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Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Materiales poliméricos reforzados con fibra (FRP) son materiales compuestos que están formados por longitudinal fibras incrustadas en una polimérico de resina, creando así una matriz de polímero con las fibras alineadas a lo largo de una o más direcciones. En su forma más simple, las fibras en materiales FRP están alineadas de forma ordenada, paralela, impartiendo así características materiales ortotrópicos, lo que significa que el material se comportará de forma diferente en las dos direcciones. Paralelo a las fibras, el material será muy fuerte o rígido, mientras que el perpendicular a las fibras será muy débil, ya que la fuerza sólo puede ser atribuida a la resina en vez de la matriz entera.
Un ejemplo de esta configuración unidireccional es el disponible comercialmente FRP armadura, que imitan las barras de acero convencionales utilizadas en la construcción de hormigón armado. Materiales FRP se utilizan como estructuras independientes tales como puentes peatonales y escaleras y también como materiales para fortalecer y reparar las estructuras existentes. Las placas delgadas, de largas a menudo se ajustaron para estructuras de hormigón existentes para agregar fuerza. En este caso, las barras FRP actúan como refuerzo externo. Las placas y barras de FRP son más ligeros y más resistentes a la corrosión, por lo que son encontrar aplicaciones en puentes y aparcamientos, donde listones deshielo conducen a deterioro rápido de las barras convencionales.
En este ejercicio de laboratorio, se estudiará el comportamiento de resistencia a la tracción de un espécimen unidireccional, con énfasis en su última fuerza y capacidad de deformación. El comportamiento de la muestra se espera que sea elástico hasta la falla, que se espera que se produzca de forma repentina y explosiva. Este comportamiento debe compararse con las de los aceros dúctiles, que exhiben capacidad extensa deformación y endurecimiento antes de falta de tensión.
Materiales poliméricos reforzados con fibra, FRP, son materiales compuestos que están formados por incorporar fibras en una resina polimérica, creando una matriz que es muy fuerte en la dirección de las fibras.
En su forma más simple, fibras en materiales FRP se alinean ordenadamente en una dirección y encerrado en la resina, haciendo que el material se comporte orthotropically. Propiedades mecánicas de estos materiales son muy diferentes en la dirección de las fibras en comparación con las otras direcciones de dos principio.
Un material FPR es muy fuerte en la dirección de las fibras debido a la alta resistencia de la fibra, comportando elásticamente hasta la fractura de las fibras y el material no de una manera explosiva. Sin embargo, el material es muy débil en la dirección perpendicular debido a la fuerza mucho más baja de la resina.
En este video, se estudiará el comportamiento de resistencia a la tracción de un espécimen unidireccional, con énfasis en su capacidad de resistencia y deformación final.
La resistencia de materiales FRP está directamente relacionada con la fuerza de las fibras individuales. Como el porcentaje de fibras en un aumento del material, aumenta la resistencia del material. Materiales típicos tienen aproximadamente 50% fibras por volumen.
La fuerza unidireccional de FRP se utiliza a menudo en barras de refuerzo o armaduras, pero se puede observar en más de una dirección del material mediante el control de la dirección de las fibras.
Las fibras pueden ser lugares en direcciones aleatorias, o solo plys uniaxial capas puede ser lugar alternando las direcciones, dando como resultado dos direcciones fuertes y una débil dirección. La fibra y la resina utilizada para hacer un FRP deben elegirse para ser compatibles entre sí y cumplir requisitos de uso.
La clase de la fibra utilizada, generalmente de vidrio, aramida o carbono, afecta a las propiedades y el costo del producto final. En general, las fibras tienen capacidad de tensión muy baja, resultando en fallos repentinos sin ninguna evidencia de ductilidad.
La resina principal actúa para transferir tensión y proteger las fibras de daños mecánicos y ambientales. Durante la fabricación, se aplica presión para exprimir tanta resina como sea posible para aumentar la resistencia del material. Es importante tener en cuenta que las propiedades de la fibra individual no son las propiedades del compuesto. En cambio, según la regla de las mezclas, propiedades de los compuestos son el resultado del peso y la media de los constituyentes.
En la siguiente sección, realizamos pruebas de tensión simple en una máquina Universal de ensayos para comparar el comportamiento de la tensión/deformación del vidrio y del carbón, FRP, mientras que teniendo cuidado de preparar adecuadamente las muestras para obtener resultados válidos.
Obtener a cuatro muestras FRP. Dos se de una placa de FRP unidireccional 0,5 pulgadas vidrio reducirá en uno por ocho pulgadas de ejemplares: uno a lo largo de la dirección de las fibras y otro perpendicular a las fibras. El tercer ejemplar será un refuerzo de FRP de carbono 0,25 pulgadas, y la cuarta será una varilla de vidrio 0.25 FRP. Las muestras de barras de refuerzo deben ser de 24 pulgadas de largo.
Prepara a las muestras de barras de refuerzo de FRP con antelación por incrustación de 12 pulgadas de los extremos en perfiles redondos y rectangulares un poco más grandes y llenar los espacios vacíos con epoxi de alta resistencia. Permite varios días para un curado, según las especificaciones de epoxy.
Este tipo de conexión de extremo es necesario porque los dientes en apretones UTM convencionales destruirá la resina y conducir a los fallos del final prematuro. Proceder de la misma manera que las otras pruebas de tensión, girando en la UTM y inicializar el software. Luego, inserte a un espécimen en los puños y trabarlo en su lugar.
Cargar a la muestra en el control de desplazamiento a una velocidad de cerca de 0,2 pulgadas por minuto. La muestra comienza a fallar, se escucharán sonidos de estallidos y fragmentos pequeños comenzará a caerse de la muestra. Seguido de una explosiva falla del material, que se separa en una estructura fibrosa de la flor.
Aquí le damos la curva tensión/deformación de la muestra de placa de vidrio FRP se carga en la dirección de las fibras. De este gráfico, podemos determinar la fuerza máxima, resistencia a la tracción y tensión y calcular el módulo de elasticidad. Estos resultados son razonables para un material especificado en el volumen de fibra de vidrio 50% mostrando esencialmente comportamiento del trazador de líneas.
Este gráfico muestra el mismo material cargado perpendicular a la dirección de las fibras. Podemos ver una disminución en la fuerza máxima, fuerza resistencia, tensión y el módulo de elasticidad. Nota que una cantidad significativa de la fuerza se mide en este espécimen particular proviene de las fibras en las capas protectoras exteriores, en que las fibras están orientadas al azar. La diferencia muy grande entre las dos direcciones hace hincapié en la tailorability de las propiedades del material. En este caso, tenemos un material que es fuerte en una dirección y débil en el otro.
Las superficies de falla dan testimonio de esto, con una de las fibras alineadas longitudinalmente mostrando numerosas fibras rotas, y con las fibras alineadas perpendicularmente mostrando la superficie típica de una falta de resina en una interfaz. Comparando el comportamiento de las barras de FRP, hay una diferencia muy significativa en la fuerza y el módulo de elasticidad. Ambos materiales no inmediatamente después de llevar su carga máxima.
La diferencia entre la barra FRP de carbono fuerte y el más suave, pero mucho más dúctil E-glass, es evidente en este gráfico lineal. Sin embargo, hay poca ductilidad, ya que no a una fracción de la tensión de los metales como el acero a36.
Se utilizan materiales FRP en una miríada de aplicaciones de ingeniería civil, incluyendo las solicitudes originales de construcción y reparación. Echemos un vistazo a un par de usos comunes de FRPs.
Barras, laminados y láminas FRP pueden impregnadas con la resina y precured para su uso en aplicaciones de campo. Las placas y barras de FRP son ligeros y resistentes a la corrosión, por lo que son encontrar aplicaciones en puentes y aparcamientos, donde la deshielo conduce a deterioro rápido de las barras convencionales.
Muchas aplicaciones marinas también usan materiales FRP para su resistencia a la corrosión y sal. FRP se utiliza extensivamente en la industria náutica, así como tuberías y estructuras navales.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a las pruebas de tensión de materiales poliméricos reforzados con fibra, o FRPs. Ahora debe entender los componentes de FRPs y estándar pruebas de laboratorio para determinar su fuerza.
¡Gracias por ver!
Los materiales poliméricos reforzados con fibras, FRP, son materiales compuestos que se forman incrustando fibras en una resina polimérica, creando una matriz que es muy fuerte en la dirección de las fibras.
En su forma más simple, las fibras en los materiales FRP están alineadas ordenadamente en una dirección y encerradas en resina, lo que hace que el material se comporte ortotrópicamente. Las propiedades mecánicas de estos materiales son muy diferentes en la dirección de las fibras en comparación con las otras dos direcciones principales.
Un material FPR es muy fuerte en la dirección de las fibras debido a la alta resistencia de la fibra, comportándose elásticamente hasta que las fibras se fracturan y el material falla de manera explosiva. Sin embargo, el material es muy débil en la dirección perpendicular debido a la resistencia mucho menor de la resina.
En este vídeo se estudiará el comportamiento a tracción de una probeta unidireccional, haciendo hincapié en su resistencia última y capacidad de deformación.
La resistencia de los materiales FRP está directamente relacionada con la resistencia de las fibras individuales. A medida que aumenta el porcentaje de fibras en un material, aumenta la resistencia del material. Los materiales típicos tienen aproximadamente un 50% de fibras por volumen.
La resistencia unidireccional de FRP se usa a menudo en barras de refuerzo, o barras de refuerzo, pero se puede realizar en más de una dirección del material controlando la dirección de las fibras.
Las fibras se pueden colocar en direcciones aleatorias, o capas individuales de capas uniaxiales se pueden colocar en direcciones alternas, lo que da como resultado dos direcciones fuertes y una dirección débil. La fibra y la resina utilizadas para fabricar un FRP deben elegirse para que sean compatibles entre sí y cumplan con los requisitos de la aplicación.
La clase de fibra utilizada, generalmente vidrio, aramida o carbono, afecta las propiedades y el costo del producto final. En general, las fibras tienen una capacidad de deformación muy baja, lo que resulta en fallas repentinas sin ninguna evidencia de ductilidad.
La resina principal actúa para transferir la tensión y proteger las fibras de daños mecánicos y ambientales. Durante la fabricación, se aplica presión para exprimir la mayor cantidad de resina posible para aumentar la resistencia del material. Es importante tener en cuenta que las propiedades individuales de la fibra no son las propiedades del compuesto. En cambio, de acuerdo con la regla de las mezclas, las propiedades del compuesto son el resultado del peso y la media de las partes constituyentes.
En la siguiente sección, realizaremos pruebas de tensión simples en una máquina de prueba universal para comparar el comportamiento de tensión / deformación del FRP de vidrio y carbono, teniendo cuidado de preparar adecuadamente las muestras para obtener resultados válidos.
Obtén cuatro especímenes de FRP. Dos serán de una placa unidireccional de FRP de vidrio E de 0.5 pulgadas cortada en muestras de una por ocho pulgadas: una a lo largo de la dirección de las fibras y otra perpendicular a las fibras. El tercer espécimen será una barra de refuerzo de FRP de carbono de 0.25 pulgadas, y el cuarto será una barra de refuerzo de FRP de vidrio de 0.25. Las muestras de barras de refuerzo deben tener aproximadamente 24 pulgadas de largo.
Prepare las muestras de barras de refuerzo de FRP con anticipación incrustando 12 pulgadas de los extremos en secciones redondas y rectangulares de acero un poco más grandes y llenando los espacios vacíos con epoxi de alta resistencia. Espere varios días para el curado, de acuerdo con las especificaciones del epoxi.
Este tipo de conexión final es necesaria porque las estrías de las mordazas UTM convencionales destruirán la resina y provocarán fallos prematuros en los extremos. Proceda de la misma manera que las otras pruebas de tensión, encendiendo el UTM e inicializando su software. Luego, inserte una muestra en las empuñaduras y asegúrela en su lugar.
Cargue la muestra en el control de desplazamiento a una velocidad de aproximadamente 0.2 pulgadas por minuto. A medida que el espécimen comienza a fallar, se escucharán estallidos y pequeños fragmentos comenzarán a caerse del espécimen. Seguido de una falla explosiva del material, que se separa en una estructura fibrosa similar a una flor.
Aquí está la curva de tensión/deformación para la muestra de placa de FRP de vidrio E que se carga en la dirección de las fibras. A partir de este gráfico, podemos determinar la fuerza máxima, la resistencia a la tracción y la deformación y calcular el módulo de elasticidad. Estos resultados son razonables para un material especificado con un volumen de fibra de vidrio E del 50% que muestra esencialmente un comportamiento de revestimiento.
Este gráfico muestra el mismo material cargado perpendicularmente a la dirección de las fibras. Podemos ver una disminución en la fuerza máxima, la resistencia a la tracción, la deformación y el módulo de elasticidad. Tenga en cuenta que una cantidad significativa de la resistencia medida en este espécimen en particular proviene de las fibras en las capas protectoras exteriores, en las que las fibras están orientadas aleatoriamente. La gran diferencia entre las dos direcciones enfatiza la adaptabilidad de las propiedades del material. En este caso, tenemos un material que es fuerte en una dirección y débil en la otra.
Las superficies de falla dan testimonio de esto, con la de las fibras alineadas longitudinalmente mostrando numerosas fibras rotas, y la de las fibras alineadas perpendicularmente mostrando la superficie típica de una falla de resina en una interfaz. Comparando el comportamiento de las barras de refuerzo FRP, hay una diferencia muy significativa en la resistencia y el módulo de elasticidad. Ambos materiales fallan inmediatamente después de llevar su carga máxima.
La diferencia entre la barra de FRP de carbono fuerte y la de vidrio E más blanda, pero mucho más dúctil, es obvia en este gráfico linealizado. Sin embargo, hay poca ductilidad, ya que fallan a una fracción de la deformación de metales como el acero a36.
Los materiales FRP se utilizan en una gran variedad de aplicaciones de ingeniería civil, incluidas las aplicaciones originales de construcción y reparación. Echemos un vistazo a un par de usos comunes de las FRP.
Las láminas, laminados y barras de FRP se pueden impregnar con resina y precurar para su uso en aplicaciones de campo. Las barras y placas de FRP son ligeras y resistentes a la corrosión, por lo que están encontrando aplicaciones en tableros de puentes y estacionamientos, donde el deshielo conduce a un rápido deterioro de las barras convencionales.
Muchas aplicaciones marinas también utilizan materiales FRP por su resistencia a la corrosión y a la sal. El FRP se utiliza ampliamente en la industria náutica, así como para estructuras navales y tuberías.
Acabas de ver la introducción de JoVE a las pruebas de tensión de materiales poliméricos reforzados con fibra, o FRP. Ahora debe comprender los componentes de los FRP y las pruebas de laboratorio estándar para determinar su resistencia.
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