ハイブリッドFRPの開発

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16237 (2022) この記事を引用

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現在の材料工学のトレンドでは、効率的な構造ソリューションの開発が推進されています。 鋼を繊維強化ポリマー (FRP) に置き換えることは、腐食問題の鍵となる例です。 ただし、一般的な FRP 材料の変形係数は比較的低いため、構造コンポーネントの変形が大きくなります。 自重の軽減と運動変位の増加とともに、後者の課題により、耐圧縮コンクリートと引張性能の高い FRP プロファイルを含むハイブリッド構造の開発が重要になります。 このようなハイブリッド システムは橋梁工学に適用できますが、コンポーネント間の結合特性が不確実であるため、設計モデルを含むこれらの革新的な構造の開発が困難になります。 一般的なソリューションは、FRP プロファイル穿孔や機械的固定システムの採用など、局所的な接着の改善に重点を置いています。 しかし、この研究では、ハイブリッド梁プロトタイプを作成するために応力リボン橋構造システムを使用する代替ソリューションを導入しています。これは、合成繊維強化コンクリートスラブと支柱に固定された引抜成形された FRP プロファイルを組み合わせたものです。 この作業は、有限要素 (FE) モデリングの結果が設計手順のターゲット参照を定義する場合の構造開発コンセプトを例示します。 したがって、一方では、この革新的な構造は、ハイブリッド ビーム システムのコンポーネント間の完全な結合を想定する、対応する数値 (FE) モデルを簡素化します。 一方、支持問題（横荷重に対する引き抜き成形された FRP プロファイルの低い抵抗に起因する）の解決策により、橋のプロトタイプの構造性能が向上し、構造の曲げ剛性と弱いコンクリート支持体に対する耐荷重能力が 2 倍になりました。システム。 曲げ試験により、提案された構造コンセプトをさらに発展させるための設計基準を説明する上で、このソリューションが適切であることが証明されました。

材料工学のトレンドにより、効率的な構造ソリューションの開発が推進されています1、2。 その結果、従来使用されていたコンクリートや鉄骨に代わる新たな構造材料が開発される傾向にあります3。 繊維強化ポリマー (FRP) はスチールに代わる有望な代替品であり、カーボン、ガラス、アラミド繊維ベースの複合材料が市場で最も一般的な FRP です4,5。 製造技術が FRP 複合材料の機械的性能に影響を与えることは知られています。 したがって、引抜成形技術は低い運転コストと高い製造速度、繊維含有量、および幾何公差で大量に生産できるため、この研究では引抜成形品に焦点を当てています6,7。

引抜成形方向と強化フィラメントの分布が一致しているため、構造用 FRP 部品の機械的性能が確保されています6、7、8、9。 ただし、このようなコンポーネントは、引抜成形経路に関して横方向の荷重に直面することがよくあります。 さらに、引抜成形された細部は、ボルトの取り外しによって引き起こされる局所応力に耐える必要があります4、5。 したがって、滑らかな一方向のロービングとマットが縦方向のフィラメントを保護し、FRP 材料の内部補強構造が複雑になります6。 同時に、これらの追加の保護手段は FRP 構造の開発には不十分である可能性があります 10、11、12。 さらに、一般的な FRP 材料の変形係数は比較的低いため、構造コンポーネントの変形が大きくなります。 自重の減少により運動変位が増加する13とともに、後者の課題により、耐圧縮コンクリートと引張性能の高いFRPプロファイルを含むハイブリッド構造の開発が重要になります。

ハイブリッド複合システムは橋梁工学に適用できますが 13、14、15、コンポーネント間の結合特性が不確実であるため、これらの革新的な構造の開発は困難になります。 典型的な解決策は、例えば、Mendes et al.16 および Zhang et al.17 のように、FRP プロファイル穿孔および機械的固定システムを採用し、局所的な接着の改善に焦点を当てています。 ただし、そのような構造の設計は標準的な規制の範囲を超えています。 同時に、結合問題は構造解析と数値モデリングを複雑にします18,19。 それでも、研究 9、20、21、22、23 では典型的な解析例が説明されており、結合問題は無視されています。