Estudo Comparativo de CFRP-Confinado CFST Stub Colunas sob Compressão Axial

Resumo

Este artigo apresentou um estudo comparativo de concreto cheio aço tubular (CFST) stub colunas com três diferentes tipos de confinamento a partir de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP): exterior circular CFRP, interior da circular de CFRP, e a praça exterior CFRP. O mecanismo de compressão e as propriedades físicas da coluna composta foram analisados primeiramente com o objetivo de investigar o efeito de confinamento do CFR. A capacidade máxima axial de rolamento destas três colunas CFR-confinadas CFST foi calculada com base na teoria unificada do CFST e da teoria do equilíbrio limite elastoplástico, respectivamente. Entretanto, os testes correspondentes são adotados para validar a viabilidade dos dois modelos de cálculo. Através da análise dos dados, o estudo confirmou que os resultados do cálculo da resistência final do método do equilíbrio-limite eram mais fiáveis e aproximados dos resultados do ensaio do que os da teoria unificada do CFST. Em seguida, a capacidade de rolamento axial da coluna CFST pura foi prevista para avaliar a relação de aumento da capacidade de rolamento dos três tipos de colunas compostas. Foi demonstrado que a razão média de melhoria é de 16,4%, mostrando que as colunas CFRP-confinadas CFST tinham uma ampla aplicabilidade de engenharia. Através de uma análise comparativa, este estudo também confirmou que a CFR circular externa teve o melhor efeito de confinamento e a CFR quadrada externa fez melhor do que a circular interna CFRP. O efeito de confinamento do CFR aumentou com a diminuição da resistência do betão e foi proporcional às proporções relativas do CFR e do aço sob a mesma resistência do betão.

1. Introdução

polímeros reforçados com fibra de carbono (CFR) têm sido amplamente utilizados na Reparação e retromontagem de estruturas deficientes nas últimas décadas, porque materiais CFR ligados externamente na forma de folhas ou placas é particularmente adequado para flexura e cisalhamento . Em muitos campos de engenharia, os tanques ou tubos compósitos CFR-metal têm sido amplamente utilizados, como o tanque de gás usado em veículos a motor e sistema de tubulação para o transporte de gás de alta pressão ou líquido usado em engenharia municipal ou engenharia química. Os materiais CFR, como casacos externos para o confinamento de colunas de betão armado, podem aumentar a resistência e a ductilidade . As propriedades mecânicas e físicas superiores do CFRP fazem deles excelentes candidatos à reparação e adaptação de estruturas de aço. Estruturas tubulares de aço com enchimento de betão (CFST) têm sido estudadas e utilizadas amplamente na engenharia civil por muitos anos . No entanto , os tubos de aço são susceptíveis a degradação devido à corrosão e à sua secção de paredes finas antes do endurecimento do betão, o que resulta na diminuição da resistência axial da coluna de CFST . Por conseguinte, o tubo CFR-metal também pode ser utilizado em Engenharia civil, por exemplo , o tubo composto de aço CFR-cheio de betão foi utilizado como coluna e o CFR também foi utilizado para reforçar a coluna CFST danificada . Como discutido por Gu, Li et al. , e Wang et al. , a maior parte da investigação realizada centrou-se na utilização do CFR para a estrutura do CFC. Folhas ou placas de fibra de carbono são fixadas a um tubo de aço ou concreto em um membro CFST para aumentar a sua capacidade de rolamento e ductilidade. Concluiu-se que a resistência lateral final e a rigidez flexural das colunas de feixes CFRP reparadas aumentaram com o aumento do número de camadas CFRP. Entretanto, a ductilidade das amostras aumentou ligeiramente com o número de camadas CFR. E, como discutido por Tao et al. , o cilindro CFR também pode impedir o buckling da coluna de stub levando a melhorias dramáticas no comportamento de buckling e pós-Duckling de todo o sistema. Wang et al. realizou experimentos de compressão axial para 32 colunas CFR confinadas com CFR e 24 colunas CFR confinadas com CFR. As análises dos resultados dos ensaios mostram que o tubo de aço e o seu material CFR exterior podem cooperar longitudinalmente e transversalmente. Por conseguinte, todos estes estudos baseiam-se nos conceitos de que a acção complementar entre o tubo de aço e o betão foi reforçada através do maior confinamento do CFRP.

sobre a investigação acima referida, foram também propostos outros tipos de colunas compostas. Karimi et al. propôs um tipo de colunas compósitas de aço-betão encapsuladas em FRP nas quais uma FRP circular foi colocada em torno da secção I de aço e tinha o betão preenchido entre a secção I de aço e o tubo FRP. Feng et al. propôs uma coluna de aço-concreto-FRP-concreto que tinha um tubo de aço quadrado como a camada exterior e um tubo de filamento circular FRP como a camada interna, com concreto preenchido entre estas duas camadas e dentro do tubo FRP. Os resultados desses estudos mostraram que a força do concreto, do FRP e do aço poderia ser efetivamente utilizada nas colunas compostas.Todas essas realizações de pesquisa confirmaram que a coluna composta tem sua viabilidade na prática teórica de pesquisa e engenharia, mostrando um grande potencial para mais desenvolvimento. A força de compressão é um parâmetro importante para os membros estruturais, e a maioria das pesquisas listadas acima foram concentradas no método de superposição para calcular a força de compressão final, de modo que diferentes fórmulas foram deduzidas para cada seção transversal das colunas CFRP-confinadas CFST. Portanto, o objetivo deste artigo é construir métodos unificados aplicáveis a diferentes seções da coluna composta pela idéia da teoria unificada da CFST e da teoria do equilíbrio limite. O foco deste estudo é investigar três CFR de tecnologia diferente para fortalecer as colunas do tronco de CFST através de um estudo comparativo de três tipos diferentes de confinamento: CFR circular exterior, CFR circular interna e CFR quadrada exterior. O mecanismo de compressão e as propriedades físicas destas três colunas CFR-confinadas ao CFRP foram analisados primeiramente com o objetivo de investigar o efeito de confinamento do CFR sobre as colunas CFST. São apresentados dois modelos de cálculo teóricos para obter a capacidade de compressão axial das colunas CFRP confinadas ao CFST. Uma é a teoria unificada da CFST. : o coeficiente de confinamento equivalente é proposto tendo em conta diferentes secções de tubos de aço e cilindros de CFR, e então as fórmulas são derivadas da teoria unificada de CFST para prever a capacidade de rolamento da coluna composta sob compressão. O outro é o método de equilíbrio limite elastoplástico: a teoria da força unificada de corte duplo (TDUST) é aplicada para analisar o estado final do tubo de aço e concreto, respectivamente, e, em seguida, as capacidades de rolamentos finais da coluna composta são obtidas pelo método de equilíbrio limite. As previsões teóricas foram comparadas com os resultados experimentais para validar a viabilidade dos dois modelos de cálculo. Por último, os efeitos de confinamento do CFR sobre a capacidade de rolamento axial foram analisados em comparação com estas três colunas CFR confinadas do CFR.

2. Mecanismo de trabalho

com Base no resumo de pesquisas existentes, três tipos de CFRP-confinado CFST colunas são considerados com diferentes CFRP confinamentos incluindo exterior circular CFRP, interior da circular de CFRP, e a praça exterior CFRP, como mostrado na Figura 1. O CFRP cilindro está envolvido fora da circular CFST coluna Tipo a; CFRP cilindro é colocado no interior da praça CFST no Tipo b, e CFRP cilindro é envolto fora do quadrado CFST coluna Tipo c. Como pode ser visto na Figura 1, tubos de aço junto com os confinados de concreto pode resistir à compressão axial notavelmente, enquanto os CFRP cilindros pode fornecer a lateral de confinamento para o tubo de aço ou concreto diretamente e fazer o composto coluna comportar-se melhor indiretamente.

(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.

como todos sabemos, durante o processo de compressão das colunas compostas, existe deformação horizontal quando a carga vertical atua em toda a seção. Tome – se o exemplo do tipo a Na Figura 1, o betão é preenchido no tubo circular envolto pela folha CFR, de modo que o seu modelo simplificado de tensão pode ser representado na Figura 2.

Figura 2

modelo de tensão na coluna composta sob compressão. (concreto. B) Tubo de aço. C) cilindro de CFR.

o coeficiente de deformação horizontal do betão foi pequeno no início da carga axial, pelo que a tensão lateral p dos tubos de aço e da folha CFR não é evidente. Com o aumento da compressão axial, a deformação horizontal do concreto começa a aumentar gradualmente, especialmente depois da coluna ceder. Haveria muitos microcracks aconteceram em concreto depois que a coluna entrou em estágio de plástico , mas tanto o cilindro CFR como o tubo de aço podem confinar o concreto para adiar a sua expansão. O concreto pode ser considerado como comprimido tridimensional, os tubos de aço podem ser considerados como cilindros de paredes finas, e CFR é apenas tração na direção circunferencial, como mostrado na Figura 2. O estado final considera os seguintes modos de falha da coluna CFRP-confinada CFST: tubo de aço bucking e folha CFR ruptura . Embora o CFRP cilindro não tem nenhuma contribuição direta para o mancal axial capacidade transversal da fibra de folhas de contribuir para o aprimoramento de força, confinando o CFST coluna no todo (ver Tipo a, c na Figura 1) ou em parte (ver Tipo a e b na Figura 1), levando a uma maior resistência à compressão de coluna. Por conseguinte, o CFR envolto pode conduzir a uma melhoria significativa da capacidade de deformação axial inelástica antes da buckling e a uma melhoria da capacidade de carga após a buckling.

3. Calculations by Unified Theory of CFST

Unified Theory of CFST was presented by Professor Zhong Shan-tong in 1993 . Considerou o CFST como um corpo unificado, e um novo material composto foi usado para estudar seus comportamentos. Foi um novo método para projetar e simplificar o trabalho de design. A teoria unificada do CFST foi estendida para calcular a força de compressão das colunas compostas do CFST com vários materiais de confinamento e várias seções transversais sob vários carregamentos . Para as colunas CFR-confinadas com CFRP, o betão ainda está confinado diretamente pelo tubo de aço, e este efeito de confinamento é absolutamente reforçado pelo cilindro CFRP. Um material composto também pode ser considerado para avaliar seus comportamentos, mas o efeito de confinamento deve ser reavaliado derivado do tubo de aço e cilindro de CFR. Podemos estender trabalhos de investigação mais profundos em colunas CFRP confinadas de CFST, de modo que um coeficiente de confinamento equivalente é apresentado, que pode ser expresso como onde, e são as áreas de seção transversal do tubo de aço, concreto, e cilindro CFR, respectivamente,; e são as forças de rendimento do aço e do CFR, respectivamente; é a resistência de compressão padrão do concreto; e são os coeficientes com consideração da forma de secção do material de confinamento. Porque na coluna composta, há dois materiais difórmicos para confinar concreto, o efeito da retenção é diferente da seção circular para a seção quadrada. Geralmente, o coeficiente de seção circular é tomado como o parâmetro fundamental 1, e para seção quadrada, é 0,74 .

em seguida, a força composta da coluna de stub pode ser calculada pela fórmula derivada da teoria unificada da CFST, e a equação pode ser expressa como onde e refletir as contribuições de materiais de confinamento e concreto, respectivamente. Eles podem ser calculados pela seguinte fórmula:, onde é a média ponderada do confinamento de materiais, incluindo tanto o tubo de aço CFRP e o cilindro, o qual é calculado por

Portanto, recomenda-se utilizar a seguinte fórmula para calcular a capacidade de carga do CFRP-confinado CFST stub coluna.onde está a área da secção transversal de toda a coluna e é a capacidade de rolamento calculada pela teoria unificada da CFST.

4. Cálculos por Teoria do equilíbrio-limite

4.1. Suposições básicas

neste modelo teórico para obter a capacidade de compressão axial, podemos analisar quantitativamente quanto o confinamento é influenciado pelo tubo de aço e pelo CFR. A interface entre o tubo de aço e a folha CFR é restringida; a tensão radial no tubo de aço é ignorada, e o tubo de aço está sob tensão biaxial; o material CFR é elástico linear, e apenas a tensão lateral é considerada, de modo que a tensão ao longo da direção da fibra é considerada; a tensão radial e a tensão longitudinal são ignoradas.

com base nas suposições acima, a capacidade máxima axial de rolamentos de colunas CFRP confinadas CFST pode ser calculada por onde , e são capacidades verticais de rolamentos do tubo de aço e concreto, respectivamente. é a capacidade de rolamento calculada pela teoria do equilíbrio limite. No estado de equilíbrio limite, cada parte da coluna composta pode ser analisada usando TSUST .

4.2. Teoria da força unificada de cisalhamento duplo (TSUST)

a TSUST considera as duas maiores tensões principais de cisalhamento e as correspondentes tensões normais e seus diferentes efeitos sobre a falha dos materiais. Quando a relação funcional entre eles atinge um valor máximo, o material pode ser definida como a falha neste estado que é formulada da seguinte forma:onde , e são os principais de cisalhamento, , ,, e,, e, são os correspondentes normal tensões sobre o principal de “shear stress” elemento; , , e são os principais salienta, ≥ ≥ ; é um coeficiente de ponderação, que reflecte o efeito relativo da tensão de cisalhamento principal intermédia ou da resistência dos materiais; C é igual à resistência dos materiais; é o coeficiente de influência da tensão positiva sobre os danos materiais. Denotando a razão tensão-compressão como, reescrevemos (7a) e (7b) em termos de tensões principais como se segue:

4.3. Fórmula da capacidade final

pelo princípio da mesma área, a secção transversal quadrada do tubo de aço pode ser transformada em circular. B e ts são o comprimento e a espessura laterais do tubo de aço quadrado, e ro e são o raio e a espessura do tubo de aço circular equivalente, respectivamente. As fórmulas são apresentadas da seguinte forma:

entretanto, dado que o confinamento do aço quadrado é desigual ao longo de seu lado, o Fator de redução equivalente deve ser considerado para reduzir o mesmo confinamento do tubo de aço circular equivalente. Que indica a relação espessura – comprimento lateral , a expressão do factor de redução equivalente . Enquanto isso, existem zonas de confinamento eficazes e não eficazes do concreto dentro do tubo de aço quadrado. Neste artigo, considera-se que o Fator de redução da força do concreto ignora estas duas influências. O Fator de redução da resistência do betão é considerado como sendo o diâmetro interior do tubo de aço circular equivalente.

o modelo simplificado de stress do betão confinado é apresentado na Figura 2(a). As tensões podem ser explicadas por . Para . Substituindo-os na expressão de tensão de TSUST, a seguinte expressão pode ser obtida como onde é o coeficiente de tensão lateral. In TSUST, can be calculated by coesion and friction angle at material failure state. De acordo com o teste de Richart , tem sido tomado como 4.1 simplesmente aqui; p é o lateral estresse sobre o concreto, e o lateral estresse no concreto é tanto o tubo de aço CFRP e cilindro para o Tipo a e c, como mostrado na Figura 1, de modo que pode ser expressa bywhere são a espessura e raio de CFRP cilindro, respectivamente; e são a espessura e o raio do tubo de aço, respectivamente. Enquanto para o tipo b Na Figura 1, o concreto deve ser dividido em concreto exterior e concreto interno sob diferentes tensões laterais. O betão Exterior só é confinado pelo tubo de aço, mas o betão interno é considerado tanto o tubo de aço como o cilindro de CFR. Em seguida, o mancal axial capacidade do concreto pode ser expressa como

Como pode ser visto na Figura 2(b), o tubo de aço é limitada por dentro de concreto, de modo que pode suportar alguma carga vertical sob o estado supremo de toda a coluna, η assume-se como a força do fator de redução do tubo de aço e, em seguida, o estresse estado de tubos de aço podem ser explicadas por, . Para e, substitui-los na expressão de tensão de TSUST, a seguinte expressão pode ser obtida:

então foi obtida como 0.65 por experimentação e dados estatísticos, de modo que a capacidade final do tubo de aço pode ser calculada em

por último, a capacidade final da coluna CFRP confinada CFST pode ser expressa do seguinte modo:

5. Comparação e análise

os três tipos de colunas de cubos CFR confinadas com CFRP indicados na Figura 1 foram ensaiados sob compressão axial . Os cálculos e, obtidos pela teoria unificada da CFST e da teoria do equilíbrio-limite, respectivamente, estão listados na Tabela 1 juntamente com os resultados do ensaio . Os resultados calculados têm um bom acordo com os resultados do teste em pequenos erros inferiores a 20%. Comparando o valor de / e / mostrado na Tabela 1, podemos encontrar que o obtido pelo método do equilíbrio limite é mais preciso e confiável do que o obtido pelo método da teoria unificada da CFST. Por outro lado, o método da teoria unificada da CFST é simples e fácil de realizar, uma vez que apenas considera a coluna como um material composto, enquanto o método do método do equilíbrio limite soa complicado, uma vez que aplica TSUST para analisar cada componente da coluna composta. Por conseguinte, estes dois métodos podem ser aplicados tanto para investigar a capacidade de rolamento axial das colunas de estufas de CFR-confinadas de CFR, como para fornecer referência para o projecto de engenharia. Em seguida, a capacidade de rolamento axial de colunas CFST puras pode ser prevista pelo método de equilíbrio limite, a fim de avaliar a melhoria da capacidade de rolamento devido ao confinamento CFR. Ao rever os resultados dos ensaios, a taxa de melhoria da capacidade de rolamento é descrita como a expressão de (Nt-NCFST)/NCFST, como indicado no quadro 1. Verificou-se que a taxa média de aumento da capacidade de rolamento das colunas de stub do CFRP confinadas ao CFST é de 16,4% em comparação com as colunas de CFST puras. Uma vez que a folha CFR é muito fina, é demonstrado que a capacidade de rolamento das colunas compostas melhora mais do que as colunas CFR puras correspondentes com a mesma área de secção transversal. Portanto, é muito aplicável usar o CFRP para fortalecer a coluna CFST, e as colunas compostas podem resultar em economias significativas no tamanho da coluna, que, em última análise, realizar a potência material e trazer benefícios econômicos.

através da análise de dados dos resultados calculados e experimentais, pode-se verificar que a resistência do betão e as proporções relativas de CFR e aço são os principais parâmetros para influenciar a capacidade de rolamento axial da coluna composta. É necessário validar o mecanismo de confinamento do CFR e a melhoria da capacidade de rolamento axial, pelo que as proporções relativas do CFR e do aço são propostas de acordo com o conceito de coeficiente de confinamento equivalente (1). As proporções relativas de CFRP e aço considera a força, o conteúdo e o efeito de confinamento, de seção do formulário, isto é,

Desde que os resultados do teste da capacidade de suporte do stub colunas têm um certo grau de dispersão e alguns parâmetros devem ser tomadas como o mesmo valor, calculado mancal axial capacidade Ncc é usado para descrever a capacidade de carga de aprimoramento relação com a expressão de (Ncc-NCFST)/NCFST, que reflete a função de CFRP cilindro para confinar o CFST coluna, onde NCFST é o valor calculado para o correspondente puro CFST coluna. Ncc is obtained by limit equilibrium theory.

a relação entre (Ncc − NCFST)/NCFST e para os três tipos de colunas compostas é mostrada na Figura 3. Em referência aos dados experimentais do Quadro 1, o fck dos tipos b E c é considerado como 40.15 MPa semelhante ao tipo A, e a Figura 3 a) mostra a relação entre(Ncc − NCFST)/NCFST e sob a mesma resistência do betão. A relação é linear e diretamente proporcional às colunas compósitas embrulhadas em CFR com a CFR circular exterior ou CFR quadrada exterior, porque o cilindro externo de CFR fortalece toda a coluna CFST. Mas, para as colunas internas circulares confinadas com CFR, não há proporção linear, porque a CFR interior apenas fortalece diretamente o seu Concreto interior. Pode também verificar-se que o CFR circular exterior tem o melhor efeito de confinamento para proporcionar o maior rácio de reforço da capacidade de rolamento nas mesmas proporções relativas de CFR e aço. Enquanto isso, o CFR quadrado exterior faz melhor do que o CFR circular interior, como mostrado na Figura 3(a), ou seja, o CFR como casacos externos pode proporcionar o melhor confinamento do que o interno. Por outro lado, escolhemos os parâmetros básicos das colunas CFRP confinadas ao quadrado exterior na tabela 1 para obter a relação entre (Ncc-NCFST)/NCFST e sob diferentes forças de concreto, como mostrado na Figura 3(b). Para cada grupo, o tubo de aço e o concreto são os mesmos, de modo que a razão de aumento da capacidade de rolamento é linear e diretamente proporcional ao conteúdo do cilindro CFR. Entre os quatro grupos, com a diminuição da resistência do concreto, a razão de aumento da capacidade de rolamento aumenta com a melhoria das proporções relativas de CFR e aço. Indica que o efeito de confinamento do CFR aumenta com a diminuição da resistência do betão. A razão é, principalmente, de que a contribuição do CFRP cilindro são a resistência ao deslocamento do CFST coluna, e baixa resistência de concreto tem a melhor capacidade de deformação para fazer o CFRP jogar melhor, especialmente durante o postbuckling processo.

(a)

b)

(a)
b)

Figura 3

Relação entre (Ncc − NCFST)/NCFST e . (a) fck = 40.15. b) diferente fck.

6. Conclusions

This paper presented a comparative study of concrete-filled steel tubular (CFST) stub columns with three different confinement types from carbon fiber reinforced polymer (CFR): CFR circular exterior, CFR circular interior e CFR quadrada exterior. A coluna CFRP confinada à CFST aproveita não só o bom desempenho da CFST, mas também uma melhoria substancial do confinamento mais elevado da CFRP. O mecanismo de compressão e as propriedades físicas da coluna composta foram analisados primeiramente com o objetivo de investigar os efeitos de confinamento dos diferentes CFR em colunas CFST.

Two methods based on Unified Theory of CFST and elastoplastic limit equilibrium method have been applied to investigate the axial bearing capacity of CFR-confined CFST stub columns. Os resultados calculados têm um bom acordo com os resultados do ensaio. Através da análise de dados, o estudo confirmou que os resultados de cálculo da resistência final do método de equilíbrio limite foram considerados mais precisos e confiáveis do que o da teoria unificada do CFST. Em seguida, a capacidade de rolamento axial de colunas CFST puras foi prevista para avaliar o Fator de melhoria da capacidade de rolamento vindo do confinamento CFRP. Foi demonstrado que a relação de realce média é de 16,4 por cento, mostrando que os três tipos de colunas CFRP confinadas CFST tinham uma ampla aplicabilidade.

o CFR pode aumentar significativamente as capacidades de rolamento dos membros do CFR, uma vez que a acção complementar entre o tubo de aço e o betão é reforçada através do CFRP. A relação entre a relação de aumento da capacidade de rolamento e as proporções relativas de CFR e aço é quase linear, especialmente para as colunas enroladas em CFR com a CFR circular externa ou CFR quadrada externa. Através de uma análise comparativa, este estudo confirmou que a CFR circular exterior tinha o melhor efeito de confinamento e a CFR quadrada exterior fazia melhor do que a CFR circular interna. O efeito de confinamento do CFR aumentou com a diminuição da força do betão e foi proporcional às proporções relativas do CFR e do CFC sob a mesma força do betão.

disponibilidade de dados

todos os dados utilizados para este trabalho estão disponíveis ao público e acessíveis em linha. Anotamos todo o processo de construção de dados e técnicas empíricas apresentadas no artigo. Demos citações formais em referências de artigos. Embora não tenhamos recorrido directamente a estas fontes para a análise empírica, estes esforços confirmaram a nossa compreensão do âmbito, escala e precisão das colunas CFRP-confinadas ao CFST.

conflitos de interesses

os autores declaram que não têm conflitos de interesses.

agradecimentos

os autores gostariam de reconhecer o apoio prestado pela Fundação chinesa para a Ciência (Grant no. 51478004). Enquanto isso, o apoio financeiro da Universidade de tecnologia Hebei também é apreciado.