CC BY
6
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СТАЛЬНОГО СТЕРЖНЯ, УСИЛЕННОГО ПРИ ПОМОЩИ УГЛЕПЛАСТИКА, ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
В.В. Михаськин, канд. техн. наук, доцент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2023-4-3-86-92
Аннотация. В статье рассматривается изменение механических свойств клеевого слоя и углепластиковой пластины при совместной работе с металлической балкой при изменении температур окружающей среды; влияние этих изменений на механизм разрушения, предельную нагрузку и распределение напряжений в стальной балке, усиленной углепластиковой пластиной. Достижение результатов осуществлялось при помощи конечно-элементной модели балки, которая учитывает температурную зависимость изменения адгезионных и прочностных свойств усиленного сечения. В результате моделирования определено, что деформации скольжения непосредственно наблюдались на клеевом шве, что дает представление об эффективности упрочнения при повышенных температурах. Необратимая деформация скольжения происходит по клеевому соединению до разрушения из-за стеклования клея. Значительные деформации наблюдались при температуре около 40°C, что существенно ниже температуры стеклования клея около 65°C.
Ключевые слова: сталь, упрочнение, высокие температуры, армированный волокнами полимер, клеевое соединение.
Углепластиковые пластины вполне возможно использовать для усиления изгибаемых стальных балок, однако, этот метод в значительной степени зависит от характеристик клеевого соединения, который является связующим между поверхностями углепластиковой пластины и существующего усиливаемого стального элемента.
В промышленном и гражданском строительстве при усилении стальных конструкций используются клеи на основе эпоксидных смол холодного отверждения. Значения температур стеклования находятся в диапазоне от 50 до 82°С [1]. Температура нагретой стальной балки может превышать эти значения в летний период, что, соответственно, приводит к преждевременному разрушению связующего слоя из углепластика. В клеевом слое между стальной балкой и фиброармированным полимером (ФАП) образуются высокие термические напряжения при суточных колебаниях температуры из-за значительной разницы в коэффициентах теплового расширения стали (10-12х10-6) и УФАП (1,7-1х 10-6) в продольном направлении композитов [7]. Такие термические напря-
жения могут превышать значения, возникающие при статическом нагружении [11]. Комбинированные эффекты термических напряжений и размягчения клея (стеклования) при повышенных температурах могут привести к преждевременному разрушению [4].
Основной целью данной работы является изучение изменения механических свойств адгезива вследствие изменения температуры и влияние этих изменений на механизм разрушения, предельную нагрузку и распределение напряжений в стальных балках, усиленных углепласти-ковыми пластинами.
Для достижения целей исследования были выполнены следующие задачи:
- изучены результаты статических испытаний на изгиб при температурах от 20 до 80°С на механизм разрушения и предельную нагрузку для анализа влияния температуры;
- проведен конечно-элементный анализ, предполагающий билинейное упругопла-стическое упрочнение адгезионного клеевого соединения.
Нагрев усиленной балки вызывает появление двух негативных факторов:
- дифференциальное расширение между пластиной из углепластика и металлом;
- стеклование клея, что снижает его прочность и жесткость.
Дифференциальное тепловое расширение вызывает высокие напряжения сдвига вдоль клеевого соединения. Анализ напряжений упругих связей (между металлом усиливаемого элемента и пластиной из углепластика) показывает, что для типовой схемы усиления термические напряжения сдвига могут быть больше, чем те, которые возникают от приходящейся на балку нагрузки [6]. Однако, последствия дифференциального теплового расширения и стеклования клея не оче-
видны. Снижение адгезионной прочности при повышенных температурах сопровождается уменьшением адгезионной жесткости и увеличением деформационной способности, что может быть полезно для общей прочности адгезионного соединения.
На рисунке 1 показано, что на свойства композита не влияет повышение температуры до тех пор, пока не будет достигнута критическая температура стеклования (Тег), после чего происходит значительное снижение свойств из-за размягчения полимерной матрицы композита ФАП. Когда температура достигает температуры плавления (Тт), нагрузку несут только волокна, поэтому дальнейшего снижения свойств не происходит и достигается остаточное значение (Ря).
Температура,Т
Рис. 1. Зависимость между свойствами ФАП и температурой
На рисунке 2 показан результат стеклования эпоксидного связующего клея. Это двухкомпонентный клей, специально предназначенный для склеивания углепластика. Снижение жесткости по сравнению с температурой, показанное на рисунке 2, было получено путем динамического механического анализа [14]. В переходе из точки А в точку Б от 40 до 65^ адгезионная жесткость снижается до 94% от значения при нормальной температуре, и это изменение, как правило, считается значительным для конструкции. Температура стеклования Tg [6] представляет собой отношение модуля потерь к модулю накопления (упрощенно, отношение пластиче-
ской деформации к упругой деформации). Это дает Tg = 65^ в точке Б, для которого адгезионная жесткость составляет менее чем 10% от его значения при нормальной температуре окружающей среды.
Ряд исследователей предложили модели, которые предсказывают распределение напряжений клеевого соединения вдоль клеевого соединения между балкой и упрочняющей пластиной [3, 6]. Все эти модели основаны на принципе линейно-упругого анализа, который учитывает условия равновесия и совместимости по клеевому соединению, предсказывает распределение напряжения сдвига и отслаивания в клеевом соединении. В Ansys
Mechanical присутствует билинейная модель напряжения сцепления, которая включает изменение свойств адгезива с изменением температуры. Анализ и расчет
аналогичен предыдущим исследованиям, но также включает составную реакцию адгезива, показанную на рисунке 3.
Температура,
Рис. 2. Потеря жесткости эпоксидного связующего при переходе через температуру стеклования
Деформации,у
Рис. 3. Модель изменения механических характеристик клеевого соединения при изменении температуры
Клей идеализирован как эластопластич-ный материал с модулем упругости Е и прочностью на сдвиг Ти (табл. 1), которые уменьшаются с повышением температуры. При 20°С клей является хрупким, а при повышенных температурах подвергается пластической деформации перед разрывом, моделируемой горизонтальной площадкой текучести [2]. Жесткость и прочность клея выводятся из данных по стеклованию по рисунку 2. В текущей модели расслоение не фиксируется, однако, ниже
будет видно, что деформирующая способность клея не обязательно определяется разрушением. Следует отметить, что конститутивная модель на рисунке 3 не отражает всю сложность клеевого соединения при повышенных температурах; в частности, в нем не учитываются зависящие от времени эффекты, такие как ползучесть или повышение температуры стеклования вследствие нагрева после отверждения. Предполагается, что стальная балка остается эластичной (действительно для слу-
чая, рассмотренного ниже), а в центре балки применяется упрощенное граничное условие.
Конечно-элементная модель включала двутавровую стальную балку, усиленную с использованием углепластика и нагруженную двумя сосредоточенными нагрузками, а также подвергнутую термическому воз-
действию. Расположение, размеры и основные свойства балки показаны на рисунке 4 со значениями, указанными производителем углепластика и эпоксидного клея. Нагрузка прикладывалась в равноудаленных от центра точках пролета сверху, а нагрев производился в нижней части упрочняющей ламели.
Рис. 4. Схема нагружения
Механические свойства стальной пластины приняты по табл. В.4 СП 16.13330.2017 [9], для стали С340Б. Лист углепластика является материалом с однонаправленными волокнами [8]. На все ис-
пытуемые образцы был нанесен двухком-понентный эпоксидный клей с температурой стеклования Tg = 60°С. Материальные свойства этих двух адгезивов и клея сведены в таблицу 1 [5].
Таблица 1. Характеристики материалов
Материал "олщина, мм Модуль упругости, ГПа асчетное сопротивление растяжению, МПа Прочность на сдвиг, МПа
тальная балка - 205,0 350 -
ФАП 0,111 252,0 - -
леевой состав - 2,4 - 21
Сдвиговые и нормальные напряжения в адгезивном слое между стальной балкой и углепластиковой пластиной при термических и механических нагрузках рассчитывались на основе аналитических моделей и моделей конечных элементов (КЭ) [10, 13].
Расчет касательных и нормальных напряжений для усиленной балки выполнялся от сосредоточенных нагрузок (90% от разрушающей нагрузки при 60°С) при различных температурах, КЭ-моделей.
Результаты анализа показаны на рисунках 5 и 6, которые отображают деформации в зависимости от температуры пластины. Значительное изменение показателей произошло с 40°С и до разрушения
при 64°С. Проскальзывание происходит по всей наблюдаемой длине клеевого шва.
Адгезионные материалы показали значительное снижение прочности и жесткости в сочетании с нелинейным поведением по мере достижения температуры адгезионного стеклования Тё. Таким образом, разрушающая нагрузка усиленной балки значительно снижалась при Tg, с изменением механизма разрушения. Длина пластической зоны зависела от нескольких параметров, включая модуль упругости и толщину углепластиковой пластины, приложенную нагрузку и температуру. Изучение этих параметров показывает, что можно избежать расплавления углепластико-
вых пластин при экстремальных температурах, используя более тонкие и длинные образцы с высоким модулем [13]. Клей, используемый в данной модели, теряет большую часть своей прочности и жесткости при температуре 60°С
На рисунках 5 и 6 показаны кривые «нагрузка-деформация» для всех образцов при температурах от 20 до 80°С Все кривые изменяются линейно от начального нагружения до окончательного разрушения.
Рис. 5. Кривые «нагрузка-деформация» нормальных усилий при изменениях температуры
В диапазоне от 20 до 60^ результаты показали постепенное снижение прочности связи по мере повышения температуры. Средние значения прочности 53,3 МПа. При превышении температуры То (60°^ наблюдалось значительное снижение предельной нагрузки. Наиболее резкое падение наблюдалось при 40^ из которых
остаточная прочность соединения составляет всего 3,39% от первоначальной прочности при 20°С Это означает, что между листами из углепластика и стальной пластиной практически нет прочности сцепления. Это согласуется с результатами, полученными другими авторами [12, 13].
Рис. 6. Кривые «нагрузка-деформация» срезающих усилий при изменениях температуры
Выводы. Результаты исследований, представленные в данной статье, показывают, что повышенные температуры могут
значительно снизить прочность стальной балки с усилением из ФАП. Необратимая деформация скольжения происходит по
клеевому соединению до разрушения из-за соединения, дальнейшие последствия стеклования клея. Значительные деформа- стеклования клея для данной модели балки ции наблюдались при температуре около не рассматривались. Аналитические ре-40 °C, что существенно ниже температуры зультаты показывают удовлетворительную стеклования клея по [6] (65 °C). Это при- сходимость с экспериментальными ре-водит к потере функционального назначе- зультатами, однако, требуется дополни-ния клея и уменьшению его несущей спо- тельные исследования деформационной собности, жесткости и увеличению де- способности клея при повышенных темпе-формаций. Таким образом, нагрузка пере- ратурах и зависящих от времени воздей-носится между упрочняющей пластиной и ствий. поверхностью балки по длинной стороне
Библиографический список
1. Вильнав Ж.-Ж. Клеевые соединения / Перевод с французского Л.В. Синегубовой. -М.: Техносфера, 2007. - 385 с.
2. Гайт М. Влияние температуры на адгезионное соединение в стальных балках, усиленных углепластиком. Композиты. - М., 2012. - 208 с.
3. Тюменева Т.Ю., Лукина Н.Ф. Разработки в области эластомерных клеев авиационного назначения. - М.: ВИАМ, 2016. - 266 с.
4. Чалых А.Е., Щербина А.А. Фундаментальные проблемы адгезионных взаимодействий в полимерных системах. - М.: Техносфера, 2016. - 252 с.
5. Шуклина О.В., Лукина Н.Ф. Свойства нового теплостойкого клея ВС-10Т-У // Клеи. Герметики. Технологии. - 2012. - №5. - С. 8-9.
6. ГОСТ Р 56801-2015 (ИСО 6721-1:2011) Пластмассы.
7. ГОСТ Р 57970-2017 Композиты углеродные. Углеродные композиты, армированные углеродным волокном. Классификация.
8. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. - М.: НИИЖБ, 2006.
9. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*» (с Поправкой, с Изменением N 1).
10. Ashby M.F., Jones D.R.H. Engineering materials 2: an introduction to microstructures, processing and design 2006: Butterworth-Heinemann Ltd.
11. Deng J., Lee M.M.K., Moy S.S.J. Stress analysis of steel beams reinforced with a bonded CFRP plate // Composite Structures. - 2004. - №65 (2). - P. 205-215.
12. Stratford T., Cadei J. Elastic analysis of adhesion stresses for the design of a strengthening plate bonded to a beam // Construction and Building Materials. - 2006. - Vol. 20, № 1-2. -Pp. 34-45.
13. Lu Y.Y., Li W.J., Li S., Li X., Zhu T. Study of the tensile properties of CFRP strengthened steel plates Polymers 2015.
14. Махмутов И.М., Сорина Т.Г., Суворова Ю.В., Сургучева А.И. Разрушение композитов с учетом воздействия температуры и влаги. - М., 1983. - 13 с.
STRESS-STRAIN STATE OF A STEEL ROD REINFORCED WITH CARBON FIBER UNDER THE ACTION OF ELEVATED TEMPERATURES
V.V. Mikhaskin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, St. Petersburg)
Abstract. The article discusses the change in the mechanical properties of the adhesive layer and the carbon fiber plate when working together with a metal beam with a change in ambient temperatures; the effect of these changes on the mechanism of destruction, the ultimate load and stress distribution in a steel beam reinforced with a carbon fiber plate. The results were achieved using a finite element model of the beam, which takes into account the temperature dependence of changes in the adhesive and strength properties of the reinforced section. As a result of modeling, it was determined that sliding deformations were directly observed on the adhesive seam, which gives an idea of the effectiveness of hardening at elevated temperatures. Irreversible sliding deformation occurs along the adhesive joint before destruction due to the glass transition of the adhesive. Significant deformations were observed at a temperature of about 40°C, which is significantly lower than the glue glass transition temperature of about 65°C.
Keywords: steel, hardening, high temperatures, fiber-reinforced polymer, adhesive joint.
