Assessment and design of composite patch repairing in marine applications

Karatzas, Vasileios A.; Καρατζάς, Βασίλειος Α.

dc.contributor.author	Karatzas, Vasileios A.	en
dc.contributor.author	Καρατζάς, Βασίλειος Α.	el
dc.date.accessioned	2017-01-17T11:08:35Z
dc.date.available	2017-01-17T11:08:35Z
dc.date.issued	2017-01-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44218
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2433
dc.rights	Default License
dc.subject	Composite patches	en
dc.subject	Marine repairs	en
dc.subject	Bimaterial fracture mechanics	en
dc.subject	Adhesive bonding	en
dc.subject	Cohesive zone modelling	en
dc.title	Assessment and design of composite patch repairing in marine applications	en
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Structural analysis	en
heal.classification	Experimental Testing	en
heal.classification	Fracture mechanics	en
heal.classification	Finite Element Analysis	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-18
heal.abstract	Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη χρήση επιθεμάτων από σύνθετα υλικά για την επιδιόρθωση ατελειών που εμφανίζονται σε χαλύβδινες θαλάσσιες κατασκευές. Η εκπονηθείσα διατριβή είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού πειραματικής, αριθμητικής και αναλυτικής προσέγγισης. Στόχος της είναι η εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της συγκεκριμένης μεθόδου επισκευής, η διερεύνηση τεχνικών επιθεώρησης της ακεραιότητάς της και τέλος η ανάπτυξη μίας απλής μεθοδολογία ελέγχου για τον ορθό σχεδιασμό αυτής. Για να επιτευχθούν οι προαναφερθέντες στόχοι πραγματοποιήθηκε μία σειρά στατικών πειραματικών δοκιμών μεσαίας κλίμακας σε χαλύβδινες πλάκες που έφεραν εγκοπή και σε πλάκες που είχαν υποστεί διάβρωση. Όλα τα δοκίμια δοκιμάστηκαν σε εφελκυσμό. Ταυτόχρονα, εφαρμόστηκαν διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου και παρακολούθησης για την αξιολόγηση της επισκευής και για τη μελέτη του τρόπου αστοχίας της. Μέσω των πειραμάτων εξετάστηκε και η επίδραση της περιβαλλοντικής γήρανσης λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικά σενάρια γήρανσης. Εν συνεχεία αναπτύχθηκαν δισδιάστατα και τρισδιάστατα μη γραμμικά μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων με στόχο την αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα ήταν σε καλή συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις. Επιπρόσθετα, διεξήχθησαν δοκιμές κόπωσης σε χαλύβδινες πλάκες που έφεραν κεντρική ρωγμή και είχαν επιδιορθωθεί με επιθέματα από σύνθετα υλικά. Αντίστοιχα με τις στατικές δοκιμές, πέραν της αποτελεσματικότητας της μεθόδου, δόθηκε βάρος στην επίδραση της περιβαλλοντικής γήρανσης και στην εφαρμογή μεθόδων μη καταστρεπτικού ελέγχου για την αξιολόγηση του δεσμού μεταξύ του επιθέματος και της πλάκας. Επιπρόσθετα προτάθηκε μία αριθμητική μεθοδολογία αξιολόγησης τόσο της κρισιμότητας ρωγμών σε πλοία μεταφοράς πετρελαίου, καθώς και της μεθόδου επισκευής. Στο τελευταίο τμήμα της διδακτορικής διατριβής δίνεται έμφαση στη χρήση της γραμμικά ελαστικής θεωρίας θραυστομηχανικής για διεπιφάνειες. Συγκεκριμένα, συνδυάζοντας αριθμητικά μοντέλα και αναλυτικούς τύπους πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη για να διερευνηθούν πως το μέτρο ελαστικότητας και το πάχος του επιθέματος σε σχέση με αυτό της μεταλλικής κατασκευής επιδρούν στην αποτελεσματικότητα της επισκευής υπό διαφορετικές φορτίσεις. Κατόπιν, με βάση τα ευρήματα των ανωτέρω εργασιών, αναπτύχθηκε μία απλή μεθοδολογία ελέγχου για τον ορθό σχεδιασμό επιδιορθώσεων αυτού του τύπου. Εν κατακλείδι, η διδακτορική διατριβή επιδεικνύει τις δυνατότητες της χρήσης επιθεμάτων από σύνθετα υλικά για την επιδιόρθωση θαλάσσιων κατασκευών, έχοντας εξετάσει κρίσιμα ερωτήματα που σχετίζονται με την αποτελεσματικότητα, την ανθεκτικότητα, και τον τρόπο σχεδιασμού αυτών.	el
heal.abstract	The current PhD thesis focuses on the investigation of the use of composite patches for the rehabilitation of defected marine steel structures. This work is the result of a combined experimental, numerical and analytical approach aiming at providing insight on the design, inspection and in service performance of such repairs. A design evaluation procedure has been developed based on simple analytical tools which are to be utilized by engineers for the design and analysis of composite patch repairing and other similar adhesively bonded applications. A series of midscale static tests have been performed in defected steel plates, namely in corroded and notched plates. All plates have been repaired with composite patches and tested in tension. Additionally, different health monitoring and inspection methods have been applied to assess the quality of the repair both after installation and during operating conditions. Moreover, the effect of different aging scenarios has been investigated. Finally, 2D and 3D finite element models have been created using cohesive zone modelling which are in good agreement with the experimental findings. Simultaneously, cracked plates on which composite patches have been installed were experimentally investigated under fatigue loading. Once again, apart from the efficiency of the repair, health monitoring and the effect of different aging scenarios have been assessed. Additionally, a methodology for the assessment of cracked elements in marine structures and the effectiveness of the investigated repair method is proposed. This methodology is based on the implementation of the common structural rules with the use of user subroutines and finite element modelling. At the end of this work, emphasis is given in the use of linear fracture mechanics in bimaterial interfaces and a parametric study has been performed to quantify how key parameters affect the adhesive bond between the patch and the steel substrate. Following the parametric study, a simple, time effective design evaluation procedure for this kind of repairs is proposed. In conclusion, the present PhD thesis shows the potential of composite patch repairing on marine structures, having addressed critical issues associated with their effectiveness and durability, and proposing a simple analytical procedure for their design.	en
heal.advisorName	Τσούβαλης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Παντελής, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Καρύδης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Λαμπέας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κωστόπουλος, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Σαμουηλίδης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππίδης, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	229 σ.
heal.fullTextAvailability	true