Desenvolvendo um FRP híbrido

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16237 (2022) Citar este artigo

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As tendências atuais da engenharia de materiais propõem o desenvolvimento de soluções estruturais eficientes. A substituição do aço por polímeros reforçados com fibras (FRP) exemplifica a chave para o problema da corrosão. No entanto, o módulo de deformação relativamente baixo dos materiais FRP típicos aumenta as deformações dos componentes estruturais. Juntamente com a redução do peso próprio aumentando os deslocamentos cinemáticos, esta última questão torna importante o desenvolvimento de estruturas híbridas compostas de concreto resistente à compressão e perfis de FRP de alto desempenho em tração. Embora tais sistemas híbridos sejam aplicáveis ​​à engenharia de pontes, a incerteza das propriedades de ligação entre componentes complica o desenvolvimento dessas estruturas inovadoras, incluindo os modelos de projeto. A solução típica concentra-se na melhoria da aderência local, por exemplo, empregando perfuração de perfil FRP e sistemas de ancoragem mecânica. No entanto, este estudo apresenta uma solução alternativa, usando o sistema estrutural de ponte de tensão-fita para a criação do protótipo de viga híbrida, que combina a laje de concreto reforçado com fibras sintéticas e o perfil de FRP pultrudado fixado nos apoios. Este trabalho exemplifica o conceito de desenvolvimento estrutural quando o resultado da modelagem de elementos finitos (FE) define a referência alvo do procedimento de projeto. Assim, por um lado, esta estrutura inovadora simplifica o correspondente modelo numérico (FE), que pressupõe a perfeita ligação entre os componentes do sistema de vigas híbridas. Por outro lado, a solução do problema dos apoios (resultante de uma baixa resistência dos perfis FRP pultrudidos às cargas transversais) melhora o desempenho estrutural do protótipo da ponte, duplicando a rigidez à flexão e a capacidade de carga da estrutura relativamente aos apoios de betão fraco. sistema. Os ensaios de flexão comprovaram a adequação desta solução na descrição do referencial de projeto para posterior desenvolvimento do conceito estrutural proposto.

As tendências da engenharia de materiais propõem o desenvolvimento de soluções estruturais eficientes1,2. Como resultado, há uma tendência de desenvolvimento de novos materiais estruturais para substituir o concreto e o aço tradicionalmente usados3. Os polímeros reforçados com fibras (FRP) definem a alternativa promissora ao aço, e os compósitos à base de fibra de carbono, vidro e aramida são os FRPs mais comuns no mercado4,5. Sabe-se que a tecnologia de fabricação afeta o desempenho mecânico dos compósitos FRP. Assim, este estudo se concentra nos objetos pultrudados devido à capacidade das tecnologias de pultrusão de produzir um grande volume com baixos custos operacionais e alta taxa de fabricação, teor de fibra e tolerâncias geométricas6,7.

A direção da pultrusão e a distribuição dos filamentos de reforço coincidem, garantindo o desempenho mecânico das peças estruturais de FRP6,7,8,9. No entanto, tais componentes muitas vezes enfrentam cargas transversais em relação ao caminho de pultrusão; além disso, os detalhes pultrudados devem resistir às tensões locais induzidas pela remoção do parafuso4,5. Portanto, a mecha unidirecional lisa e as esteiras protegem os filamentos longitudinais, dificultando a estrutura de reforço interno do material FRP6. Ao mesmo tempo, esses meios adicionais de proteção podem ser insuficientes para o desenvolvimento de estruturas de FRP10,11,12. Além disso, o módulo de deformação relativamente baixo dos materiais FRP típicos aumenta as deformações dos componentes estruturais. Juntamente com a redução do peso próprio aumentando os deslocamentos cinemáticos13, esta última questão torna importante o desenvolvimento de estruturas híbridas compostas de concreto resistente à compressão e perfis de FRP de alto desempenho em tração.

Embora os sistemas compósitos híbridos sejam aplicáveis ​​à engenharia de pontes13,14,15, a incerteza das propriedades de ligação entre os componentes complica o desenvolvimento dessas estruturas inovadoras. A solução típica concentra-se na melhoria da adesão local, empregando a perfuração do perfil FRP e sistemas de ancoragem mecânica, por exemplo, Mendes et al.16 e Zhang et al.17. No entanto, o projeto de tais estruturas está além do campo de regulamentação padrão. Ao mesmo tempo, o problema de ligação complica a análise estrutural e a modelagem numérica18,19. Ainda, estudos9,20,21,22,23 descrevem os exemplos típicos de análise, negligenciando o problema de vínculo.