하이브리드 FRP 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16237(2022) 이 기사 인용

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현재의 재료 공학 동향은 효율적인 구조 솔루션의 개발을 추진하고 있습니다. 섬유 강화 폴리머(FRP)로 강철을 대체하는 것은 부식 문제의 핵심을 보여줍니다. 그러나 일반적인 FRP 재료의 상대적으로 낮은 변형 계수는 구조 구성 요소의 변형을 증가시킵니다. 운동학적 변위를 증가시키는 자중 감소와 함께 후자의 문제는 내압축성 콘크리트와 인장 FRP 프로파일의 고성능으로 구성된 하이브리드 구조물의 개발을 중요하게 만듭니다. 이러한 하이브리드 시스템은 교량 엔지니어링에 적용 가능하지만 구성 요소 간 결합 특성의 불확실성으로 인해 설계 모델을 포함한 이러한 혁신적인 구조 개발이 복잡해집니다. 일반적인 솔루션은 FRP 프로파일 천공 및 기계적 고정 시스템을 사용하는 등 국부적 접착 개선에 중점을 둡니다. 그러나 본 연구에서는 합성섬유 강화 콘크리트 슬래브와 지지대에 고정된 인발성형 FRP 프로파일을 결합한 하이브리드 빔 프로토타입을 만들기 위해 응력 리본 교량 구조 시스템을 사용하는 대체 솔루션을 소개합니다. 이 작업은 유한 요소(FE) 모델링 결과가 설계 절차의 대상 참조를 정의할 때 구조 개발 개념을 예시합니다. 따라서 한편으로 이 혁신적인 구조는 하이브리드 빔 시스템의 구성 요소 간의 완벽한 결합을 가정하는 해당 수치(FE) 모델을 단순화합니다. 반면, 지지 문제(횡방향 하중에 대한 인발성형 FRP 프로파일의 낮은 저항으로 인해 발생)에 대한 솔루션은 교량 프로토타입의 구조적 성능을 향상시켜 구조의 굴곡 강성과 약한 콘크리트 지지대에 대한 하중 지지 능력을 두 배로 늘립니다. 체계. 굽힘 테스트는 제안된 구조 개념의 추가 개발을 위한 설계 참조를 설명하는 데 있어 이 솔루션의 적합성을 입증했습니다.

재료 공학 동향은 효율적인 구조 솔루션의 개발을 제시합니다1,2. 이에 따라 전통적으로 사용되던 콘크리트와 철골을 변화시키기 위해 새로운 구조재료를 개발하려는 경향이 있다3. 섬유 강화 폴리머(FRP)는 강철에 대한 유망한 대안을 정의하며, 탄소, 유리 및 아라미드 섬유 기반 복합재는 시장에서 가장 일반적인 FRP입니다4,5. 제조 기술이 FRP 복합재의 기계적 성능에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 이 연구는 낮은 운영 비용과 높은 제조 속도, 섬유 함량 및 형상 공차6,7로 대량을 생산할 수 있는 인발 성형 기술의 능력으로 인해 인발 성형된 물체에 중점을 둡니다.

인발 방향과 강화 필라멘트 분포가 일치하여 구조용 FRP 부품6,7,8,9의 기계적 성능을 보장합니다. 그러나 이러한 구성요소는 인발 경로와 관련하여 횡방향 하중에 직면하는 경우가 많습니다. 또한, 인발성형된 디테일은 볼트 제거로 인한 국부 응력을 견뎌야 합니다4,5. 따라서 매끄러운 단방향 로빙과 매트는 세로 필라멘트를 보호하여 FRP 재료의 내부 보강 구조를 복잡하게 만듭니다. 동시에 이러한 추가적인 보호 수단은 FRP 구조 개발에 충분하지 않을 수 있습니다. 또한 일반적인 FRP 재료의 상대적으로 낮은 변형 계수는 구조 구성 요소의 변형을 증가시킵니다. 운동학적 변위를 증가시키는 자중 감소와 함께 후자의 문제는 내압축성 콘크리트와 인장 FRP 프로파일의 고성능으로 구성된 하이브리드 구조물의 개발을 중요하게 만듭니다.

하이브리드 복합 시스템은 교량 엔지니어링에 적용 가능하지만 구성 요소 간 결합 특성의 불확실성으로 인해 이러한 혁신적인 구조 개발이 복잡해집니다. 일반적인 솔루션은 FRP 프로파일 천공 및 기계적 고정 시스템(예: Mendes et al.16 및 Zhang et al.17)을 사용하여 국부적 결합 개선에 중점을 둡니다. 그러나 이러한 구조의 설계는 표준 규제 분야를 넘어서는 것입니다. 동시에 결합 문제는 구조 분석 및 수치 모델링을 복잡하게 만듭니다. 그럼에도 불구하고 연구9,20,21,22,23에서는 결합 문제를 무시하고 전형적인 분석 사례를 설명합니다.