Desarrollando un FRP híbrido

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 16237 (2022) Citar este artículo

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Las tendencias actuales en ingeniería de materiales apuestan por el desarrollo de soluciones estructurales eficientes. La sustitución del acero por polímeros reforzados con fibra (FRP) ejemplifica la clave del problema de la corrosión. Sin embargo, el módulo de deformación relativamente bajo de los materiales típicos de FRP aumenta las deformaciones de los componentes estructurales. Junto con la reducción del peso propio que aumenta los desplazamientos cinemáticos, este último aspecto hace importante el desarrollo de estructuras híbridas compuestas por hormigón resistente a la compresión y perfiles de FRP de alto rendimiento en tensión. Aunque estos sistemas híbridos son aplicables a la ingeniería de puentes, la incertidumbre de las propiedades de unión entre componentes complica el desarrollo de estas estructuras innovadoras, incluidos los modelos de diseño. La solución típica se centra en la mejora de la unión local, por ejemplo, empleando sistemas de anclaje mecánico y perforación de perfiles de FRP. Sin embargo, este estudio introduce una solución alternativa, utilizando el sistema estructural del puente de cinta de tensión para crear el prototipo de viga híbrida, que combina la losa de hormigón armado con fibras sintéticas y el perfil de FRP pultruido fijado sobre los soportes. Este trabajo ejemplifica el concepto de desarrollo estructural cuando el resultado del modelado de elementos finitos (FE) define la referencia objetivo del procedimiento de diseño. Así, por un lado, esta estructura innovadora simplifica el modelo numérico correspondiente (FE), que supone la unión perfecta entre los componentes del sistema de vigas híbrido. Por otro lado, la solución al problema de apoyo (derivado de una baja resistencia de los perfiles pultruidos de FRP a cargas transversales) mejora el comportamiento estructural del prototipo de puente, duplicando la rigidez a flexión y la capacidad portante de la estructura respecto a los débiles apoyos de hormigón. sistema. Las pruebas de flexión demostraron la idoneidad de esta solución al describir la referencia de diseño para un mayor desarrollo del concepto estructural propuesto.

Las tendencias en ingeniería de materiales plantean el desarrollo de soluciones estructurales eficientes1,2. Como resultado, existe una tendencia a desarrollar nuevos materiales estructurales para sustituir el hormigón y el acero utilizados tradicionalmente3. Los polímeros reforzados con fibra (FRP) definen la alternativa prometedora al acero, y los compuestos a base de fibra de carbono, vidrio y aramida son los FRP más comunes en el mercado4,5. Se sabe que la tecnología de fabricación afecta el rendimiento mecánico de los compuestos de FRP. Por lo tanto, este estudio se centra en los objetos pultruidos debido a la capacidad de las tecnologías de pultrusión para producir un gran volumen con bajos costos operativos y alta tasa de fabricación, contenido de fibra y tolerancias geométricas6,7.

La dirección de pultrusión y la distribución de los filamentos de refuerzo coinciden, asegurando el rendimiento mecánico de las piezas estructurales de FRP6,7,8,9. Sin embargo, dichos componentes a menudo enfrentan cargas transversales con respecto a la vía de pultrusión; Además, los detalles pultruidos deben resistir las tensiones locales inducidas por la extracción de pernos4,5. Por lo tanto, la suave mecha unidireccional y las esteras protegen los filamentos longitudinales, complicando la estructura de refuerzo interna del material FRP6. Al mismo tiempo, estos medios de protección adicionales pueden resultar insuficientes para desarrollar estructuras de PRF10,11,12. Además, el módulo de deformación relativamente bajo de los materiales FRP típicos aumenta las deformaciones de los componentes estructurales. Junto con la reducción del peso propio que aumenta los desplazamientos cinemáticos13, este último problema hace importante el desarrollo de estructuras híbridas que comprendan hormigón resistente a la compresión y perfiles de FRP de alto rendimiento en tensión.

Aunque los sistemas compuestos híbridos son aplicables para la ingeniería de puentes13,14,15, la incertidumbre de las propiedades de unión entre componentes complica el desarrollo de estas estructuras innovadoras. La solución típica se centra en la mejora de la unión local, empleando sistemas de anclaje mecánico y perforación de perfiles de FRP, por ejemplo, Mendes et al.16 y Zhang et al.17. Sin embargo, el diseño de tales estructuras va más allá del ámbito de la regulación estándar. Al mismo tiempo, el problema de los bonos complica el análisis estructural y la modelización numérica18,19. Aún así, los estudios9,20,21,22,23 describen los ejemplos de análisis típicos, descuidando el problema de los bonos.

Las referencias8,24,25,26,27 definen los casos en que los parámetros de vinculación se encontraban entre los sujetos de investigación. Por ejemplo, Chen et al.26 centraron la investigación en las propiedades de unión del laminado FRP. Cuatro trabajos restantes toman en cuenta el desempeño de la adherencia FRP-hormigón de los sistemas estructurales híbridos, que describen el objeto de investigación de este estudio. Dang y Phan8 y Cai et al.25 investigaron el rendimiento de unión de barras de FRP en hormigón. Robinson y Melby24 estudiaron la resistencia mecánica del tubo de PRFV relleno de hormigón, y Muc et al.27 simularon la losa de cubierta compuesta. Sin embargo, una publicación poco común considera la resistencia de la junta de soporte de los perfiles de FRP, por ejemplo, Zhang et al.28.

Por el contrario, este estudio emplea la solución de puente de cinta de tensión para crear el prototipo de viga híbrida, combinando la losa de hormigón reforzado con fibra polimérica (PFRC) y el perfil de FRP pultruido. Sin embargo, el sistema estructural propuesto no requiere soportes masivos típicos de los sistemas de cintas de tensión15 debido a la combinación del concreto, resistiendo la carga de compresión inducida por el perfil reforzado con fibra de vidrio (GFRP) distribuido en la zona de tensión del sistema de flexión. elemento. Además, la fijación segura del perfil a los soportes garantiza el comportamiento compuesto de la viga híbrida. Además, simplifica el correspondiente modelo de elementos finitos (FE), permitiendo la suposición de una unión perfecta entre las piezas compuestas. Así, este modelo FE describe la referencia para desarrollar el sistema de vigas híbrido. Las pruebas de flexión corroboran la idoneidad de la solución y ejemplifican la situación en la que el resultado predicho numéricamente determina la eficiencia del sistema híbrido y proporciona al diseñador la referencia estructural.

La viga diseñada comprende la losa de hormigón armado con fibra polimérica (PFRC), que resiste la fuerza de compresión de las juntas de soporte y fija el perfil reforzado con fibra de vidrio (GFRP, perfil en I de 120×60/6/6 mm de Fiberline, Dinamarca). ). Las simulaciones preliminares29 determinaron la geometría del bloque de soporte. Además, una tira de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP, 10 × 1,4 mm de S&P C-Laminate, Reino Unido) refuerza la cara más tensa del perfil de GFRP. La Figura 1 muestra las secciones transversales esquemáticas y anticipadas de la viga compuesta.

El esquema de la viga híbrida y las secciones transversales anticipadas.

El esquema estructural (Fig. 1) emplea el concepto de puente de cinta tensa15,30 para desarrollar la viga híbrida. De esta manera, el hormigón proporciona una unión fiable con el perfil de PRFV de los soportes. Además, el modelado FE verifica la viabilidad del concepto propuesto cuando el enfoque de refuerzo engrasado7 describe el desempeño mecánico de los componentes de FRP, el modelo de material físicamente no lineal31 define el comportamiento de PFRC y el modelo de unión perfecta representa el problema de contacto.

El software comercial Atena ayuda a analizar la respuesta a la deformación y predecir la capacidad de carga de la viga híbrida; Los modelos de materiales verificados en trabajos anteriores1,7,31 describen el comportamiento mecánico de componentes PFRC y FRP. La malla tetraédrica genera el modelo de elementos finitos (FE), que se muestra en la Fig. 2. Las placas elásticas protectoras en los puntos de aplicación de carga (Fig. 2a) tienen una malla FE de 15 mm. La parte monolítica de hormigón de la viga (Fig. 2b) tiene un tamaño de malla de 30 mm; la tira de CFRP y el perfil de GFRP tienen un tamaño de elemento finito de 7,5 mm. Los resultados del monitoreo del modelo son desplazamientos verticales en la mitad del tramo y puntos de aplicación de carga.

El modelo de elementos finitos de la viga híbrida: (a) discretización FE; (b) vista de soporte.

El modelo de material cementoso no lineal con resistencia a la compresión de 55 MPa31 determina el comportamiento de deformación y el mecanismo de falla del PFRC. Un modelo elástico-plástico (módulo de elasticidad = 170 GPa y resistencia a la tracción = 2,8 GPa) determina el comportamiento del material de la tira de CFRP de 10 × 1,4 mm1. Los elementos finitos sólidos 3D describen la matriz polimérica del perfil de GFRP, asumiendo los principios mecánicos de fractura para falla por tracción y el enfoque de plasticidad para falla por compresión.

Gribniak et al.7 adaptaron el modelo de refuerzo enrasado, desarrollado inicialmente para elementos de hormigón armado con refuerzo de malla estructural32, para representar los filamentos de vidrio y verificaron esta solución numéricamente eficiente, simulando los ensayos de flexión en tres puntos del perfil de FRP fabricado por el mismo fabricante. como este estudio. La verificación7 demostró la capacidad del modelo EF para predecir la capacidad de carga y la respuesta de deformación del perfil. Una ley constitutiva elástico-frágil define el fallo por tensión de las fibras orientadas en la dirección de pultrusión. Para este análisis se asumió una proporción de refuerzo enrasado del 63,4%, correspondiente a la investigación anterior7. La matriz polimérica tiene un módulo elástico de 3,23 GPa y una resistencia a la tracción de 90 MPa. Las fibras de vidrio E (refuerzo untado) tienen un módulo elástico de 73 GPa y una resistencia a la tracción de 3445 MPa; los filamentos no resisten las tensiones de compresión. Se asumió la conexión perfecta entre todos los componentes del modelo. La primera etapa de carga considera el peso propio de la viga. Se aplicaron dos cargas puntuales en incrementos sucesivos, lo que resultó en un aumento de momento de 0,125 kNm en cada incremento de carga sucesivo en la zona de flexión pura de 600 mm (Fig. 1). Las pruebas físicas verifican la adecuación del modelo.

Las pruebas físicas se llevaron a cabo en dos etapas y para cada serie se produjeron dos vigas nominalmente idénticas. Las muestras se vertieron utilizando las mismas proporciones de mezcla con una resistencia a la compresión objetivo de 55 MPa, como se consideró en los estudios anteriores1,31. Se utilizaron las siguientes proporciones de mezcla por metro cúbico: 356 kg de cemento CEM I 42,5 R; 201 litros de agua; 177 kg de polvo de piedra caliza; 890 kg de arena de 0/4 mm; y 801 kg de áridos triturados de 4/16 mm. El hormigón también incluyó 2,61% del peso de cemento del superplastificante Mapei Dynamon XTend y 3,5 kg del aditivo SCP 1000 Optimizer. Además, la mezcla incluía 4,2 kg de macrofibras Durus EasyFinish y 0,6 kg de microfibras CrackStop M Ultra de Adfil NV (Bélgica).

La construcción de las juntas de soporte marcó la diferencia entre las series de vigas. La primera serie produjo los prototipos de vigas híbridas con geometría nominal, como se muestra en la Fig. 1. La resistencia insuficiente de los soportes en la fijación del perfil de PRFV motivó el desarrollo de la segunda serie de vigas. Junto a las vigas híbridas de cada serie se produjeron dos losas rectangulares de 550 × 550 × 40 mm y ocho cubos de 100 mm. La mesa vibratoria densificó la estructura de hormigón. Se ubicaron perforaciones en el alma de la zona de apoyo y el ala superior del perfil de GFRP para mejorar el comportamiento de contacto con PFRC en vigas de la primera serie. Por el contrario, los perfiles de la segunda serie no tenían perforación.

Todas las vigas se vertieron en posición invertida. Para la producción de las vigas se utilizaron encofrados de acero con tablones de madera contrachapada. Se utilizaron inserciones de poliestireno expandido e inserciones de madera para formar los bloques de soporte, fijando el perfil de PRFV. El hormigón se vertió en dos capas. En la primera capa se formó y densificó una plataforma de hormigón de 55 mm de espesor mediante la mesa vibratoria. A continuación se formaron los soportes de hormigón utilizando tacos de poliestireno expandido. Los bloques de soporte de la primera serie de vigas garantizan una cobertura de 20 mm del perfil sobre el soporte de la viga. Los bloques de soporte de hormigón monolítico de 95 mm (Fig. 1) se densificaron pinchándolos con una varilla de metal.

Las muestras de vigas del segundo grupo tenían bloques de anclaje mejorados: un perfil rectangular de acero de sección hueca de 100 × 200 mm protegía el perfil de PRFV en los soportes. Esta modificación aumentó la longitud del bloque de soporte de 95 a 250 mm, pero la distancia de soporte siguió siendo la misma. Además, se disminuyó el ancho de la zona de hormigón a compresión para simplificar la producción de la viga, preservando la rigidez a la flexión de la viga al aumentar la altura de la zona a compresión. Los componentes restantes del sistema híbrido, es decir, perfil de GFRP, tira de CFRP y adhesivo, permanecieron igual. Las figuras 3 y 4 muestran el esquema de la viga y las vistas del bloque de anclaje.

El esquema de viga híbrida actualizado y las secciones transversales modificadas.

Preparación de los bloques de soporte modificados: (a) tubo de acero rectangular con orificios perforados; (b) se insertaron barras de 6 mm y 8 mm; (c) el tubo de acero dentro del molde.

Las barras de acero verticales de 6 mm y horizontales de 8 mm impidieron los movimientos del perfil de GFRP dentro del tubo de acero (Fig. 4). La barra de 8 mm pasó horizontalmente por el centro del perfil de GFRP (Fig. 3). Del mismo modo que para las vigas de la primera serie, se produjeron dos prototipos de vigas, dos losas de 550 × 550 × 40 mm y ocho cubos de 100 mm utilizando idénticas proporciones de hormigón (descritas en este apartado, arriba). Las muestras de vigas se vertieron en dos capas: la primera capa, incluida la losa de hormigón, se densificó utilizando la mesa vibratoria y la segunda capa formó los bloques de soporte. Este hormigón fue cuidadosamente distribuido y densificado dentro de los tubos protectores de acero mediante varillas de acero.

Las vigas de ambas series fueron desmoldeadas después de dos días y almacenadas en condiciones de laboratorio (temperatura promedio 20 °C y 40% de humedad relativa) durante 30 días antes de las pruebas. Se utilizó el mismo esquema de carga y distribución de los dispositivos de medición para todas las vigas probadas. La Figura 5 muestra las vistas características del montaje del ensayo de flexión. Se utilizó un sistema de correlación de imágenes digitales (Fig. 5a) para capturar una falla repentina de las muestras del haz híbrido. Sin embargo, el manuscrito no incluye estos resultados debido al colapso gradual de las muestras de vigas. Además, la superficie desigual de las vigas hizo que el procedimiento de correlación de imágenes fuera ineficaz para capturar las respuestas de deformación. Por lo tanto, este estudio emplea los transductores lineales de desplazamiento variable (LVDT) para capturar los desplazamientos verticales en la mitad del tramo de la viga y debajo de los puntos de aplicación de carga (Fig. 5b). Además, nueve LVDT controlaron las deformaciones de la superficie en la zona pura de flexión. Luego, se aplicaron para monitorear las deformaciones longitudinales dentro de la zona de flexión.

Ejemplos de configuración de prueba de flexión de la viga híbrida: (a) la superficie expuesta para la correlación de imágenes digitales; (b) distribución de transductores lineales de desplazamiento variable, monitorizando los desplazamientos verticales y horizontales.

Las pruebas de flexión se llevaron a cabo utilizando una máquina servohidráulica de 5 MN con la carga aplicada en forma de control de desplazamiento con una velocidad de 0,4 mm/min. Se utilizó una celda de carga para medir la carga aplicada. Un registrador de datos ALMEMO 2890-9 registró la lectura de todos los dispositivos LVDT y la celda de carga. Los resultados se recogieron cada segundo.

Las pruebas de compresión identificaron una resistencia de 65,6 MPa y 70,3 MPa de cubos de hormigón de 100 mm, que corresponden a la resistencia de 49,9 MPa y 53,4 MPa de los cilindros estándar de ∅150 × 300 mm33. Estos resultados concuerdan razonablemente con la resistencia objetivo supuesta de 55 MPa del PFRC. Además, los resultados de las pruebas de punzonamiento de las losas de 550 × 550 × 40 mm verificaron el modelo de material PFRC, y estos resultados no se incluyen en este artículo.

La respuesta momento-curvatura describe la medida adecuada del comportamiento de deformación global de las vigas compuestas1,7,33. El análisis emplea los resultados de monitoreo de los desplazamientos verticales de la zona de flexión pura (Fig. 5b). La siguiente fórmula define la curvatura sobre la zona de flexión pura, asumiendo la forma de deformación circular de la línea central de la viga1:

donde lb es la longitud de la zona de flexión pura (= 600 mm); L1, L2 y L3 son las lecturas del LVDT (Figs. 1 y 5b).

La Figura 6 muestra los diagramas de momento-curvatura correspondientes de los resultados de las pruebas físicas y simulaciones numéricas. En este estudio, los resultados del modelado FE definen la referencia para desarrollar un sistema de vigas híbrido eficiente. Consideremos la primera serie de resultados que se muestran en la Fig. 6a. La resistencia y rigidez insuficientes de la viga híbrida (Fig. 1) son evidentes. Por lo tanto, los autores decidieron reducir la fuerza de unión (≈ 10 Pa) entre los componentes de PRFV (perfiles de PRFV y tiras de PRFV) y los soportes de hormigón (Fig. 2b). La Figura 6b muestra los resultados de la simulación correspondientes que demuestran una perfecta concordancia entre la predicción del modelo FE y los resultados de la prueba. Este hecho estimuló la modificación de los bloques de soporte (Fig. 3). Las líneas azules en la Fig. 6a ilustran la respuesta de deformación de la segunda serie de haces. Los resultados de las pruebas revelan una notable concordancia con el modelo FE, que se consideró una referencia eficiente, suponiendo la unión perfecta entre todas las partes compuestas de la viga híbrida. Además, la segunda serie de vigas no tenía perforación del perfil de PRFV.

Las relaciones experimentales momento-curvatura de las vigas híbridas comparadas con predicciones numéricas: (a) el modelo de referencia con la unión perfecta entre los componentes compuestos; (b) el modelo asumió un contacto débil entre el perfil de GFRP y los bloques de soporte de concreto.

Sorprendentemente, la Fig. 6 demuestra el ejemplo conceptual de la filosofía de diseño propuesta cuando un modelo numérico verificado experimentalmente describe la referencia objetivo. El análisis detallado requiere pruebas adicionales (para garantizar la confiabilidad de las estimaciones numéricas). Sin embargo, las diferencias entre las soluciones alternativas que se muestran en las figuras 6a, b son evidentes, lo que ilustra la eficiencia del concepto. Así, los resultados de la segunda serie de vigas (Fig. 6a) permiten relacionar la mejora del comportamiento estructural con la modificación propuesta de las juntas de soporte, anclando el perfil de PRFV. Además, esta solución simplifica el modelo numérico: el supuesto de enlace perfecto resuelve los problemas de modelado reportados en la literatura27, lo que hace que el enfoque FE sea aceptable para diseñar los sistemas híbridos considerados en este estudio.

La Figura 5b muestra la disposición de las galgas extensométricas longitudinales. Se puede observar que los dispositivos LVDT se distribuyeron en tres líneas con un desplazamiento de 50 mm de la línea inferior con respecto a la superficie inferior del perfil de GFRP. La Figura 7 muestra los perfiles de deformación correspondientes a la reacción de la viga monitoreada con la celda de carga; la tensión resulta del promedio de tres dispositivos LVDT distribuidos en la fila (Fig. 5b). La carga de 58 kN define la falla de las vigas pertenecientes a la primera serie.

Distribución de deformaciones longitudinales en las vigas híbridas.

La distribución de deformaciones en la Fig. 7 es casi lineal y es característica de todas las etapas de carga y de ambas series de vigas. Este resultado corrobora la ausencia de deslizamiento entre los componentes de la viga híbrida, lo que demuestra la idoneidad del supuesto de unión perfecta en el modelo numérico. Al mismo tiempo, el comportamiento ineficiente de la primera serie de vigas (Fig. 6b) requiere aclaración, considerando los mecanismos de falla de las vigas.

La trituración de los bloques de anclaje del perfil de PRFV resulta de la primera serie de pruebas. La Figura 8 muestra una vista típica del soporte de la viga después del colapso. Este resultado es consecuencia de la resistencia insuficiente de los materiales FRP a las cargas transversales en la dirección de pultrusión, lo que corresponde a los resultados de la literatura6,28,30. Sin embargo, el modelo FE no pudo representar este mecanismo de falla debido a la capacidad limitada para simular el aplastamiento transversal de materiales FRP (Fig. 6a), como resultado de la heterogeneidad de la estructura del material7.

La falla típica del bloque de soporte de la viga de la primera serie.

Las simulaciones de fallas de FRP con Atena7,29 proporcionaron resultados similares. Li et al.34 y Zhu et al.12 describieron una posible solución, presentando el modelo de daño progresivo para composites laminados. Sin embargo, su aplicación para el análisis de materiales pultruidos es todavía limitada. Por el contrario, modificar las juntas de soporte simplificó el problema de predicción de fallas. Por ejemplo, la Fig. 9 muestra el proceso de localización de fallas predicho por Atena que corresponde a los resultados de deformación que se muestran en la Fig. 6a. Este ejemplo proporciona información para un mayor desarrollo de los sistemas de vigas híbridas, que modifican el concepto de cinta de tensión para una utilización eficiente de materiales compuestos avanzados.

Mecanismos de falla de las vigas híbridas: (a) La distribución de deformaciones prevista en el modelo FE con la unión perfecta (Fig. 6a); (b) Fallo por cortante del hormigón en la viga de la segunda serie.

Este estudio presenta un concepto de diseño novedoso del sistema de vigas híbridas que comprende la losa de hormigón armado con fibra sintética y el perfil de FRP pultruido fijado sobre los soportes. La adaptación del enfoque estructural de la cinta de tensión15,30 permite resolver el problema de la unión y aplicar el modelo numérico simplificado, asumiendo la unión perfecta entre los componentes compuestos. El caso considerado ejemplifica el diseño de los sistemas híbridos (Fig. 1) cuando el resultado del modelado FE (Fig. 6a) define la referencia objetiva para el procedimiento de diseño que describe la eficiencia del sistema híbrido y modifica el objetivo estructural (Fig. 3). La Figura 10 esquematiza el concepto propuesto.

El concepto de diseño adaptativo.

Por un lado, la solución estructural propuesta contradice la idea tradicional de mejora de la adherencia local, por ejemplo, empleando sistemas de anclaje mecánico y perforación de perfiles de FRP (por ejemplo, referencias16,17). Por el contrario, este estudio demuestra que la solución al problema de soporte (derivado de una baja resistencia de los perfiles pultrusionados de FRP a cargas transversales) mejora el comportamiento estructural del prototipo de puente, duplicando la rigidez a flexión y la capacidad portante de la estructura respecto de las zonas débiles. Sistema de soportes de hormigón.

Por otro lado, el presente estudio demuestra el concepto de desarrollo estructural cuando el resultado del modelado FE define la referencia objetivo del procedimiento de diseño. Como muestra la Fig. 10, el concepto de diseño preliminar (“1”) produce el modelo numérico (“2”), con los parámetros predichos determinando el objetivo estructural eficiente. Pruebas físicas adicionales (“3”) verifican el concepto de viabilidad “1” (es decir, “Verificación 1”). Si es necesario, un ingeniero modifica la solución de diseño (“4”). La adaptación iterativa continúa hasta que se logra un acuerdo aceptable entre los resultados físicos y numéricos (por ejemplo, “Verificación 2”).

Este estudio presenta el concepto de diseño de un novedoso sistema de vigas híbridas cuando el resultado previsto numéricamente modifica el objetivo del diseño. Las simulaciones numéricas y experimentos físicos demuestran la viabilidad de la idea propuesta. De este estudio se desprenden las siguientes conclusiones importantes:

La adaptación del enfoque estructural de cinta de tensión permite resolver el problema de deslizamiento de unión entre los componentes compuestos, simplificando el modelo numérico del sistema híbrido.

La modificación propuesta de los bloques de anclaje garantiza una fijación fiable del perfil de PRFV. Además, resuelve el problema de vulnerabilidad del FRP a las cargas que actúan en dirección transversal a la vía de pultrusión.

El concepto de diseño adaptativo considerado, cuando un modelo numérico verificado experimentalmente describe el objetivo del diseño estructural, demuestra el espacio para aplicaciones prácticas, duplicando la rigidez a la flexión de la estructura y la capacidad de carga con respecto al sistema de soportes de concreto débil. Sin embargo, son necesarias pruebas adicionales para garantizar la confiabilidad de los resultados y optimizar la geometría de los bloques de soporte.

El modelo numérico (elementos finitos) desarrollado determina la referencia adecuada para diseñar sistemas estructurales híbridos y utilizar eficientemente materiales compuestos avanzados.

Los conjuntos de datos analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Gribniak, V., Sultani, HA, Rimkus, A., Sokolov, A. & Torres, L. Cuantificación estandarizada de la eficiencia estructural de sistemas de refuerzo híbridos para el desarrollo de compuestos de hormigón. Compos. Estructura. 274, 114357. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114357 (2021).

Artículo de Google Scholar

Hou, W., Wang, L. & Shi, D. Comportamiento a la flexión de vigas de acero dañadas reforzadas utilizando láminas de polímero reforzadas con fibra de carbono. Ciencia. Rep. 12, 10134. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gribniak, V. Número especial “Compuestos avanzados: desde la caracterización de materiales hasta la aplicación estructural. Materiales 13(24), 5820. https://doi.org/10.3390/ma13245820 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Preinstorfer, P., Huber, T., Reichenbach, S., Lees, JM y Kromoser, B. Estudios de diseño paramétrico del potencial de calentamiento global relacionado con la masa y los costos de construcción de infraestructura de hormigón armado con FRP. Polímeros 14, 2383. https://doi.org/10.3390/polym14122383 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Naito, K. Propiedades estáticas y de tracción por fatiga de compuestos epoxi híbridos reforzados con fibra de carbono/vidrio. Ciencia. Rep. 12, 6298. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10245-5 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Correia, RJ Pultrusión de compuestos avanzados de polímeros reforzados con fibra (FRP). En Compuestos avanzados de polímero reforzado con fibra (FRP) para aplicaciones estructurales (ed. Bai, J.) 207–251 (Woodhead Publishing, Cambridge, 2013).

Capítulo Google Scholar

Gribniak, V. y col. Un enfoque eficiente para describir el efecto de la fibra sobre el rendimiento mecánico de perfiles de GFRP pultruidos. Frente. Madre. 8, 746376. https://doi.org/10.3389/fmats.2021.746376 (2021).

Artículo de Google Scholar

Dang, HV & Phan, DN Investigación experimental y análisis de la zona de articulación plástica de flexión pura en vigas híbridas reforzadas con una alta relación de refuerzo bajo cargas estáticas. EUR. J. Medio Ambiente. Civilización. Ing. https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1934553 (2022).

Artículo de Google Scholar

Obaidat, AT Comportamiento a flexión de vigas de hormigón armado mediante sistema híbrido CFRP. EUR. J. Medio Ambiente. Civilización. Ing. https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1934552 (2022).

Artículo de Google Scholar

Mosallam, AS Guía de diseño para conexiones compuestas de FRP. En Manuales de ASCE e Informe sobre prácticas de ingeniería 102 (ASCE, VA, EE. UU., 2011).

Google Académico

Malakhov, AV, Polilov, AN, Li, D. & Tian, ​​X. Aumento de la capacidad de carga de placas compuestas en la zona de uniones atornilladas mediante el uso de trayectorias curvilíneas y una fracción de volumen de fibra variable. Mec. Compos. Madre. 57, 287–300. https://doi.org/10.1007/s11029-021-09954-1 (2021).

ADS del artículo Google Scholar

Zhu, Y., Zhu, H. & Gribniak, V. Análisis del efecto de la geometría de la muestra sobre el rendimiento mecánico de conexiones GFRP perforadas. Materiales 15, 2901. https://doi.org/10.3390/ma15082901 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, YJ Estado de la práctica de compuestos de FRP en puentes de carreteras. Ing. Estructura. 179, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.10.067 (2019).

Artículo de Google Scholar

Ali, HT y cols. Compuestos poliméricos reforzados con fibra en la industria de puentes. Estructuras 30, 774–785. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.092 (2021).

Artículo de Google Scholar

Juozapaitis, A., Sandovič, G., Jakubovskis, R. y Gribniak, V. Efectos de la rigidez a la flexión sobre el comportamiento de deformación de puentes de cintas tensoras de acero y FRP. Aplica. Ciencia. 11(6), 2585. https://doi.org/10.3390/app11062585 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Mendes, PJD, Barros, JAO, Sena-Cruz, JM & Taheri, M. Desarrollo de un puente peatonal con perfiles de PRFV y tablero de hormigón autocompactante reforzado con fibra. Compos. Estructura. 93(11), 2969–2982. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.05.005 (2011).

Artículo de Google Scholar

Zhang, P. y col. Nuevas vigas híbridas de polímeros reforzados con fibra (FRP) y hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) con rendimiento de corte mejorado. Construcción Construir. Madre. 286, 122720. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122720 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zou, X., Feng, P., Bao, Y., Wang, J. y Xin, H. Estudios experimentales y analíticos sobre el comportamiento de corte de secciones compuestas de hormigón FRP. Ing. Estructura. 215, 110649. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110649 (2020).

Artículo de Google Scholar

Zou, X., Lin, H., Feng, P., Bao, Y. y Wang, J. Una revisión de secciones híbridas de hormigón y FRP para aplicaciones de puentes. Compos. Estructura. 262, 113336. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113336 (2021).

Artículo de Google Scholar

He, J., Liu, Y., Chen, A. y Dai, L. Investigación experimental de GFRP híbrido móvil y plataforma de puente de hormigón. Construcción Construir. Madre. 26, 49–64. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.05.002 (2012).

Artículo de Google Scholar

Papapetrou, VS, Tamijani, AY, Brown, J. & Kim, D. Optimización del diseño de un puente híbrido FRP/RC. Aplica. Compos. Madre. 26, 249–270. https://doi.org/10.1007/s10443-018-9691-3 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Siwowski, T., Kulpa, M., Rajchel, M. & Poneta, P. Diseño, fabricación y pruebas estructurales de una viga de puente FRP totalmente compuesta. Compos. Estructura. 206, 814–827. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.08.048 (2018).

Artículo de Google Scholar

Siwowski, T., Rajchel, M. & Kulpa, M. Diseño y evaluación de campo de un compuesto híbrido de FRP: puente de carretera de hormigón ligero. Compos. Estructura. 230, 111504. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111504 (2019).

Artículo de Google Scholar

Robinson, MJ y Melby, IH Efectos de la unión en tubos de GFRP rectangulares de tramo corto rellenos de hormigón. Compos. Estructura. 133, 131-139. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.07.105 (2015).

Artículo de Google Scholar

Cai, J., Pan, J. & Zhou, X. Comportamiento a la flexión de vigas de hormigón y ECC reforzadas con FRP de basalto. Construcción Construir. Madre. 142, 423–430. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.087 (2017).

Artículo de Google Scholar

Chen, D., Sun, G., Meng, M., Jin, X. & Li, Q. Rendimiento a la flexión y rentabilidad de los laminados compuestos híbridos de FRP de carbono, basalto y vidrio. Estructura de paredes delgadas. 142, 516–531. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.03.056 (2019).

Artículo de Google Scholar

Muc, A., Stawiarski, A. & Chwal, M. Diseño de estructuras híbridas de FRP/hormigón para construcciones de puentes. Compos. Estructura. 247, 112490. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112490 (2020).

Artículo de Google Scholar

Zhang, P. y col. Estudios experimentales y teóricos sobre el comportamiento al corte de innovadoras vigas híbridas de hormigón y perfil de FRP en forma de caja. Estructuras 28, 2772–2784. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.10.064 (2020).

Artículo de Google Scholar

Jaruševičiūtė, A. Investigación de la deformación del segmento de losa de perfiles compuestos de hormigón y polímeros. Tesis de maestría, VILNIUS TECH, Vilnius, Lituania (en lituano) (2021).

Gribniak, V., Arnautov, AK y Rimkus, A. El desarrollo de un sistema de agarre inspirado en la naturaleza de una tira plana de CFRP para el diseño estructural de cintas de tensión. J. Computación. Des. Ing. 8(2), 788–798. https://doi.org/10.1093/jcde/qwab014 (2021).

Artículo de Google Scholar

Garnevičius, M., Plioplys, L., Ng, P.-L., Chu, S. & Gribniak, V. Investigación y mejora del rendimiento de la adherencia de macrofibras sintéticas en hormigón. Materiales 13(24), 5688. https://doi.org/10.3390/ma13245688 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Cervenka, V. Simulación por computadora de fallas de estructuras de concreto para la práctica. En Actas del Primer Congreso de Fib Estructuras de Hormigón en el Siglo XXI. 289–304 (Conferencia principal en la sesión 13, Osaka, Japón, 2002).

Gribniak, V. Influencia de la contracción en el endurecimiento por tensión de estructuras de hormigón. Tesis doctoral, Universidad Técnica Vilnius Gediminas, Vilnius, Lituania, 2009. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.4869.5122 (2009).

Li, X. y col. Evaluación de criterios de falla y métodos de evolución de daños para laminados compuestos bajo impacto de baja velocidad. Compos. Estructura. 207, 727–739. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.09.093 (2019).

Artículo de Google Scholar

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Los autores agradecen sinceramente la financiación recibida del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Proyecto No. 01.2.2-LMT-K-718-03-0010) en virtud de un acuerdo de subvención con el Consejo de Investigación de Lituania (LMTLT).

Departamento de Estructuras de Acero y Compuestas, Universidad Técnica de Vilnius Gediminas (VILNIUS TECH), Sauletiekio av. 11, 10223, Vilna, Lituania

Mantas Garnevičius y Viktor Gribniak

Laboratorio de Estructuras de Edificación Innovadoras, VILNIUS TECH, Sauletiekio av. 11, 10223, Vilna, Lituania

Mantas Garnevičius y Viktor Gribniak

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Conceptualización y metodología, VG; software y validación, MG; análisis formal, VG; investigación, MG; recursos, VG; curación y redacción de datos: preparación del borrador original, MG; redacción: revisión y edición, VG; visualización, MG y VG; supervisión, administración de proyectos y adquisición de fondos, VG

Correspondencia a Viktor Gribniak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Garnevičius, M., Gribniak, V. Desarrollo de una viga compuesta híbrida de hormigón y FRP. Informe científico 12, 16237 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20666-x

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Recibido: 17 de julio de 2022

Aceptado: 16 de septiembre de 2022

Publicado: 28 de septiembre de 2022

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

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