Développer un FRP hybride

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16237 (2022) Citer cet article

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Les tendances actuelles en ingénierie des matériaux mettent en avant le développement de solutions structurelles efficaces. Le remplacement de l'acier par des polymères renforcés de fibres (FRP) illustre la clé du problème de la corrosion. Cependant, le module de déformation relativement faible des matériaux FRP typiques augmente les déformations des composants structurels. Conjugué à la réduction du poids propre augmentant les déplacements cinématiques, ce dernier problème rend important le développement de structures hybrides comprenant du béton résistant à la compression et des profilés FRP hautes performances en traction. Bien que de tels systèmes hybrides soient applicables à l'ingénierie des ponts, l'incertitude des propriétés de liaison entre les composants complique le développement de ces structures innovantes, y compris les modèles de conception. La solution typique se concentre sur l'amélioration de l'adhérence locale, par exemple en utilisant des systèmes de perforation de profil FRP et d'ancrage mécanique. Cependant, cette étude introduit une solution alternative, utilisant le système structurel de pont à ruban de contrainte pour créer le prototype de poutre hybride, qui combine la dalle en béton renforcé de fibres synthétiques et le profil FRP pultrudé fixé sur les supports. Ce travail illustre le concept de développement structurel lorsque le résultat de la modélisation par éléments finis (EF) définit la référence cible de la procédure de conception. Ainsi, d’une part, cette structure innovante simplifie le modèle numérique (FE) correspondant, qui suppose la liaison parfaite entre les composants du système de poutres hybrides. D'autre part, la solution au problème de support (résultant d'une faible résistance des profilés FRP pultrudés aux charges transversales) améliore les performances structurelles du prototype de pont, doublant la rigidité à la flexion et la capacité portante de la structure par rapport aux supports en béton faibles. système. Les essais de flexion ont prouvé l'adéquation de cette solution pour décrire la référence de conception pour le développement ultérieur du concept structurel proposé.

Les tendances de l'ingénierie des matériaux mettent en avant le développement de solutions structurelles efficaces1,2. En conséquence, il existe une tendance à développer de nouveaux matériaux de structure pour remplacer le béton et l’acier traditionnellement utilisés3. Les polymères renforcés de fibres (PRF) constituent une alternative prometteuse à l'acier, et les composites à base de fibres de carbone, de verre et d'aramide sont les PRF les plus courants sur le marché4,5. On sait que la technologie de fabrication affecte les performances mécaniques des composites FRP. Ainsi, cette étude se concentre sur les objets pultrudés en raison de la capacité des technologies de pultrusion à produire un grand volume à de faibles coûts d’exploitation et à un taux de fabrication, une teneur en fibres et des tolérances géométriques élevés6,7.

La direction de pultrusion et la distribution des filaments de renfort coïncident, garantissant les performances mécaniques des pièces structurelles en FRP6,7,8,9. Cependant, ces composants sont souvent confrontés à des charges transversales concernant le trajet de pultrusion ; de plus, les détails pultrudés doivent résister aux contraintes locales induites par le retrait des boulons4,5. Par conséquent, les mèches et les tapis unidirectionnels lisses protègent les filaments longitudinaux, compliquant ainsi la structure de renforcement interne du matériau FRP6. Dans le même temps, ces moyens de protection supplémentaires peuvent s’avérer insuffisants pour développer des structures FRP10,11,12. De plus, le module de déformation relativement faible des matériaux FRP typiques augmente les déformations des composants structurels. Conjugué à la réduction du poids propre augmentant les déplacements cinématiques13, ce dernier problème rend important le développement de structures hybrides comprenant du béton résistant à la compression et des profilés FRP hautes performances en traction.

Bien que les systèmes composites hybrides soient applicables à l'ingénierie des ponts13,14,15, l'incertitude des propriétés de liaison entre les composants complique le développement de ces structures innovantes. La solution typique se concentre sur l'amélioration de l'adhérence locale, en utilisant des systèmes de perforation de profil FRP et d'ancrage mécanique, par exemple Mendes et al.16 et Zhang et al.17. Cependant, la conception de telles structures dépasse le champ de la réglementation standard. Dans le même temps, le problème des liaisons complique l’analyse structurelle et la modélisation numérique18,19. Pourtant, les études9,20,21,22,23 décrivent des exemples d'analyse typiques, en négligeant le problème des obligations.