Folder Kufo DC serie - Memphis Houtbewerking

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Determination of a material law for two selected
adhesives for adhesive point-fixings
Simon Hollevoet & Kevin Verstraete
Supervisors: prof. dr. ir.-arch. Jan Belis, ir. Jonas Dispersyn
Abstract – More and more, bolted point-fixings of glass panes
are left behind in favour of adhesive point fixings. This
connection method has not only aesthetic benefits, but also
highly reduces the occurring stress concentrations, thermal
bridges and condensation problems. In this research, two
adhesives (one flexible and one stiff) are considered. Material
laws are calibrated to predict the occurring deformations of a
verification setup. This setup consists of two steel cylinders,
which are glued together with the considered adhesives. In order
to check whether the material model is able to predict the
deformations of the verification setup, the material model for
each adhesive is implemented in a finite element approximation
of this verification setup. The accuracy check consists of the
comparison between the actual and the predicted relative
displacement of the two steel cylinders.
Keywords – Adhesive, point-fixing, finite element model, hyper
elastic, strain energy potential, linear elastic
I. INTRODUCTION
The transition from bolted point-fixings to adhesive pointfixings leads to some remarkable benefits:
• uniform transition of the occurring forces from the
glass to the attachment points;
• no micro cracks along the borehole;
• reduction of the chance of occurrence of thermal
bridges;
• reduction of condensation problems;
• the flat surface is easy for pre-treatment and
adhesive bonding.
Since the adhesives do not only need to take up the thermal
expansion of the glass pane, but also need to have a certain
strength to keep the glass pane in place, it is important to
have the possibility to predict the behaviour of these
materials.
In order to predict this behaviour, material laws are
calibrated with experimental data of tension, compression
and shear tests.
models are used. Therefore the adhesive is considered as
incompressible. Tensile tests on dog bone samples lead to a
Poisson ratio of 0.49, which leans close to the Poisson ratio
of perfect incompressible materials (0.50).
B. Material models
Hyper elastic material models are based on the existence of
a strain energy function W, which is a measure of the amount
of energy in a certain material. It can be described by either
statistical micromechanics of the molecular chains or by
phenomenological material models.
The first group of material laws are based on the modelling
of polymer chains on micro level, e.g. 3-chain, 8-chain, fullnetwork, Flory-Erman and tube model. The second group of
material laws has no theoretical background, e.g. Polynomial,
Mooney-Rivlin, Neo-Hooke, Gent-Thomas, Hart-Smith,
Ogden, Reduced Polynomial, Yeoh, Gent, PucciSaccomandi, Pamies-Lopez, Van der Waals.
Strain energy function – The amount of energy is a
function of the occurring stretches in the principle directions
[2]. In the micromechanical material models, these stretches
are modelled by relative chain stretches, while in
phenomological material models the stretches  are taken into
account using strain invariants  ,  and  . For
incompressible materials,  is equal to 1.
Polynomial model – The first phenomenological material
model ever developed consists of an infinite sum of products
of the strain invariants:

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(1)

with  the material parameters.
Calibration – Using the following relations, the theoretical
tension-compression and shear stresses can be calculated
[3][4].
II. SOUDASEAL 270 HS
A. Prior examination
In order to decide what material model should be used to
predict the behaviour of the Modified Silane (MS)-polymer, a
Dynamic Mechanic Thermal Analysis (DMTA) is carried out
[1]. This leads to a glass transition temperature of -64.74°C.
Since the working temperature is much higher than this glass
transition temperature, the adhesive is considered as a rubber.
For the prediction of rubber materials, hyper elastic material

S. Hollevoet and K. Verstraete are with the Faculty of Engineering and
Architecture, Ghent University (UGent), Gent, Belgium. E-mail:
[email protected], [email protected].
  

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
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  
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   
 


    
 

(2)
(3)
After partial derivation of the strain energy potential, the
relations become function of the occurring stretches and
material parameters. Using experimental data of tension,
compression and shear tests, the theoretical formulations can
be fitted to the experimental stress-stretch diagrams. This can
be done by a non-linear least square fit.


C. Experimental tests to obtain the material parameters
In order to calibrate the material models, test data is
required. Therefore several experimental tests on the
adhesive as bulk material are carried out:
• tensile tests on dog bone samples (ISO 527) [5];
• compression tests on massive cylinders (ISO 604) [6];
• Thick Adherend Shear Test (EN 14869-2) [7].
After processing the test data into stress-stretch diagrams,
the calibration of the material models is done by a
preprogrammed Matlab® procedure.
After an extra cyclic loading procedure, it becomes clear
that the adhesive is subjected to the non-ideal Mullins effect
[8].
IV. PRODUCTION OF THE TEST SPECIMENS
A. Moulds
Both materials have to be mixed before being used for
fabrication of the test specimens. The flexible adhesive is
mixed with 5% water [10], since it hardens by moisture
curing. The epoxy hardens by chemical curing, after both of
the components are mixed together. The mixed adhesives are
injected into PTFE moulds and stored in a climate chamber
with a temperature of 21°C and relative humidity of 45%.
B. Specimen dimensions
Dog bones – According to ISO 527, the dog bones used in
this research are of type B1.
D. Different test data combinations
Unlike stated in the literature, the material models are not
only calibrated with as much as combined information as
possible. The models are also calibrated using for example
only test data from tensile tests or only shear tests. Following
combinations of test data are possible: tension, compression,
shear, tension-compression, tension-shear, compressionshear, tension-compression-shear.
III. 3M SCOTCH WELD 9323 B/A
A. Prior examination
Also for the stiff two-component epoxy a DMTA is carried
out. This time a glass transition temperature of 47.15 °C is
obtained. Since the working temperature is lower than this
value, the material is considered as crystalline. The behaviour
is therefore approximated by a linear elastic model. The
Poisson ratio is equal to 0.39 and the modulus of elasticity is
equal to 2408.412 MPa, both obtained from tensile tests. The
shear modulus is equal to 767.018 MPa (V-Notch) or 700.142
MPa (U-Notch).
B. Material model
Since the stiff epoxy is considered as a linear elastic
material, only the linear elastic model following Hooke’s law
is used.
Calibration – Only the Poisson ratio and the modulus of
elasticity are needed. These parameters are again obtained
from experimental tests on bulk material.
C. Experimental tests to obtain the material parameters
For the calibration of the material models, only tensile tests
are necessary. However, also compression and shear tests are
carried out:
• tensile tests on dog bones (ISO 527) [5];
• compression tests on massive cylinders (ISO 604) [6];
• Iosipescu Shear Test (D5379) [9].
After processing the test data, the relation between the
modulus of elasticity, shear modulus and Poisson ratio is
verified. A deviation of 10% occurs, which is acceptable to
keep considering the epoxy as a linear elastic material.
Also for this stiff adhesive, a cyclic loading procedure is
carried out: the non-ideal Mullins effect is far less present [8].
Figure 1: Dog bones
Cylinders – The massive cylinders have a height and
diameter of respectively 15 and 30 mm.
Figure 2: Massive cylinders
Thick Adherend Shear Test – In order to eliminate
moments in the adhesive, tiered aluminium substrates are
used.
Figure 3: Thick Adherend Shear Test specimen
Iosipescu Shear Test – Pure shear on stiff bulk material
needs an Iosipescu Shear Test setup, where V- or U-notched
specimens is clamped into.
Figure 4: (a) V- and U-Notch specimen
(b) Iosipescu Shear Test setup
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C. Verification setup
In order to validate the calibrated material models, an extra
setup is considered. The test data will however not be used to
calibrate the material model. It consists of two steel cylinders,
glued together by both the flexible and stiff adhesive. Two
variants are used, where firstly the contact surfaces are
horizontal and secondly the contact surfaces placed under an
angle of 45°.
Figure 8: Speckle pattern on dog bone specimen
Such a method is beneficial if several data has to be
acquired out of one single test setup. After defining the area
of interest, relative or absolute displacements, strain in
different directions, virtual strain gauges, extensometers, etc.
can be read out of the correlation software.
Figure 5: Verification setup:
(a) horizontal (b) 45° contact surface
The thickness of the bonding layer of the flexible and stiff
adhesive is equal to respectively 2 and 0.2 mm.
Figure 6: Force-displacement diagrams – horizontal surface
Figure 9: Sequence of DIC output images (strain)
In this research, the DIC software is also used to calculate
the occurring lateral contraction in order to determine the real
specimen section and thus the real stress instead of the
commonly used engineering stress.
B. Why using DIC?
The use of DIC is important if accurate test data has to be
gathered, for example for the stress-strain behaviour of the
considered adhesives. Especially for tensile test on the
flexible dog bones, a big difference occurs when comparing
the stress-strain diagram of DIC with the diagram based of
the relative displacement of the testing machine clamps.
After loading, the force-displacement diagrams of the setup
with flexible adhesive show large variations. This is a
consequence of the fact that the bonding layer not only fails
due to cohesive failure, but also due to adhesive failure.
Figure 10: Comparison strains: DIC vs. Tensile testing machine
Figure 7: Combination of cohesive and adhesive failure
(a) horizontal (b) 45°
V. DIGITAL IMAGE CORRELATION
A. Principle
Digital Image Correlation (DIC) is a measurement method
where occurring deformations of test specimens are
calculated after applying a speckle pattern on it. It is a whole
field measurement method. That means that, unlike the
extensometer (considering the relative displacement of only
two points), the deformations of a whole area of interest can
be investigated. The measurement consists of taking photos
of the specimen while the test is operating. After the test, the
photos are implemented into correlation software, where the
occurring deformations are calculated due to the relative
movement of the speckles.
The reason of the big difference is the fact that slip occurs
in the clamps due to lateral contraction of the specimen. A
comparable problem is encountered while testing the stiff
adhesive verification setup. While the tensile testing machine
reads out relatively big deformations of the clamps, DIC
measures almost no relative displacement of the steel
cylinders. It means that it is not the adhesive layer, but the
steel bolt and cylinder, used for the placement of the setup
between the clamps, that stretch.
VI. FINITE ELEMENT MODEL
A. Verification model
In order to check the accuracy of the calibrated material
models, both verification models are approached by
corresponding Abaqus® finite element models.
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Optimal material model – Since the validation relies on
only one verification setup, no optimal material model is
proposed. However, after comparing all combinations and
models, it seems that for the best results, shear tests always
have to be carried out.
Figure 11: Finite element approximation of the verification setup:
(a) horizontal (b) 45°
The flexible adhesive is modelled by C3D8H elements,
while for the stiff adhesive C3D8 elements are used. To
ensure that a regular mesh pattern consisting of Hex-elements
is used, a regularly seeded square is provided in the middle of
the adhesive layer. If not, automatic seeding, using Wigelements, would lead to irregular elements and a singular
point in the middle of the adhesive layer.
VII. VALIDATION OF THE MATERIAL MODELS
A. Soudaseal 270 HS
The theoretical and experimental relative displacements of
the massive cylinders are compared to each other. The
comparison is based on two evaluation criteria:
• initial stiffness;
• initial deformations.
Since not only cohesive, but also adhesive failure occurs, the
strongest verification setup is considered to validate the finite
element model. The thought behind this is the fact that in the
finite element model, neither cohesive nor adhesive failure is
implemented. That means that the model represents an ideal
situation. The only verification setup that comes close to that
behaviour is the setup where the adhesive bond lasts as long
as possible. This could also be the reason why the theoretical
force-displacement diagrams are constantly linear, unlike the
experimental diagrams where the first section is linear (no
adhesive failure) and the second part becomes less steep.
B. 3M Scotch Weld 9323 B/A
Because the relative deformations of the steel cylinders of
the verification setup are too small, the occurring noise on the
on the measurements is bigger than the actual deformations.
Because of that, no validation of the numerical model will be
carried out.
VIII. CONCLUSION
Depending on the used combination of test data, different
hyper elastic material models can be used to predict the
behaviour of the flexible adhesive. The best calibration is
obtained using (combined) data from shear tests.
The modelling of the stiff adhesive could not be validated
due to minor deformations.
Both models are subjected to a non-ideal Mullins-effect
(flexible adhesive to a greater extent).
IX. FUTURE RESEARCH
When carrying out similar investigations, it is important to
prevent that adhesive failure occurs in the verification setup.
At the same time, the finite element model has to be
optimised by introducing break mechanisms of the adhesive
and using cohesive elements. Also cyclic loading of the
flexible adhesive can be investigated more in detail.
X. ACKNOWLEDGEMENTS
The authors would like to thank their supervisors for letting
investigate this research subject. Also a special thanks to
Zwick/Roell for the use of their tensile testing machine and
dr. ir. Stijn Hertelé for the use and introduction to Digital
Image Correlation.
REFERENCES
Figure 12: Predicted vs. practical deformation – horizontal
Figure 13: Comparison predicted vs. practical deformations – 45°


Dispersyn, J. (2014). Adhesive material models for structural glass
applications.
Rivlin, R. (1948). Large Elastic Deformations of Isotropic Materials. IV.
Further Developments of the General Theory. Royal Society of
London Philosophical Transactions Series A, 241, 379-397.
Dias, V., Hechler, O., Odenbreit, C., Scholzen, F., & Ben Zineb, T. (2012).
Develepment of material law for silicone to simulate structural
adhesive connections. Paper presented at the Glasstec, Düsseldorf.
Steinmann, P., Hossain, M., & Possart, G. (2012). Hyperelastic models for
rubber-like materials: consistent tangent operators and suitability for
Treloar’s data. Archive of Applied Mechanics, 82(9), 1183-1217.
International Organization for Standardization , (1998). ISO 527-1,2: Plastic,
determination of tensile properties.
International Organization for Standardization, (2002). ISO 604:
Determination of compressice properties.
International Organization for Standardization, (2004). EN 14869-2:
Structural adhesives. Determination of shear behaviour of structural
bonds. Thick adherends shear test.
Diani, J., Fayolle, B., Gilormini, P. (2009). A review on the Mullins effect.
European Polymer Journal, 45, 601–612.
ASTM. (2012). ASTM D5379: Standard Test Method for Shear Properties of
Composite Materials by the V-Notched Beam Method.
Dispersyn, J., Belis, J., Dias, V., & Odenbreit, C. (2013). Determination of
the material properties of an epoxy and MS-polymer for adhesive
point-fixings. Paper presented at the COST Action TU0905.
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 
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 
 
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 
 
 
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 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 
 
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 
 

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
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












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
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
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

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






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
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
























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










































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














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




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





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
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
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
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
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
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
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


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
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
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
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
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

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
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
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    
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
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
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


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
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
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
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
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
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
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
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

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


































































































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










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


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






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 
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 
 


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

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
     
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
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
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


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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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


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
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



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

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
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
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
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 
 
 
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 
 

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