Intervalo de aplicação de Folha de fibra de carbono unidirecionalem reforço estrutural

1. Reparação de componentes de dobra

O reparo de barras de flexão de aço é geralmente colar folhas de fibra de carbono unidirecional diretamente na parte inferior da flange de tensão. Quando o membro flexural é estressado, a fibra de carbono e a flange de tensão suportam conjuntamente a força de tração para melhorar a capacidade de rolamento da viga. Fibra de carbono é adequado para várias formas de reforço de viga de aço, incluindo vigas de aço em forma de I, vigas de aço em seção retangular, vigas de chapa de aço e vigas de aço-concreto. Os testes mostraram que após o uso da armadura de fibra de carbono, a capacidade de rolamento flexural do feixe foi melhorada.O grau de melhora está relacionado a fatores como a quantidade de fibra acoplada, o módulo elástico da fibra, o módulo elástico do aço e a resistência ao rendimento do aço. Embora a resistência da fibra de carbono seja alta, o módulo elástico é semelhante ao aço. Quando a estrutura global atinge a carga de rendimento, a resistência do material de fibra de carbono é de apenas cerca de 200 MPa, que está longe da resistência disponível da fibra de carbono, e sua vantagem de alta resistência não consegue desempenhar plenamente o seu papel no fortalecimento da estrutura de aço.

Para vigas de aço danificadas, o reforço e reparo de fibra de carbono de ligação não só pode restaurar sua rigidez perdida, capacidade de rolamento e melhorar seu desempenho de fadiga, mas também proteger a estrutura de aço e desempenhar um efeito duplo de armadura e proteção contra corrosão. Ao colar fibra de carbono unidirecional, fure a fibra de carbono na superfície da parte danificada, de modo que uma parte da carga seja transferida para a fibra de carbono através da camada adesiva, o que pode reduzir o estresse nominal da parte danificada da estrutura de aço.Reduzir a taxa de crescimento da fissura ou parar o crescimento da fissura, prolongando assim a vida útil da estrutura. Estudos têm mostrado que, após vigas de aço com defeitos de dano serem reforçadas com placas de fibra de carbono com alto módulo elástico, a rigidez pode ser restabelecida basicamente para mais de 90% da rigidez das vigas de aço sem danos.O aumento da capacidade de rolamento final varia com a quantidade de armadura e danos.

2. Reparação de componentes de tensão (compressão)

A fixação de reforço de fibra de carbono tem um bom efeito na melhoria da capacidade de rolamento da estrutura de aço sob tensão (compressão).Pesquisa experimental em colunas de tubos ocos reforçados com fibra de carbono mostra que o efeito de reforço de colar tecido de fibra de carbono ao longo da direção circunferencial do tubo quadrado é muito melhor do que a direção longitudinal, e a capacidade de rolamento final é aumentada em 18%. Quando reforçada com fibra de carbono na direção longitudinal, a forma de falha é a falha de descamação do tecido de fibra de carbono unidirecional e da estrutura de aço. Quando a fibra de carbono do anel é usada para reforço, o descascamento entre o pano de fibra de carbono unidirecional e a estrutura de aço e a fratura do tecido de fibra de carbono não ocorrerá, e a coluna de aço acabará por sofrer falha de flambagem local.O teste de tração uniaxial da placa de aço reforçada com pano de fibra de carbono mostra que a resistência ao rendimento e a carga final dos corpos de prova com tecido de fibra de carbono unidirecional foram muito melhoradas, e o aumento da carga de rendimento aumenta com o aumento da área de aderência. Além disso, um estado limite de fratura de tecido de fibra de carbono é adicionado para caracterizar a falha do espécime.

3. Reparação de tubos de aço sob pressão interna

Porque a linha de tubulação de aço é frequentemente exposta a alta temperatura, alta pressão e condições de trabalho duras e preenchido com inflamável, explosivo, tóxico, corrosivo e outros meios, uma vez que os vazamentos de tubulação e explosões irá trazer terríveis consequências, de modo a garantir a segurança do oleoduto tem importante significado prático.O fio de tubo de aço é ferido e reforçado com fibra de carbono. Sob a ação da pressão interna, a parede do tubo suporta principalmente a tensão do aro e o fio do tubo de aço se expande.A deformação radial é restringida pela fibra de carbono externa da ferida, de modo que a fibra de carbono e a linha de tubos de aço são enfatizados em conjunto, o que reduz o estresse circunferencial da parede do tubo e melhora a capacidade do oleoduto de suportar a pressão interna.No entanto, se uma certa protensão for aplicada à fibra de carbono unidirecional para que a linha de tubulação de aço já tenha formado uma tensão de compressão na direção circunferencial antes de suportar a pressão interna, e ela estiver sobreposta à tensão de tração circunferencial gerada pela pressão interna, o efeito de armadura será melhor.

4. Reparação da fadiga da estrutura de aço

A principal característica da falha de fadiga é que o estresse de falha é menor do que a intensidade de estresse estático.É um dos principais modos de falha de estruturas de engenharia, tais como vigas de guindaste e pontes sob cargas repetidas. Os resultados das estatísticas de inquéritos mostram que os componentes siderúrgicos em projetos reais geralmente exigem um elevado número de ciclos, e o número de ciclos de tensão em 50 anos está próximo de 10 milhões. Após o componente ser reforçado com fibra de carbono, sob a ação da carga alternada, a capacidade de rolamento é melhorada e a amplitude de tensão é reduzida, o que indiretamente melhora a resistência à fadiga e a vida útil da fadiga do componente. Estudos têm mostrado que, após a armadura da PRF, a vida de fadiga remanescente das estruturas de aço danificadas pela fadiga é duplicada, e o efeito da armadura é muito óbvio.Para os componentes soldados, a fibra de carbono suporta parte da tensão no dedo do pé de solda, e a tensão do aço no dedo do pé de solda é significativamente reduzida, o que leva a uma redução no fator de concentração de tensão no dedo do aço e melhora o desempenho da fadiga perto do dedo do dedo do aço. Após a armadura de fibra de carbono, a resistência à fadiga do corpo de prova da estrutura de aço com ciclos de tensão superiores a 500.000 ciclos é muito maior do que a da solda original, e a resistência à fadiga de 2 milhões de ciclos com uma taxa de garantia de 97% pode chegar a 100.BMPa. Portanto, o uso da tecnologia de pasta de fibra de carbono para melhorar o desempenho de fadiga de componentes de aço tem forte significado de aplicação de engenharia.

5.Reforço de fibra de carbono pré-stressado

O método de colagem de superfície comum é utilizado para reforçar a estrutura de aço. Como o módulo de elasticidade está próximo ao do aço, sob uso normal, a resistência da fibra de carbono não é totalmente utilizada, e a armadura não tem efeito significativo na melhoria do desempenho durante o uso normal. Depois de prostressar a folha de fibra de carbono, e depois colá-la na superfície de tensão da viga para reforço, os problemas acima podem ser efetivamente resolvidos. Além disso, o uso de ferramentas de desenho pré-estresse para ancoragem confiável em ambas as extremidades também pode impedir que a chapa de fibra de carbono e o feixe de aço indiquem uma falha prematura de descamação. Portanto, o reforço de fibra de carbono protendido tem uma boa perspectiva de aplicação em armadura de estrutura de aço.No entanto, são poucas as pesquisas e aplicações do uso de chapas de fibra de carbono protendidas para reforçar as estruturas de aço em casa e no exterior.

Fatores influenciadores do fortalecimento da estrutura de aço com chapa de fibra de carbono unidirecional

Quando a estrutura global atinge a carga de rendimento, se o módulo elástico de fibra de carbono não é alto, o estresse está longe da resistência disponível da fibra de carbono. Somente quando o aço produz, a fibra de carbono unidirecional pode transmitir uma carga maior, e suas características de alta resistência não podem ser exercidas.Para alcançar o efeito de reforço, é necessária uma grande quantidade de fibra de carbono. Portanto, para aumentar a rigidez estrutural e melhorar o desempenho da fadiga estrutural, materiais com alto módulo elástico devem ser selecionados. Além disso, quanto maior a espessura da folha de fibra de carbono unidirecional, melhor o efeito da armadura, mas quanto maior a tensão de cisalhamento interfacial, mais grave a concentração de tensão.

A camada de cola serve como meio de transferência de carga entre a estrutura de aço e a fibra de carbono unidirecional.O desempenho e a espessura da camada de cola têm grande influência no efeito de reforço e na taxa de utilização da fibra de carbono.Para o efeito de reforço, quanto maior o módulo de cisalhamento da camada adesiva, menor a espessura da camada adesiva e melhor o efeito de reforço.Para o grau de concentração de estresse, quanto maior a espessura da camada adesiva, mais grave a concentração de estresse do componente reforçado. Quanto maior o módulo de cisalhamento da camada adesiva, menor a espessura da camada adesiva, o que aumentará a faixa de desgumming da camada adesiva e afetará o efeito de reforço. Estudos têm mostrado que a espessura da camada adesiva está preferencialmente entre 0.05 e 0.3 mm.

A fim de reduzir a tensão de cisalhamento e a tensão de descamação da interface no final da folha de fibra de carbono,

Para evitar danos prematuros na camada de cola e interface nesta área, podem ser tomadas as seguintes medidas:

1. Uma certa quantidade de transbordamento de cola é formada no final da folha de fibra de carbono para reduzir a tensão de descamação no final;

2. Ao usar a placa de fibra de carbono, corte a extremidade da placa em um bisel de 45°;

3.Enrole tiras de tecido de fibra de carbono para urânio ou ancorar mecanicamente a área final da folha de fibra de carbono unidirecional

Prospecto da tecnologia de reforço da estrutura de aço com chapa de fibra de carbono unidirecional

A estrutura de aço reforçado com fibra de carbono unidirecional pode melhorar a rigidez e a capacidade de rolamento da estrutura original com base em evitar os defeitos dos métodos tradicionais de armadura.Em particular, pode aumentar significativamente a vida de fadiga de estruturas de aço danificadas pela fadiga e retardar o crescimento de rachaduras de fadiga. Portanto, a estrutura de aço reforçado com fibra de carbono unidirecional é um método promissor de reforço e será amplamente utilizada na engenharia prática.