Desarrollo de un FRP híbrido

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16237 (2022) Citar este artículo

1604 Accesos

1 Citas

2 Altmetric

Detalles de métricas

Las tendencias actuales en ingeniería de materiales proponen el desarrollo de soluciones estructurales eficientes. La sustitución del acero por polímeros reforzados con fibra (FRP) ejemplifica la clave del problema de la corrosión. Sin embargo, el módulo de deformación relativamente bajo de los materiales FRP típicos aumenta las deformaciones de los componentes estructurales. Junto con la reducción del peso propio que aumenta los desplazamientos cinemáticos, este último problema hace que el desarrollo de estructuras híbridas que comprendan hormigón resistente a la compresión y perfiles de FRP de alto rendimiento en tensión sea importante. Aunque tales sistemas híbridos son aplicables para la ingeniería de puentes, la incertidumbre de las propiedades de unión entre componentes complica el desarrollo de estas estructuras innovadoras, incluidos los modelos de diseño. La solución típica se centra en la mejora de la adherencia local, por ejemplo, empleando sistemas de anclaje mecánico y perforación de perfiles de FRP. Sin embargo, este estudio presenta una solución alternativa, utilizando el sistema estructural de puente de cinta de tensión para crear el prototipo de viga híbrida, que combina la losa de hormigón reforzado con fibra sintética y el perfil de FRP pultruido fijado en los soportes. Este trabajo ejemplifica el concepto de desarrollo estructural cuando el resultado del modelado de elementos finitos (FE) define la referencia objetivo del procedimiento de diseño. Así, por un lado, esta innovadora estructura simplifica el modelo numérico (FE) correspondiente, que asume la unión perfecta entre los componentes del sistema híbrido de vigas. Por otro lado, la solución al problema de los apoyos (resultado de una baja resistencia de los perfiles de PRFV pultrusionados a las cargas transversales) mejora el comportamiento estructural del prototipo de puente, duplicando la rigidez a la flexión y la capacidad portante de la estructura con respecto a los débiles apoyos de hormigón. sistema. Las pruebas de flexión demostraron la idoneidad de esta solución al describir la referencia de diseño para un mayor desarrollo del concepto estructural propuesto.

Las tendencias de la ingeniería de materiales proponen el desarrollo de soluciones estructurales eficientes1,2. Como resultado, existe una tendencia a desarrollar nuevos materiales estructurales para cambiar el hormigón y el acero utilizados tradicionalmente3. Los polímeros reforzados con fibra (FRP) definen la alternativa prometedora al acero, y los compuestos a base de fibra de carbono, vidrio y aramida son los FRP más comunes en el mercado4,5. Se sabe que la tecnología de fabricación afecta el rendimiento mecánico de los compuestos de FRP. Por lo tanto, este estudio se enfoca en los objetos pultrusionados debido a la capacidad de las tecnologías de pultrusión para producir un gran volumen a bajos costos operativos y alta tasa de fabricación, contenido de fibra y tolerancias geométricas6,7.

La dirección de pultrusión y la distribución del filamento de refuerzo coinciden, asegurando el desempeño mecánico de las piezas estructurales de FRP6,7,8,9. Sin embargo, dichos componentes a menudo enfrentan cargas transversales con respecto a la vía de pultrusión; además, los detalles pultrusionados deben resistir las tensiones locales inducidas por la extracción de pernos4,5. Por lo tanto, la mecha unidireccional suave y las esteras protegen los filamentos longitudinales, lo que complica la estructura de refuerzo interna del material FRP6. Al mismo tiempo, estos medios de protección adicionales pueden ser insuficientes para desarrollar estructuras de FRP10,11,12. Además, el módulo de deformación relativamente bajo de los materiales FRP típicos aumenta las deformaciones de los componentes estructurales. Junto con la reducción del peso propio que aumenta los desplazamientos cinemáticos13, este último problema hace que el desarrollo de estructuras híbridas que comprendan hormigón resistente a la compresión y perfiles de FRP de alto rendimiento en tensión sea importante.

Aunque los sistemas compuestos híbridos son aplicables para la ingeniería de puentes13,14,15, la incertidumbre de las propiedades de unión entre componentes complica el desarrollo de estas estructuras innovadoras. La solución típica se centra en la mejora de la unión local, empleando sistemas de anclaje mecánico y perforación de perfiles de FRP, por ejemplo, Mendes et al.16 y Zhang et al.17. Sin embargo, el diseño de tales estructuras se encuentra más allá del campo de regulación estándar. Al mismo tiempo, el problema del enlace complica el análisis estructural y el modelado numérico18,19. Aún así, los estudios9,20,21,22,23 describen los ejemplos de análisis típicos, descuidando el problema del enlace.

Las referencias8,24,25,26,27 definen los casos en que los parámetros de vínculo se encontraban entre los sujetos de investigación. Por ejemplo, Chen et al.26 centraron la investigación en las propiedades de unión del laminado FRP. Cuatro trabajos restantes toman en cuenta el desempeño de la adherencia del FRP-hormigón de los sistemas estructurales híbridos, los cuales describen el objeto de investigación de este estudio. Dang y Phan8 y Cai et al.25 investigaron el desempeño de la adherencia de las barras de FRP en concreto. Robinson y Melby24 estudiaron la resistencia mecánica del tubo de PRFV relleno de hormigón y Muc et al.27 simularon la losa mixta del tablero. Sin embargo, una publicación rara considera la resistencia de la junta de soporte de los perfiles de FRP, por ejemplo, Zhang et al.28.

Por el contrario, este estudio emplea la solución de puente de cintas de tensión para crear el prototipo de viga híbrida, combinando la losa de hormigón reforzado con fibras poliméricas (PFRC) y el perfil de FRP pultruido. Sin embargo, el sistema estructural propuesto no requiere apoyos masivos típicos de los sistemas de cintas de tensión15 debido a la combinación del hormigón, resistiendo la carga de compresión inducida por el perfil reforzado con fibra de vidrio (PRFV) distribuido en la zona de tensión de la flexión elemento. Además, la fijación fiable del perfil a los soportes asegura el comportamiento compuesto de la viga híbrida. Además, simplifica el modelo de elementos finitos (FE) correspondiente, lo que permite suponer una unión perfecta entre las piezas compuestas. Por lo tanto, este modelo FE describe la referencia para desarrollar el sistema de haz híbrido. Las pruebas de flexión corroboran la adecuación de la solución y ejemplifican la situación cuando el resultado pronosticado numéricamente determina la eficiencia del sistema híbrido y proporciona al diseñador la referencia estructural.

La viga diseñada comprende la losa de hormigón reforzado con fibra polimérica (PFRC), resistiendo la fuerza de compresión de las juntas de apoyo y fijando el perfil reforzado con fibra de vidrio (GFRP, 120×60/6/6 mm I-profile de Fiberline, Dinamarca ). Las simulaciones preliminares29 determinaron la geometría del bloque de apoyo. Además, una tira de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP, 10 × 1,4 mm de S&P C-Laminate, Reino Unido) refuerza la cara más tensionada del perfil de GFRP. La figura 1 muestra las secciones transversales esquemáticas y anticipadas de la viga compuesta.

El esquema de la viga híbrida y las secciones transversales previstas.

El esquema estructural (Fig. 1) emplea el concepto de puente de cintas tensionadas15,30 para desarrollar la viga híbrida. De esta forma, el hormigón proporciona una conexión fiable con el perfil de PRFV en los soportes. Además, el modelado FE verifica la viabilidad del concepto propuesto cuando el enfoque de refuerzo extendido7 describe el rendimiento mecánico de los componentes de FRP, el modelo de material físicamente no lineal31 define el comportamiento de PFRC y el modelo de enlace perfecto representa el problema de contacto.

El software comercial Atena ayuda a analizar la respuesta de deformación y predecir la capacidad portante de la viga híbrida; los modelos de materiales verificados en los trabajos anteriores1,7,31 describen el comportamiento mecánico de los componentes de PFRC y FRP. La malla tetraédrica genera el modelo de elementos finitos (FE), que se muestra en la Fig. 2. Las placas elásticas protectoras en los puntos de aplicación de carga (Fig. 2a) tienen una malla FE de 15 mm. La parte monolítica de hormigón de la viga (Fig. 2b) tiene un tamaño de malla de 30 mm; la tira de CFRP y el perfil de GFRP tienen un tamaño de elemento finito de 7,5 mm. Los resultados del monitoreo del modelo son desplazamientos verticales en los puntos de aplicación de la carga y la mitad del tramo.

El modelo de elementos finitos de la viga híbrida: (a) discretización FE; (b) vista de apoyo.

El modelo de material cementoso no lineal con una resistencia a la compresión de 55 MPa31 determina el comportamiento de deformación y el mecanismo de falla del PFRC. Un modelo elástico-plástico (módulo de elasticidad = 170 GPa y resistencia a la tracción = 2,8 GPa) determina el comportamiento del material de la tira de CFRP de 10 × 1,4 mm1. Los elementos finitos sólidos en 3D describen la matriz polimérica del perfil de GFRP, asumiendo los principios mecánicos de fractura para la falla por tracción y el enfoque de plasticidad para la falla por compresión.

Gribniak et al.7 adaptaron el modelo de refuerzo manchado, desarrollado inicialmente para elementos de hormigón armado con refuerzo de malla estructural32, para representar los filamentos de vidrio y verificaron esta solución numéricamente eficiente, simulando las pruebas de flexión de tres puntos del perfil de FRP fabricado por el mismo fabricante. como este estudio. La verificación7 demostró la capacidad del modelo FE para predecir la capacidad de carga y la respuesta de deformación del perfil. Una ley constitutiva de fragilidad elástica define la falla por tensión de las fibras orientadas en la dirección de pultrusión. Para este análisis se asumió una relación de refuerzo extendido del 63,4%, correspondiente a la investigación anterior7. La matriz polimérica tiene un módulo elástico de 3,23 GPa y una resistencia a la tracción de 90 MPa. Las fibras de vidrio E (refuerzo manchado) tienen un módulo elástico de 73 GPa y una resistencia a la tracción de 3445 MPa; los filamentos no resisten esfuerzos de compresión. Se asumió la perfecta conexión entre todos los componentes del modelo. La primera etapa de carga considera el peso propio de la viga. Se aplicaron dos cargas puntuales en incrementos sucesivos que resultaron en un aumento de momento de 0,125 kNm en cada incremento de carga sucesivo en la zona de flexión pura de 600 mm (Fig. 1). Las pruebas físicas verifican la adecuación del modelo.

Las pruebas físicas se llevaron a cabo en dos etapas y se produjeron dos vigas nominalmente idénticas para cada serie. Los especímenes fueron vaciados usando las mismas proporciones de mezcla con una resistencia a la compresión objetivo de 55 MPa, como se consideró en los estudios previos1,31. Se utilizaron las siguientes proporciones de mezcla para un metro cúbico: 356 kg de cemento CEM I 42.5 R; 201 l de agua; 177 kg de polvo de piedra caliza; 890 kg de arena de 0/4 mm; y 801 kg de áridos triturados de 4/16 mm. El concreto también incluía 2,61% del peso de cemento del superplastificante Mapei Dynamon XTend y 3,5 kg del aditivo SCP 1000 Optimizer. Además, la mezcla incluía 4,2 kg de macrofibras Durus EasyFinish y 0,6 kg de microfibras CrackStop M Ultra de Adfil NV (Bélgica).

La construcción de las juntas de apoyo marcó la diferencia entre las series de vigas. La primera serie produjo los prototipos de vigas híbridas con geometría nominal, que se muestran en la Fig. 1. La insuficiente resistencia de los soportes en la fijación del perfil de PRFV motivó el desarrollo de la segunda serie de vigas. Junto con las vigas híbridas de cada serie se produjeron dos losas rectangulares de 550 × 550 × 40 mm y ocho cubos de 100 mm. La mesa vibratoria densificó la estructura de hormigón. Se ubicaron perforaciones en el alma de la zona de apoyo y el ala superior del perfil de PRFV para mejorar el comportamiento de contacto con PRFV en vigas pertenecientes a la primera serie. Por el contrario, los perfiles de la segunda serie no tenían perforación.

Todos los haces se vertieron en la posición invertida. Para la producción de las vigas se utilizaron formas de acero con tablones de madera contrachapada. Los insertos de madera y poliestireno expandido se utilizaron para formar los bloques de soporte, fijando el perfil de GFRP. El hormigón se vertió en dos capas. En la primera capa se formó un tablero de hormigón de 55 mm de espesor y se densificó utilizando la mesa vibratoria. Posteriormente, los soportes de hormigón se formaron utilizando tacos de poliestireno expandido. Los bloques de apoyo de la primera serie de vigas aseguran el recubrimiento de 20 mm del perfil sobre el soporte de la viga. Los bloques de soporte de hormigón monolítico de 95 mm (Fig. 1) se densificaron pinchándolos con una varilla de metal.

Los especímenes de viga del segundo grupo tenían bloques de anclaje mejorados: un perfil rectangular de acero de sección hueca de 100 × 200 mm protegía el perfil de GFRP en los soportes. Esta modificación aumentó la longitud del bloque de apoyo de 95 a 250 mm, pero la distancia de apoyo se mantuvo igual. Además, se redujo el ancho de la zona de compresión del concreto para simplificar la producción de vigas, preservando la rigidez a la flexión de la viga al aumentar la altura de la zona de compresión. Los componentes restantes del sistema híbrido, es decir, el perfil de GFRP, la tira de CFRP y el adhesivo, permanecieron iguales. Las figuras 3 y 4 muestran el esquema de la viga y las vistas del bloque de anclaje.

El esquema de viga híbrida actualizado y las secciones transversales modificadas.

Preparación de los bloques de soporte modificados: (a) tubo de acero rectangular con agujeros perforados; (b) barras insertadas de 6 mm y 8 mm; (c) el tubo de acero dentro de la forma.

Las barras de acero verticales de 6 mm y horizontales de 8 mm impedían los movimientos del perfil de PRFV dentro del tubo de acero (Fig. 4). La barra de 8 mm pasó horizontalmente por la mitad del perfil de PRFV (Fig. 3). De la misma manera que para las vigas de la primera serie, se produjeron dos prototipos de viga, dos losas de 550 × 550 × 40 mm y ocho cubos de 100 mm utilizando proporciones de hormigón idénticas (descrito en esta sección, arriba). Las muestras de vigas se vertieron en dos capas: la primera capa, incluida la losa de hormigón, se densificó utilizando la mesa vibratoria, y la segunda capa formó los bloques de soporte. Este concreto fue cuidadosamente distribuido y densificado dentro de los tubos protectores de acero usando varillas de acero.

Las vigas de ambas series se desmoldaron a los dos días y se almacenaron en condiciones de laboratorio (temperatura media 20 °C y 40% de humedad relativa) durante 30 días antes de los ensayos. Se utilizó el mismo esquema de carga y distribución de los dispositivos de medición para todas las vigas ensayadas. La figura 5 muestra las vistas características del montaje del ensayo de flexión. Se utilizó un sistema de correlación de imágenes digitales (Fig. 5a) para capturar una falla repentina de las muestras de haz híbrido. Sin embargo, el manuscrito no incluye estos resultados debido al colapso gradual de las muestras del haz. Además, la superficie desigual de los haces hizo que el procedimiento de correlación de imágenes fuera ineficaz para capturar las respuestas de deformación. Por lo tanto, este estudio emplea los transductores de desplazamiento variable lineal (LVDT) para capturar los desplazamientos verticales en la mitad del tramo de la viga y debajo de los puntos de aplicación de carga (Fig. 5b). Además, nueve LVDT monitorearon deformaciones superficiales en la zona de flexión pura. Luego, se aplicaron para monitorear las deformaciones longitudinales dentro de la zona de flexión.

Ejemplos de la configuración de la prueba de flexión del haz híbrido: (a) la superficie expuesta para la correlación de imágenes digitales; (b) distribución de transductores lineales de desplazamiento variable, control de desplazamientos verticales y horizontales.

Los ensayos de flexión se realizaron utilizando una máquina servohidráulica de 5 MN con la carga aplicada en forma de control de desplazamiento con la tasa de 0,4 mm/min. Se utilizó una celda de carga para medir la carga aplicada. Un registrador de datos ALMEMO 2890-9 registró la lectura de todos los dispositivos LVDT y la celda de carga. Las salidas se recogieron cada segundo.

Los ensayos de compresión identificaron resistencias de 65,6 MPa y 70,3 MPa de cubos de hormigón de 100 mm, que corresponden a las resistencias de 49,9 MPa y 53,4 MPa de los cilindros estándar de ∅150 × 300 mm33. Estos resultados concuerdan razonablemente con la supuesta fuerza objetivo de 55 MPa de PFRC. Además, los resultados de las pruebas de punzonamiento de las losas de 550 × 550 × 40 mm verificaron el modelo de material PFRC, y estos resultados no se incluyen en este artículo.

La respuesta momento-curvatura describe la medida adecuada del comportamiento de deformación global de las vigas mixtas1,7,33. El análisis emplea los resultados del monitoreo de los desplazamientos verticales de la zona de flexión pura (Fig. 5b). La siguiente fórmula define la curvatura sobre la zona de flexión pura, asumiendo la forma de deformación circular de la línea central de la viga1:

donde lb es la longitud de la zona de flexión pura (= 600 mm); L1, L2 y L3 son las lecturas de LVDT (Figs. 1 y 5b).

La Figura 6 muestra los diagramas momento-curvatura correspondientes de los resultados de las pruebas físicas y las simulaciones numéricas. En este estudio, los resultados del modelo FE definen la referencia para desarrollar un sistema de haz híbrido eficiente. Consideremos la primera serie de resultados que se muestra en la Fig. 6a. La resistencia y rigidez insuficientes de la viga híbrida (Fig. 1) son evidentes. Por lo tanto, los autores decidieron reducir la fuerza de unión (≈ 10 Pa) entre los componentes de FRP (perfiles de GFRP y tiras de CFRP) y los soportes de hormigón (Fig. 2b). La Figura 6b muestra los resultados de simulación correspondientes que demuestran un acuerdo perfecto entre la predicción del modelo FE y los resultados de la prueba. Este hecho estimuló la modificación de los bloques de apoyo (Fig. 3). Las líneas azules en la Fig. 6a ilustran la respuesta de deformación de la segunda serie de vigas. Los resultados de las pruebas revelan una concordancia notable con el modelo FE, que se consideró una referencia eficiente, asumiendo la unión perfecta entre todas las partes compuestas de la viga híbrida. Además, la segunda serie de vigas no presentaba perforación del perfil de PRFV.

Las relaciones experimentales momento-curvatura de las vigas híbridas comparadas con predicciones numéricas: (a) el modelo de referencia con la unión perfecta entre los componentes compuestos; (b) el modelo asumió un contacto débil entre el perfil de GFRP y los bloques de soporte de hormigón.

Sorprendentemente, la Fig. 6 demuestra el ejemplo conceptual de la filosofía de diseño propuesta cuando un modelo numérico verificado experimentalmente describe la referencia objetivo. El análisis detallado requiere pruebas adicionales (para asegurar la confiabilidad de las estimaciones numéricas). Sin embargo, las diferencias entre las soluciones alternativas que se muestran en la Fig. 6a,b son evidentes e ilustran la eficiencia del concepto. Así, los resultados de la segunda serie de vigas (Fig. 6a) permiten relacionar la mejora del comportamiento estructural con la propuesta de modificación de las juntas de apoyo, anclando el perfil de PRFV. Además, esta solución simplifica el modelo numérico: la suposición de enlace perfecto resuelve los problemas de modelado informados en la literatura27, lo que hace que el enfoque FE sea aceptable para diseñar los sistemas híbridos considerados en este estudio.

La figura 5b muestra la disposición de las galgas extensométricas longitudinales. Se puede observar que los dispositivos LVDT se distribuyeron en tres líneas con un desplazamiento de 50 mm de la línea inferior con respecto a la superficie inferior del perfil de PRFV. La Figura 7 muestra los perfiles de deformación correspondientes a la reacción del haz monitoreada con la celda de carga; la deformación resulta de promediar tres dispositivos LVDT distribuidos en la fila (Fig. 5b). La carga de 58 kN define el fallo de las vigas pertenecientes a la primera serie.

Distribución de deformaciones longitudinales en las vigas híbridas.

La distribución de deformaciones en la Fig. 7 es casi lineal y es característica de todas las etapas de carga y de ambas series de vigas. Este resultado corrobora la ausencia de deslizamiento entre los componentes de la viga híbrida, lo que demuestra la idoneidad de la suposición de enlace perfecto en el modelo numérico. Al mismo tiempo, el comportamiento ineficiente de la primera serie de vigas (Fig. 6b) requiere aclaración, considerando los mecanismos de falla de las vigas.

El aplastamiento de los bloques de anclaje de perfil de PRFV es el resultado de la primera serie de pruebas. La figura 8 muestra una vista típica del soporte de la viga después del colapso. Este resultado es consecuencia de la insuficiente resistencia de los materiales FRP a las cargas transversales en la dirección de pultrusión, lo que corresponde a los resultados de la literatura6,28,30. Sin embargo, el modelo FE no pudo representar este mecanismo de falla debido a la capacidad limitada para simular el aplastamiento transversal de los materiales FRP (Fig. 6a), como resultado de la heterogeneidad de la estructura del material7.

La falla típica del bloque de soporte de la viga de la primera serie.

Las simulaciones de fallas de FRP con Atena7,29 arrojaron resultados similares. Li et al.34 y Zhu et al.12 describieron una posible solución, presentando el modelo de daño progresivo para composites laminados. Sin embargo, su aplicación para el análisis de materiales pultrusionados aún es limitada. Por el contrario, la modificación de las juntas de apoyo simplificó el problema de predicción de fallas. Por ejemplo, la Fig. 9 muestra el proceso de localización de fallas predicho por Atena que corresponde a los resultados de deformación que se muestran en la Fig. 6a. Este ejemplo proporciona información para un mayor desarrollo de los sistemas de vigas híbridas, que modifican el concepto de cinta de tensión para la utilización eficiente de materiales compuestos avanzados.

Mecanismos de falla de las vigas híbridas: (a) La distribución de deformación predicha en el modelo FE con la unión perfecta (Fig. 6a); (b) Falla por cortante del concreto en la viga de la segunda serie.

Este estudio presenta un concepto de diseño novedoso del sistema de vigas híbridas que comprende la losa de hormigón reforzado con fibras sintéticas y el perfil de FRP pultrusionado fijado en los soportes. Adaptar el enfoque estructural de la cinta de tensión15,30 permite resolver el problema de la unión y aplicar el modelo numérico simplificado, asumiendo la unión perfecta entre los componentes compuestos. El caso considerado ejemplifica el diseño de los sistemas híbridos (Fig. 1) cuando el resultado del modelo FE (Fig. 6a) define la referencia objetiva para el procedimiento de diseño que describe la eficiencia del sistema híbrido y modifica el objetivo estructural (Fig. 3). La Figura 10 esquematiza el concepto propuesto.

El concepto de diseño adaptativo.

Por un lado, la solución estructural propuesta contradice la idea tradicional de mejora de la adherencia local, por ejemplo, empleando sistemas de perforación y anclaje mecánico de perfiles de FRP (por ejemplo, referencias 16,17). Por el contrario, este estudio demuestra que la solución al problema de los apoyos (resultado de una baja resistencia de los perfiles pultrusionados de FRP a las cargas transversales) mejora el desempeño estructural del prototipo de puente, duplicando la rigidez a la flexión y la capacidad portante de la estructura con respecto a los débiles. sistema de soportes de hormigón.

Por otro lado, el presente estudio demuestra el concepto de desarrollo estructural cuando el resultado del modelado FE define la referencia objetivo del procedimiento de diseño. Como muestra la Fig. 10, el concepto de diseño preliminar ("1") produce el modelo numérico ("2"), con los parámetros predichos que determinan el objetivo estructural eficiente. Otras pruebas físicas ("3") comprueban la viabilidad del concepto "1" (es decir, "Verificación 1"). Si es necesario, un ingeniero modifica la solución de diseño ("4"). La adaptación iterativa continúa hasta que se logra el acuerdo aceptable entre los resultados físicos y numéricos (por ejemplo, "Verificación 2").

Este estudio presenta el concepto de diseño de un novedoso sistema de haz híbrido cuando el resultado pronosticado numéricamente modifica el objetivo del diseño. Las simulaciones numéricas y los experimentos físicos prueban la viabilidad de la idea propuesta. Las siguientes conclusiones significativas resultan de este estudio:

La adaptación del enfoque estructural de la cinta de tensión permite resolver el problema del deslizamiento de la unión entre los componentes compuestos, simplificando el modelo numérico del sistema híbrido.

La modificación propuesta de los bloques de anclaje garantiza una fijación fiable del perfil de PRFV. Además, resuelve el problema de vulnerabilidad de FRP a las cargas que actúan en dirección transversal a la vía de pultrusión.

El concepto de diseño adaptativo considerado, cuando un modelo numérico verificado experimentalmente describe el objetivo del diseño estructural, demuestra el espacio para aplicaciones prácticas, duplicando la rigidez a la flexión y la capacidad de carga de la estructura con respecto al sistema de soportes de hormigón débil. Sin embargo, se necesitan pruebas adicionales para garantizar la confiabilidad de los resultados y optimizar la geometría de los bloques de soporte.

El modelo numérico (elementos finitos) desarrollado determina la referencia adecuada para diseñar los sistemas estructurales híbridos y utilizar eficientemente materiales compuestos avanzados.

Los conjuntos de datos analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Gribniak, V., Sultani, HA, Rimkus, A., Sokolov, A. & Torres, L. Cuantificación estandarizada de la eficiencia estructural de los sistemas de refuerzo híbrido para el desarrollo de compuestos de hormigón. compos. Estructura. 274, 114357. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114357 (2021).

Artículo Google Académico

Hou, W., Wang, L. y Shi, D. Comportamiento a la flexión de vigas de acero dañadas reforzadas utilizando láminas de polímero reforzado con fibra de carbono. ciencia Rep. 12, 10134. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gribniak, V. Edición especial "Compuestos avanzados: de la caracterización de materiales a la aplicación estructural. Materiales 13(24), 5820. https://doi.org/10.3390/ma13245820 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Preinstorfer, P., Huber, T., Reichenbach, S., Lees, JM y Kromoser, B. Estudios de diseño paramétrico del potencial de calentamiento global relacionado con la masa y los costos de construcción de la infraestructura de hormigón reforzado con FRP. Polímeros 14, 2383. https://doi.org/10.3390/polym14122383 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Naito, K. Propiedades estáticas y de tracción a la fatiga de compuestos epoxi reforzados con fibra híbrida de carbono/vidrio. ciencia Rep. 12, 6298. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10245-5 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Correia, RJ Pultrusión de compuestos avanzados de polímero reforzado con fibra (FRP). En Compuestos avanzados de polímero reforzado con fibra (FRP) para aplicaciones estructurales (ed. Bai, J.) 207–251 (Woodhead Publishing, Cambridge, 2013).

Capítulo Google Académico

Gribniak, V. et al. Un enfoque eficiente para describir el efecto de la fibra en el rendimiento mecánico de los perfiles pultrusionados de GFRP. Frente. Mate. 8, 746376. https://doi.org/10.3389/fmats.2021.746376 (2021).

Artículo Google Académico

Dang, HV & Phan, DN Investigación experimental y análisis de la zona de bisagra plástica de flexión pura en vigas híbridas reforzadas con una alta relación de refuerzo bajo cargas estáticas. EUR. J. Medio Ambiente. civ. Ing. https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1934553 (2022).

Artículo Google Académico

Obaidat, AT Comportamiento a flexión de vigas de hormigón armado con sistema híbrido CFRP. EUR. J. Medio Ambiente. civ. Ing. https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1934552 (2022).

Artículo Google Académico

Mosallam, AS Guía de diseño para conexiones compuestas de FRP. En ASCE Manuals and Report on Engineering Practice 102 (ASCE, VA, EE. UU., 2011).

Google Académico

Malakhov, AV, Polilov, AN, Li, D. & Tian, ​​X. Aumento de la capacidad portante de placas compuestas en la zona de uniones atornilladas mediante el uso de trayectorias curvilíneas y una fracción de volumen de fibra variable. mecánico compos. Mate. 57, 287–300. https://doi.org/10.1007/s11029-021-09954-1 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zhu, Y., Zhu, H. & Gribniak, V. Analizando el efecto de la geometría de la muestra en el rendimiento mecánico de las conexiones de GFRP perforadas. Materiales 15, 2901. https://doi.org/10.3390/ma15082901 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, YJ Estado de la práctica de compuestos de FRP en puentes de carretera. Ing. Estructura. 179, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.10.067 (2019).

Artículo Google Académico

Ali, HT et al. Compuestos poliméricos reforzados con fibra en la industria de puentes. Estructuras 30, 774–785. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.092 (2021).

Artículo Google Académico

Juozapaitis, A., Sandovič, G., Jakubovskis, R. & Gribniak, V. Efectos de la rigidez a la flexión sobre el comportamiento de deformación de los puentes de cintas de tensión de acero y FRP. aplicación ciencia 11(6), 2585. https://doi.org/10.3390/app11062585 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Mendes, PJD, Barros, JAO, Sena-Cruz, JM & Taheri, M. Desarrollo de un puente peatonal con perfiles de PRFV y tablero de hormigón autocompactante reforzado con fibras. compos. Estructura. 93(11), 2969–2982. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.05.005 (2011).

Artículo Google Académico

Zhang, P. et al. Novedosas vigas híbridas de polímeros reforzados con fibra (FRP) y hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) con rendimiento de corte mejorado. Constr. Construir. Mate. 286, 122720. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122720 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Zou, X., Feng, P., Bao, Y., Wang, J. y Xin, H. Estudios experimentales y analíticos sobre el comportamiento al corte de secciones compuestas de hormigón reforzado con fibra de vidrio. Ing. Estructura. 215, 110649. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110649 (2020).

Artículo Google Académico

Zou, X., Lin, H., Feng, P., Bao, Y. y Wang, J. Una revisión de secciones híbridas de hormigón reforzado con fibra de vidrio para aplicaciones de puentes. compos. Estructura. 262, 113336. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113336 (2021).

Artículo Google Académico

He, J., Liu, Y., Chen, A. & Dai, L. Investigación experimental de GFRP híbrido móvil y tablero de puente de hormigón. Constr. Construir. Mate. 26, 49–64. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.05.002 (2012).

Artículo Google Académico

Papapetrou, VS, Tamijani, AY, Brown, J. & Kim, D. Optimización del diseño del puente híbrido FRP/RC. aplicación compos. Mate. 26, 249–270. https://doi.org/10.1007/s10443-018-9691-3 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Siwowski, T., Kulpa, M., Rajchel, M. y Poneta, P. Diseño, fabricación y pruebas estructurales de una viga de puente de FRP totalmente compuesta. compos. Estructura. 206, 814–827. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.08.048 (2018).

Artículo Google Académico

Siwowski, T., Rajchel, M. & Kulpa, M. Diseño y evaluación de campo de un compuesto híbrido de FRP: puente de carretera de hormigón ligero. compos. Estructura. 230, 111504. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111504 (2019).

Artículo Google Académico

Robinson, MJ y Melby, IH Efectos de la adherencia en tubos de GFRP rellenos de hormigón rectangulares de tramo corto. compos. Estructura. 133, 131–139. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.07.105 (2015).

Artículo Google Académico

Cai, J., Pan, J. & Zhou, X. Comportamiento a la flexión de vigas de hormigón y ECC reforzadas con FRP de basalto. Constr. Construir. Mate. 142, 423–430. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.087 (2017).

Artículo Google Académico

Chen, D., Sun, G., Meng, M., Jin, X. y Li, Q. Rendimiento de flexión y rentabilidad de los laminados compuestos de FRP híbridos de carbono/basalto/vidrio. Estructura de paredes delgadas. 142, 516–531. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.03.056 (2019).

Artículo Google Académico

Muc, A., Stawiarski, A. & Chwal, M. Diseño de estructuras híbridas de FRP/hormigón para la construcción de puentes. compos. Estructura. 247, 112490. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112490 (2020).

Artículo Google Académico

Zhang, P. et al. Estudios experimentales y teóricos sobre el comportamiento a cortante de innovadoras vigas híbridas de hormigón con perfil de FRP en forma de caja. Estructuras 28, 2772–2784. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.10.064 (2020).

Artículo Google Académico

Jaruševičiūtė, A. Investigación de la deformación del segmento de losa de perfiles compuestos de hormigón y polímeros. Tesis de maestría, VILNIUS TECH, Vilnius, Lituania (en lituano) (2021).

Gribniak, V., Arnautov, AK & Rimkus, A. El desarrollo de un sistema de agarre inspirado en la naturaleza de una tira plana de CFRP para el diseño estructural de cintas de tensión. J. Cómputo. Des. Ing. 8(2), 788–798. https://doi.org/10.1093/jcde/qwab014 (2021).

Artículo Google Académico

Garnevičius, M., Plioplys, L., Ng, P.-L., Chu, S. & Gribniak, V. Investigación y mejora del rendimiento de adherencia de macrofibras sintéticas en hormigón. Materiales 13(24), 5688. https://doi.org/10.3390/ma13245688 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Cervenka, V. Simulación por computadora de falla de estructuras de concreto para la práctica. En Actas del Primer Congreso fib Estructuras de Hormigón en el Siglo XXI. 289–304 (Conferencia magistral en la Sesión 13, Osaka, Japón, 2002).

Gribniak, V. Influencia de la contracción en el endurecimiento por tracción de estructuras de hormigón. Tesis de doctorado, Universidad Técnica Vilnius Gediminas, Vilnius, Lituania, 2009. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.4869.5122 (2009).

Li, X. et al. Evaluación de criterios de falla y métodos de evolución del daño para laminados compuestos bajo impacto de baja velocidad. compos. Estructura. 207, 727–739. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.09.093 (2019).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

Los autores agradecen sinceramente la financiación recibida del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Proyecto No. 01.2.2-LMT-K-718-03-0010) en virtud de un acuerdo de subvención con el Consejo de Investigación de Lituania (LMTLT).

Departamento de Estructuras de Acero y Compuestas, Universidad Técnica de Vilnius Gediminas (VILNIUS TECH), Sauletiekio av. 11, 10223, Vilna, Lituania

Mantas Garnevičius y Viktor Gribniak

Laboratorio de Estructuras de Construcción Innovadoras, VILNIUS TECH, Sauletiekio av. 11, 10223, Vilna, Lituania

Mantas Garnevičius y Viktor Gribniak

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Conceptualización y metodología, VG; software y validación, MG; análisis formal, VG; investigación, MG; recursos, VG; curación y redacción de datos—preparación del borrador original, MG; redacción—revisión y edición, VG; visualización, MG y VG; supervisión, administración de proyectos y adquisición de fondos, VG

Correspondencia a Viktor Gribniak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Garnevičius, M., Gribniak, V. Desarrollo de una viga compuesta híbrida de FRP y hormigón. Informe científico 12, 16237 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20666-x

Descargar cita

Recibido: 17 julio 2022

Aceptado: 16 de septiembre de 2022

Publicado: 28 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20666-x

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.