Zugversuch an faserverstärkten polymeren Werkstoffen

Structural Engineering

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Summary

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Faserverstärkten Polymere Werkstoffen (GFK) sind Verbundwerkstoffe, die durch longitudinale Fasern eingebettet in ein Polymer Harz, wodurch eine Polymer-Matrix mit ausgerichteten Fasern entlang einer oder mehreren Richtungen gebildet werden. In seiner einfachsten Form sind die Fasern in GFK Materialien in eine geordnete, parallel Mode, also Vermittlung orthotrope Materialeigenschaften, was bedeutet, dass das Material in beide Richtungen anders Verhalten wird ausgerichtet. Parallel zu den Fasern, das Material wird sehr stark und/oder steif, während senkrecht zu den Fasern sehr schwach sein wird, da die Stärke des Harzes statt die gesamte Matrix nur zugeschrieben werden kann.

Ein Beispiel für diese unidirektional Konfiguration ist der im Handel erhältlichen FRP Bewehrungsstäbe, die die herkömmliche Stahlstäbe im Stahlbetonbau verwendet zu imitieren. FRP Materialien dienen sowohl als Stand-Alone-Strukturen wie Brücken und Treppen, sowie Materialien zu stärken und die bestehende Strukturen zu reparieren. Die dünnen, langen Platten sind oft konkrete Strukturen hinzufügen Stärke geklebt. In diesem Fall handeln die GfK-Stäbe als externe Verstärkung. FRP Balken und Platten sind leichter und korrosionsbeständiger, so sind sie finden Anwendungen in Brückendecks und Parkhäuser, wo de-icing Latten zu rasche Verschlechterung der konventionellen Bars führen.

In dieser Übung Labor wird die Zugfestigkeit Verhalten einer unidirektionalen Probe mit Schwerpunkt auf seine Endfestigkeit und Verformung Kapazität untersucht werden. Das Verhalten des Prüflings wird voraussichtlich bis zum Versagen, elastisch, die erwartet wird, in einer plötzlichen und explosive Art und Weise auftreten. Dieses Verhalten sollte mit denen der duktilen Stähle gegenübergestellt werden die umfangreichen Verformung Kapazität aufweisen und Verhärtung vor Ausfall belasten.

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JoVE Science Education Database. Konstruktiver Ingenieurbau. Zugversuch an faserverstärkten polymeren Werkstoffen. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Ergreifen Sie geeignete Sicherheitsmaßnahmen und tragen Sie Augenschutz, weil das explosive scheitern, die typisch für diese Proben viele kleine, scharfe Scherben fliegen schickt.
  2. Erhalten Sie 4 FRP Exemplaren. Zwei werden von einer unidirektionalen 0,5 Zoll E-Glas GFK Platte geschnitten, 1 "x 8" Proben, in der Richtung der Fasern und senkrecht zu den Fasern. Die dritte Exemplare werden 0,25 Zoll Carbon GfK-Bewehrung wird, und das vierte eine 0,25 FRP E-Glas-Bewehrung. Die Bewehrung Exemplare sollten ungefähr 24 Zoll lang sein.
  3. Legen Sie Halterungen für das Instrument durch die Einbettung von 12 Zoll von den Enden der Exemplare in etwas größeren Stahl Runde und rechteckige Abschnitte und Füllung die leeren Räume mit hochfestem Epoxidharz. Lassen Sie das Epoxy-Heilmittel wie pro Spezifikationen des Herstellers. Diese Art von End-Verbindung ist erforderlich, da die Kerben in konventionellen UTM Griffe werden das Harz zerstören und zu vorzeitigen Ende Fehlern führen.
  4. Gehen Sie auf die gleiche Weise wie die anderen Tests durch Einschalten der UTM und Initialisieren seiner Software zu spannen.
  5. Legen Sie die Exemplare in den Griffen und ziehen Sie sie.
  6. Laden Sie die Exemplare in der Ablenkung-Steuerung mit einer Rate von etwa 0,2 Zoll pro Minute.
  7. Wenn ein Extensometer zum Messen des Elastizitätsmoduls dient, achten Sie darauf, es bei einer Dehnung von 0,01 demontieren.
  8. Wie die Probe beginnt zu versagen, beginnt knallende Geräusche und kleine Scherben herunterfallen der Probe, gefolgt von einer explosive Versagen des Materials, das in eine faserige Struktur Blume trennt.

Faserverstärkten Polymere Werkstoffen, FRP, sind Verbundwerkstoffe, die durch das Einbetten von Fasern in einem Polymeren Harz, erstellen eine Matrix, die sehr stark in die Richtung der Fasern gebildet werden.

In ihrer einfachsten Form sind Fasern aus GFK Materialien geordnet in eine Richtung und eingehüllt in Harz, wodurch das Material zu orthotropically Verhalten ausgerichtet. Mechanische Eigenschaften dieser Materialien unterscheiden sich sehr in die Richtung der Fasern im Vergleich zu den anderen zwei Hauptrichtungen.

Ein FPR Material ist wegen der hohen Festigkeit der Faser, elastisch verhält, bis die Fasern Fraktur, sehr stark in die Richtung der Fasern und das Material nicht in einer explosiven Art und Weise. Das Material ist jedoch sehr schwach in die senkrechte Richtung wegen der sehr viel niedrigeren Stärke des Harzes.

In diesem Video wird die Zugfestigkeit Verhalten einer unidirektionalen Probe mit Schwerpunkt auf die ultimative Kraft und Verformung Leistungsfähigkeit untersucht werden.

FRP Festigkeitslehre bezieht sich direkt auf die Stärke der einzelnen Fasern. Als der Anteil der Fasern in einer wesentlichen Erhöhung erhöht die Festigkeit des Materials. Typische Materialien haben ca. 50 % Fasern nach Volumen.

Die unidirektionale Stärke des FRP wird häufig in Bewehrungsstäbe oder Eisen verwendet, aber kann durch die Steuerung der Richtung der Holzfasern in mehrere Richtungen des Materials realisiert werden.

Fasern können Plätze in zufällige Richtungen sein können, oder einzelne lagen einachsigen Schichten Ort in wechselnden Richtungen, was in beiden Richtungen starke und eine schwache Richtung. Die Faser und Harz verwendet, um eine FRP müssen gewählt werden, miteinander kompatibel sein und Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Die Klasse der Faser verwendet, wirkt sich in der Regel Glas, Aramid oder Carbon, die Eigenschaften und die Kosten des Endproduktes. Im Allgemeinen haben die Fasern sehr geringe Belastbarkeit, was zu plötzlichen Ausfall ohne Nachweis der Duktilität.

Das primäre Harz fungiert, um Stress zu übertragen und Fasern vor mechanischen und umweltbedingten Schäden zu schützen. Bei der Herstellung wird Druck ausgeübt, um squeeze-out so viel Harz wie möglich zur Erhöhung der Festigkeit des Materials. Es ist wichtig zu beachten, dass die einzelne Faser-Eigenschaften nicht die Eigenschaften des Komposits. Stattdessen sind Eigenschaften des Verbundwerkstoffes gemäß der Regel Mischungen, ein Ergebnis des Gewichts und der Mittelwert der Bestandteile.

Im nächsten Abschnitt führen wir einfache Spannung Tests auf ein Universal Prüfmaschine, Druck/Belastung Verhalten von Glas und Carbon GFK, zu vergleichen, und kümmert sich um richtig Vorbereitung der Proben um valide Ergebnisse zu erhalten.

Erhalten Sie 4 FRP Exemplaren. Zwei wird von einer unidirektionalen 0,5 Zoll E-Glas GFK Platte geschnitten werden in einer von acht Zoll Exemplare: eine in der Richtung der Fasern und eine senkrecht zu den Fasern. Die dritte Probe wird eine 0,25 Zoll Carbon GfK Bewehrung, und das vierte werden eine 0,25 Glas-GfK-Bewehrung. Die Bewehrung Exemplare sollten ungefähr 24 Zoll lang sein.

Bereiten Sie die FRP Bewehrung Exemplare vorab durch Einbetten von 12 Zoll der Enden in etwas größeren Runden und rechteckigen Stahlprofilen und füllen die leeren Räume mit hoher Festigkeit Epoxy. Lassen Sie mehrere Tage für die Heilung, nach den Epoxy-Spezifikationen.

Diese Art von End-Verbindung ist erforderlich, da die Kerben in konventionellen UTM Griffe werden das Harz zerstören und zu vorzeitigen Ende Fehlern führen. Gehen Sie auf die gleiche Weise wie die anderen Spannung Tests durch Einschalten der UTM und Initialisieren seiner Software. Dann legen Sie ein Exemplar in die Griffe und verriegeln Sie ihn.

Laden Sie die Probe in verschiebungssteuerung mit einer Rate von ungefähr 0,2 Zoll pro Minute. Wie die Probe beginnt zu versagen, Knackgeräusche zu hören und kleine Scherben, von der Probe zu fallen beginnt. Gefolgt durch einen explosiven Ausfall des Materials, das in eine faserige Struktur Blume trennt.

Hier ist die Spannungs-/Dehnungskurve für das E-Glas GFK Platte Exemplar in der Richtung der Holzfasern geladen werden. Aus diesem Diagramm können wir bestimmen die Maximalkraft, Zugfestigkeit und Dehnung und Elastizitätsmoduls berechnen. Diese Ergebnisse sind angemessen für ein Material bei 50 % E-Glas Faser Band zeigt im wesentlichen Liner Verhalten angegeben.

Dieses Diagramm zeigt das gleiche Material geladen senkrecht zur Richtung der Fasern. Wir sehen einen Rückgang der Maximalkraft, Zugfestigkeit, Dehnung und der Elastizitätsmodul. Beachten Sie, dass ein beträchtlicher Teil der Kraft, gemessen in dieses besondere Exemplar aus den Fasern in der äußeren Schutzschichten, in dem die Fasern nach dem Zufallsprinzip ausgerichtet sind. Der sehr große Unterschied zwischen den beiden Richtungen betont die Substitution der Materialeigenschaften. In diesem Fall haben wir ein Material, das stark in eine Richtung und in die andere schwach ist.

Fehler Oberflächen Zeugen davon, mit einem für die Fasern ausgerichtet längs zeigt zahlreiche gebrochene Fasern, und derjenige mit den Fasern ausgerichtet senkrecht zeigt die typische Oberfläche für ein Harz scheitern an einer Schnittstelle. Vergleicht man das Verhalten von GfK-Bewehrungsstäben, gibt es ein sehr signifikanter Unterschied in der Stärke und Elastizitätsmodul. Beide Werkstoffe Versagen unmittelbar nach ihrer maximalen Last tragen.

Der Unterschied zwischen der starken carbonstab FRP und weicher, aber weitaus duktile E-Glas, ist offensichtlich in diesem linearisierten Diagramm. Allerdings gibt es wenig Duktilität, wie sie zu einem Bruchteil der Belastung von Metallen wie Stahl a36 scheitern.

GfK-Materialien sind in einer Vielzahl von hoch-und Tiefbau-Anwendungen, einschließlich der ursprüngliche Bau und die Reparatur Anwendungen verwendet. Schauen wir uns ein paar häufige Verwendung von FVK.

GFK-Platten, Laminate und Bars können mit Harz imprägniert und vorgehärteten für den Einsatz im Feldeinsatz. FRP Balken und Platten sind leicht und korrosionsbeständig, so dass sie finden Anwendungen in Brückendecks und Parkhäuser, wo Enteisung rasche Verschlechterung der konventionellen Bars führt.

Viele marine Anwendungen verwenden auch GfK-Materialien für ihre Beständigkeit gegen Korrosion und Salz. FRP wird weitgehend in der Bootsbranche sowie für Marine Strukturen und Rohrleitungen verwendet.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Spannung Testen von faserverstärkten polymeren Werkstoffen oder FRPs beobachtet. Sie sollten nun die Komponenten der FVK und standard Labortests zur Bestimmung ihrer Stärke verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

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