srovnávací studie CFRP-omezené CFST pahýlů pod axiální kompresí

Abstrakt

tento článek představil srovnávací studii betonových ocelových trubkových (CFST) pahýlů se třemi různými typy uvěznění z polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny (CFRP): vnější kruhová CFRP, vnitřní kruhová CFRP a vnější čtvercová CFRP. Kompresní mechanismus a fyzikální vlastnosti kompozitní kolony byly analyzovány nejprve s cílem prozkoumat zadržovací účinek CFRP. Maximální axiální únosnost těchto tří CFRP omezených CFST kolon byla vypočtena na základě jednotné teorie CFST a elastoplastické limitní rovnovážné teorie, resp. Mezitím jsou přijaty odpovídající testy k ověření proveditelnosti dvou výpočtových modelů. Prostřednictvím analýzy dat, studie potvrdila, že výsledky výpočtu konečné pevnosti metody limitní rovnováhy byly shledány spolehlivějšími a přibližnějšími k výsledkům testů než výsledky jednotné teorie CFST. Pak se předpokládalo, že axiální únosnost čisté kolony CFST vyhodnotí poměr zesílení únosnosti tří typů kompozitních kolon. Bylo prokázáno, že průměrný poměr vylepšení je 16.4 procent, což ukazuje, že CFRP-omezené CFST sloupce měly širokou inženýrskou použitelnost. Prostřednictvím srovnávací analýzy tato studie také potvrdila, že vnější kruhová CFRP měla nejlepší efekt uvěznění a vnější čtvercová CFRP si vedla lépe než vnitřní kruhová CFRP. Uzavírací účinek CFRP se zvyšoval se snížením pevnosti betonu a byl úměrný relativním poměrům CFRP a oceli za stejné pevnosti betonu.

1. Úvod

polymery vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRPs) byly v posledních desetiletích široce používány při opravách a dovybavení nedostatečných struktur, protože externě vázaný materiál CFRP ve formě plechů nebo desek je zvláště vhodný pro ohyb a smyk . V mnoha strojírenských oborech byly široce používány kompozitní nádrže nebo trubky CFRP-metal, jako je plynová nádrž používaná v motorovém vozidle a potrubním systému pro přepravu vysokotlakého plynu nebo kapaliny používaného v komunálním inženýrství nebo chemickém inženýrství. Materiály CFRP, jako vnější pláště pro uzavření železobetonových sloupů, mohou zvýšit pevnost a tažnost . Vynikající mechanické a fyzikální vlastnosti CFRP z nich činí vynikající kandidáty na opravy a dovybavení ocelových konstrukcí. Betonové ocelové trubkové (CFST) konstrukce byly studovány a používány ve stavebnictví široce po mnoho let . Ocelové trubky jsou však náchylné k degradaci v důsledku koroze a její tenkostěnné části před vytvrzením betonu, což má za následek snížení axiální pevnosti kolony CFST . Proto může být CFRP-kovová trubka použita také ve stavebnictví, například jako sloup byla použita kompozitní trubka CFRP-steel naplněná betonem a CFRP byla také použita k posílení poškozeného sloupce CFST . Jak diskutoval Gu, Li et al. , a Wang et al. , většina provedeného výzkumu se zaměřila na použití CFRP pro strukturu CFST. Desky nebo desky z uhlíkových vláken jsou připevněny k ocelové trubce nebo betonu v členu CFST, aby se zvýšila jeho únosnost a tažnost. Byl učiněn závěr, že konečná boční pevnost a ohybová tuhost nosníků CFRP-opravených CFST se zvyšovala se zvyšujícím se počtem vrstev CFRP. Mezitím se tažnost vzorků mírně zvýšila s počtem vrstev CFRP. A, jak diskutoval Tao et al. , válec CFRP může také bránit vybočení kolony pahýlu, což vede k dramatickým zlepšením chování vzpěr a postbucklingu celého systému. Wang et al. byly provedeny axiální kompresní experimenty pro třicet dva kruhových CFRP-omezených CFST sloupců a dvacet čtyři čtverečních CFRP-omezených CFST sloupců. Analýzy testovaných výsledků ukazují, že ocelová trubka a její vnější materiál CFRP mohou spolupracovat jak podélně, tak příčně. Proto všechny tyto studie vycházejí z konceptů, že komplementární působení mezi ocelovou trubkou a betonem bylo posíleno vyšším omezením CFRP.

na základě výše uvedeného výzkumu byly také navrženy další typy kompozitních sloupců. Karimi a kol. navrhl Typ OCELOBETONOVÝCH kompozitních sloupů obalených FRP, ve kterých byl kolem ocelového i-úseku umístěn Kruhový FRP a beton byl vyplněn mezi ocelovým i-úsekem a trubkou FRP. Feng et al. navrhl ocelobeton-FRP-betonový sloup, který měl jako vnější vrstvu čtvercovou ocelovou trubku a jako vnitřní vrstvu kruhovou vláknitou FRP trubku, s betonem vyplněným jak mezi těmito dvěma vrstvami, tak uvnitř FRP trubice. Výsledky těchto studií ukázaly, že pevnost betonu, FRP a oceli by mohla být účinně využita v kompozitních sloupcích.

všechny tyto výzkumné úspěchy potvrdily, že kompozitní sloupec má svou proveditelnost v teoretické výzkumné a inženýrské praxi, což ukazuje velký potenciál pro další rozvoj. Pevnost v tlaku je důležitým parametrem pro konstrukční členy, a většina z výše uvedených výzkumů byla soustředěna na metodu superpozice pro výpočet konečné pevnosti v tlaku, takže pro každý průřez sloupců CFRP omezených CFST byly odvozeny různé vzorce. Cílem tohoto článku je tedy vytvořit jednotné metody aplikované na různé části kompozitního sloupce myšlenkou jednotné teorie CFST a teorie limitní rovnováhy. Cílem této studie je prozkoumat tři různé technologie CFRP k posílení sloupců CFST pahýl pomocí srovnávací studie tří různých typů uvěznění: vnější kruhová CFRP, vnitřní kruhová CFRP a vnější čtvercová CFRP. Kompresní mechanismus a fyzikální vlastnosti těchto tří CFRP-omezených CFST sloupců byly analyzovány nejprve s cílem prozkoumat uvěznění účinek CFRP na CFST sloupců. Dva teoretické výpočtové modely jsou prezentovány pro získání axiální kompresní kapacity CFRP omezených CFST sloupců. Jedním z nich je jednotná teorie CFST : ekvivalentní koeficient uvěznění je navržen s ohledem na různé sekce ocelových trubek a válců CFRP, a poté jsou odvozeny vzorce z jednotné teorie CFST pro predikci únosnosti kompozitního sloupce pod kompresí. Druhá je metoda elastoplastické mezní rovnováhy: twin-shear unified strength theory (TDUST)se používá k analýze konečného stavu ocelové trubky a betonu, respektive, a pak se konečné únosnosti kompozitního sloupce získají metodou mezní rovnováhy. Teoretické předpovědi byly porovnány s experimentálními výsledky, aby se ověřila proveditelnost dvou výpočtových modelů. Konečně, účinky omezení CFRP na axiální únosnost byly analyzovány porovnáním těchto tří CFRP-omezených cfst sloupců.

2. Pracovní mechanismus

na základě shrnutí stávajících výzkumů jsou zvažovány tři typy CFRP-omezených CFST sloupců s různými CFRP confinements včetně vnějšího kruhového CFRP, vnitřního kruhového CFRP a vnějšího čtvercového CFRP, jak je znázorněno na obrázku 1. Válec CFRP je zabalen mimo Kruhový sloupec CFST v typu a; válec CFRP je umístěn uvnitř čtvercového CFST v typu b a válec CFRP je zabalen mimo čtvercový sloupec CFST v typu c. jak je vidět na obrázku 1, ocelové trubky spolu s uzavřeným betonem mohou pozoruhodně odolávat axiálnímu stlačení, zatímco válce CFRP mohou poskytnout boční uzavření ocelové trubky nebo betonu přímo a učinit kompozitní sloupec nepřímo lepším.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Figure 1

Cross section types of CFRP-confined CFST columns. (a) Outer circular CFRP. (b) Inner circular CFRP. (c) Outer square CFRP.

jak všichni víme, během procesu komprese kompozitních sloupů dochází k horizontální deformaci, když vertikální zatížení působí na celý úsek. Vezměme si příklad typu a na obrázku 1, beton je vyplněn v kruhové trubce zabalené listem CFRP, takže jeho zjednodušený model napětí lze vykreslit na obrázku 2.

Obrázek 2

Model napětí ve složeném sloupci pod kompresí. (beton. b) ocelová trubka. c) CFRP válec.

horizontální deformační koeficient betonu byl na začátku axiálního zatížení malý, takže boční napětí p z ocelových trubek a CFRP plechu není zřejmé. Se zvyšujícím se axiálním stlačením se horizontální deformace betonu začíná postupně zvyšovat, zejména po získání kolony. V betonu by po vstupu kolony do plastového stupně došlo k mnoha mikrotrhlinám, ale jak válec CFRP, tak ocelová trubka mohou beton omezit, aby odložily jeho expanzi. Beton lze považovat za trojrozměrný stlačený, ocelové trubky lze považovat za tenkostěnné válce a CFRP je pouze tahem v obvodovém směru, jak je znázorněno na obrázku 2. Konečný stav zvažuje následující režimy selhání sloupce CFRP omezeného na CFST: vzpírání ocelových trubek a prasknutí plechu CFRP . Ačkoli válec CFRP nemá žádný přímý příspěvek k axiální únosnosti, příčné vláknité listy přispívají ke zvýšení pevnosti tím, že omezují kolonu CFST v celku (viz Typ A, c na obrázku 1) nebo částečně (viz typ b na obrázku 1), což vede k vyšší pevnosti kolony v tlaku. Proto může obalový CFRP vést k významnému zlepšení nepružné axiální deformační kapacity před vybočením a ke zlepšení únosnosti zátěže po vybočení.

3. Výpočty podle Unified Theory of CFST

Unified Theory of CFST představil profesor Zhong Shan-tong v roce 1993 . Považoval CFST za sjednocené tělo a ke studiu jeho chování byl použit nový kompozitní materiál. Byla to nová metoda pro návrh a zjednodušení projekčních prací. Sjednocená teorie CFST byla rozšířena pro výpočet pevnosti v tlaku kompozitních sloupců CFST s různými omezujícími materiály a různými průřezy při různých zatíženích . U CFRP-omezených CFST sloupců je beton stále omezen přímo ocelovou trubkou a tento omezující účinek je absolutně posílen válcem CFRP. Jeden kompozitní materiál může být také považován za posouzení jeho chování, ale omezující účinek by měl být přehodnocen odvozený z ocelové trubky a válce CFRP. Můžeme rozšířit hlubší výzkumné práce na CFRP-omezené CFST sloupce, takže je uveden jeden ekvivalentní koeficient omezení, které lze vyjádřit jakokde,, a jsou průřezové oblasti ocelové trubky, beton, a CFRP válec, resp; a jsou meze kluzu oceli a CFRP, příslušně; je standardní pevnost v tlaku betonu; a jsou koeficienty s ohledem na tvar průřezu omezujícího materiálu. Protože v kompozitním sloupci existují dva diformní materiály pro omezení betonu, účinek omezení se liší od kruhového průřezu ke čtvercovému průřezu. Obecně je koeficient kruhového průřezu považován za základní parametr 1 a pro čtvercový průřez je 0,74 .

pak lze kompozitní pevnost sloupu pahýlu vypočítat podle vzorce odvozeného z jednotné teorie CFST a rovnici lze vyjádřit jako místo a odrážet příspěvky omezujících materiálů a betonu. Mohou být vypočteny podle následujícího vzorce: kde je vážený průměr omezujících materiálů, včetně jak ocelové trubky, tak válce CFRP, který se vypočítá pomocí

proto se doporučuje použít následující vzorec pro výpočet únosnosti kolony CFRP s omezeným CFST.kde je plocha průřezu celého sloupce a je únosnost vypočtená jednotnou teorií CFST.

4. Výpočty podle teorie mezní rovnováhy

4.1. Základní předpoklady

v tomto teoretickém modelu pro získání axiální tlakové kapacity můžeme kvantitativně analyzovat, jak moc je omezení ovlivněno ocelovou trubkou a CFRP. Rozhraní mezi ocelovou trubkou a plechem CFRP je omezeno; radiální napětí v ocelové trubce je ignorováno a ocelová trubka je pod biaxiálním napětím; materiál CFRP je lineární elastický a je zvažováno pouze boční napětí, takže je zvažováno napětí podél směru vlákna; radiální napětí a podélné napětí jsou ignorovány.

na základě výše uvedených předpokladů lze konečnou axiální únosnost sloupců CFRP uzavřených CFST vypočítat podle místa, kde jsou svislé únosnosti ocelové trubky a betonu. je únosnost vypočtená teorií mezní rovnováhy. Ve stavu mezní rovnováhy lze každou část složené kolony analyzovat pomocí TSUST .

4.2. Twin-Shear Unified Strength Theory (TSUST)

TSUST zvažuje dvě větší hlavní smyková napětí a odpovídající normální napětí a jejich různé účinky na selhání materiálů. Když vztahová funkce mezi nimi dosáhne jedné konečné hodnoty, materiál může být definován jako selhání v tomto stavu, který je formulován následovně: kde,, a jsou hlavní smyková napětí,,, a;, a , jsou odpovídající normální napětí na hlavním prvku smykového napětí;,, a jsou hlavní napětí, ≥ ≥ ; je váhový koeficient, odrážející relativní účinek mezilehlého hlavního smykového napětí nebo na pevnost materiálů; C se rovná pevnosti materiálu; je koeficient vlivu pozitivního namáhání na poškození materiálu. Když označíme poměr pevnosti v tahu a tlaku jako , přepíšeme (7a) a (7b) z hlediska hlavních napětí takto:

4.3. Vzorec konečné kapacity

podle principu stejné oblasti může být čtvercový průřez ocelové trubky přeměněn na kruhový. B a ts jsou délka a tloušťka strany čtvercové ocelové trubky a ro a to jsou poloměr a tloušťka ekvivalentní kruhové ocelové trubky. Vzorce jsou znázorněny následovně:

mezitím, protože uzavření čtvercové oceli je nerovnoměrné podél její strany, měl by se zvážit ekvivalentní redukční faktor, aby se snížilo stejné omezení ekvivalentní kruhové ocelové trubky. Označení poměru tloušťky a délky strany, vyjádření ekvivalentního redukčního faktoru . Mezitím existují účinné a neefektivní omezující zóny betonu uvnitř čtvercové ocelové trubky. V tomto článku se má za to, že faktor redukce pevnosti betonu ignoruje tyto dva vlivy. Faktor snížení pevnosti betonu se bere jako, kde je vnitřní průměr ekvivalentní kruhové ocelové trubky.

zjednodušený model napětí uzavřeného betonu je znázorněn na obrázku 2 písm. a). Napětí lze vysvětlit . Pro . Jejich nahrazením do stresové exprese TSUST lze získat následující výraz jakokde je koeficient laterálního napětí. V TSUST lze vypočítat podle úhlu soudržnosti a tření ve stavu selhání materiálu. Podle testu Richart, byl vzat jako 4.1 jednoduše zde; p je boční napětí na betonu, a boční napětí na betonu je jak z ocelové trubky a CFRP válce pro typ A A c, jak je znázorněno na obrázku 1, takže to může být vyjádřeno pomocíkde jsou tloušťka a poloměr válce CFRP, v uvedeném pořadí; a jsou tloušťka a poloměr ocelové trubky, resp. Zatímco pro typ b na obrázku 1 by měl být beton rozdělen na vnější beton a vnitřní beton pod různými bočními namáháními. Vnější beton je omezen pouze ocelovou trubkou, ale vnitřní beton je považován za ocelovou trubku i válec CFRP. Potom může být axiální únosnost betonu vyjádřena jako

, jak je vidět na obrázku 2(b), ocelová trubka je omezena vnitřním betonem, takže může nést určité svislé zatížení pod konečným stavem celého sloupce, η se předpokládá jako faktor redukce pevnosti ocelové trubky, a pak může být napjatý stav ocelových trubek vysvětlen,,. Pro a, nahradit je do stresové exprese TSUST, lze získat následující výraz:

pak byl získán jako 0.65 experimentováním a statistickými údaji, takže konečná kapacita ocelové trubky může být vypočtena pomocí

a konečně, konečná kapacita sloupce CFRP omezeného CFST může být vyjádřena následovně:

5. Porovnání a analýza

tři typy kolon CFRP omezených CFST na obrázku 1 byly testovány při axiální kompresi . Výpočty a získané jednotnou teorií CFST a limitní teorie rovnováhy jsou uvedeny v tabulce 1 spolu s výsledky testů . Vypočtené výsledky mají dobrou shodu s výsledky testů v rámci malých chyb méně než 20%. Porovnáním hodnoty / a / uvedené v tabulce 1 můžeme zjistit, že získaná metodou mezní rovnováhy je přesnější a spolehlivější než získaná metodou jednotné teorie CFST. Na druhou stranu, metoda sjednocené teorie CFST je jednoduchá a snadno realizovatelná, protože pouze považuje sloupec za jeden kompozitní materiál, zatímco metoda mezní rovnovážné metody zní komplikovaně, protože používá TSUST k analýze každé složky kompozitního sloupce. Proto, tyto dvě metody mohou být oba použity ke zkoumání axiální únosnosti CFRP omezených cfst pahýlových sloupů, a mohou poskytnout reference pro inženýrský návrh. Potom lze axiální únosnost čistých CFST kolon předpovědět metodou mezní rovnováhy, aby se vyhodnotilo zlepšení únosnosti v důsledku omezení CFRP. Přezkoumáním výsledků zkoušek je míra zvýšení únosnosti popsána jako výraz (Nt-NCFST) / NCFST, jak je uvedeno v tabulce 1. Bylo zjištěno, že průměrná míra zvýšení únosnosti kolon CFRP omezených CFST je 16.4 procent ve srovnání s čistými sloupci CFST. Protože je list CFRP velmi tenký, je prokázáno, že únosnost kompozitních sloupů se zlepšuje více než odpovídající čisté sloupce CFST s téměř stejnou plochou průřezu. Proto je velmi použitelné použít CFRP k posílení sloupce CFST a kompozitní sloupce mohou mít za následek významné úspory ve velikosti sloupce, které nakonec realizují materiálovou účinnost a přinášejí ekonomické výhody.

prostřednictvím analýzy dat vypočtených a experimentálních výsledků lze zjistit, že pevnost betonu a relativní poměry CFRP a oceli jsou hlavními parametry ovlivňujícími axiální únosnost kompozitního sloupce. Omezující mechanismus CFRP a zlepšení axiální únosnosti musí být validován, takže relativní poměry CFRP a oceli jsou navrženy podle konceptu ekvivalentního koeficientu omezení (1).

vzhledem k tomu, že výsledky zkoušek únosnosti sloupků pahýlu mají určitý stupeň disperze a některé parametry je třeba brát jako stejnou hodnotu, vypočtená axiální únosnost Ncc se používá k popisu poměru zvýšení únosnosti s výrazem (Ncc-NCFST)/NCFST, což odráží funkci válce CFRP pro omezení sloupce CFST, kde NCFST je vypočtená hodnota pro odpovídající čistou nosnost.sloupec cfst. Ncc se získává teorií limitní rovnováhy.

vztah mezi (Ncc-NCFST − / NCFST a pro tři typy složených sloupců je znázorněn na obrázku 3. S odkazem na experimentální údaje v tabulce 1 se fck typu b a typu c považuje za 40,15 MPa podobné typu A a obrázek 3 písm. a) ukazuje vztah mezi (Ncc-NCFST)/NCFST a pod stejnou pevností betonu. Vztah je lineární a přímo úměrný kompozitním sloupům obaleným CFRP s vnějším kruhovým CFRP nebo vnějším čtvercovým CFRP, protože vnější válec CFRP posiluje celý sloupec CFST. Ale pro vnitřní kruhové sloupy uzavřené CFRP neexistuje lineární poměr, protože vnitřní CFRP pouze přímo posiluje svůj vnitřní beton. Lze také zjistit, že vnější kruhová CFRP má nejlepší uzavírací účinek, který poskytuje nejvyšší poměr zvýšení únosnosti při stejných relativních poměrech CFRP a oceli. Mezitím vnější čtvercový CFRP dělá lépe než vnitřní Kruhový CFRP, jak je znázorněno na obrázku 3(a), to znamená, že CFRP jako vnější bundy může poskytnout lepší omezení než vnitřní. Na druhé straně zvolíme základní parametry vnějších čtvercových CFRP-omezených CFST sloupců v tabulce 1, abychom získali vztah mezi (Ncc-NCFST− / NCFST a pod různou pevností betonu, jak je znázorněno na obrázku 3(b). Pro každou skupinu jsou ocelová trubka a beton stejné, takže poměr zvýšení únosnosti je lineární a přímo úměrný obsahu válce CFRP. Mezi čtyřmi skupinami se s poklesem pevnosti betonu zvyšuje poměr zvýšení únosnosti se zlepšením relativních poměrů CFRP a oceli. Znamená to, že uzavírací účinek CFRP se zvyšuje se snížením pevnosti betonu. Důvodem je hlavně to, že příspěvky válce CFRP jsou odpor posunutí sloupce CFST a beton s nízkou pevností má lepší deformační kapacitu, aby se CFRP lépe hrál zejména během procesu postbucklingu.

(a)

(b)

(a)
(b)

obrázek 3

vztah mezi (Ncc-NCFST − /NCFST a . a) fck = 40,15. b) různé fck.

6. Závěry

tento článek představil srovnávací studii betonových ocelových trubkových sloupků (CFST) se třemi různými typy uvěznění z polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny (CFRP): vnější kruhová CFRP, vnitřní kruhová CFRP a vnější čtvercová CFRP. CFRP-omezený CFST sloupec využívá nejen dobrý výkon CFST, ale také podstatné zlepšení ve vyšším omezení CFRP. Kompresní mechanismus a fyzikální vlastnosti kompozitní kolony byly analyzovány nejprve s cílem prozkoumat omezovací účinky různých CFRP na sloupce CFST.

dvě metody založené na jednotné teorii CFST a elastoplastické mezní rovnovážné metody byly použity ke zkoumání axiální únosnosti CFRP omezených cfst kolon. Vypočtené výsledky mají dobrou shodu s výsledky testů. Prostřednictvím analýzy dat, studie potvrdila, že výsledky výpočtu konečné síly metody limit equilibrium byly shledány přesnějšími a spolehlivějšími než výsledky jednotné teorie CFST. Pak se předpokládalo, že axiální únosnost čistých kolon CFST vyhodnotí faktor zlepšení únosnosti pocházející z omezení CFRP. Bylo prokázáno, že průměrný poměr vylepšení je 16.4 procent, což ukazuje, že tři druhy CFRP omezených sloupců CFST měly širokou použitelnost.

CFRP může výrazně zvýšit únosnost členů CFST, protože doplňkové působení mezi ocelovou trubkou a betonem je prostřednictvím CFRP posíleno. Vztah mezi poměrem zvýšení únosnosti a relativními proporcemi CFRP a oceli je téměř lineární, zejména pro sloupce zabalené CFRP s vnějším kruhovým CFRP nebo vnějším čtvercovým CFRP. Prostřednictvím srovnávací analýzy tato studie potvrdila, že vnější kruhová CFRP měla nejlepší efekt uvěznění a vnější čtvercová CFRP si vedla lépe než vnitřní kruhová CFRP. Omezovací účinek CFRP se zvyšoval se snížením pevnosti betonu a byl úměrný relativním poměrům CFRP a CFST při stejné pevnosti betonu.

dostupnost dat

všechna data použitá pro tento článek jsou veřejně dostupná a přístupná online. Celý proces vytváření dat a empirické techniky prezentované v příspěvku jsme anotovali. Dali jsme formální citace v odkazech na článek. I když jsme tyto zdroje pro empirickou analýzu přímo nevyužili, toto úsilí potvrdilo naše chápání rozsahu, měřítko, a přesnost sloupců CFRP omezených na CFST.

střet zájmů

autoři prohlašují, že nemají žádný střet zájmů.

poděkování

autoři by rádi ocenili podporu poskytovanou čínskou národní vědeckou nadací (Grant č. 51478004). Mezitím se také oceňuje finanční podpora z Hebei University of Technology.