Щуров Евгений Олегович. Несущая способность растянутых и изгибаемых стальных стержней, усиленных углепластиковыми композитными материалами

Краткое описание

Щуров Евгений Олегович. Несущая способность растянутых и изгибаемых стальных стержней, усиленных углепластиковыми композитными материалами;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Щуров Евгений Олегович
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РАСТЯНУТЫХ И ИЗГИБАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ
СТЕРЖНЕЙ, УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫМИ
КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
2.1.1 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: Доктор технических наук, доцент
Туснин А.Р.
Москва 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Основы проектирования усиления стальных конструкций
углепластиковыми композитными материалами 12
1.2. Обзор экспериментально-теоретических исследований конструкций,
усиленных композитными материалами 18
1.3. Цель и задачи исследования 43
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕЙ УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫМИ КОМПОЗИТАМИ МАТЕРИАЛАМИ 44
2.1. Общие сведения 44
2.1.1. Определение прочностных характеристик углепластиковой
композитной ламели и клеевого слоя 45
2.1.2. Испытания на растяжение усиленных стальных стержней 54
2.1.3. Испытания на изгиб усиленной стальной балки 60
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕЙ УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫМИ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ 69
3.1. Работа стальных растянутых стержней, усиленных
углепластиковыми композитными материалами 69
3.2. Работа изгибаемых стержней, усиленных углепластиковыми
композитными материалами 79
3.2.1. Общие сведения 79
3.2.2. Первый вариант работы усиленной балки с развитием
пластических деформаций в стальном сечении только в зоне сжатия 82
3.2.3. Второй вариант работы усиленной балки с развитием
пластические деформации во всем стальном сечении 84
3.2.4. Третий вариант работы усиленной балки с развитием
пластических деформаций по краям стального сечения и сохранением упругого ядра 87
3.2.5. Несущая способность стальной балки с многослойным
усилением углепластиковым композитным материалом 90
3.2.6. Выводы 97
Глава 4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕЙ УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫМИ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ 99
4.1. Общие сведения о формировании конечно-элементных моделей,
усиленных углепластиком стальных стержней 99
4.2. Исследование конечно-элементных моделей клеевого слоя 105
4.3. Численные исследования работы экспериментальных образцов с
включением клеевого слоя в конечно-элементные модели 111
4.3.1. Расчёт конечно-элементных моделей растянутых
экспериментальных образцов 111
4.3.2. Расчёт конечно-элементных моделей изгибаемых
экспериментальных образцов с включением в модель клеевого слоя 116
4.4. Численные исследования работы экспериментальных образцов без
включения клеевого слоя в конечно-элементные модели 121
4.4.1. Расчёт экспериментальных образцов при растяжении без
моделирования клеевого слоя 122
4.4.2. Расчёт изгибаемых экспериментальных образцов без учёта в
модели клеевого слоя 124 
Расчёт конечно-элементных моделей балок с многослойным
усилением 128
4.6. Сопоставительный анализ экспериментальных, теоретических и
численных данных 133
4.6.1. Анализ результатов для растянутых стальных стержней, усиленных углепластиковым композитным материалом 133
4.6.2. Анализ результатов для стальных балок, усиленных
углепластиковым композитным материалом 137
4.7. Рекомендации по расчету растянутых и изгибаемых стальных
стержней, усиленных углепластиковыми композитными
материалами 142
4.7.1. Расчет стальных растянутых стержней, усиленных
углепластиковым композитным материалом 142
4.7.2. Расчет балок, усиленных углепластиковым композитным
материалом 143
4.7.3. Расчет балок, с многослойным усилением углепластиковым
композитным материалом 144
4.7.4. Пример расчета стальной балки с использованием
разработанной методики 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155 

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Установлена эффективность усиления растянутых и изгибаемых (при усилении в растянутой зоне балки) стальных стержней приклеенными к ним углепластиковыми композитными материалами.
2. Усилия, передаваемые на углепластиковый композитный материал, определяются прочностью клеевого соединения, зависят от марки клея и устанавливаются экспериментально. Для рекомендованного производителем углепластика двухкомпонентного клея «FibArm Resin Laminate+» при разрушении клеевого соединения нормальные напряжения в углепластиковой композитной ламели «FibArm Lamel-12/50» толщиной 1.2 мм составили от 650,8 до 741,7 МПа.
3. Экспериментально установлено, что при усилении с помощью углепластиковых композитных ламелей увеличение длины клеевого соединения углепластиковой композитной ламели со стальным стержнем не ведет к значительному увеличению несущей способности, так увеличение длины клеевого соединения в 1,8 раза сопровождается ростом усилия в ламели всего на 2 %.
4. Разработаны методики расчета несущей способности растянутых и изгибаемых стальных стержней, усиленных углепластиковыми композитными материалами.
5. При многослойном усилении изгибаемых стержней нормальные напряжения в слоях углепластиковых композитных материалов распределяются неравномерно, при этом напряжения во втором и третьем слое составляют 66% и 51% соответственно от значений напряжений первого слоя.
6. Установлена эффективность применения метода конечных элементов для определения несущей способности усиленных углепластиковыми композитными материалами стальных растянутых и изгибаемых стержней.
7. Число слоёв конечных элементов по толщине клеевого соединения мало влияет на точность численного расчёта. Отличие результатов при использовании моделей с одним и двумя слоями конечных элементов в клеевом соединении не более 1 %.
8. При использовании метода конечных элементов работу клеевого слоя можно моделировать ограничением прочности углепластикового композитного материала экспериментальными значениями с сохранением точности расчета до 10 %.
9. Установлено хорошее совпадение результатов испытаний с результатами теоретического и численного расчётов. Для растянутых стержней максимальное расхождение составило от 1 до 10 %, а для изгибаемых от 1 до 14 %, что подтверждает корректность использованного подхода по конечно¬элементному моделированию стальных стержней, усиленных углепластиковыми композитными материалами и достоверность разработанной практической методики расчёта.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.
Перспективами дальнейшей разработки темы исследования являются:
- Исследование усиления углепластиковыми композитными материалами стальных стержней под нагрузкой.
- Исследование поведения усиления при циклических нагрузках и действии повышенных температур.
- Разработка новых способов крепления углепластиковых композитных материалов к стальным стержням, что обеспечит более эффективное использование прочности углепластика.