Разработка гибридного FRP

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 16237 (2022) Цитировать эту статью

1547 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Современные тенденции в области материаловедения требуют разработки эффективных конструктивных решений. Замена стали полимерами, армированными волокном (FRP), является примером решения проблемы коррозии. Однако относительно низкий модуль деформации типичных материалов FRP увеличивает деформации структурных компонентов. Вместе со снижением собственного веса, увеличивающим кинематические перемещения, последняя проблема делает важной разработку гибридных конструкций, состоящих из устойчивого к сжатию бетона и высокоэффективных при растяжении профилей FRP. Хотя такие гибридные системы применимы для строительства мостов, неопределенность свойств межкомпонентного соединения усложняет разработку этих инновационных структур, включая расчетные модели. Типичное решение направлено на улучшение местного сцепления, например, с использованием перфорации профиля FRP и систем механического крепления. Тем не менее, в этом исследовании представлено альтернативное решение, использующее структурную систему моста с напряженной лентой для создания прототипа гибридной балки, которая сочетает в себе бетонную плиту, армированную синтетическим волокном, и пултрузионный профиль FRP, закрепленный на опорах. Эта работа иллюстрирует концепцию структурной разработки, когда результат моделирования методом конечных элементов (FE) определяет целевую ссылку процедуры проектирования. Таким образом, с одной стороны, эта инновационная структура упрощает соответствующую численную (FE) модель, предполагающую идеальную связь между компонентами гибридной балочной системы. С другой стороны, решение проблемы опоры (вытекающей из низкой устойчивости пултрузионных профилей FRP к поперечным нагрузкам) улучшает конструктивные характеристики прототипа моста, удваивая жесткость конструкции на изгиб и несущую способность конструкции относительно слабых бетонных опор. система. Испытания на изгиб доказали адекватность данного решения при описании эталона конструкции для дальнейшего развития предлагаемой конструктивной концепции.

Тенденции в области материаловедения выдвигают на первый план разработку эффективных конструктивных решений1,2. В результате наблюдается тенденция к разработке новых конструкционных материалов взамен традиционно используемых бетона и стали3. Армированные волокном полимеры (FRP) представляют собой многообещающую альтернативу стали, а композиты на основе углеродных, стеклянных и арамидных волокон являются наиболее распространенными FRP на рынке4,5. Известно, что технология производства влияет на механические характеристики стеклопластиковых композитов. Таким образом, это исследование сосредоточено на пултрузионных объектах из-за способности технологий пултрузии производить большие объемы при низких эксплуатационных расходах и высокой скорости изготовления, содержании волокна и допусках на геометрию6,7.

Направление пултрузии и распределение армирующих нитей совпадают, обеспечивая механические характеристики структурных деталей из стеклопластика6,7,8,9. Однако такие компоненты часто сталкиваются с поперечными нагрузками на пути пултрузии; кроме того, пултрузионные детали должны противостоять локальным напряжениям, вызванным удалением болта4,5. Таким образом, гладкий однонаправленный ровинг и маты защищают продольные нити, усложняя структуру внутреннего армирования стеклопластикового материала6. В то же время этих дополнительных средств защиты может быть недостаточно для разработки конструкций из стеклопластика10,11,12. Кроме того, относительно низкий модуль деформации типичных материалов FRP увеличивает деформации структурных компонентов. Вместе со снижением собственного веса, увеличивающим кинематические перемещения13, последняя проблема делает важной разработку гибридных конструкций, состоящих из устойчивого к сжатию бетона и высокоэффективных при растяжении профилей FRP.

Хотя гибридные композитные системы применимы для строительства мостов13,14,15, неопределенность свойств межкомпонентного соединения усложняет разработку этих инновационных структур. Типичное решение направлено на улучшение местного сцепления с использованием перфорации профиля FRP и систем механического крепления, например, Mendes et al.16 и Zhang et al.17. Однако проектирование таких конструкций выходит за рамки стандартного регулирования. В то же время проблема облигаций усложняет структурный анализ и численное моделирование18,19. Тем не менее, исследования9,20,21,22,23 описывают типичные примеры анализа, игнорируя проблему облигаций.