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Sandwich Construction Eng. Marco Leite Prof. Manuel de Freitas Prof. Arlindo Silva.

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1 Sandwich Construction Eng. Marco Leite Prof. Manuel de Freitas Prof. Arlindo Silva

2 NOV Sandwich Construction Introdução Leis Constitutivas Exemplo Design procedures Aplicações Bibliografia

3 NOV Introdução Origem Princípio Sandwich Vantagens e Desvantagens

4 NOV Origem II Gerra Mundial – de Havilland Mosquito TT35 TA639 – Fuselagem Plywood/Balsa/Plywood Mosquito. The timber terror. Light, fast, deadly. The excellent performance demonstrated by this airplane had convinced numerous aircraft designers of the superiority of sandwich structure as a means of constructing more efficient airplanes Falta de materiais na G.B. no auge na II Guerra Mundial

5 NOV Origem II Guerra Mundial – Vultee BT15 (USA) – Fuselagem Fibra de vidro em matriz de poliester com núcleo em honeycomb de fibra de vidro ou núcleo de balsa.

6 NOV Princípio Sandwich (c) web core (d) corrugated core

7 NOV Vantagens e desvantagens VantagensDesvantagens Alta Resistência Específica Perigoso para a saúde durante a construção (Resinas) Alta Rigidez Específica Fracas possibilidades de reciclagem (compósitos) Baixo Peso Falta de informação nos engenheiros e designers Isolamento Térmico e AcústicoProblemas de temperatura Capacidade de resistência à corrosãoMudança de mentalidades Facilidade de formas completasControlo de Qualidade Capacidade de absorção de EnergiaVariedade de critérios de rotura Poucas peças estruturais necessáriasIncompatibilidade de materiais Múltiplas possibilidades de escolha de materiais

8 Leis Constitutivas

9 NOV Leis Constitutivas Teoria clássica vs Teoria 1ª ordem Campo de deslocamentos Campo de deformações Relação Tensão-Extensão TCL Leis Constitutivas TCL Relação Tensão-Extensão 1ª ordem Leis Constitutivas 1ª ordem

10 NOV Teoria clássica vs Teoria 1ª ordem Teoria Clássica LaminadosTeoria 1ª ordem

11 NOV Campo de Deslocamentos Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem

12 NOV Campo de Deformações Teoria Clássica LaminadosTeoria 1ª ordem

13 NOV Relação Tensão-Extensão TCL Teoria Clássica Laminados Extensões superfície média Curvaturas Relação Tensão/Extensão

14 NOV Leis Constitutivas TCL Forças de membrana actuantes no laminado Momentos actuantes no laminado

15 NOV Relação Tensão-Extensão 1ª ordem Extensões superfície média Curvaturas Relação Tensão/Extensão

16 NOV Leis constitutivas 1ª Ordem

17 NOV Exemplo – Ensaios 3PB Viga de contraplacado – Comparação entre a TCL e 1ª Ordem Vigas sandwich faces em GRP núcleo PU – Comparação entre a TCL e 1ª Ordem

18 NOV Exemplo – Ensaios 3PB Deslocamento a meio vão: TCL (bending) Corte 1ª Ordem

19 NOV Viga de contraplacado 18.2 mm Contraplacado de madeira de vidoeiro – 13 camadas [0º,90º,0º...,0º,90º,0º] – Material Ortotrópico – Vão 1000 mm – Resultados Força vs Deslocamento

20 NOV Viga de contraplacado 18.2 mm

21 NOV Viga sandwich em GRP + PU Viga sandwich – Faces em fibra de vidro em matriz de poliéster Espessura de 2.5 mm Gramagem de 900 g/m 2 – Núcleo em espuma de poliuretano Espessura de 50 mm Densidade de 40 kg/m 3 Materiais Isotrópicos – Faces E = 6100 MPa = 0.33 – Núcleo E = 7.5 Mpa = 0.33

22 NOV Vigas sandwich em GRP + PU

23 Design procedures

24 NOV Design procedures Vários envelopes de rotura concorrentes Altamente dependente da geometria e do carregamento

25 NOV Design procedures

26 NOV Design procedures

27 NOV Design procedures

28 Aplicações

29 NOV Aplicações Aeroespacial Aeronáutico Construção Desporto Naval Automóvel Veículos Ferroviários etc

30 NOV Satélites 1 Solar Panels : Epoxy carbon prepregs, aluminum honeycomb, film adhesive 2 Reflectors Antennae : Epoxy/aramid prepreg, cyanate carbon prepreg, aramid/aluminum honeycomb 3 Satellite Structures : Carbon prepreg, aluminum honeycomb, film adhesive

31 NOV Aeroespacial 1 Fairings: Carbon prepregs. Aluminium honeycomb and adhesives. 2 External Payload Carrier Assembly (SPELTRA): Carbon prepregs, aluminium honeycombs and adhesives. 3 EPS Ring: Epoxy/carbon prepreg or RTM. 4 Front Skirt: Carbon prepreg. 5 Booster Capotage: Epoxy glass/non-metallic honeycomb. 6 Yoke: Epoxy carbon filament winding. 7 Heat Shield: Carbon prepreg/high temperature resistant glass fabric.

32 NOV Aeronautico 1 Radar Transparent Radome: Epoxy or BMI Prepreg or RTM resins and woven preforms (socks) 6 Wing Skins and Ribs: Epoxy carbon and glass Prepregs 2 Foreplane Canard Wings: Epoxy carbon Prepregs 7 Fin Tip: Epoxy/quartz Prepregs 3 Fuselage Panel Sections: Epoxy carbon Prepregs. Non-metallic honeycomb core and Redux adhesives 8 Rudder: Epoxy carbon Prepreg 4 Leading Edge Devices: Epoxy carbon and glass Prepregs 9 Fin: Epoxy carbon/glass Prepreg 5 Fin Fairings: Epoxy glass and carbon Prepregs 10 Flying Control Surfaces: Epoxy carbon and glass Prepregs. Honeycomb core material and Redux adhesives

33 NOV Pás do rotor de um helicóptero Sea King, mostrando a estrutura interna em compósito. Com a aplicação de compósitos consegue-se maior velocidade das pás e menor transmissão de vibrações à estrutura.

34 NOV Naval 1 Decking: Heavy duty structural sandwich panels9 Weather Shield: Prepregs and honeycombs. 2 Hull Skin Structure: Prepregs, engineered fabrics, honeycombs. 10 Communications Equipment : Prepregs and honeycombs. 3 Lightweight Floor Structure: Sandwich panels. 11 Companionway Stairs : Structural sandwich panels 4 Suspended Ceilings : Lightweight sandwich panels/honeycombs.12 Partitions: Lightweight sandwich panels. 5 Interior Furnishings : Lightweight stiff sandwich panels suitable for fabrication. Prepregs and fabrics. 13 Lightweight Superstructure: Sandwich panels and Prepregs. 6 Hull Skin Structure: Prepregs, engineered fabrics, honeycombs. 14 Engine Room : Sandwich panels and special products for FST and sound attenuation.. 7 Accommodation Cabin Units: Lightweight sandwich panels, Prepregs and honeycombs. 15 Drive Shafts & Couplings: Epoxy Prepregs and fabrics 8 Bridge Deck Consoles: Lightweight sandwich panels.

35 NOV Naval

36 NOV Desporto

37 NOV O quadro (que já nem sequer tem a forma tradicional de um quadro...) da bicicleta da figura é feito em carbono/ epoxy, bem como as jantes das rodas. Consegue-se maior rigidez e menor peso em relação às estruturas de alumínio. Além disso, o design pode e deve ser alterado para maximizar os benefícios do novo material.

38 NOV Aplicações diversas de compósitos em artigos de desporto e lazer. A sua utilização destina-se, em geral, a poupar peso, ganhando rigidez e resistência e, por vezes, permitindo um design mais atractivo que as ligas metálicas, devido à facilidade de moldagem.

39 NOV Construção civil

40 NOV Sandwich technology: The sandwich principle has been successfully used in the marine and aerospace industries. Now, Bombardier's new Fully Integrated Carbody Assembly System (FICAS) revolutionizes manufacturing in the rail industry. FICAS consists of a thin sandwich construction comprising a steel skin bonded to a rigid core. The advantage of this approach to the overall space saving equation is that the sidewalls become significantly thinner than a conventional wall, with possible savings of up to 120 millimeters in wall thickness. (May 2003) Comboios

41 NOV Automóvel With the long version, the A-class sets a new record for compact cars, for no other automobile in this market segment offers so much cubic capacity, as much as 68.2 cubic feet – which is 11 percent more than the unchanged current standard version. The spatial economy of the new body variant is equally commendable: since the drive units, thanks to the sandwich concept, are positioned partly in front of and partly beneath the passenger cell, 53 percent of the 12 foot 5 inch body is available to the passengers … With the new variant we can now also satisfy prospective customers who were already convinced by the A-Class design and concept but wanted to have more room, emphasized D. Joachim Schmidt, member of divisional management…

42 NOV Automóvel Therefore, American's steel manufacturers hired Porsche Engineering Services to develop a new kind of steel monocoque technology calls Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB). As shown in the picture, basically it has the same structure as a conventional monocoque. What it differs from its donor is in minor details - the use of "Hydroform" parts, sandwich steel and laser beam welding. Sandwich steel is made from a thermoplastic (polypropylene) core in between two very thin steel skins. This combination is up to 50 percent lighter compared with a piece of homogenous steel without a penalty in performance. Because it shows excellent rigidity, it is applied in areas that call for high bending stiffness. However, it cannot be used in everywhere because it needs adhesive bonding or riveting instead of welding.

43 NOV Transporte Isotérmico Vantagem da construção sandwich: Alto isolamento térmico aliado ao desempenho estrutural

44 Bibliografia

45 NOV Bibiografia Plantema, F.J., Sandwich construction; the bending and buckling of sandwich beams, plates, and shells. 1966, New York,: Wiley. xx, 246. Allen, H.G., Analysis and design of structural sandwich panels. 1st ed. 1969, Oxford New York: Pergamon. xvi, 283. Forest Products, L., Wood handbook : wood as an engineering material. General technical report (Forest Products Laboratory) ; FPL-GTR , Madison: The Laboratory. Gay, D., Matériaux composites. 4e éd. rev. et augm. ed. Collection Matériaux. 1997, Paris: Hermès, Gibson Lorna, J. and F. Ashby Michael, Cellular solids : structure & properties. International series on materials science & technology. 1988, Oxford: Pergamon Metzger, D.J., The selection of sandwich panels. 1970: Ithaca, N.Y. p. x, 142 l. Middleton, D.H., Composite materials in aircraft structures. 1990, Harlow: Longman Scientific & Technical. Vinson, J.R., The behavior of sandwich structures of isotropic and composite materials. 1999, Lancaster, Pa.: Technomic Publishing Co. Zenkert, D., An introduction to sandwich construction. 1997, Warley: Emas. Zenkert, D. and F. Nordic Industrial, The handbook of sandwich construction. North European engineering and science conference series. 1997, Cradley Heath: EMAS Publishing.

46 FIM


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