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。典型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。

参考文献 8、24、25、26、27 では、結合パラメータが研究対象となるケースを定義しています。例えば、Chen et al.26 は、FRP ラミネートの接着特性に研究を集中させました。残りの 4 つの研究では、ハイブリッド構造システムの FRP とコンクリートの接着性能を考慮しており、この研究の研究対象を説明しています。 Dang と Phan8、Cai ら 25 は、コンクリートにおける FRP バーの接着性能を調査しました。 Robinson と Melby24 はコンクリート充填 GFRP チューブの機械的抵抗を研究し、Muc et al.27 は複合床版のシミュレーションを行いました。しかし、まれな出版物では、FRP プロファイルの支持ジョイントの抵抗を考慮しています (例: Zhang et al.28)。

対照的に、この研究では応力リボン橋ソリューションを使用して、ポリマー繊維強化コンクリート (PFRC) スラブと引抜成形 FRP プロファイルを組み合わせたハイブリッド梁プロトタイプを作成しています。しかし、提案された構造システムは、曲げの引張ゾーンに分布するガラス繊維強化プロファイル（GFRP）によって引き起こされる圧縮荷重に耐えるコンクリートの組み合わせにより、ストレスリボンシステムに典型的な大規模なサポートを必要としません15。要素。さらに、サポートへのプロファイルの確実な固定により、ハイブリッドビームの複合動作が保証されます。さらに、対応する有限要素 (FE) モデルが簡素化され、複合部品間の完全な結合の仮定が可能になります。したがって、この FE モデルはハイブリッドビームシステムを開発するための参考となるものです。曲げテストは、解決策の適切性を実証し、数値的に予測された結果がハイブリッドシステムの効率を決定し、設計者に構造上の基準を提供する状況を例示します。

設計された梁はポリマー繊維強化コンクリート (PFRC) スラブで構成され、支持ジョイントからの圧縮力に抵抗し、ガラス繊維強化プロファイル (GFRP、デンマークの Fiberline 製 120×60/6/6 mm I プロファイル) を固定します。）。予備シミュレーション 29 により、サポートブロックの形状が決定されました。さらに、炭素繊維強化ポリマー (CFRP、英国 S&P C-Laminate 製 10 × 1.4 mm) ストリップが、GFRP プロファイルの最も張力の高い面を強化します。図 1 は、複合ビームの概略図と予想される断面を示しています。

ハイブリッドビームの概略図と予想される断面図。

構造スキーム (図 1) では、ストレスリボンブリッジの概念 15,30 を採用してハイブリッドビームを開発しています。このようにして、コンクリートはサポート上の GFRP プロファイルとの信頼性の高い接続を提供します。さらに、FE モデリングは、スミア補強アプローチ 7 が FRP コンポーネントの機械的性能を記述し、物理的非線形材料モデル 31 が PFRC の挙動を定義し、完全結合モデルが接触問題を表す場合に、提案されたコンセプトの実現可能性をチェックします。

商用ソフトウェア Atena は、変形応答を分析し、ハイブリッドビームの耐荷重能力を予測するのに役立ちます。以前の研究 1、7、31 で検証された材料モデルは、PFRC および FRP コンポーネントの機械的挙動を記述します。四面体メッシュは、図 2 に示す有限要素 (FE) モデルを生成します。荷重適用点上の保護弾性プレート (図 2a) には、15 mm FE メッシュがあります。梁のモノリシックコンクリート部分（図 2b）のメッシュサイズは 30 mm です。 CFRP ストリップと GFRP プロファイルの有限要素サイズは 7.5 mm です。モデルのモニタリング結果は、スパン中央および荷重適用点での垂直変位です。

ハイブリッドビームの有限要素モデル: (a) FE 離散化。 (b) サポートビュー。

圧縮強度 55 MPa の非線形セメント質材料モデル 31 は、PFRC の変形挙動と破壊メカニズムを決定します。弾塑性モデル (弾性係数 = 170 GPa および引張強度 = 2.8 GPa) により、10 × 1.4 mm CFRP ストリップ 1 の材料挙動が決定されます。 3D ソリッド有限要素は、引張破壊に対する破壊力学的原理と圧縮破壊に対する塑性アプローチを想定して、GFRP プロファイルのポリマーマトリックスを記述します。

Gribniak ら 7 は、最初に構造メッシュ補強 32 を備えた鉄筋コンクリート要素用に開発されたスミア補強モデルをガラスフィラメントを表すために適用し、同じメーカーによって製造された FRP プロファイルの 3 点曲げ試験をシミュレートして、この数値的に効率的なソリューションを検証しました。この研究のように。この検証 7 では、FE モデルがプロファイルの耐荷重能力と変形応答を予測できることが実証されました。弾性-脆性の構成法則は、引抜成形方向に配向された繊維の引張破壊を定義します。この解析では、以前の研究 7 に対応する 63.4% のスミア補強率を仮定しました。ポリマーマトリックスの弾性率は 3.23 GPa、引張強度は 90 MPa です。 E ガラス繊維 (スミア強化材) の弾性率は 73 GPa、引張強度は 3445 MPa です。フィラメントは圧縮応力に抵抗しません。すべてのモデルコンポーネント間には完全な接続が想定されています。最初の荷重段階では、ビームの自重が考慮されます。 2 つの点荷重を連続して増分して適用すると、600 mm の純粋な曲げゾーンで連続する各荷重増分でモーメントが 0.125 kNm 増加しました (図 1)。物理テストによりモデルの適切性が検証されます。

物理的テストは 2 段階で実行され、各シリーズに対して 2 つの名目上同一のビームが生成されました。試験片は、以前の研究で考慮されたように、目標圧縮強度 55 MPa で同じ混合比率を使用して注入されました 1,31。 1 立方メートルに対して次の混合比率が使用されました。セメント CEM I 42.5 R 356 kg。水201リットル。石灰石粉末177kg。 0/4 mm の砂 890 kg。 4/16 mm の粉砕骨材 801 kg。コンクリートには、セメント重量の 2.61% の高性能減水剤 Mapei Dynamon XTend と 3.5 kg の混和剤 SCP 1000 Optimizer も含まれていました。さらに、混合物には、Adfil NV (ベルギー) のマクロファイバー Durus EasyFinish 4.2 kg とマイクロファイバー CrackStop M Ultra 0.6 kg が含まれていました。

支持ジョイントの構造が梁シリーズの違いを生み出しました。最初のシリーズでは、図 1 に示す公称形状のハイブリッドビームプロトタイプが作成されました。GFRP プロファイルを固定する際のサポートの抵抗が不十分だったため、2 番目のビームシリーズの開発が動機付けられました。 550 × 550 × 40 mm の長方形のスラブ 2 つと 100 mm の立方体 8 つが、各シリーズのハイブリッドビームとともに作成されました。振動台はコンクリート構造物の密度を高めました。最初のシリーズに属するビームの PFRC との接触性能を向上させるために、支持ゾーンのウェブと GFRP プロファイルの上部フランジに穿孔が配置されました。反対に、第 2 シリーズのプロファイルにはミシン目がありませんでした。

すべてのビームが逆さまの位置に注がれました。梁の製造には合板板を使用した鋼製型枠が使用されました。発泡ポリスチレンと木材のインサートを使用してサポートブロックを形成し、GFRP プロファイルを固定しました。コンクリートを２層に流し込みました。第 1 層では、厚さ 55 mm のコンクリート床版を形成し、振動テーブルを使用して緻密化しました。その後、発泡ポリスチレンプラグを用いてコンクリート支持体を形成した。最初のビームシリーズのサポートブロックは、ビームサポート上のプロファイルを 20 mm カバーすることを保証します。 95 mm のモノリシックコンクリート支持ブロック (図 1) は、金属棒で突くことによって緻密化されました。

2 番目のグループの梁試験片には改良された定着ブロックがあり、中空断面鋼製の 100 × 200 mm 長方形プロファイルが支持部の GFRP プロファイルを保護していました。この修正により、サポートブロックの長さは 95 mm から 250 mm に増加しましたが、サポート距離は同じままでした。さらに、梁の製造を簡素化するために圧縮コンクリートゾーンの幅を減らし、圧縮ゾーンの高さを高くすることで梁の曲げ剛性を維持しました。ハイブリッドシステムの残りのコンポーネント、つまり GFRP プロファイル、CFRP ストリップ、および接着剤は同じままでした。図 3 と図 4 は、梁の概略図と定着ブロックの図を示しています。

更新されたハイブリッドビームの概略図と変更された断面。

修正されたサポートブロックの準備: (a) ドリル穴のある長方形の鋼管。 (b) 6 mm および 8 mm のバーを挿入。 (c) 型枠内の鋼管。

縦6 mm、横8 mmの鋼棒により、鋼管内でのGFRPプロファイルの移動が防止されました（図4）。 8 mm のバーは GFRP プロファイルの中央を水平に通過しました (図 3)。最初のシリーズの梁と同じ方法で、同じコンクリート比率 (上記のこのセクションで説明) を使用して、2 つの梁プロトタイプ、2 つの 550 × 550 × 40 mm スラブ、および 8 つの 100 mm 立方体が製造されました。梁サンプルは 2 つの層に注入されました。コンクリートスラブを含む最初の層は振動テーブルを使用して緻密化され、2 番目の層は支持ブロックを形成しました。このコンクリートは、鋼棒を使用して保護鋼管内に慎重に分散され、緻密化されました。

両シリーズのビームは 2 日後に型から外され、試験前に実験室条件 (平均温度 20 °C、相対湿度 40%) で 30 日間保管されました。テストされたすべてのビームに対して、同じ荷重スキームと測定装置の配置が使用されました。図5に曲げ試験装置の特性図を示します。デジタル画像相関システム（図5a）を使用して、ハイブリッドビーム試験片の突然の破損を捕捉しました。ただし、ビームサンプルは徐々に崩壊するため、原稿にはこれらの結果は含まれていません。さらに、ビームの表面が不均一であるため、画像相関手順は変形応答を捕捉するのに非効率的でした。したがって、この研究では、線形可変変位トランスデューサ（LVDT）を使用して、梁の中間スパンおよび荷重適用点より下の垂直変位を捕捉します（図5b）。さらに、9 つの LVDT が純粋な曲げゾーンの表面変形を監視しました。次に、それらを適用して、曲げゾーン内の縦方向のひずみを監視しました。

ハイブリッドビームの曲げ試験セットアップの例: (a) デジタル画像相関のために露出された表面。 (b) 垂直および水平変位を監視する線形可変変位トランスデューサーの分布。

曲げ試験は、5 MN サーボ油圧機械を使用し、速度 0.4 mm/min の変位制御方式で荷重を加えて実施しました。ロードセルを使用して、加えられた荷重を測定しました。 ALMEMO 2890-9 データロガーは、すべての LVDT デバイスとロードセルの読み取り値を記録しました。出力は毎秒収集されました。

圧縮試験では、100 mm のコンクリート立方体の強度が 65.6 MPa および 70.3 MPa であることが確認され、これは標準的な ∅150 × 300 mm 円柱の強度 49.9 MPa および 53.4 MPa に相当します33。これらの結果は、PFRC の想定強度 55 MPa と合理的に一致しています。なお、550 × 550 × 40 mm スラブの打ち抜きせん断試験の試験結果は PFRC 材料モデルを検証しましたが、これらの結果はこの記事には含まれていません。

モーメント曲率応答は、複合ビームの全体的な変形挙動の適切な尺度を表します 1、7、33。解析には、純粋な曲げゾーンの垂直変位のモニタリング結果が使用されます (図 5b)。次の式は、ビーム中心線 1 の円形変形形状を仮定して、純粋な曲げゾーン上の曲率を定義します。

ここで、lb は純粋な曲げゾーンの長さ (= 600 mm) です。 L1、L2、および L3 は LVDT 測定値です (図 1 および 5b)。

図 6 は、物理試験結果と数値シミュレーションから得られた、対応するモーメントと曲率の図を示しています。この研究では、FE モデリングの結果が、効率的なハイブリッドビームシステムを開発するための基準を定義します。図 6a に示す最初の一連の結果を考えてみましょう。ハイブリッドビーム (図 1) の強度と剛性が不十分であることは明らかです。そこで、著者らは、FRP コンポーネント（GFRP プロファイルおよび CFRP ストリップ）とコンクリート支持体の間の接着強度（約 10 Pa）を下げることにしました（図 2b）。図 6b は、FE モデルの予測とテスト結果が完全に一致していることを示す、対応するシミュレーション結果を示しています。この事実は、サポートブロックの修正を刺激しました（図3）。図 6a の青い線は、2 番目の一連のビームの変形応答を示しています。テスト結果は、ハイブリッドビームのすべての複合部品間の完全な結合を仮定した、効率的な参照と考えられた FE モデルとの顕著な一致を明らかにしました。さらに、2 番目の一連のビームには GFRP プロファイルの穴がありませんでした。

数値予測と比較したハイブリッド梁の実験によるモーメントと曲率の関係: (a) 複合コンポーネント間の完全な結合を備えた参照モデル。 (b) モデルは、GFRP プロファイルとコンクリート支持ブロックの間の弱い接触を仮定しました。

注目すべきことに、図 6 は、実験的に検証された数値モデルがターゲット基準を記述する場合に提案される設計哲学の概念的な例を示しています。詳細な分析には追加のテストが必要です (数値推定の信頼性を確保するため)。ただし、図 6a と図 6b に示す代替ソリューションの違いは明らかであり、この概念の効率性が示されています。したがって、2 番目の梁シリーズの結果 (図 6a) により、構造性能の改善と支持ジョイントの提案された修正を関連付けることができ、GFRP プロファイルを固定することができます。さらに、このソリューションは数値モデルを簡素化します。完全結合の仮定により、文献 27 で報告されているモデリングの問題が解決され、この研究で検討したハイブリッドシステムの設計に FE アプローチが受け入れられるようになります。

図 5b は縦ひずみゲージの配置を示しています。 LVDT デバイスが、GFRP プロファイルの底面に関して底部のラインから 50 mm オフセットして 3 つのラインに配置されていることが観察できます。図 7 は、ロードセルで監視されたビーム反応に対応する変形プロファイルを示しています。ひずみは、列に分散された 3 つの LVDT デバイス (図 5b) を平均した結果です。 58 kN の荷重は、最初のシリーズに属するビームの破損を定義します。

ハイブリッドビームの長手方向のひずみ分布。

図 7 のひずみ分布は線形に近く、すべての荷重ステージと両方の一連のビームの特徴です。この結果は、ハイブリッド梁コンポーネント間に滑りが存在しないことを実証し、数値モデルにおける完全な結合の仮定が適切であることを証明します。同時に、最初の一連のビームの非効率な動作（図6b）は、ビームの破損メカニズムを考慮して明確にする必要があります。

GFRP プロファイルの固定ブロックの破砕は、最初の一連のテストの結果です。図 8 は、崩壊後の梁サポートの典型的な図を示しています。この結果は、引抜成形方向の横荷重に対する FRP 材料の耐性が不十分な結果であり、文献の結果 6、28、30 と一致します。しかし、材料構造の不均一性に起因する FRP 材料の横方向の破砕をシミュレートする能力が限られているため (図 6a)、FE モデルはこの破壊メカニズムを表現できませんでした 7。

最初のシリーズの梁の支持ブロックの典型的な故障です。

Atena7,29 を使用した FRP 破損シミュレーションでも同様の結果が得られました。 Li ら 34 および Zhu ら 12 は、積層複合材料の進行性損傷モデルを提示して、考えられる解決策を説明しています。ただし、引抜成形材料の分析への応用はまだ限定されています。逆に、サポートジョイントを変更すると、故障予測の問題が単純化されました。たとえば、図 9 は、図 6a に示した変形結果に対応する Atena によって予測された故障箇所特定プロセスを示しています。この例は、高度な複合材料を効率的に利用するために応力リボンの概念を修正するハイブリッドビームシステムのさらなる開発に関する洞察を提供します。

ハイブリッド梁の破損メカニズム: (a) 完全な結合を備えた FE モデルの予測されたひずみ分布 (図 6a)。 (b) 第 2 系列梁におけるコンクリートのせん断破壊。

この研究は、合成繊維強化コンクリートスラブと支持体に固定された引抜成形 FRP プロファイルで構成されるハイブリッド梁システムの新しい設計概念を示します。応力リボン構造アプローチ 15,30 を適用すると、複合コンポーネント間の完全な結合を仮定して、結合の問題を解決し、単純化された数値モデルを適用することができます。考慮されたケースは、FEモデリングの結果（図6a）がハイブリッドシステムの効率を記述する設計手順の客観的な基準を定義し、構造ターゲット（図3）を変更する場合のハイブリッドシステムの設計（図1）を例示しています。図 10 は、提案された概念を図式化したものです。

アダプティブデザインコンセプト。

一方では、提案された構造的解決策は、例えば FRP プロファイル穿孔や機械的固定システムの採用など、局所的な接着改善の伝統的な考え方に矛盾します (例えば、参考文献 16、17)。それどころか、この研究は、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部分に対する耐荷重能力が 2 倍になることを実証しています。コンクリートサポートシステム。

一方、本研究では、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実証します。図 10 に示すように、予備設計コンセプト (「1」) により、効率的な構造ターゲットを決定する予測パラメーターを使用して数値モデル (「2」) が生成されます。さらに物理的なテスト (「3」) により、コンセプト「1」の実行可能性 (つまり、「検証 1」) がチェックされます。必要に応じて、エンジニアは設計ソリューションを変更します (「4」)。反復適応は、物理的結果と数値的結果の間で許容可能な一致が達成されるまで継続されます (たとえば、「検証 2」)。

この研究では、数値的に予測された結果が設計目標を変更する場合の、新しいハイブリッドビームシステムの設計概念を紹介します。数値シミュレーションと物理実験により、提案されたアイデアの実現可能性が証明されています。この研究から次の重要な結論が得られます。

応力リボン構造アプローチを適用することで、複合コンポーネント間の結合滑りの問題を解決でき、ハイブリッドシステムの数値モデルが簡素化されます。

アンカーブロックの提案された変更により、GFRP プロファイルの信頼性の高い固定が保証されます。さらに、引抜成形経路の横方向に作用する荷重に対する FRP の脆弱性の問題も解決します。

検討された適応設計コンセプトは、実験的に検証された数値モデルが構造設計目標を記述する場合、実用化の余地を示し、弱いコンクリート支持システムに関する構造の曲げ剛性と耐荷重能力を 2 倍にします。ただし、結果の信頼性を確保し、サポートブロックの形状を最適化するには、追加のテストが必要です。

開発された数値 (有限要素) モデルは、ハイブリッド構造システムを設計し、高度な複合材料を効率的に利用するための適切な基準を決定します。

この研究で分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、リトアニア研究評議会 (LMTLT) との助成契約に基づいて欧州地域開発基金 (プロジェクト番号 01.2.2-LMT-K-718-03-0010) から受け取った資金に心から感謝します。

ビリニュスゲディミナス工科大学 (VILNIUS TECH)、サウレティエキオ市、鉄鋼および複合構造学科 11、10223、ビリニュス、リトアニア

マンタス・ガルネヴィチウス & ヴィクトル・グリブニアク

革新的な建築構造研究所、ビリニュス工科大学、サウレティエキオ市 11、10223、ビリニュス、リトアニア

マンタス・ガルネヴィチウス & ヴィクトル・グリブニアク

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著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Garnevičius、M.、Gribniak、V. ハイブリッド FRP コンクリート複合梁の開発。 Sci Rep 12、16237 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-20666-x

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受信日: 2022 年 7 月 17 日

受理日: 2022 年 9 月 16 日

公開日: 2022 年 9 月 28 日

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

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