Entwicklung eines Hybrid-FRP

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16237 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aktuelle Trends in der Werkstofftechnik fordern die Entwicklung effizienter Strukturlösungen. Der Stahlersatz durch faserverstärkte Polymere (FVK) verdeutlicht den Schlüssel zum Korrosionsproblem. Der relativ niedrige Verformungsmodul typischer FVK-Materialien erhöht jedoch die Verformungen der Strukturbauteile. Zusammen mit der Eigengewichtsreduzierung, die die kinematischen Verschiebungen erhöht, macht letzteres die Entwicklung von Hybridstrukturen aus druckfestem Beton und hochleistungsfähigen FVK-Profilen unter Zugbelastung wichtig. Obwohl solche Hybridsysteme für den Brückenbau anwendbar sind, erschwert die Unsicherheit der Verbindungseigenschaften zwischen den Komponenten die Entwicklung dieser innovativen Strukturen, einschließlich der Entwurfsmodelle. Die typische Lösung konzentriert sich auf die lokale Verbundverbesserung, z. B. durch den Einsatz von FVK-Profilperforationen und mechanischen Verankerungssystemen. Diese Studie stellt jedoch eine alternative Lösung vor, bei der das Spannungsband-Brückenstruktursystem zur Erstellung des Hybridträger-Prototyps verwendet wird, der die synthetische faserverstärkte Betonplatte und das auf den Stützen befestigte pultrudierte FRP-Profil kombiniert. Diese Arbeit veranschaulicht das Strukturentwicklungskonzept, wenn das Ergebnis der Finite-Elemente-Modellierung (FE) die Zielreferenz des Entwurfsverfahrens definiert. Somit vereinfacht diese innovative Struktur einerseits das entsprechende numerische (FE-)Modell, das den perfekten Verbund zwischen den Komponenten des Hybridbalkensystems voraussetzt. Andererseits verbessert die Lösung des Stützproblems (das aus einem geringen Widerstand von pultrudierten FRP-Profilen gegenüber Querlasten resultiert) die strukturelle Leistung des Brückenprototyps und verdoppelt die Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit der Struktur im Hinblick auf die schwachen Betonstützen. System. Die Biegeversuche bewiesen die Eignung dieser Lösung zur Beschreibung der Entwurfsreferenz für die Weiterentwicklung des vorgeschlagenen Tragwerkskonzepts.

Die Trends in der Werkstofftechnik treiben die Entwicklung effizienter Strukturlösungen voran1,2. Infolgedessen besteht die Tendenz, neue Baumaterialien zu entwickeln, um den traditionell verwendeten Beton und Stahl zu ersetzen3. Faserverstärkte Polymere (FRP) stellen die vielversprechende Alternative zu Stahl dar, und Verbundwerkstoffe auf Kohlenstoff-, Glas- und Aramidfaserbasis sind die am häufigsten auf dem Markt erhältlichen FRP4,5. Es ist bekannt, dass die Fertigungstechnologie die mechanische Leistung von FRP-Verbundwerkstoffen beeinflusst. Daher konzentriert sich diese Studie auf die pultrudierten Objekte, da die Pultrusionstechnologien in der Lage sind, ein großes Volumen bei niedrigen Betriebskosten und hoher Fertigungsrate, hohem Fasergehalt und hohen Geometrietoleranzen zu produzieren6,7.

Die Pultrusionsrichtung und die Verteilung der Verstärkungsfilamente stimmen überein und gewährleisten die mechanische Leistung der strukturellen FRP-Teile6,7,8,9. Allerdings sind solche Bauteile im Zuge der Pultrusion häufig Querbelastungen ausgesetzt; Darüber hinaus müssen die pultrudierten Teile den durch das Entfernen der Schrauben verursachten lokalen Spannungen standhalten4,5. Daher schützen die glatten, unidirektionalen Rovings und Matten die Längsfilamente, was die innere Verstärkungsstruktur des FRP-Materials erschwert6. Gleichzeitig können diese zusätzlichen Schutzmaßnahmen für die Entwicklung von FRP-Strukturen unzureichend sein10,11,12. Darüber hinaus erhöht der relativ niedrige Verformungsmodul typischer FVK-Materialien die Verformungen der Strukturbauteile. Zusammen mit der Eigengewichtsreduzierung, die die kinematischen Verschiebungen erhöht13, macht letzteres die Entwicklung hybrider Strukturen aus druckfestem Beton und hochleistungsfähigen GFK-Profilen unter Zugbelastung wichtig.

Obwohl hybride Verbundsysteme für den Brückenbau geeignet sind13,14,15, erschwert die Unsicherheit der Verbindungseigenschaften zwischen den Komponenten die Entwicklung dieser innovativen Strukturen. Die typische Lösung konzentriert sich auf die Verbesserung der lokalen Bindung unter Verwendung von FRP-Profilperforationen und mechanischen Verankerungssystemen, z. B. Mendes et al.16 und Zhang et al.17. Die Gestaltung solcher Bauwerke liegt jedoch außerhalb des Regelbereichs. Gleichzeitig erschwert das Bindungsproblem die Strukturanalyse und numerische Modellierung18,19. Dennoch beschreiben Studien9,20,21,22,23 die typischen Analysebeispiele und vernachlässigen dabei das Bindungsproblem.

Referenzen8,24,25,26,27 definieren die Fälle, in denen die Bindungsparameter zu den Forschungsthemen gehörten. Beispielsweise konzentrierten Chen et al.26 die Forschung auf die Bindungseigenschaften von FRP-Laminaten. Vier verbleibende Arbeiten berücksichtigen die FVK-Beton-Verbundleistung der hybriden Struktursysteme, die den Forschungsgegenstand dieser Studie beschreiben. Dang und Phan8 sowie Cai et al.25 untersuchten die Klebeleistung von FRP-Stäben in Beton. Robinson und Melby24 untersuchten den mechanischen Widerstand des mit Beton gefüllten GFK-Rohrs und Muc et al.27 simulierten die Verbunddeckplatte. Allerdings berücksichtigt eine seltene Veröffentlichung den Widerstand der Stützverbindung der FRP-Profile, z. B. Zhang et al.28.

Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie die Spannungsbandbrückenlösung verwendet, um den Hybridträger-Prototyp zu erstellen, der die Platte aus polymerfaserverstärktem Beton (PFRC) und das pultrudierte FRP-Profil kombiniert. Das vorgeschlagene Struktursystem erfordert jedoch aufgrund der Kombination des Betons keine massiven Stützen, wie sie für Spannungsbandsysteme15 typisch sind, und widersteht der Druckbelastung, die durch das glasfaserverstärkte Profil (GFK) verursacht wird, das in der Zugzone des Biegeelements verteilt ist Element. Darüber hinaus sorgt die zuverlässige Profilfixierung an den Stützen für das Verbundverhalten des Hybridträgers. Darüber hinaus vereinfacht es das entsprechende Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) und ermöglicht die Annahme einer perfekten Bindung zwischen den Verbundteilen. Somit beschreibt dieses FE-Modell die Referenz für die Entwicklung des Hybridbalkensystems. Die Biegetests untermauern die Angemessenheit der Lösung und veranschaulichen die Situation, in der das numerisch vorhergesagte Ergebnis die Effizienz des Hybridsystems bestimmt und dem Designer die strukturelle Referenz liefert.

Der entworfene Träger besteht aus der Platte aus polymerfaserverstärktem Beton (PFRC), die der Druckkraft der Stützverbindungen standhält und das glasfaserverstärkte Profil (GFRP, 120×60/6/6 mm I-Profil von Fiberline, Dänemark) befestigt ). Die vorläufigen Simulationen29 ermittelten die Geometrie des Stützblocks. Darüber hinaus verstärkt ein kohlenstofffaserverstärkter Polymerstreifen (CFK, 10 × 1,4 mm von S&P C-Laminate, UK) die am stärksten beanspruchte Seite des GFK-Profils. Abbildung 1 zeigt die schematischen und erwarteten Querschnitte des Verbundträgers.

Das Hybridträgerschema und die erwarteten Querschnitte.

Das Strukturschema (Abb. 1) nutzt das Spannungsbandbrückenkonzept15,30 zur Entwicklung des Hybridträgers. Auf diese Weise stellt der Beton eine zuverlässige Verbindung mit dem GFK-Profil auf den Stützen her. Darüber hinaus überprüft die FE-Modellierung die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Konzepts, wenn der Ansatz der verschmierten Verstärkung7 die mechanische Leistung von FRP-Komponenten beschreibt, das physikalisch nichtlineare Materialmodell31 das PFRC-Verhalten definiert und das perfekte Bindungsmodell das Kontaktproblem darstellt.

Die kommerzielle Software Atena hilft bei der Analyse der Verformungsreaktion und der Vorhersage der Tragfähigkeit des Hybridträgers; Die in den vorherigen Arbeiten1,7,31 verifizierten Materialmodelle beschreiben das mechanische Verhalten von PFRC- und FRP-Komponenten. Das Tetraedernetz erzeugt das Finite-Elemente-Modell (FE-Modell), dargestellt in Abb. 2. Die schützenden elastischen Platten an den Lastangriffspunkten (Abb. 2a) haben ein 15 mm FE-Netz. Der monolithische Betonteil des Balkens (Abb. 2b) hat eine Maschenweite von 30 mm; Das CFK-Band und das GFK-Profil haben eine Finite-Elemente-Größe von 7,5 mm. Die Ergebnisse der Modellüberwachung sind vertikale Verschiebungen in der Mitte der Spannweite und an den Lastangriffspunkten.

Das Finite-Elemente-Modell des Hybridstrahls: (a) FE-Diskretisierung; (b) Unterstützungsansicht.

Das nichtlineare zementöse Materialmodell mit einer Druckfestigkeit von 55 MPa31 bestimmt das Verformungsverhalten und den Versagensmechanismus von PFRC. Ein elastisch-plastisches Modell (Elastizitätsmodul = 170 GPa und Zugfestigkeit = 2,8 GPa) bestimmt das Materialverhalten des 10 × 1,4 mm großen CFK-Streifens1. Die 3D-festen finiten Elemente beschreiben die Polymermatrix des GFK-Profils unter Annahme der bruchmechanischen Prinzipien für Zugversagen und des Plastizitätsansatzes für Druckversagen.

Gribniak et al.7 passten das Schmierbewehrungsmodell an, das ursprünglich für Stahlbetonelemente mit struktureller Netzverstärkung32 entwickelt wurde, um die Glasfilamente darzustellen, und verifizierten diese numerisch effiziente Lösung, indem sie die Dreipunkt-Biegetests von FRP-Profilen desselben Herstellers simulierten wie diese Studie. Die Verifizierung7 zeigte die Fähigkeit des FE-Modells, die Tragfähigkeit und Verformungsreaktion des Profils vorherzusagen. Ein elastisch-sprödes Stoffgesetz definiert das Spannungsversagen der in Pultrusionsrichtung ausgerichteten Fasern. Für diese Analyse wurde ein verschmiertes Verstärkungsverhältnis von 63,4 % angenommen, entsprechend der vorherigen Untersuchung7. Die Polymermatrix hat einen Elastizitätsmodul von 3,23 GPa und eine Zugfestigkeit von 90 MPa. Die E-Glasfasern (verschmierte Verstärkung) haben einen Elastizitätsmodul von 73 GPa und eine Zugfestigkeit von 3445 MPa; Die Filamente halten Druckbelastungen nicht stand. Dabei wurde von einer perfekten Verbindung aller Modellkomponenten ausgegangen. Die erste Belastungsstufe berücksichtigt das Eigengewicht des Trägers. In aufeinanderfolgenden Schritten wurden zwei Punktlasten aufgebracht, was zu einem Momentanstieg von 0,125 kNm bei jedem weiteren Belastungsschritt in der reinen Biegezone von 600 mm führte (Abb. 1). Physikalische Tests überprüfen die Eignung des Modells.

Die physikalischen Tests wurden in zwei Schritten durchgeführt und für jede Serie wurden zwei nominell identische Träger hergestellt. Die Proben wurden mit den gleichen Mischungsverhältnissen mit einer angestrebten Druckfestigkeit von 55 MPa gegossen, wie in den vorherigen Studien berücksichtigt1,31. Folgende Mischungsverhältnisse pro Kubikmeter wurden verwendet: 356 kg Zement CEM I 42,5 R; 201 l Wasser; 177 kg Kalksteinmehl; 890 kg Sand 0/4 mm; und 801 kg gebrochene Zuschlagstoffe der Körnung 4/16 mm. Der Beton enthielt außerdem 2,61 % des Zementgewichts des Fließmittels Mapei Dynamon XTend und 3,5 kg des Zusatzmittels SCP 1000 Optimizer. Darüber hinaus enthielt die Mischung 4,2 kg Makrofasern Durus EasyFinish und 0,6 kg Mikrofasern CrackStop M Ultra von Adfil NV (Belgien).

Den Unterschied zwischen den Balkenserien machte die Konstruktion der Stützgelenke aus. Die erste Serie produzierte die Hybridträger-Prototypen mit der in Abb. 1 dargestellten Sollgeometrie. Der unzureichende Widerstand der Stützen bei der Befestigung des GFK-Profils motivierte die Entwicklung der zweiten Trägerserie. Zusammen mit den Hybridträgern jeder Serie wurden zwei rechteckige 550 × 550 × 40 mm große Platten und acht 100 mm große Würfel hergestellt. Der Rütteltisch verdichtete die Betonstruktur. Im Steg der Stützzone und im oberen Flansch des GFK-Profils wurden Perforationen angebracht, um die Kontaktleistung mit PFRC bei Trägern der ersten Serie zu verbessern. Im Gegensatz dazu hatten die Profile der zweiten Serie keine Perforation.

Alle Balken wurden in umgekehrter Position gegossen. Für die Herstellung der Träger wurden Stahlformen mit Sperrholzbrettern verwendet. Aus geschäumtem Polystyrol und Holzeinlagen wurden Stützblöcke gebildet, die das GFK-Profil fixierten. Der Beton wurde in zwei Schichten gegossen. In der ersten Schicht wurde eine 55 mm dicke Betondecke gebildet und mit dem Rütteltisch verdichtet. Anschließend wurden die Betonstützen mit geschäumten Styropordübeln geformt. Die Stützklötze der ersten Balkenserie sorgen für die 20 mm Überdeckung des Profils auf der Balkenauflage. Die 95 mm dicken monolithischen Betonstützblöcke (Abb. 1) wurden durch Anstoßen mit einem Metallstab verdichtet.

Die Trägerproben der zweiten Gruppe verfügten über verbesserte Verankerungsblöcke – ein 100 × 200 mm großes Rechteckprofil aus Hohlprofilstahl schützte das GFK-Profil an den Stützen. Durch diese Modifikation erhöhte sich die Stützblocklänge von 95 auf 250 mm, der Stützabstand blieb jedoch gleich. Darüber hinaus wurde die Breite der Druckbetonzone verringert, um die Balkenherstellung zu vereinfachen und die Biegesteifigkeit des Balkens durch Erhöhung der Druckzonenhöhe zu erhalten. Die übrigen Komponenten des Hybridsystems, also GFK-Profil, CFK-Band und Kleber, blieben gleich. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen das Trägerschema und die Ansichten des Verankerungsblocks.

Das aktualisierte Hybridträgerschema und die geänderten Querschnitte.

Vorbereiten der modifizierten Stützblöcke: (a) rechteckiges Stahlrohr mit Bohrlöchern; (b) eingefügte 6-mm- und 8-mm-Stäbe; (c) das Stahlrohr innerhalb der Form.

Die vertikalen 6 mm und horizontalen 8 mm Stahlstäbe verhinderten Bewegungen des GFK-Profils im Inneren des Stahlrohrs (Abb. 4). Der 8-mm-Stab ging horizontal durch die Mitte des GFK-Profils (Abb. 3). Auf die gleiche Weise wie bei den Trägern der ersten Serie wurden zwei Trägerprototypen, zwei 550 × 550 × 40 mm große Platten und acht 100 mm große Würfel mit identischen Betonanteilen hergestellt (in diesem Abschnitt oben beschrieben). Die Balkenproben wurden in zwei Schichten gegossen: Die erste Schicht, einschließlich der Betonplatte, wurde mithilfe des Rütteltisches verdichtet, und die zweite Schicht bildete die Stützblöcke. Dieser Beton wurde innerhalb der schützenden Stahlrohre sorgfältig verteilt und mithilfe von Stahlstäben verdichtet.

Die Träger beider Serien wurden nach zwei Tagen entformt und vor den Tests 30 Tage lang unter Laborbedingungen (Durchschnittstemperatur 20 °C und 40 % relative Luftfeuchtigkeit) gelagert. Für alle getesteten Träger wurde das gleiche Belastungsschema und die gleiche Verteilung der Messgeräte verwendet. Abbildung 5 zeigt die charakteristischen Ansichten des Biegeversuchsaufbaus. Ein digitales Bildkorrelationssystem (Abb. 5a) wurde verwendet, um einen plötzlichen Ausfall der Hybridstrahlproben zu erfassen. Aufgrund des allmählichen Zusammenbruchs der Strahlproben sind diese Ergebnisse jedoch nicht im Manuskript enthalten. Darüber hinaus machte die unebene Oberfläche der Balken das Bildkorrelationsverfahren für die Erfassung von Verformungsreaktionen ineffizient. Daher werden in dieser Studie die linearen variablen Verschiebungsaufnehmer (LVDT) verwendet, um die vertikalen Verschiebungen in der Mitte der Trägerspannweite und unterhalb der Lastangriffspunkte zu erfassen (Abb. 5b). Darüber hinaus überwachten neun LVDT Oberflächenverformungen in der reinen Biegezone. Anschließend wurden sie zur Überwachung der Längsdehnungen innerhalb der Biegezone eingesetzt.

Beispiele für den Biegetestaufbau des Hybridstrahls: (a) die für die digitale Bildkorrelation freigelegte Oberfläche; (b) Verteilung von linearen variablen Wegaufnehmern zur Überwachung vertikaler und horizontaler Verschiebungen.

Die Biegetests wurden mit einer 5-MN-Servohydraulikmaschine durchgeführt, wobei die Last verschiebungsgesteuert mit einer Rate von 0,4 mm/min aufgebracht wurde. Zur Messung der aufgebrachten Last wurde eine Wägezelle verwendet. Ein ALMEMO 2890-9 Datenlogger zeichnete die Messwerte aller LVDT-Geräte und der Wägezelle auf. Die Ausgaben wurden jede Sekunde erfasst.

Die Drucktests ergaben eine Festigkeit von 65,6 MPa und 70,3 MPa von 100-mm-Betonwürfeln, was der Festigkeit von 49,9 MPa und 53,4 MPa der Standardzylinder mit ∅150 × 300 mm entspricht33. Diese Ergebnisse stimmen einigermaßen mit der angenommenen Zielfestigkeit von PFRC von 55 MPa überein. Darüber hinaus bestätigten die Testergebnisse der Durchstanzversuche der 550 × 550 × 40 mm großen Platten das PFRC-Materialmodell und diese Ergebnisse sind nicht in diesem Artikel enthalten.

Die Moment-Krümmungs-Reaktion beschreibt das angemessene Maß für das globale Verformungsverhalten der Verbundträger1,7,33. Die Analyse nutzt die Überwachungsergebnisse der vertikalen Verschiebungen der reinen Biegezone (Abb. 5b). Die folgende Formel definiert die Krümmung über der reinen Biegezone unter Annahme der kreisförmigen Verformungsform der Trägermittellinie1:

wobei lb die Länge der reinen Biegezone ist (= 600 mm); L1, L2 und L3 sind die LVDT-Messwerte (Abb. 1 und 5b).

Abbildung 6 zeigt die entsprechenden Moment-Krümmungs-Diagramme aus den physikalischen Testergebnissen und numerischen Simulationen. In dieser Studie definieren die Ergebnisse der FE-Modellierung die Referenz für die Entwicklung eines effizienten Hybridträgersystems. Betrachten wir die erste Ergebnisreihe in Abb. 6a. Die unzureichende Festigkeit und Steifigkeit des Hybridträgers (Abb. 1) ist offensichtlich. Daher entschieden sich die Autoren, die Verbundfestigkeit (≈ 10 Pa) zwischen den FVK-Komponenten (GFK-Profile und CFK-Streifen) und den Betonstützen zu reduzieren (Abb. 2b). Abbildung 6b zeigt die entsprechenden Simulationsergebnisse, die eine perfekte Übereinstimmung zwischen der FE-Modellvorhersage und den Testergebnissen zeigen. Dieser Umstand regte die Modifikation der Stützblöcke an (Abb. 3). Die blauen Linien in Abb. 6a veranschaulichen die Verformungsreaktion der zweiten Balkenserie. Die Testergebnisse zeigen eine deutliche Übereinstimmung mit dem FE-Modell, das als effiziente Referenz galt und eine perfekte Verbindung zwischen allen Verbundteilen des Hybridträgers voraussetzte. Darüber hinaus wies die zweite Trägerreihe keine Perforation des GFK-Profils auf.

Die experimentellen Moment-Krümmungs-Beziehungen der Hybridträger im Vergleich zu numerischen Vorhersagen: (a) das Referenzmodell mit der perfekten Verbindung zwischen den Verbundkomponenten; (b) Das Modell ging von einem schwachen Kontakt zwischen dem GFK-Profil und den Betonstützblöcken aus.

Bemerkenswerterweise zeigt Abb. 6 das konzeptionelle Beispiel der vorgeschlagenen Designphilosophie, wenn ein experimentell verifiziertes numerisches Modell die Zielreferenz beschreibt. Die detaillierte Analyse erfordert zusätzliche Tests (um die Zuverlässigkeit der numerischen Schätzungen sicherzustellen). Allerdings sind die Unterschiede zwischen den in Abb. 6a,b dargestellten Alternativlösungen deutlich zu erkennen und verdeutlichen die Effizienz des Konzepts. Somit ermöglichen die Ergebnisse der zweiten Balkenserie (Abb. 6a), die Verbesserung der strukturellen Leistung mit der vorgeschlagenen Modifikation der Stützverbindungen zur Verankerung des GFK-Profils in Beziehung zu setzen. Darüber hinaus vereinfacht diese Lösung das numerische Modell – die Annahme einer perfekten Bindung löst die in der Literatur genannten Modellierungsprobleme27 und macht den FE-Ansatz für den Entwurf der in dieser Studie betrachteten Hybridsysteme akzeptabel.

Abbildung 5b zeigt die Anordnung der Längsdehnungsmessstreifen. Es ist zu erkennen, dass die LVDT-Geräte in drei Reihen mit einem Versatz der unteren Linie von 50 mm gegenüber der Unterseite des GFK-Profils verteilt waren. Abbildung 7 zeigt die Verformungsprofile, die der mit der Wägezelle überwachten Strahlreaktion entsprechen – die Dehnung ergibt sich aus der Mittelung von drei in der Reihe verteilten LVDT-Geräten (Abb. 5b). Die Belastung von 58 kN definiert das Versagen der Träger der ersten Serie.

Längsdehnungsverteilung in den Hybridträgern.

Die Dehnungsverteilung in Abb. 7 ist nahezu linear und für alle Belastungsstufen und beide Balkenreihen charakteristisch. Dieses Ergebnis untermauert das Fehlen von Schlupf zwischen den Hybridträgerkomponenten und beweist die Angemessenheit der Annahme einer perfekten Bindung im numerischen Modell. Gleichzeitig muss das ineffiziente Verhalten der ersten Balkenreihe (Abb. 6b) unter Berücksichtigung der Balkenversagensmechanismen geklärt werden.

Die Zerkleinerung der GFK-Profilverankerungsblöcke ergibt sich aus der ersten Versuchsreihe. Abbildung 8 zeigt eine typische Ansicht der Balkenunterstützung nach dem Einsturz. Dieses Ergebnis ist eine Folge der unzureichenden Beständigkeit der FRP-Materialien gegenüber den Querlasten zur Pultrusionsrichtung, was den Ergebnissen aus der Literatur entspricht6,28,30. Das FE-Modell konnte diesen Versagensmechanismus jedoch nicht darstellen, da die Fähigkeit zur Simulation der Querzerkleinerung von FVK-Materialien (Abb. 6a) aufgrund der Heterogenität der Materialstruktur begrenzt war7.

Das typische Versagen des Stützblocks des ersten Serienträgers.

Die FRP-Ausfallsimulationen mit Atena7,29 lieferten ähnliche Ergebnisse. Li et al.34 und Zhu et al.12 beschrieben eine mögliche Lösung und stellten das progressive Schadensmodell für laminierte Verbundwerkstoffe vor. Allerdings ist seine Anwendung für die Analyse pultrudierter Materialien noch begrenzt. Im Gegenteil, die Modifizierung der Stützverbindungen vereinfachte das Problem der Fehlervorhersage. Beispielsweise zeigt Abb. 9 den von Atena vorhergesagten Fehlerlokalisierungsprozess, der den in Abb. 6a gezeigten Verformungsergebnissen entspricht. Dieses Beispiel liefert Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Hybridbalkensysteme, die das Spannungsbandkonzept für die effiziente Nutzung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe modifizieren.

Versagensmechanismen der Hybridträger: (a) Die vorhergesagte Dehnungsverteilung im FE-Modell mit der perfekten Bindung (Abb. 6a); (b) Schubversagen des Betons im Balken der zweiten Reihe.

In dieser Studie wird ein neuartiges Designkonzept des Hybridträgersystems vorgestellt, das aus einer synthetischen faserverstärkten Betonplatte und einem auf den Stützen befestigten pultrudierten FRP-Profil besteht. Die Anpassung des Spannungsbandstrukturansatzes15,30 ermöglicht die Lösung des Bindungsproblems und die Anwendung des vereinfachten numerischen Modells unter der Annahme einer perfekten Bindung zwischen den Verbundkomponenten. Der betrachtete Fall veranschaulicht den Entwurf der Hybridsysteme (Abb. 1), wenn das FE-Modellierungsergebnis (Abb. 6a) die objektive Referenz für das Entwurfsverfahren definiert, das die Effizienz des Hybridsystems beschreibt und das Strukturziel modifiziert (Abb. 3). Abbildung 10 zeigt schematisch das vorgeschlagene Konzept.

Das adaptive Designkonzept.

Einerseits widerspricht die vorgeschlagene strukturelle Lösung der traditionellen Idee der lokalen Verbundverbesserung, z. B. durch den Einsatz von FRP-Profilperforationen und mechanischen Verankerungssystemen (z. B. Referenzen 16, 17). Im Gegenteil zeigt diese Studie, dass die Lösung des Stützproblems (das sich aus einem geringen Widerstand von pultrudierten FRP-Profilen gegenüber Querlasten ergibt) die strukturelle Leistung des Brückenprototyps verbessert und die Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit der Struktur gegenüber Schwachstellen verdoppelt Betonstützensystem.

Andererseits demonstriert die vorliegende Studie das Strukturentwicklungskonzept, wenn das Ergebnis der FE-Modellierung den Zielbezug des Entwurfsverfahrens definiert. Wie Abb. 10 zeigt, entsteht aus dem vorläufigen Entwurfskonzept („1“) das numerische Modell („2“), wobei die vorhergesagten Parameter das effiziente Strukturziel bestimmen. Weitere physikalische Tests („3“) prüfen die Realisierbarkeit des Konzepts „1“ (d. h. „Verifizierung 1“). Bei Bedarf ändert ein Ingenieur die Designlösung („4“). Die iterative Anpassung wird fortgesetzt, bis eine akzeptable Übereinstimmung zwischen den physikalischen und numerischen Ergebnissen erreicht ist (z. B. „Verifizierung 2“).

In dieser Studie wird das Entwurfskonzept eines neuartigen Hybridträgersystems vorgestellt, bei dem das numerisch vorhergesagte Ergebnis das Entwurfsziel ändert. Die numerischen Simulationen und physikalischen Experimente beweisen die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Idee. Aus dieser Studie ergeben sich folgende wesentliche Schlussfolgerungen:

Die Anpassung des Spannungsbandstrukturansatzes ermöglicht die Lösung des Bond-Slip-Problems zwischen den Verbundkomponenten und vereinfacht das numerische Modell des Hybridsystems.

Die vorgeschlagene Modifikation der Ankerblöcke gewährleistet eine zuverlässige Befestigung des GFK-Profils. Darüber hinaus löst es das FRP-Anfälligkeitsproblem gegenüber Lasten, die quer zum Pultrusionsweg wirken.

Das betrachtete adaptive Entwurfskonzept, bei dem ein experimentell verifiziertes numerisches Modell das strukturelle Entwurfsziel beschreibt, zeigt den Raum für praktische Anwendungen auf und verdoppelt die Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit der Struktur im Hinblick auf das schwache Betonstützsystem. Allerdings sind zusätzliche Tests notwendig, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen und die Geometrie der Stützblöcke zu optimieren.

Das entwickelte numerische (Finite-Elemente-)Modell bestimmt die geeignete Referenz für die Gestaltung hybrider Struktursysteme und die effiziente Nutzung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe.

Die in dieser Studie analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren bedanken sich herzlich für die Finanzierung, die sie vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (Projekt Nr. 01.2.2-LMT-K-718-03-0010) im Rahmen einer Zuschussvereinbarung mit dem Forschungsrat Litauens (LMTLT) erhalten haben.

Abteilung für Stahl- und Verbundkonstruktionen, Technische Universität Vilnius Gediminas (VILNIUS TECH), Sauletiekio av. 11, 10223, Vilnius, Litauen

Mantas Garnevičius & Viktor Gribniak

Labor für innovative Baustrukturen, VILNIUS TECH, Sauletiekio av. 11, 10223, Vilnius, Litauen

Mantas Garnevičius & Viktor Gribniak

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Konzeptualisierung und Methodik, VG; Software und Validierung, MG; formale Analyse, VG; Untersuchung, MG; Ressourcen, VG; Datenkuratierung und -schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MG; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, VG; Visualisierung, MG und VG; Betreuung, Projektadministration und Fördermittelakquise, VG

Korrespondenz mit Viktor Gribniak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Garnevičius, M., Gribniak, V. Entwicklung eines hybriden FRP-Beton-Verbundträgers. Sci Rep 12, 16237 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20666-x

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Eingegangen: 17. Juli 2022

Angenommen: 16. September 2022

Veröffentlicht: 28. September 2022

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

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