Гибрид балок представлен сочетанием стекла и армированных волокном полимеров (АСП). Было испытано два варианта балки. Первый состоит из чередующихся листов флоат-стекла толщиной 8 мм с листами АСП с возможностью их расположения как вертикально, так и вертикально. Листы были соединены через двухкомпонентную эпоксидную смолу, создавая сечения балки 80 мм × 170 мм (рис. 1 (а, б)) [1].
Рис. 1 – АСП-стеклянные композитные балки: (а) АСП-Г и (б) АСП-В Сперанзини [1], (в) Коррейа [2], (г) Валаринхо [3].
Балки длиной 2500 мм, испытанные четырехточечного изгибом, продемонстрировали хорошее поведение после разрушения, при котором конечная деформация во много раз превышает начальную деформацию растрескивания (рис. 1 (а)). Последнее наблюдение указывает на пластичное поведение. Для балок АСП-Г (композитные балки АСП-стекло с горизонтальным многослойным сечением) предельная нагрузка разрушения больше, чем нагрузка при первом растрескивании. Это не относится к балкам АСП-В (композитные балки АСП-стекло с вертикальным многослойным сечением): после начального растрескивания стеклянных листов емкость балок сохраняется, поскольку прочность на растяжение обеспечивается листами АСП. При дальнейшей нагрузке многие трещины развивались и росли, пока не достигли вершины балки, что привело к окончательному разрушению.
Рис 2 – Поперечное сечение композитных стекло-АСП балок
Второй вариант состоит из стенки из отожженного флоат-стекла толщиной 12 мм и АСП полок, соединенных с помощью клея, как показано на рис. 1 (в) и (г). В первом исследовании были проведены испытания на изгиб в четырех точках с пролетом 1,5 м на балках длиной 1,8 м. Балки были построены с использованием полиуретанового или эпоксидного клея толщиной 2 мм (рис. 1 (в)) [2].
На рис. 3 (б) показаны графике нагрузки-смещения для обоих клеев. После первоначального разрушения стекла нагрузка может увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнута полная нагрузка композитной балки. На этом этапе усиленное растрескивание стекла снижает изгибную жесткость балки, что приводит к более высоким вертикальным смещениям.
Рис. 3 – График нагрузки-смещения для композитных балок из стеклопластика в соответствии с: (а) Сперанзини [1], (б) Коррейа [2], (в и г) Валаринхо [3].
Можно сделать вывод, что обе балки продемонстрировали очень хорошую прочность после взлома и пластичность. Также сделан вывод, что тип клея играет важную роль в несущей способности. Полиуретан имеет более низкую жесткость, что приводит к хорошим пластическим свойствам, но с более низкой начальной жесткостью, прочностью после растрескивания и предельной несущей способностью композитных балок. Показатели после поломки составили около 153%. Напротив, балки с эпоксидной смолой иллюстрировали обратное. Эффективность после разрушения составила почти 200%. Выбор клея будет зависеть от требований композитной балки при ее практическом применении.
Затем последовало второе исследование с немного другим сечением балки, как показано на рис. 1 (г) [3]. В этом тесте использовались три вида адгезивов, то есть два полиуретановых клея (заполняющий один и структурный, называемый Sikaflex и Sikaforce соответственно) и один эпоксидный клей (Sikadur). Из-за различной вязкости адгезивов их толщина варьировалась в пределах от 1 мм до 2 мм. Во-первых, испытания на четырехточечный изгиб с пролетом 1,4 м проводились на балках длиной 1,5 м. На втором этапе балки длиной 3,0 м были испытаны в симметричном 5-точечном испытании на изгиб, имеющем два пролета по 1,40 м. Целью данного исследования было оценить возможность применения таких балок в статически неопределенных системах. Для статически определимой системы на рис. 3 (в) показаны графики нагрузки-смещения для всех трех клеев. Как и в первом исследовании, утверждается, что все балки проявляют псевдопластичное поведение после начального растрескивания стекла, которое сильно зависит от типа клея. Для эпоксидного клея были обнаружены самые высокие значения прочности после растрескивания. Для этих балок были достигнуты средние показатели после разрушения 282%. Напротив, наивысшая пластичность была достигнута для полиуретановых балок, которые продемонстрировали эффективность после разрушения 165% (Sikaflex). Адгезив также влиял на растрескивание балок. Сообщалось о нескольких концентрированных трещинах для пластичных полиуретановых балок, заполняющих зазоры, в то время как для других типов наблюдалась гораздо более обычный рисунок. Кроме того, величина составного воздействия была определена с использованием тензометрических измерений. Был сделан вывод, что почти полное композитное действие наблюдалось для эпоксидных и конструкционных полиуретановых клея, в то время как при использовании полиуретанового клея с зазором наблюдается значительное скольжение, что приводит к низкому уровню взаимодействия.
Впоследствии были проведены статически неопределенные испытания на изгиб в пяти точках. Полученные графики нагрузки-смещения для трех видов клеев представлены на рис. 3 (г). Делается вывод о том, что наблюдалось поведение, подобное тому, что и в статически определенном случае, то есть линейная упругая стадия, за которой следует псевдопластичное поведение [3]. Тем не менее, это пластичное поведение было различным в обоих диапазонах. Опять же, тип клея сыграл важную роль в поведении балок. Что касается нагрузки на растрескивание, схемы растрескивания, начальной жесткости, деформации и составного действия, можно сделать те же выводы, что и в статически определенном случае. Тем не менее, наблюдались иные характеристики после разрушения, и теперь балка с полиуретаном с заполнением зазором достигла наивысшего значения (202%). Балки, связанные с другим полиуретановым и эпоксидным клеем, достигли значения 130% и 180% соответственно. Это явление объясняется более высокой способностью перераспределения силы первого пучка, обусловленной его высокой пластичностью. Также два других типа лучей иллюстрируют перераспределение силы, хотя и в гораздо меньшей степени. Был сделан вывод, что более высокая способность к перераспределению момента достигается при использовании клея с меньшей жесткостью.
Однако указывается, что в этом случае перераспределение является следствием снижения жесткости в нескольких секциях (то есть повреждения), а не результатом механического поведения используемых материалов (например, стали, железобетона). Балки, соединенные с конструкционным полиуретаном и эпоксидным клеем, разрушаются из-за внезапного и взрывного разрушения стеклянного полотна. Для другой балки (полиуретан с заполнением зазором) разрушение происходило главным образом из-за бокового изгиба и разрушения стеклянного полотна под одной из нагруженных секций. Делается вывод о том, что поведение после растрескивания, наблюдаемое в балках с простой опорой, может быть воспроизведено в двухпролетных балках с использованием избыточности в поперечном сечении для перераспределения силы и статически неопределенных условий опоры. В обоих случаях механические свойства клея сильно влияют на характеристики балок.
Этот вариант балки нетипичен, так как полотно выполнено из объединяющего материала, а стекло использовалось для изготовления полок. Во всех других вариантах балок все было наоборот. В отличие от всех других случаев, где целью является разработка конструкционных стеклянных балок, этот вариант был протестирован с целью разработки остекленных фасадных элементов.
Некоторые из исследованных выше вариантом продемонстрировали безопасное поведение при разрушении благодаря высокой прочности и пластичности. Однако эта пластичность отличается от ожидаемой. В отличие от стали, АСП ломается хрупким способом. Пластичность, достигаемая этими вариантами, направлена на установку нового механизма распределения нагрузки, а именно на использование компонентов АСП. Окончательное разрушение этих балок происходило хрупким способом из-за растрескивания АСП. Таким образом, утверждается, что композитные балки из АСП обладают полутвердым поведением после разрушения, характеризующимся износом компонентов АСП вследствие растрескивания (например, для балок АСП-Г и АСП-В, АСП разбивается слой за слоем) и/или усиление растрескивания стекла в полотне, что привело к более высоким смещениям. Также степень пластичности для этих балок довольно ограничена. Кроме того, несмотря на то преимущество, что АСП можно производить прозрачным, стоимость этого материала велика по сравнению с другими, более распространенными материалами, такими как сталь, древесина и бетон. Наконец, АСП также демонстрирует ползучесть, зависящую от времени, которую следует учитывать.
Список литературы:
- Speranzini E, Neri P. Structural behavior of GPRF reinforced glass beams. In: Glass performance days. 2011.
- Correia JR, Valarinho L, Branco FA. Post-cracking strength and ductility of glass-GFRP composite beams. 2011.
- Valarinho L, Correia JR, Branco FA. Experimental study on the flexural behavior of multi-span transparent glass–GPRF composite beams. 2012
