qui sont à la base du concept de dimensionnement, des facteurs de réduction élevés sur la résistance du silicone et des restrictions concernant son utilisation sont prescrites. Afin de contourner ces défauts, l’étude de la distribution des contraintes dans le silicone est de plus en plus faite par la méthode des éléments finis. Concernant les résultats des simulations numériques, l’évaluation de l’état des contraintes à l’aide d’un critère de rupture approprié et l’analyse de l’influence des singularités sur le comportement de rupture constituent des questions incontournables.

Le présent travail traite ces deux questions. Dans une première étape, l’amplitude de la déformation a été identifiée comme étant un critère de rupture approprié pour la matière brut et exempt de défauts du silicone structurel Dow Corning® 993 soumis à des charges statiques. Le critère de rupture a été calibré avec les résultats d’essais sur des échantillons en traction uniaxiale, ainsi que sur des échantillons circulaires en cisaillement et validé à l’aide des résultats sur des essais de compression sur des échantillons. L’amplitude de la déformation est un critère de rupture basé sur la déformation, cette dernière étant considérée comme une mesure de la distorsion des chaînes polymères.

Dans une deuxième étape, la distribution des contraintes dans un joint de recouvrement en cisaillement a été analysée en détail. Pour l’évaluation des contraintes et des déformations présentant un comportement singulier au coin libre de l’interface entre adhésif et adhérent, appelé «entaille bi-matière», le critère couplé, concept de la méthode connue sous la désignation anglo-saxonne «Finite Fracture Mechanics», a été étendu au comportement hyperélastique. Sur la base de tests de cisaillement sur de petits assemblages collés avec différentes épaisseurs d’adhésif et longueurs de chevauchement, le critère couplé a été utilisé pour prédire la charge à l’apparition de fissure et un bon accord avec les valeurs enregistrées lors des tests a été trouvé. Connaissant la résistance et le taux critique de restitution d’énergie de la matière, la charge à l’apparition de fissure et la longueur correspondante de la fissure initiée sont déterminées avec le critère couplé en résolvant un problème d’optimisation basé sur une analyse des éléments finis. Le critère partiel des contraintes a été modifié pour considérer l’amplitude de la déformation comme un critère de rupture. Afin d’analyser le critère partiel énergétique, le taux critique de restitution d’énergie du silicone structurel Dow Corning® 993 a été déterminée par les essais dits «Double Cantilever Beam test» en utilisant la méthode d’évaluation basée sur l’approche du J-intégral. En outre, des concepts de la théorie des distances critiques ont été utilisés pour déterminer les charges à l’apparition des fissures pour des essais à petite échelle. Contrairement aux essais sur des échantillons circulaires entaillés en cisaillement et aux essais de tension sur les joints adhésifs, de bonnes prédictions ont été trouvées pour les spécimens de cisaillement, lorsque la taille et la formulation des éléments utilisées dans l’analyse par éléments finis ont été choisies de façon constante à proximité de la singularité. Des résultats similaires ont été obtenus avec la méthode ponctuelle et l’approche du volume de contrôle. Ces résultats indiquent que la longueur caractéristique du silicone n’est pas constante.
[lb] Am Beräich Fassadenbau gëtt Silikon schonns säit den 1960er Joren an geklieften laaschtofdroenden Verbindungen agesaat. Déi am Vergläich zu aneren Kollen geréng Steifegkeet an Festegkeet ginn duerch déi exzellent Adhäsiounseegeschaften souwéi déi gudd Alterungs- an Witterungsbeständegkeet ausgeglach. Silikon weist e staark netlineart Materialverhalen op. Dat z’applizéiernd Bemiessungskonzept am Bauwiesen proposéiert vereinfacht Bemiesssungsformeln, déi e linear elastescht Materialverhalen unhuelen. Opgrond vum aktuellen Wëssensstand an fir déi vereinfacht Hypothesen vum Bemiessungskonzept ze kompenséieren ginn héich Ofminderungsfaktoren op der Materialfestegkeet an Aschränkungen hisiichtlech der Notzung virgeschriwwen. Fir déi Nodeeler z’iwwerwannen gëtt d’Beusprochung vum Silikon ëmmer méi heefeg mat der Finite Elemente Method ermëttelt. D’Bewäertung souwuel vun de komplexen Spannungszoustänn mat engem gëeegenten Versoenskritär wéi och den Afloss vun Singularitéiten op d’Versoensverhalen stellen hisiichtlech vun den Resultater vun esou enger Berechnung onauswäichlech Froen duer.

Déi virleiend Aarbecht behandelt dës zwou Froen. An engem éischten Schrëtt gouf den Dehnungsbetraag als e gëeegenten Versoenskritär fir dat defektfräit Grondmaterial vum Zweekomponentensilikon Dow Corning® 993 ënner quasi stateschen Belaaschtungen ermëttelt. De Versoenskritär gouf op der Basis vun Versich un eenaxeschen Zug- an kreesfërmegen Schubprouwen kalibréiert an mat den Resultater vun Drockversich validéiert. Den Dehnungsbetraag ass en dehnungsbaséierte Versoenskritär, dat als eng Mooss fir d’Verzerrung vun den Moleküllketten kann gesinn ginn.

An engem zweete Schrëtt gouf d’Spannungsverdeelung an enger eenschnëtteg iwwerlappeten schubbeusprochten geklieften Verbindung am Detail ënnersicht. Fir d’Evaluatioun vun den singulären Spannungen an Dehnungen um fräien Enn vun der Grenzfläch tëschent dem Fügedeel an dem Koll, dem sougenannten Bimaterialkrack, gouf den gekoppelten Spannungs- an Energiekritär, e Konzept aus der Finiten Brochmechanik, erfollegräich op netlinear elastescht Material erweidert. Op der Grondlag vun duerchgefouerten Schubversich u kléngen Baudeelprouwen mat ënnerschiddlechen Schichtdéckten vum Koll an ënnerschiddlechen Iwwerlappungslängten gouf d’Rëssinitiéierungslaascht mat dem gekoppelten Kritär ermëttelt an en gudden Accord mat den experimentellen Miessdonnéeën erzielt. Mat der Kenntnes vun der Festegkeet an der kritescher Energiefraisetzungsrat ginn am Kader vum gekoppelten Kritär op Basis vun Finite Elemente Berechnungen an engem Optimiséierungsproblem souwuel d’Rëssinitiéierunglaascht wéi och d’Längt vum entspriechenden Rëss ermëttelt. De Spannungsdeelkritär gouf dobäi an en dehnungsbaséierten Kritär ëmformuléiert. Fir den Energiekritär kënnen z’applizéieren, goufen Double Cantilever Beam Versich um Dow Corning® 993 duerchgefouert an d’kritesch Energiefraisetzungsrat mat der J-integral Method ausgewäert. Doriwwer eraus goufen Methoden vun der Theorie vun den kriteschen Distanzen fir d’Ermëttlung vun der Rëssinitiéierungslaascht bei den klengen Baudeelprouwen applizéiert. Anescht wéi bei den kreesfërmegen Schubprouwen mat engem Krack an den Zugversich un den geklieften Prouven konnt e gudden Accord mat den experimentellen Resultater bei den Schubversich festgestallt ginn, wann an der Finite Element Simulatioun eng konstant Elementgréisst an eng konstant Elementformuléierung gewielt goufen. Ähnlech Resultater goufen mat der Punktmethod an dem Usaatz vun engem Kontrollvolumen erzilt. D’Enquête huet gewisen, dat den charakteristeschen Längtenparamter fir de Silikon keng Materialkonstant ass.
Researchers ; Professionals ; Students
http://hdl.handle.net/10993/34392

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