Соотношение стекла и железа

Дата: 26 июля 2022 г.

Предыдущие исследования показали, что стеклянные балки с внешним механическим постнапряжением по краям демонстрируют лучшие структурные характеристики, чем стеклянные балки без такого усиления. Несущую способность стеклянных балок на начальном этапе и после разрушения можно увеличить, укрепив их армированными нитями из нержавеющей стали или армированного волокном пластика (FRP), которые подвергаются дополнительному натяжению и соединяются с краями балки. Однако последующее натяжение стержней или полос из нержавеющей стали или стеклопластика является сложным и трудным, поскольку часто требует специальных установок, таких как гидравлические домкраты.

Сплавы с памятью формы на основе железа (Fe-SMA) являются многообещающими материалами для последующего натяжения благодаря эффективной процедуре активации и хорошим механическим свойствам. Целевой уровень предварительного напряжения может быть достигнут путем нагревания Fe-SMA до определенной температуры с последующим естественным охлаждением до температуры окружающей среды. В качестве вклада в оценку возможности усиления стеклянных элементов с помощью клеевых полос Fe-SMA, в этой статье основное внимание уделяется поведению соединения стекла с Fe-SMA внахлестку на сдвиг на основе численных исследований. Разработана модель конечных элементов для оценки влияния толщины клея, толщины ленты Fe-SMA и длины соединения на структурное поведение стекла в соединениях Fe-SMA, сдвигающихся внахлест.

За последние десятилетия стекло все чаще применяется для изготовления конструктивных элементов, таких как балки и ребра. Конструктивное использование стекла затруднено из-за отсутствия возможностей перераспределения концентрации напряжений, что приводит к хрупкому разрушению. Для выполнения требований безопасности при проектировании со стеклом необходимо уделять особое внимание состоянию разрушения и состоянию после разрушения. В большинстве случаев для решения этих проблем используется многослойное безопасное стекло. Однако несущая способность многослойного стекла после первоначального разрушения значительно ниже его несущей способности в неповрежденном состоянии и приводит к проектным положениям, учитывающим принципиально хрупкий режим разрушения, без перераспределения напряжений и пластичности конструкции.

За последние годы было разработано несколько концепций постнапряженных стеклянных балок для улучшения характеристик стеклянных балок как до, так и после разрушения стекла. Нержавеющая сталь (например, Firmo et al. 2020) и армированный волокном пластик (FRP) (например, Bedon and Louter 2016) использовались в качестве элементов армирования или последующего натяжения стеклянных балок, часто соединенных с краями балок. Однако методы предварительного напряжения нержавеющей стали и стеклопластика обычно трудоемки, часто требуют специальных средств, таких как гидравлические домкраты, для приложения напряжения и, следовательно, влекут за собой сложную и трудоемкую детализацию на концах элементов. Сплавы с памятью формы на основе железа (Fe-SMA) являются перспективными материалами для постнапряжения благодаря их эффективной и достаточно простой процедуре активации.

Требуемый уровень предварительного напряжения может быть достигнут путем нагревания предварительно напряженного Fe-SMA до определенной целевой температуры с последующим естественным охлаждением до температуры окружающей среды. Например, приблизительное предварительное напряжение 360 МПа можно получить при температуре активации 160 °C (Ванг и др., 2021). Успешное применение Fe-SMA для усиления бетонных и стальных конструкций (например, Изади и др., 2018), а также его эффективность и довольно низкая стоимость (Хоссейни и др., 2019) указывают на то, что Fe-SMA может быть многообещающим кандидатом для усиления конструкционные стеклянные элементы.

Однако механическое торцевое крепление, используемое в настоящее время для систем упрочнения Fe-SMA (Хоссейни и др., 2019), может привести к концентрации напряжений в стеклянных элементах. Недавно авторы провели экспериментальное исследование, которое показывает большой потенциал адгезионного соединения в упрочняющих системах Fe-SMA. Таким образом, клеевое соединение считается более привлекательным решением для крепления концевых соединений Fe-SMA на стеклянных элементах.

Клеи, как правило, являются самыми слабыми и наиболее важными компонентами клеевых систем. Следовательно, в первую очередь необходимо определить клеи с подходящим поведением для приклеивания Fe-SMA к стеклу. Несмотря на то, что существуют различные исследования поведения различных клеев в соединениях стекло-сталь (например, Cupac et al. 2021) и стекло-FRP (например, Cagnacci et al. 2021), и полученные знания могут быть применимы, соединение стекло-Fe-SMA Необходимо также исследовать соединения, чтобы оценить их прочность и характеристики соединения. Анализ прочности клея и отказов является сложной задачей из-за сложных свойств материала и поведения соединения. Метод конечных элементов (КЭ), основанный на подходах механики сплошной среды, является типичным методом анализа характеристик клеевых соединений.