GFRP panels subjected to impact loads at room and artic temperatures

Abstract

ABSTRACT

Canada’s sovereignty and domestic operations are at the core of Canada’s Arctic and Defence policies. These missions warrant the advancement of research in cold temperature environments. Knowledge of cold temperature effects on new infrastructure using innovative materials such as fibre reinforced polymers (FRP) is critical in order to have safe and accurate design procedures. These new structures may be subjected to malicious or accidental threats that can generate extreme dynamic loadings such as blast or impact events.

To investigate extreme loading effects on lightweight infrastructure suitable for Arctic conditions, the impact response of a GFRP multi-cell ribbed structural panel subjected to low-velocity impact loadings was investigated. These panels could be used as primary or secondary structural components. An impact hammer apparatus was used to study the dynamic properties of the panels as well as to investigate the effects of low temperature when the panels were subjected to low- velocity impact. The main varying parameters in the following studies are panels’ temperature and imparted kinetic energy. Tests were conducted at two temperatures: 20 ºC which represents room temperature and -50 ºC for cold Arctic conditions. A total of 52 tests were carried out on 28 panels which had widths of 605 mm, heights of 80 mm and overall lengths of 1500 mm. The kinetic energies imparted to the panels varied from 1300 J to 2970 J by changing the impact hammer drop height. The panels’ threshold failure energy for quasi-static 3-point flexure tests at a strain rate of 6x10-5 s-1, was increased from a value of 960 J to 1590 J by increasing the strain rate to 1 s-1 using the impact hammer. This energy was increased even higher for cold temperature dynamic tests at similar strain rates to a value of 2090 J showing that the studied panels exhibited a higher energy absorption in cold temperatures under dynamic loads. Similar observations were made for failure displacements which increased not only by increasing the strain rate but also by reducing the temperature for similar strain rates. Residual strength tests were done on dynamically tested panels using a quasi-static 3-point flexural testing frame in order to capture their impact damage resistance. These tests were in good agreement with the threshold energies observed during impact tests. For room temperature tests, panels that were subject to an impact greater than approximately 1500 J would lose up to 80% of their flexural strength, and this threshold value was observed to be approximately 2100 J for cold temperature panels.

To complement the experimental studies, a single degree-of-freedom (SDOF) model was derived in order to simulate the laboratory tests. This model was based on the moment-curvature relations for this particular cross-section. The modelled responses were then created and compared with the observed experimental behaviour of all specimens in the testing schedule. The model generated accurate results under certain conditions. It was however unable to generate accurate results for most specimens that either had failed experimentally or for specimens that did not exhibit the same failure mode in the model and experiments. It is recommended that a more precise evaluation of an appropriate resistance function be determined that could be used for SDOF models or a more complex analysis such as explicit non-linear finite element analysis might be warranted for such brittle materials.

RÉSUMÉ

La souveraineté du Canada et les opérations domestiques font partie intégrale des politiques canadiennes concernant l’Arctique et la Défense. Ces missions demandent une avancée de recherche pour les conditions arctique. Il est critique de mieux comprendre les effets des températures froides sur les nouvelles infrastructures composées des matériaux légers tels que les polymères renforcés par fibre (PRV). Ces nouvelles structures pourraient être sujettes à des menaces accidentelles ou malicieuses qui résulteraient en force dynamiques extrêmes tels qu’une explosion ou un impact. Afin d’étudier les effets de telles forces dynamiques sur des infrastructures légères en conditions arctiques, la présente thèse étudie le comportement dynamique de panneaux structuraux multicellulaires en PFR de verre (PRFV) sujet à des impacts à faible vitesse. Ces panneaux pourraient être utilisés comme composantes structurales primaires ou secondaires. Un marteau de type pendule a été utilisé afin d’évaluer les propriétés dynamiques de ces panneaux. De plus, ce même appareil a été utilisé pour étudier l’effet des températures froides lorsque les panneaux sont soumis à des impacts à faible vitesse. Les variables principales de la présente thèse sont la température des panneaux et l’énergie cinétique imposée. Deux températures ont été retenues pour cette étude : 20 °C représentant la température ambiante, et -50 °C pour représenter les conditions arctiques. Un total de 52 essais ont été complétés sur 28 panneaux qui avaient 605 mm de largeur, 80 mm de hauteur et une longueur de 1500 mm. L’énergie cinétique transmise aux panneaux varie de 1300 J à 2970 J en changeant la hauteur initiale du marteau. Le seuil critique d’énergie pour les essais quasi statiques à une vitesse de déformation de 6x10-5 s-1 a été augmenté de 960 J à 1590 J en augmentant la vitesse de déformation à 1 s-1 pour les essais dynamiques. Ce même seuil a été augmenté davantage pour les essais dynamiques à -50 °C ayant une vitesse de déformation similaire avec une valeur de 2090 J. Ceci indique que les panneaux choisis manifestent une plus grande absorption d’énergie lorsque sujets à des forces dynamiques simultanément à des températures froides. Des observations similaires ont pu être constatées avec le seuil critique de déflexion. Ce seuil a été augmenté avec une vitesse de déformation plus rapide, ainsi qu’avec des températures froides pour les essais dynamiques. De plus, des essais de force résiduelle ont été complétés en utilisant un appareil de flexion trois-points afin d’évaluer la résistance des panneaux au dommage générés par les impacts. Ces

essais sont en accord avec les seuils d’énergie et de déflexions au moment de fracture évalués précédemment. Pour les essais à température pièce, les panneaux sujets à des impacts dépassant 1500 J perdaient environ 80% de leur force de flexion. Cette valeur d’impact était plus élevée pour les panneaux à température froide avec un résultat de 2100 J.

Afin de complémenter les essais expérimentaux, un modèle à degré de liberté simple a été utilisé pour simuler les résultats observés en laboratoire. Ce modèle a été basé sur la relation moment-courbure. Les relations forces-déflexions simulées ont été comparées avec tous les résultats expérimentaux. Le modèle a généré des comportements adéquats sous certaines conditions : lorsque les panneaux n’ont pas fracturé en laboratoire et lorsqu’ils ont suivi le même mode de rupture dans le modèle et les essais expérimentaux. Les panneaux ne suivant pas ces conditions, soit la majorité, ont présenté des résultats erronés. Il serait alors recommandé d’utiliser une méthode d’évaluation plus précise pour la fonction de résistance d’un modèle à degré de liberté simple ou tout simplement utiliser une autre méthode plus complexe et adéquate pour des matériaux fragiles telle que l’analyse d’éléments finis non-linaire explicite.