Sviluppo di un FRP ibrido

Jan 29, 2024

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16237 (2022) Citare questo articolo

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Le attuali tendenze dell’ingegneria dei materiali promuovono lo sviluppo di soluzioni strutturali efficienti. La sostituzione dell’acciaio con polimeri fibrorinforzati (FRP) esemplifica la chiave del problema della corrosione. Tuttavia, il modulo di deformazione relativamente basso dei tipici materiali FRP aumenta le deformazioni dei componenti strutturali. Insieme alla riduzione del peso proprio che aumenta gli spostamenti cinematici, quest’ultimo problema rende importante lo sviluppo di strutture ibride comprendenti calcestruzzo resistente alla compressione e profili FRP ad alte prestazioni in trazione. Sebbene tali sistemi ibridi siano applicabili all’ingegneria dei ponti, l’incertezza delle proprietà di legame tra i componenti complica lo sviluppo di queste strutture innovative, compresi i modelli di progettazione. La soluzione tipica si concentra sul miglioramento dell'adesione locale, ad esempio utilizzando la perforazione del profilo FRP e sistemi di ancoraggio meccanico. Tuttavia, questo studio introduce una soluzione alternativa, utilizzando il sistema strutturale del ponte a nastri tensionali per creare il prototipo di trave ibrida, che combina la lastra di cemento fibrorinforzato con fibre sintetiche e il profilo pultruso in FRP fissato sui supporti. Questo lavoro esemplifica il concetto di sviluppo strutturale quando il risultato della modellazione agli elementi finiti (FE) definisce il riferimento target della procedura di progettazione. Pertanto, da un lato, questa struttura innovativa semplifica il corrispondente modello numerico (FE), che presuppone il perfetto legame tra i componenti del sistema di travi ibride. D'altro canto, la soluzione al problema del supporto (risultante da una bassa resistenza dei profili pultrusi in FRP ai carichi trasversali) migliora le prestazioni strutturali del prototipo del ponte, raddoppiando la rigidezza flessionale della struttura e la capacità portante rispetto ai deboli supporti in calcestruzzo. sistema. Le prove di flessione hanno dimostrato l'adeguatezza di questa soluzione nel descrivere il riferimento progettuale per l'ulteriore sviluppo del concetto strutturale proposto.

Le tendenze dell'ingegneria dei materiali promuovono lo sviluppo di soluzioni strutturali efficienti1,2. Di conseguenza, vi è la tendenza a sviluppare nuovi materiali strutturali per sostituire il cemento e l’acciaio tradizionalmente utilizzati3. I polimeri rinforzati con fibre (FRP) definiscono l'alternativa promettente all'acciaio, mentre i compositi a base di fibre di carbonio, vetro e aramidica sono i FRP più comuni sul mercato4,5. È noto che la tecnologia di produzione influisce sulle prestazioni meccaniche dei compositi FRP. Pertanto, questo studio si concentra sugli oggetti pultrusi a causa della capacità delle tecnologie di pultrusione di produrre grandi volumi a bassi costi operativi e ad alta velocità di fabbricazione, contenuto di fibre e tolleranze geometriche6,7.

La direzione della pultrusione e la distribuzione dei filamenti di rinforzo coincidono, garantendo le prestazioni meccaniche delle parti strutturali in FRP6,7,8,9. Tuttavia, tali componenti spesso affrontano carichi trasversali riguardanti il ​​percorso della pultrusione; inoltre, i dettagli pultrusi devono resistere alle sollecitazioni locali indotte dalla rimozione dei bulloni4,5. Pertanto, lo stoppino liscio unidirezionale e i tappetini proteggono i filamenti longitudinali, complicando la struttura di rinforzo interna del materiale FRP6. Allo stesso tempo, questi mezzi di protezione aggiuntivi possono essere insufficienti per lo sviluppo di strutture in FRP10,11,12. Inoltre, il modulo di deformazione relativamente basso dei tipici materiali FRP aumenta le deformazioni dei componenti strutturali. Insieme alla riduzione del peso proprio che aumenta gli spostamenti cinematici13, quest’ultimo problema rende importante lo sviluppo di strutture ibride comprendenti calcestruzzo resistente alla compressione e profili FRP ad alte prestazioni in trazione.

Sebbene i sistemi compositi ibridi siano applicabili all'ingegneria dei ponti13,14,15, l'incertezza delle proprietà di legame tra i componenti complica lo sviluppo di queste strutture innovative. La soluzione tipica si concentra sul miglioramento dell'adesione locale, utilizzando la perforazione del profilo FRP e sistemi di ancoraggio meccanico, ad esempio Mendes et al.16 e Zhang et al.17. Tuttavia, la progettazione di tali strutture esula dal campo della regolamentazione standard. Allo stesso tempo, il problema dei legami complica l’analisi strutturale e la modellazione numerica18,19. Tuttavia, gli studi9,20,21,22,23 descrivono i tipici esempi di analisi, trascurando il problema dei legami.