Comportamiento a flexión de vigas de acero dañadas reforzadas utilizando fibra de carbono

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 10134 (2022) Citar este artículo

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Este artículo presenta los resultados de la prueba y el análisis de elementos finitos de un estudio sobre el comportamiento a la flexión de vigas de acero dañadas reforzadas con láminas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Los resultados de las pruebas mostraron que la carga de fluencia, la carga última y la rigidez elástica de las vigas de acero con 100 % de pérdida de tensión en el ala fueron 68,3 %, 73,8 % y 13,5 % mayores que la carga de fluencia, la carga última y la rigidez elástica de la viga de acero con 28% de pérdida de la web después de la carga estática. La carga de fluencia y la rigidez elástica de la viga de acero después de la sobrecarga fueron 8,7% y 24,5% mayores que la carga de fluencia y la rigidez elástica de la viga de acero sin sobrecarga. El nivel de daño tuvo un efecto significativo en la carga de fluencia, la capacidad portante última y la rigidez elástica de las vigas de acero, independientemente de si las vigas de acero estaban bajo carga estática o sobrecarga. La viga de acero dañada podría repararse con láminas de CFRP, el aumento de las capas de láminas de CFRP podría mejorar la carga de rendimiento, la capacidad de carga máxima y la rigidez elástica de las vigas de acero, y las tensiones de las láminas de CFRP disminuirían debido a la sobrecarga. Los resultados del análisis numérico mostraron que, en comparación con la viga de acero sin sobrecarga, la deflexión y las deformaciones de la viga de acero después de la sobrecarga fueron mucho menores. La carga de fluencia y la rigidez elástica aumentaron con el incremento de la amplitud de sobrecarga, y el incremento del número de sobrecarga podría reducir la carga de fluencia y la rigidez elástica. Todas las cargas de fluencia de las vigas de acero después de la sobrecarga fueron mayores que las cargas de fluencia de las vigas de acero sin sobrecarga, pero las capacidades de carga últimas fueron menores.

Uno de los principales desafíos que enfrenta la comunidad de ingeniería civil en la actualidad es extender la vida útil de las estructuras de acero degradadas. El reemplazo de estructuras degradadas a menudo no es factible, y su reparación con materiales convencionales es ineficiente en términos de costo, impacto social y ambiental y durabilidad. Algunas estructuras siempre se utilizan bajo sobrecarga, en las que la carga de servicio es superior al 70% de la carga última de la estructura. En los últimos años, un nuevo método para reparar estructuras de acero dañadas ha sido el uso de láminas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Las láminas de CFRP tienen propiedades mecánicas y materiales únicas, como bajo peso propio, alta resistencia y rigidez, y buena durabilidad. Las láminas de CFRP se pueden adherir con epoxi a la cara de tensión de los miembros dañados para restaurar o mejorar la capacidad de carga máxima de los miembros de acero. Durante los últimos años, se han realizado muchos estudios sobre la reparación y el reacondicionamiento de elementos de acero con materiales de polímero reforzado con fibra (FRP) aglomerados con epoxi. Colombi y Poggi1 investigaron un programa experimental y numérico para caracterizar el comportamiento estático del refuerzo de vigas de acero mediante tiras pultrusionadas de CFRP. El objetivo principal del programa experimental fue la evaluación del mecanismo de transferencia de fuerza, el incremento de la capacidad de carga y la rigidez a la flexión. El uso de las tiras pultrusionadas de CFRP también nos permitió validar diferentes modelos analíticos y numéricos para el análisis estático de vigas armadas. Bocciarelli2 presentó un enfoque simple para evaluar la respuesta de vigas de acero determinadas estáticamente reforzadas con placas de polímero reforzado con fibra de carbono en el régimen elástico-plástico. La solución propuesta era válida sólo a cierta distancia de los extremos de las armaduras donde la respuesta de la estructura no estaba influenciada por los efectos locales debido a la terminación abrupta de las armaduras. Sugiura et al.3 presentaron la aplicabilidad de la adhesión CFRP para la reparación de elementos de acero corroídos. El comportamiento de pelado de CFRP se investigó experimentalmente en pruebas de tracción y flexión de elementos de acero con CFRP adherido. Con base en los resultados experimentales, se proporcionó el método de diseño para determinar el volumen requerido y la longitud de unión de CFRP y verificar el desprendimiento de CFRP del acero. Wu et al.4 investigaron el comportamiento de fatiga de vigas de acero con muescas artificiales reforzadas con cuatro tipos diferentes de materiales probados bajo una rigidez de tracción equivalente. Los resultados de las pruebas mostraron que la aplicación de una placa compuesta reforzada con fibra no solo podía retrasar el inicio de las grietas, disminuir la tasa de crecimiento de las grietas y prolongar la vida de fatiga, sino también reducir la disminución de la rigidez y la deflexión residual. Yu et al.5 investigaron la eficacia de las placas de CFRP para prolongar la vida útil de las estructuras de acero. Los resultados experimentales mostraron que los parches de CFRP podían retardar efectivamente el crecimiento de grietas, prolongando la vida de fatiga y el fortalecimiento tardío a un nivel de daño mayor tendía a resultar en una extensión más significativa de la vida de fatiga restante. Bocciarelli y Colombi6 presentaron un enfoque simple para calcular la respuesta elastoplástica de una viga de acero reforzada con una lámina de CFRP. La principal conclusión fue que una sección armada debía alcanzar una gran curvatura para desarrollar su momento flector último, por lo que era necesario utilizar rigidizadores para evitar problemas de inestabilidad local tanto en el alma como en las alas. Hmidan et al.7 informaron el comportamiento de punta de fisura de vigas de acero de ala ancha W4 × 13 reforzadas con láminas de CFRP. Los resultados mostraron que las propiedades de CFRP, como el número de capas y el módulo, influyeron en la plasticidad de la punta de grieta de las vigas reforzadas. Colombi et al.8 realizaron ensayos de fatiga en placas de acero fisuradas (probetas de un solo borde) reforzadas con tiras adheridas a un solo lado. Los resultados mostraron que los materiales CFRP adheridos alrededor del área de la punta extendieron la vida de fatiga de los elementos de acero dañados por un factor de aproximadamente 3. Ghafoori y Motavalli9 estudiaron experimental y numéricamente el pandeo lateral torsional (LTB) de vigas de acero reforzadas por módulo normal ( NM) Laminados CFRP. Se demostró que aumentar el pretensado en el laminado CFRP no siempre aumenta la resistencia al pandeo de las vigas de acero esbeltas modificadas. Wang et al.10 utilizaron láminas de CFRP y láminas de CFRP pretensadas para reparar vigas compuestas de acero y hormigón. Los resultados mostraron que las láminas de CFRP no tuvieron un efecto significativo en las cargas de fluencia de las vigas compuestas reforzadas, pero tuvieron un efecto significativo en las cargas últimas. Colombi y Fava11 investigaron nueve vigas de acero fisuradas reforzadas con CFRP bajo carga de fatiga. Los resultados experimentales revelaron la presencia de un área desprendida entre el refuerzo y el sustrato de acero en la ubicación de la grieta. El desprendimiento claramente tuvo un efecto perjudicial sobre la efectividad del refuerzo. Gholami et al.12 evaluaron el desempeño de vigas de acero de sección en I reforzadas con placas de CFRP pultruidas en el ala inferior después de la exposición a diversas condiciones, incluido el clima tropical natural, ciclos húmedos/secos, agua corriente, agua salada y solución ácida. El estudio encontró que la capa adhesiva era la parte crítica y que el desempeño del sistema se relacionaba directamente con el comportamiento y la ductilidad de todas las vigas reforzadas que aumentaban después de la exposición. Aljabar et al.13 ampliaron el conocimiento actual del refuerzo de CFRP de elementos de acero en carga de fatiga por tracción al caso de carga mixta de tracción y corte. Se identificó un fenómeno de desplazamiento para describir la influencia del modo mixto en términos de propagación de grietas. Se desarrolló un factor de modificación de modo mixto para estimar la vida de fatiga de placas de acero reforzadas con CFRP con grietas iniciales inclinadas. Hu et al.14 propusieron guías y programas de diseño de fatiga para estructuras de acero reforzadas con CFRP. Se demostró que CFRP es efectivo para fortalecer estructuras de acero bajo fatiga. CFRP podría extender la vida de fatiga bajo ciertas condiciones de carga o aumentar el rango de tensión permisible cuando se desea una cierta vida de fatiga. Yousefi et al.15 presentaron los hallazgos de investigaciones experimentales y numéricas sobre el análisis de fallas y el comportamiento estructural de vigas en I de acero con muescas reforzadas con placas de CFRP adheridas bajo carga estática. Los resultados mostraron que los modos de falla de CFRP en el fortalecimiento de vigas en I de acero deficientes incluyeron desprendimiento de extremos, desprendimiento de carga por debajo del punto, división y deslaminación. Bocciarelli et al.16 propusieron modelos analíticos y numéricos de adhesivos elastofrágiles para evaluar la distribución de tensiones y deformaciones en el refuerzo a una determinada longitud de fisura. Los resultados experimentales se consideraron para validar las técnicas numéricas y analíticas propuestas. Los resultados calculados estuvieron en buen acuerdo con los resultados experimentales. Martinelli et al.17 estudiaron el comportamiento de unión de compuestos de polímero reforzado con fibra (FRP) pegados a sustratos de acero mediante simulaciones experimentales y numéricas. Los resultados mostraron que la relación enlace-deslizamiento incorporada en el modelo numérico propuesto tuvo un efecto significativo en los resultados numéricos. Por lo tanto, era importante identificar las relaciones realistas de adherencia y deslizamiento con diferentes tipos de adhesivos y condiciones de curado (realizando pruebas experimentales). Zhang et al.18 investigaron el comportamiento de flexión de vigas de acero corroídas reforzadas con placas de CFRP. Se investigaron los efectos de los niveles de fuerza de corrosión y pretensado sobre la capacidad de flexión, los modos de falla y el estrés interfacial. Los resultados mostraron que el modo de falla de las vigas corroídas fue la fractura de la placa de CFRP después de la falla por corte de la interfaz en el centro del vano, y la ubicación de la fractura de la placa de CFRP fue principalmente en el punto de carga. La superficie rugosa del acero corroído puede mejorar la eficiencia de la transferencia de tensión en la interfaz, mejorando así la longitud de unión efectiva de la interfaz. El esfuerzo cortante se concentró principalmente en el extremo de la placa de CFRP y el valor máximo apareció en el punto de carga. En comparación con la viga de referencia, la capacidad máxima de flexión de la viga corroída reforzada por la placa de CFRP con un nivel de pretensado del 15 % aumentó en una proporción del 21 %, y la tasa de utilización de las placas de CFRP fue de hasta el 71,59 %. Hu y Feng19 presentaron un método de diseño para estructuras de acero dañadas reforzadas con CFRP y desarrollaron un programa de diseño. Los resultados mostraron que el refuerzo de CFRP puede mejorar la vida útil bajo un cierto rango de estrés y el rango de estrés permisible bajo la premisa de lograr la vida útil objetivo. Deng et al.20 estudiaron el rendimiento de fatiga por flexión de vigas de acero dañadas reforzadas con placas de rejilla de Bragg de fibra óptica y plástico reforzadas con fibra de carbono (CFRP-OFBG). Los resultados de las pruebas mostraron que el refuerzo de placa CFRP-OFBG redujo efectivamente la tasa de crecimiento de grietas por fatiga de las vigas de acero dañadas y aumentó la vida de fatiga de las vigas de acero dañadas en un 22,46 %. Los resultados del análisis y la prueba mostraron que el error mínimo entre el valor calculado del modelo de predicción de vida y el valor de la prueba fue de -24,13 %, y el error máximo fue de -5,61 %.

Sin embargo, algunos estudios han discutido el uso de placas o láminas unidas con epoxi para fortalecer vigas de acero que tienen un ala de tensión o un defecto en el alma, como una muesca, especialmente la sobrecarga aplicada a estas vigas de acero. En este artículo, el ala o alma traccionada se observó parcialmente en la mitad de la luz de las vigas de acero. Las láminas de CFRP se unieron con adhesivo al lado inferior del ala de las vigas de acero para restaurar la capacidad de carga y la rigidez elástica, y luego se aplicó la carga estática o sobrecarga a estas vigas de acero. Se investigaron los efectos de las capas de láminas de CFRP, el nivel de daño de la viga de acero y el número de sobrecargas.

Se fabricaron un total de siete vigas de acero dañadas artificialmente. Las vigas de acero estaban hechas de acero típico de China Standard I20A, del cual la profundidad era de 200 mm, el ancho del ala era de 100 mm, los espesores del ala y el alma eran de 11,4 mm y 7 mm, respectivamente, y el área del ala era de 100 mm. la sección era de 3550 mm2. Las secciones de acero se cortaron en vigas de 1,9 m de largo y se cortaron cuatro niveles de daño diferentes de 100 % de pérdida de tensión en el ala y 15 %, 28 % y 40 % de pérdida de tensión en el alma en la mitad de la luz de las vigas de acero, como se muestra en la figura. Figura 1a. Se realizó una prueba de tracción de acero en forma de I. El límite elástico y la resistencia a la tracción del acero en forma de I fueron 265 MPa y 442 MPa, respectivamente. Los sistemas de refuerzo de unión externa seleccionados para esta prueba fueron láminas de CFRP de alta resistencia. El grosor de las láminas de CFRP era de 0,167 mm, el ancho de 60 mm y el largo de 1500 mm. Se realizó una prueba de tracción de láminas de CFRP como se documenta en la referencia 21, y la resistencia a la tracción promedio fue de 3456 MPa; el módulo elástico fue de 258 GPa. El adhesivo de resina utilizado para pegar la lámina de CFRP coincidió con la lámina de CFRP y su resistencia al corte fue de 19,4. La lámina de CFRP se pegó de la misma manera que se documenta en la referencia21. Se pegaron láminas de CFRP en la parte inferior de la brida de tensión y luego se pegaron aros en forma de U al final de las láminas de CFRP para garantizar que las láminas de CFRP se pudieran anclar a las vigas de acero, como se muestra en la Fig. 1b. Los parámetros detallados de las vigas de acero se dan en la Tabla 1.

La preparación de especímenes.

Las vigas de acero se cargaron en flexión de cuatro puntos con un espaciamiento de 500 mm entre dos cargas puntuales concentradas y con dos tramos de cortante iguales de 650 mm, como se muestra en la Fig. 2. Se usaron cojinetes de caucho en los soportes. La carga se aplicó en todo el ancho del ala superior de la viga de acero mediante una viga espaciadora que se colocó entre los cojinetes de caucho en la parte superior de la viga de acero. Se realizaron pruebas de flexión en cuatro puntos utilizando gatos hidráulicos, como se muestra en la Fig. 2a. El proceso de sobrecarga necesitaba establecer la carga mínima (Pmin), la carga máxima (Pmax) y el número de sobrecargas. Entonces, las vigas de acero se ciclarían en este rango. Un período de tiempo de un ciclo fue de aproximadamente 6 min, como se muestra en la Fig. 3. Después de la sobrecarga, las vigas de acero se sometieron a carga hasta que se rompieron. Para observar el comportamiento de las vigas de acero bajo investigación, se midieron las deformaciones, cargas y deflexiones en los lugares deseados. Las deformaciones se midieron con galgas extensométricas de resistencia eléctrica que se colocaron en la parte superior del ala superior, el ala inferior o el alma cerca de la muesca y el tramo medio de las láminas de CFRP, como se muestra en la Fig. 2b. Se montaron cinco medidores de desplazamiento al final y en el medio del vano de las vigas, y los medidores se usaron para medir la deflexión vertical, como se muestra en la Fig. 2a.

Esquema de ubicaciones de los medidores de desplazamiento y galgas extensiométricas en la viga.

Proceso de sobrecarga.

Como se indicó anteriormente, las vigas de acero reforzadas con láminas de CFRP adheridas con adhesivo podrían mostrar cuatro modos de falla distintos: el ala inferior se paraliza; Ruptura de la hoja de CFRP con la web paralizada; Hoja de CFRP que se despega con la red siendo mutilada; y la lámina de CFRP se rompe con la brida inferior quedándose lisiada.

La ruptura de CFRP con la mutilación del alma fue el modo de falla dominante en las vigas de acero sin sobrecarga. La ruptura de las láminas de CFRP fue repentina y no hubo señales de falla de unión entre la lámina de CFRP y la brida de acero en las muestras FSB1 y FSB4. Debido a que el nivel de daño fue pequeño en el espécimen FSB4, solo el reborde inferior quedó lisiado. El modo de falla de SB0 fue que el reborde inferior estaba lisiado porque no había una lámina de CFRP adherida.

Los modos de falla de las vigas de acero bajo sobrecarga fueron la ruptura de la lámina de CFRP con el alma lisiada y el desprendimiento de la lámina de CFRP con el alma lisiada. El desprendimiento de CFRP apareció en las muestras FSB2 y FSB3. La ruptura de CFRP apareció en las muestras FSB5 y FSB6. Todas las almas de las vigas de acero se paralizaron cuando las láminas de CFRP se despegaron o se rompieron.

Los resultados experimentales revelaron que la falla final generalmente estuvo acompañada de una gran deflexión y que el alma o el ala inferior estaban abollados. Tanto el alma como las alas de las vigas de acero cedieron, como se muestra en la Fig. 4.

Modos de falla de las muestras de ensayo.

La Figura 5 muestra las curvas de carga-deflexión en la etapa cíclica. En el proceso de descarga de FSB2, FSB3, FSB5 y FSB6 después de 100 ciclos, las curvas no disminuyeron directamente de acuerdo con las curvas originales. Esta condición mostró que la amplitud de sobrecarga excedía el valor crítico de la etapa elástica de la viga de acero, y todas las vigas de acero estaban en la etapa elástico-plástica. Las curvas de carga-deflexión de FSB2 y FSB3 fueron más suaves que las curvas de carga-deflexión de FSB5 y FSB6 debido a las muescas grandes de FSB5 y FSB6. La capacidad de recuperación de FSB5 y FSB6 se redujo, lo que resultó en una curva irregular.

Relación carga-deflexión de especímenes con 100 ciclos.

La figura 6a muestra la curva de carga-deflexión de las vigas de acero con un 100 % de daños en las alas. SB0 era la viga de acero que no estaba reforzada y FSB4 era la viga de acero reforzada con una capa de lámina de CFRP. Ambos especímenes se sometieron solo a carga estática. La carga de fluencia de FSB4 fue de 137 kN, que fue un 10 % mayor que la carga de fluencia de SB0, y la rigidez elástica fue un 14,5 % mayor que la rigidez elástica de SB0. La carga última de FSB4 fue de 195,46 kN, un 10,3 % mayor que la carga última de SB0. Los resultados muestran que la lámina de CFRP unida con epoxi aumentó significativamente la carga de fluencia, la capacidad de carga máxima y la rigidez elástica de la viga de acero.

Curvas carga-deflexión de vigas de acero reforzado.

La Figura 6b muestra la curva carga-deflexión de las vigas de acero con diferentes niveles de daño, ambas reforzadas con una capa de lámina de CFRP. Los niveles de daño del 100 % de pérdida de tensión del ala y del 28 % de pérdida de alma se cortaron en la mitad de la luz de las vigas de acero en FSB4 y FSB1, respectivamente. Ambos especímenes se sometieron únicamente a carga estática. Cuando la carga no alcanzó el 65% Pu, la rigidez elástica de las dos vigas de acero fue la misma. La carga de fluencia y la carga última de FSB4 fueron un 68,3 % y un 73,8 % mayores que la carga de fluencia y la carga última de FSB1, y la rigidez elástica fue un 13,5 % mayor que la rigidez elástica de FSB1. La carga de fluencia y la carga última obviamente cambiaron como resultado del nivel de daño. En comparación con la carga de fluencia y la carga última, el nivel de daño no tuvo un efecto significativo sobre la rigidez elástica.

La figura 6c muestra la curva de carga-deflexión de las vigas de acero con un 100 % de daño en las alas después de la sobrecarga. FSB4 era la viga de acero con solo carga estática. FSB2 fue la viga de acero con una sobrecarga de 100 veces de 0,7 Pu y una carga completamente estática. Cuando la carga no alcanzó los 60 kN, la rigidez elástica de las dos vigas de acero fue la misma. La carga de fluencia de FSB2 fue de 148,9 kN, que fue un 8,7 % mayor que la carga de fluencia de FSB4, y la rigidez elástica fue un 24,5 % mayor que la rigidez elástica de FSB4. La carga última de FSB2 fue de 185,08 kN, que fue un 5,3 % menor que la carga última de FSB4. Los resultados muestran que la sobrecarga podría influir en la carga de fluencia y la rigidez elástica. La carga de fluencia y la rigidez elástica aumentaron con el incremento del número de sobrecargas debido al endurecimiento en frío del acero, pero la carga última se reduciría.

La Figura 6d muestra la curva carga-deflexión de las vigas de acero con diferentes niveles de daño después de la sobrecarga. Los niveles de daño del 100 % de pérdida de tensión en el ala y del 15 % de pérdida de alma se cortaron en la mitad de la luz de las vigas de acero en FSB2 y FSB3, respectivamente. Las vigas de acero se sometieron a 100 veces de sobrecarga de 0,7 Pu y una carga totalmente estática. Cuando la carga no alcanzó el 75% Pu, la rigidez elástica de las dos vigas de acero fue la misma. La carga de rendimiento de FSB2 fue un 24,1% mayor que la carga de rendimiento de FSB3. La carga última de FSB2 fue un 32 % mayor que la carga última de FSB3. Se ha demostrado que la carga de fluencia y la capacidad de carga última de las vigas de acero reforzado cambian como resultado de los niveles de daño después de la sobrecarga.

La Figura 6e muestra la curva de carga-deflexión de las vigas de acero con un 40 % de daño en el alma reforzadas con diferentes números de capas de láminas de CFRP después de la sobrecarga. FSB5 se reparó con una capa de láminas de CFRP y FSB6 se reparó con dos capas de láminas de CFRP. Las vigas de acero se sometieron a 100 veces de sobrecarga de 0,7 Pu y una carga totalmente estática. La carga de fluencia de FSB6 fue de 78,6 kN, que fue un 38,4 % mayor que la carga de fluencia de FSB5, y la rigidez elástica fue un 36,9 % mayor que la rigidez elástica de FSB5. La carga última de FSB6 fue de 94,32 kN, un 24,9 % mayor que la carga última de FSB5. Los resultados muestran que el incremento de capas de láminas de CFRP podría mejorar la carga de fluencia, la rigidez elástica y la capacidad portante última de las vigas de acero después de la sobrecarga.

La Figura 7 muestra las curvas carga-deflexión de la primera y última carga de FSB2, FSB3, FSB5 y FSB6. Después de la sobrecarga, la rigidez elástica de todas las vigas de acero aumentó. La rigidez elástica de FSB2, FSB3, FSB5 y FSB6 de la última carga fue 31,1%, 23,2%, 14% y 15% mayor que la rigidez elástica de la primera carga, respectivamente. La rigidez elástica de las vigas de acero con grandes niveles de daño aumentó menos que la rigidez elástica de las vigas de acero con pequeños niveles de daño. Se demostró que la rigidez elástica de las vigas de acero puede aumentar después de la sobrecarga debido al endurecimiento en frío del acero. Sin embargo, el efecto del endurecimiento en frío sobre la viga de acero disminuyó con el aumento del nivel de daño de la viga de acero.

Curva carga-deflexión de vigas de acero reforzado bajo carga.

Al comienzo de la prueba, las curvas de carga-deformación de las vigas de acero reforzadas eran lineales, como se muestra en la Fig. 8. Las líneas representan las deformaciones en la región de tracción de las vigas de acero, la región de compresión de las vigas de acero y las láminas de CFRP. . La región de tracción de las vigas de acero comenzó a ceder aproximadamente entre el 30 y el 35 % de la carga última. Sin embargo, debido al efecto del endurecimiento en frío, la muestra FSB2 cedió al 58 % de la carga última. Después de ceder, la eficacia de las láminas de CFRP fue mucho mejor. Las deformaciones en la región de tensión de las vigas de acero reforzado disminuyeron significativamente. Con el mismo nivel de carga, las deformaciones de la viga de acero con un gran nivel de daño fueron mayores que las de las otras vigas de acero. Cuando la carga alcanzó aproximadamente del 70 al 85% de la carga última, la región de compresión de las vigas de acero comenzó a ceder. Luego, las deformaciones por compresión en la región de compresión de las vigas de acero se volvieron no lineales. Las deformaciones de las láminas de CFRP fueron de aproximadamente 10 000 με después de la carga estática y de aproximadamente 7500 με después de la sobrecarga. Los resultados muestran que los niveles de daño de las vigas de acero podrían afectar las deformaciones de las vigas de acero reforzadas. Después de la sobrecarga, la carga de fluencia de la viga de acero aumentó, pero la sobrecarga no tuvo un efecto significativo en las vigas de acero con grandes niveles de daño. El número de capas de láminas de CFRP podría tener un efecto sobre la carga de fluencia y la capacidad de carga máxima. Las tensiones de las láminas de CFRP disminuirían debido a la sobrecarga.

Curvas de carga-deformación de vigas de acero reforzado.

El análisis FE se realizó utilizando ABAQUS. Todas las vigas de acero fueron modeladas. La geometría y las disposiciones de carga del modelo se adoptaron de acuerdo con las vigas ensayadas. El soporte final se modeló utilizando un soporte de rodillos que restringía el movimiento vertical de la viga. Se permitió la traslación longitudinal de la viga. Se empleó una restricción de amarre para las uniones entre la viga de acero y la lámina de CFRP porque el deslizamiento de la interfaz no se consideró en este modelo.

La viga de acero se modeló como un elemento finito C3D8R (elementos finitos sólidos de ocho nodos con integración reducida). La hoja de CFRP se modeló como un elemento finito SR4 (elementos finitos de cuatro nodos con integración reducida). Los tamaños de los elementos se adoptaron en base al estudio de discretización de mallas. La malla de elementos finitos utilizada para el análisis se muestra en la Fig. 9. Hubo 4 modelos de daño en el análisis de elementos finitos, como se muestra en la Fig. 10.

Generación de mallas.

Modelo de daños.

Se supuso que el acero era un elastoplástico con material de endurecimiento y saturación e idéntico en tensión y compresión, como se muestra en la Fig. 11a. La relación esfuerzo-deformación para el acero se muestra en la ecuación. (1). Se utilizó una relación de Poisson de 0,3 para la viga de acero, como se muestra en la Tabla 2.

donde \(A = \frac{{{0}{\text{.2}}f_{{{\text{ty}}}} }}{{(\varepsilon_{{{\text{te1}}}} - \varepsilon )^{{2}} }}\), \(B = 2A\varepsilon_{{{\text{te1}}}}\), \(C = 0.8f_{{{\text{ty} }}} + A\left( {\varepsilon_{{{\text{te}}}} } \right)^{{2}} - B\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te}}}} = 0.8f_{{{\text{ty}}}} /E_{{\text{t}}}\),\(\varepsilon_{{{ \text{te1}}}} = {1}.{5}\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te2}}}} = {10 }\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te3}}}} = {100}\varepsilon_{{{\text{te}}}}\ ), \(E_{{\text{t}}}\) es el módulo de elasticidad del acero, \(f_{{{\text{ty}}}}\) es el límite elástico del acero y \(f_ {{{\text{tu}}}}\) es la resistencia última del acero.

Relación tensión-deformación.

El CFRP se modeló como un material ortotrópico elástico lineal, como se muestra en la Fig. 11b, y la relación de tensión y deformación fue:

donde \(\varepsilon_{cf}\) es la deformación de la hoja de CFRP, \(\sigma_{cf}\) es la tensión de la hoja de CFRP, \(\varepsilon_{cfu}\) es la deformación última permisible de la hoja de CFRP, y \(E_{cf}\) es el módulo elástico de la hoja de CFRP.

Las imágenes de tensión de la viga de acero y la lámina de CFRP se muestran en las Figs. 12, 13 y 14. Después de la sobrecarga, la concentración de tensión apareció en la muesca de la viga de acero y en el centro de la hoja de CFRP. En comparación con la viga de acero sin sobrecarga, las deformaciones de la viga de acero y la lámina de CFRP fueron menores. Se muestra que la sobrecarga puede afectar la deformación final de la viga de acero, y la sobrecarga disminuiría la utilización de la lámina de CFRP.

Imágenes de estrés después de la sobrecarga.

Comparación de esfuerzos de vigas de acero con o sin sobrecarga.

Comparación de tensiones de láminas de CFRP con o sin sobrecarga.

Las figuras 15 y 16 muestran las imágenes de deflexión de la viga de acero con y sin sobrecarga. Después de la sobrecarga, se produjo una deflexión residual en la viga de acero. El valor de la deflexión residual se relacionó con el número de sobrecarga y la amplitud de sobrecarga. La deflexión de la viga de acero después de la sobrecarga fue menor que la deflexión de la viga de acero después de la carga estática.

Deflexión residual después de la sobrecarga.

Comparación de flechas de vigas de acero con o sin sobrecarga.

Las figuras 17 y 18 muestran una comparación entre los resultados de la prueba y los resultados del cálculo de elementos finitos. Los resultados del cálculo de elementos finitos coincidieron con los resultados de las pruebas, lo que indica que el modelo de cálculo de las vigas de acero dañadas reforzadas con láminas de CFRP era correcto.

Comparación entre la prueba y el cálculo de elementos finitos de las curvas de carga-deflexión.

Comparación entre ensayo y cálculo por elementos finitos de curvas carga-deformación (deformación por compresión).

La Figura 19 muestra las curvas de carga-deflexión de las vigas de acero con 100% de daño en el ala bajo diferentes números de sobrecarga. La rigidez elástica de las vigas de acero con 100 a 1000 ciclos de sobrecarga fue mucho mayor que la rigidez elástica de las vigas de acero con solo ciclos de carga estática. Sin embargo, hubo pocos cambios entre todos ellos. Las cargas de fluencia de las vigas de acero con 100–1000 ciclos de sobrecarga fueron 13,5 %, 12,6 %, 11,2 %, 10,1 %, 9 %, 7,9 %, 7 % y 6 % mayores que las cargas de fluencia de las vigas de acero con solo carga estática. Las cargas últimas de las vigas de acero con 100–1000 tiempos de sobrecarga fueron todas menores que las cargas últimas de las vigas de acero con solo carga estática. La carga de fluencia y la rigidez elástica aumentaron con el incremento del número de sobrecargas debido al endurecimiento en frío del acero. Sin embargo, la mejora disminuye a medida que aumenta el número de sobrecarga. La carga última se reduciría debido al endurecimiento en frío del acero. El número de sobrecarga afectó la carga última de las vigas de sobrecarga.

Efecto de la sobrecarga de número.

La Figura 20 muestra la curva carga-deflexión de las vigas de acero con 100% de daño en el ala bajo diferentes amplitudes de sobrecarga. La rigidez elástica de las vigas de acero con una amplitud de sobrecarga de 0,6 Pu-0,76 Pu fue, respectivamente, 6,2 %, 6,5 %, 8,6 %, 11,2 %, 14,1 %, 15,8 %, 16,5 %, 18,4 % y 19,8 % mayor que la rigidez elástica del acero. viga con solo carga estática, y las cargas de fluencia fueron, respectivamente, 15,8 %, 17,9 %, 21,1 %, 22,8 %, 25 %, 26,8 %, 27 %, 28,9 %, 30,5 % mayores que las cargas de fluencia de la viga de acero con solo carga estática cargando. Las cargas últimas fueron 1,9 %, 2,3 %, 2,9 %, 3,2 %, 4 %, 4,7 %, 5,7 %, 6,8 % y 7,7 % más pequeñas que las cargas últimas de la viga de acero solo con carga estática. La amplitud de sobrecarga aumentó por 0,02 Pu y la carga de fluencia aumentó aproximadamente 2 kN, pero la carga última disminuyó aproximadamente 1 kN. Cuando la amplitud de sobrecarga alcanzó 0,77 Pu, la viga de acero reforzado se rompió en la etapa de sobrecarga.

Efecto de la sobrecarga de amplitud.

Los hallazgos de este estudio mostraron que las láminas de CFRP unidas con adhesivo se pueden usar de manera efectiva para fortalecer las vigas de acero dañadas y que la sobrecarga podría afectar la carga de fluencia y la rigidez elástica de las vigas de acero. Se extrajeron las siguientes conclusiones.

Todas las vigas de acero después de la sobrecarga podrían aumentar la carga de fluencia y la rigidez elástica debido al endurecimiento en frío del acero después de la sobrecarga. Sin embargo, cuanto mayor sea el nivel de daño de la viga de acero, menor será el incremento de la carga de fluencia y la rigidez elástica. La carga de fluencia y la rigidez elástica de la viga de acero después de la sobrecarga fueron 8,7% y 24,5% mayores que la carga de fluencia y la rigidez elástica de la viga de acero sin sobrecarga. La carga última de la viga de acero después de la sobrecarga fue un 5,3 % menor que la carga última de la viga de acero sin sobrecarga.

La carga de fluencia, la carga última y la rigidez elástica de las vigas de acero con 100 % de pérdida de tensión en el ala fueron 68,3 %, 73,8 % y 13,5 % mayores que las vigas de acero con 28 % de pérdida de alma después de la carga estática. La carga de fluencia y la carga última de la viga de acero con 100 % de pérdida de tensión en el ala fueron 24,1 % y 32 % mayores que la viga de acero con 15 % de pérdida del alma después de la sobrecarga. Independientemente de la carga estática o la sobrecarga, el nivel de daño tuvo un efecto significativo en la carga de fluencia y la capacidad de carga última de las vigas de acero.

La viga de acero reforzada con láminas de CFRP podría aumentar la carga de fluencia, la carga última y la rigidez elástica en un 10 %, 10,3 % y 14,5 %, respectivamente, en comparación con la viga de acero sin refuerzo después de la carga estática. La viga de acero reforzada con dos capas de láminas de CFRP aumentó la carga de fluencia, la carga última y la rigidez elástica en un 38,4 %, 24,9 % y 36,9 %, respectivamente, en comparación con la viga de acero reforzada con una capa de láminas de CFRP después de la sobrecarga. Se demostró que la viga de acero dañada podía reforzarse con láminas de CFRP, y se demostró que el aumento de capas de láminas de CFRP podía mejorar la carga de fluencia, la capacidad de carga máxima y la rigidez elástica de las vigas de acero.

Las deformaciones de CFRP de las vigas de acero reforzadas con láminas de CFRP fueron de aproximadamente 10 000 με después de la carga estática y de aproximadamente 7500 με después de la sobrecarga. Se demostró que las tensiones de las láminas de CFRP disminuyen debido a la sobrecarga.

En comparación con la viga de acero reforzado sin sobrecarga, la desviación y las deformaciones de la viga de acero reforzado con sobrecarga fueron mucho menores. Debido al endurecimiento en frío del acero, la carga de fluencia y la rigidez elástica aumentaron con el incremento de la amplitud de la sobrecarga, y el incremento del número de sobrecarga podría reducir la carga de fluencia y la rigidez elástica, pero la carga última se reduciría.

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Escuela de Ingeniería Geomática y Transporte, Universidad Shenyang Jianzhu, Shenyang, 110168, China

wenyu hou

Universidad de Arquitectura y Tecnología de Jilin, Changchun, China

Liangguang Wang

Universidad de Arquitectura e Ingeniería Civil de Changchun, Changchun, China

di shi

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WH escribió la prueba del manuscrito principal. LW hizo la prueba y el análisis de datos. DS hizo el análisis numérico.

Correspondencia a Liangguang Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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. Informe científico 12, 10134 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9

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Recibido: 28 febrero 2022

Aceptado: 07 junio 2022

Publicado: 16 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9

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