Comportamento a flessione di travi in ​​acciaio danneggiate rinforzate mediante fibra di carbonio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10134 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta i risultati delle prove e dell'analisi agli elementi finiti di uno studio sul comportamento a flessione di travi in ​​acciaio danneggiate rinforzate con fogli di polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). I risultati dei test hanno mostrato che il carico di snervamento, il carico di rottura e la rigidezza elastica delle travi in ​​acciaio con una perdita di tensione della flangia del 100% erano maggiori del 68,3%, 73,8% e 13,5% rispetto al carico di snervamento, carico di rottura e rigidezza elastica della trave di acciaio con Perdita del nastro del 28% dopo il caricamento statico. Il carico di snervamento e la rigidezza elastica della trave in acciaio dopo il sovraccarico erano rispettivamente maggiori dell'8,7% e del 24,5% rispetto al carico di snervamento e alla rigidezza elastica della trave in acciaio senza sovraccarico. Il livello di danno ha avuto un effetto significativo sul carico di snervamento, sulla capacità portante ultima e sulla rigidità elastica delle travi in ​​acciaio, indipendentemente dal fatto che le travi in ​​acciaio fossero sottoposte a carico statico o sovraccarico. La trave in acciaio danneggiata potrebbe essere riparata con lastre di CFRP, l’aumento degli strati di lastre di CFRP potrebbe migliorare il carico di snervamento, la capacità portante ultima e la rigidità elastica delle travi di acciaio, e le deformazioni delle lastre di CFRP diminuirebbero a causa del sovraccarico. I risultati dell'analisi numerica hanno mostrato che, rispetto alla trave in acciaio senza sovraccarico, la deflessione e le deformazioni della trave in acciaio dopo il sovraccarico erano molto inferiori. Il carico di snervamento e la rigidezza elastica aumentano con l'incremento dell'ampiezza del sovraccarico, e l'incremento del numero di sovraccarico potrebbe ridurre il carico di snervamento e la rigidezza elastica. Tutti i carichi di snervamento delle travi in ​​acciaio dopo il sovraccarico erano maggiori dei carichi di snervamento delle travi in ​​acciaio senza sovraccarico, ma le capacità portanti ultime erano inferiori.

Una delle maggiori sfide che la comunità dell’ingegneria civile deve affrontare oggi è quella di prolungare la vita utile delle strutture in acciaio degradate. La sostituzione delle strutture degradate spesso non è fattibile e ripararle utilizzando materiali convenzionali è inefficiente in termini di costi, impatto sociale e ambientale e durabilità. Alcune strutture vengono sempre utilizzate in condizioni di sovraccarico, in cui il carico di servizio è superiore al 70% del carico ultimo della struttura. Negli ultimi anni, un nuovo metodo per riparare le strutture in acciaio danneggiate è stato l’utilizzo di lastre polimeriche rinforzate con fibra di carbonio (CFRP). Le lastre CFRP hanno proprietà materiali e meccaniche uniche, come peso proprio ridotto, elevata resistenza e rigidità e buona durata. I fogli CFRP possono essere incollati con resina epossidica sulla faccia tesa degli elementi danneggiati per ripristinare o migliorare la capacità portante ultima degli elementi in acciaio. Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi sulla riparazione e l'adeguamento di elementi in acciaio con materiali polimerici fibrorinforzati (FRP) con legante epossidico. Colombi e Poggi1 hanno studiato un programma sperimentale e numerico per caratterizzare il comportamento statico dell'armatura di travi in ​​acciaio mediante nastri pultrusi di CFRP. L'obiettivo principale del programma sperimentale era la valutazione del meccanismo di trasferimento della forza, l'incremento della capacità di carico e la rigidezza alla flessione. L'utilizzo delle strisce pultruse in CFRP ha inoltre consentito di validare diversi modelli analitici e numerici per l'analisi statica di travi armate. Bocciarelli2 ha presentato un approccio semplice per valutare la risposta di travi di acciaio staticamente determinate rinforzate da piastre polimeriche rinforzate con fibra di carbonio in regime elastico-plastico. La soluzione proposta era valida solo ad una certa distanza dalle estremità dell'armatura dove la risposta della struttura non era influenzata dagli effetti locali dovuti alla brusca cessazione dell'armatura. Sugiura et al.3 hanno presentato l'applicabilità dell'adesione CFRP per la riparazione di elementi in acciaio corrosi. Il comportamento alla pelatura del CFRP è stato studiato sperimentalmente in prove di trazione e flessione di elementi in acciaio con CFRP aderito. Sulla base dei risultati sperimentali, è stato fornito il metodo di progettazione per determinare il volume richiesto e la lunghezza di incollaggio del CFRP e per controllare il distacco del CFRP dall'acciaio. Wu et al.4 hanno studiato il comportamento a fatica di travi in ​​acciaio intagliate artificialmente rinforzate con quattro diversi tipi di materiali testati con rigidezza a trazione equivalente. I risultati dei test hanno mostrato che l’applicazione di una piastra composita rinforzata con fibre potrebbe non solo ritardare l’inizio della fessurazione, diminuire il tasso di crescita della fessura e prolungare la vita a fatica, ma anche ridurre il decadimento della rigidità e la deflessione residua. Yu et al.5 hanno studiato l'efficacia delle piastre CFRP nel prolungare la vita a fatica delle strutture in acciaio. I risultati sperimentali hanno mostrato che i cerotti CFRP potrebbero effettivamente rallentare la crescita delle crepe, prolungando la vita a fatica e il rinforzo tardivo a un livello di danno maggiore tendeva a comportare un’estensione più significativa della vita a fatica rimanente. Bocciarelli e Colombi6 hanno presentato un approccio semplice per calcolare la risposta elastoplastica di una trave in acciaio rinforzata con una lamina di CFRP. La conclusione principale è stata che una sezione rinforzata doveva raggiungere una grande curvatura per sviluppare la sua resistenza al momento flettente ultimo e, per questo motivo, era necessario utilizzare irrigidimenti per evitare problemi di instabilità locale sia nell'anima che nelle ali. Hmidan et al.7 hanno riportato il comportamento dell'estremità della fessura di travi in ​​acciaio W4 × 13 ad ala larga rinforzate con fogli CFRP. I risultati hanno mostrato che le proprietà del CFRP, come il numero di strati e il modulo, influenzavano la plasticità dell’estremità della fessura delle travi rinforzate. Colombi et al.8 hanno eseguito prove di fatica su piastre di acciaio fessurate (provini a bordo singolo) rinforzate da strisce incollate su un singolo lato. I risultati hanno mostrato che i materiali CFRP incollati attorno all’area della punta hanno esteso la vita a fatica degli elementi in acciaio danneggiati di un fattore di circa 3. Ghafoori e Motavalli9 hanno studiato sperimentalmente e numericamente l’instabilità torsionale laterale (LTB) di travi di acciaio rinforzate con modulo normale ( NM) Laminati CFRP. È stato dimostrato che l’aumento della precompressione nel laminato CFRP non sempre aumenta la resistenza all’instabilità delle travi sottili in acciaio adattate. Wang et al.10 hanno utilizzato lastre CFRP e lastre CFRP precompresse per riparare travi composite acciaio-calcestruzzo. I risultati hanno mostrato che le lastre in CFRP non hanno avuto effetti significativi sui carichi di snervamento delle travi composite rinforzate, ma hanno avuto un effetto significativo sui carichi ultimi. Colombi e Fava11 hanno studiato nove travi di acciaio fessurate rinforzate con CFRP sottoposte a carico di fatica. I risultati sperimentali hanno rivelato la presenza di un'area distaccata tra il rinforzo e il substrato di acciaio nel punto della fessura. Il distacco ha avuto chiaramente un effetto dannoso sull’efficacia del rinforzo. Gholami et al.12 hanno valutato le prestazioni di travi in ​​acciaio con sezione a I rinforzate con piastre CFRP pultruse sulla flangia inferiore dopo esposizione a diverse condizioni, tra cui clima tropicale naturale, cicli umido/secco, acqua naturale, acqua salata e soluzioni acide. Lo studio ha rilevato che lo strato adesivo era la parte critica e che le prestazioni del sistema erano direttamente correlate al comportamento e alla duttilità di tutte le travi rinforzate che aumentavano dopo l'esposizione. Aljabar et al.13 hanno esteso le attuali conoscenze sul rinforzo con CFRP di elementi in acciaio sottoposti a carico di fatica a trazione al caso di carico misto a trazione e taglio. È stato identificato un fenomeno di spostamento per descrivere l'influenza della modalità mista in termini di propagazione delle cricche. È stato sviluppato un fattore di modifica della modalità mista per stimare la durata a fatica delle piastre di acciaio rinforzate con CFRP con cricche iniziali inclinate. Hu et al.14 hanno proposto guide e programmi di progettazione a fatica per strutture in acciaio rinforzate con CFRP. Il CFRP si è dimostrato efficace nel rafforzare le strutture in acciaio sottoposte a fatica. Il CFRP potrebbe prolungare la durata a fatica in determinate condizioni di carico o aumentare l'intervallo di sollecitazioni ammissibili quando si desidera una determinata durata a fatica. Yousefi et al.15 hanno presentato i risultati di indagini sperimentali e numeriche sull'analisi dei guasti e sul comportamento strutturale delle travi a I in acciaio dentellate rinforzate con piastre CFRP incollate sotto carico statico. I risultati hanno mostrato che le modalità di rottura del CFRP nel rinforzo di travi a I in acciaio carenti includevano il distacco delle estremità, il distacco del carico sotto il punto, la divisione e la delaminazione. Bocciarelli et al.16 hanno proposto modelli analitici e numerici di adesivi elastofragili per valutare la distribuzione delle tensioni e delle deformazioni nel rinforzo ad una data lunghezza della fessura. I risultati sperimentali sono stati considerati per validare le tecniche numeriche e analitiche proposte. I risultati calcolati erano in buon accordo con i risultati sperimentali. Martinelli et al.17 hanno studiato il comportamento di adesione dei compositi polimerici fibrorinforzati (FRP) incollati a substrati di acciaio mediante simulazioni sperimentali e numeriche. I risultati hanno mostrato che la relazione di scorrimento del legame incorporata nel modello numerico proposto ha avuto un effetto significativo sui risultati numerici. Pertanto, era importante identificare le relazioni realistiche di scorrimento del legame con diversi tipi di adesivi e condizioni di polimerizzazione (conducendo test sperimentali). Zhang et al.18 hanno studiato il comportamento a flessione di travi di acciaio corrose rinforzate con piastre CFRP. Sono stati studiati gli effetti dei livelli di forza di corrosione e precompressione sulla capacità di flessione, sulle modalità di rottura e sullo stress interfacciale. I risultati hanno mostrato che la modalità di rottura delle travi corrose era la frattura della piastra di CFRP dopo la rottura per taglio dell'interfaccia sulla campata centrale, e il punto di frattura della piastra di CFRP era principalmente nel punto di carico. La superficie ruvida dell'acciaio corroso può aumentare l'efficienza del trasferimento delle sollecitazioni all'interfaccia, migliorando così la lunghezza effettiva del legame dell'interfaccia. Lo sforzo di taglio si è concentrato principalmente sull'estremità della piastra in CFRP e il valore di picco è apparso nel punto di carico. Rispetto alla trave di riferimento, la capacità di flessione ultima della trave corrosa rinforzata dalla piastra in CFRP con un livello di precompressione del 15% è aumentata con un rapporto del 21% e il rapporto di utilizzo delle piastre in CFRP è stato fino al 71,59%. Hu e Feng19 hanno presentato un metodo di progettazione per strutture in acciaio danneggiate rinforzate con CFRP e hanno sviluppato un programma di progettazione. I risultati hanno mostrato che il rinforzo in CFRP può migliorare la vita utile sotto un certo intervallo di sollecitazioni e l’intervallo di sollecitazioni ammissibili con la premessa di raggiungere la vita utile target. Deng et al.20 hanno studiato le prestazioni a fatica flessionale di travi di acciaio danneggiate rinforzate da piastre con reticolo di Bragg in fibra plastica-ottica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP-OFBG). I risultati dei test hanno mostrato che il rinforzo della piastra CFRP-OFBG ha ridotto efficacemente il tasso di crescita delle crepe da fatica delle travi in ​​acciaio danneggiate e ha aumentato la durata a fatica delle travi in ​​acciaio danneggiate del 22,46%. I risultati dell'analisi e dei test hanno mostrato che l'errore minimo tra il valore calcolato del modello di previsione della vita e il valore del test era di -24,13% e l'errore massimo era di -5,61%.