Mechanical properties of hybrid FRP bars and nano-hybrid FRP bars

• Autorzy: Szmigiera E. D. , Protchenko K. , Urbański M. , Garbacz A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2019-0007

Warianty tytułu

PL

Właściwości mechaniczne hybrydowych oraz nano-hybrydowych prętów FRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes the recent developments of Hybrid Fibre-Reinforced Polymer (HFRP) and nano-Hybrid Fibre-Reinforced Polymer (nHFRP) bars manufactured using the pultrusion process. Hybridization of less expensive basalt fibres with carbon fibres leads to more sustainable alternative to Basalt-FRP (BFRP) bars and more economically-efficient alternative to Carbon-FRP (CFRP) bars. At the same time the properties of the proposed bars can be modified by changing the bars configuration. The New-Developed HFRP bars were subjected to tensile axial loading to investigate its structural behaviour. The effect of hybridization on tensile properties of HFRP bars was verified experimentally by comparing the results of tensile test of HFRP bars with non-hybrid BFRP bars. It is possible to improve and predict the final mechanical characteristics of HFRP bars through mechanical hybridization of constituents and their volume fractions before it will be produced. The analytical/numerical considerations and experimental testing showed the same tendency in obtained results. In pre-manufacturing phase it was set that for the final mechanical properties, the influence of bar configuration is less important than the influence of different volume fractions of fibres. In addition, it was assumed that the preferable location of carbon fibres will be in the core region due to technological problems. It is worth to mention that the difference in obtained strength characteristics between analytical and numerical considerations was very small, however the obtained results were much higher than results obtained experimentally. Authors suggested that lower results obtained experimentally can be explained by imperfect interphase development and therefore attempted to improve the chemical cohesion between constituents by adding nanosilica particles to matrix consistency.

PL

W artykule zostały przedstawione najnowsze postępy w zakresie zachowania mechanicznego hybrydowych prętów FRP (HFRP) oraz nano-hybrydowych (nHFRP) produkowanych w procesie pultruzji. Hybrydyzacja włókien bazaltowych z włóknami węglowymi prowadzi do bardziej zrównoważonej alternatywy dla prętów na bazie włókien bazaltowych (BFRP) i bardziej ekonomicznej alternatywy dla prętów FRP na bazie włókien węglowych (CFRP). Jednocześnie właściwości proponowanych prętów można modyfikować zmieniając ich konfigurację. Nowo opracowane pręty HFRP poddano obciążeniu osiowemu przy rozciąganiu, aby zbadać jego zachowanie strukturalne. Wpływ hybrydyzacji na właściwości mechaniczne prętów HFRP zweryfikowano doświadczalnie, porównując wyniki próby rozciągania prętów HFRP z niehybrydowymi prętami BFRP. Możliwa jest poprawa i przewidywanie końcowych właściwości mechanicznych prętów HFRP poprzez mechaniczną hybrydyzację składników i ich udziałów objętościowych przed ich wyprodukowaniem. Analityczne i numeryczne rozważania oraz badania eksperymentalne wykazały tę samą tendencję w uzyskanych wynikach. W fazie przedprodukcyjnej ustalono, że dla końcowych właściwości mechanicznych wpływ konfiguracji pręta jest mniej ważny niż wpływ różnych udziałów objętościowych włókien. Ponadto założono, że preferowane położenie włókien węglowych będzie zaproponowane bliżej rdzenia prętów ze względu na problemy technologiczne. Warto wspomnieć, że różnica w uzyskanych charakterystykach wytrzymałościowych między rozważaniami analitycznymi i numerycznymi była bardzo mała, jednak uzyskane wyniki były znacznie wyższe niż wyniki uzyskane eksperymentalnie. Autorzy sugerują, że niższe wyniki uzyskane eksperymentalnie można wyjaśnić niedoskonałym rozwojem interfazy i dlatego próbowano poprawić spójność chemiczną między składnikami przez dodanie cząstek nanokrzemionki do konsystencji matrycy.

Słowa kluczowe

EN

fibre-reinforced polymer; FRP; bar; hybrid FRP; HFRP; nano-HFRP; nHFRP; composite reinforcement; finite element analysis; FEA

PL

polimer wzmocniony włóknami; FRP; pręt; FRP hybrydowy; HFRP; nano-HFRP; nHFRP; zbrojenie kompozytowe; analiza elementów skończonych; MES

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 65, nr 1
• Strony: 97--110
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Szmigiera E. D.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Protchenko K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Urbański M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Garbacz A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. American Concrete Institute (ACI). Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with FRP bars. ACI: Farmington Hills, USA, 2006; ISBN 9781942727101.
• 2. American Concrete Institute (ACI). Guide test methods for fiber reinforced polymers (FRPs) for reinforcing or strengthening concrete structures. ACI: Farmington Hills, USA, 2006; ISBN 9780870317811.
• 3. American Concrete Institute (ACI). Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement, Farmington Hills, Reapproved 2017, ISBN 9780870312885.
• 4. American Society of Civil Engineers (ASCE). Recommended Practice for Fiber-Reinforced Polymer Products for Overhead Utility Line Structures. ASCE: Reston, USA, 2003; ISBN 9780784470954.
• 5. ANSYS® Academic Research Mechanical, Release 16.2, Help System, Coupled Field Analysis Guide, ANSYS, Inc.
• 6. C.E. Bakis, A. Nanni, J.A. Terosky, S.W. Koehler, “Self-Monitoring, Pseudo-Ductile, Hybrid FRP Reinforcement Rods for Concrete Applications”, Composites Science and Technology, Vol. 61 No. 6, pp. 815- 823, 2001
• 7. R.V. Balendran, T.M. Rana, T. Maqsood, W.C. Tang, “Application of FRP bars as reinforcement in civil engineering structures” Structural Survey Vol. 20 No. 2, pp. 62-72, 2002.
• 8. E.J. Barbero, “Introduction to composite materials design, 2nd ed.”, Taylor & Francis Group: Boca Raton, USA, pp. 91-100, 2011.
• 9. J.W. Baur, C. Chen, R.S. Justice, D.W. Schaefer, “Highly dispersed nanosilica-epoxy resins with enhanced mechanical properties”, Polymer, Vol. 49, pp. 3805-3815, 2008.
• 10. T. Black, R. Kosher, “Non Metallic Materials: Plastic, Elastomers, Ceramics and Composites”, In Materials and Processing in Manufacturing, 10th ed.; John Wiley & Sons, USA, pp 162-194, 2008.
• 11. H.C. Boyle, V.M. Karbhari, “Investigation of Bond Behavior between Glass Fiber Composite Reinforcements and Concrete”, Journal of Polymer-Plastics Technology and Engineering, 34 (5), pp. 697-720, 1994.
• 12. Canadian Standard Association (CSA), Canadian Highway Bridge Design Code (CAN/CSA S6-14). Rexdale, ON, Canada, 2014.
• 13. Canadian Standard Association (CSA). Design and Construction of Building Structures with Fibre Reinforced Polymers (CAN/CSA S806-12). Rexdale, ON, Canada, 2012.
• 14. Canadian Standard Association (CSA). Test Method for Tensile Properties of FRP Reinforcement; CSA: Ontario, Kanada, 2002.
• 15. H.N. Dhakal, Z.Y. Zhang, R. Guthrie, J. MacMullen, N. Bennett, “Development of flax/carbon fibre hybrid composites for enhanced properties”, Carbohydrate Polymers, Vol. 96, pp. 1-8, 2013.
• 16. F. Elgabbas, E. Ahmed, B. Benmokrane “Physical and Mechanical Characteristics of New Basalt-FRP Bars for Reinforcing Concrete Structures”, Journal of Construction and Building Materials, Vol. 95, pp. 623-635, 2015.
• 17. F. Elgabbas, E.A. Ahmed, B. Benmokrane, “Flexural behaviour and bond-dependent coefficient of basalt FRP bars in concrete beams”, Resilient Infrastructure, June 1-4, STR-823-1, 2016.
• 18. T.A. Elsayed, A. Eldaly, A. El-Hefnawy, ”Ghanem G. Behaviour of concrete beams reinforced with hybrid fiber reinforced bars”, Advanced Composite Materials,Vol. 20 No. 3, pp. 245-259, 2011.
• 19. A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, In International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018). Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, 1st ed.; M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb; Springer, Volume 1, pp. 653-658, Washington, USA,2018.
• 20. A. Garbacz, M. Urbański, A. Łapko, ”BFRP bars as an alternative reinforcement of concrete structures - Compatibility and adhesion issues”, Advanced Materials Research, vol. 1129, pp. 233-241, 2015.
• 21. P.R. Head, “The world’s first advanced composite road bridge”. In Developments in short and medium span bridge engineering, Symposium on short and medium span bridges, Calgary, Canada, 1994.
• 22. L.C. Hollaway, “Head Advanced polymer composites and polymers in the civil infrastructure” Elsevier: Amsterdam, Holland, pp. 302-310, 2001.
• 23. L.C. Hollaway, “Polymer composites for civil and structural engineering”, Blackie Academic and Professional: Glasgow, Great Britain, pp. 12-62, 1993.
• 24. M. Jawaid, H.P.S. Abdul Khalil, “Cellulosic/synthetic fibre reinforced polymer hybrid composites: A review”, Carbohydrate Polymers, Vol. 86, pp. 1-18, 2011.
• 25. T. Jesionowski, R. Pilawka, ”Kompozycje epoksydowe z krzemionką”, Kompozyty, Vol. 9 No. 2, pp. 112-116, 2009.
• 26. T. Jesionowski, R. Pilawka, “Kompozyty epoksydowe z krzemionką sieciowane 1-etylomimidazolem” [Epoxy composites with silica crosslinked with 1-ethylimidazole]. Kompozyty 2011, Vol. 11 No. 1, pp. 14-17.
• 27. G.A. Kashwani, A.K. Al-Tamimi, “Evaluation of FRP bars performance under high temperature”, Physics Procedia, Vol. 55, pp. 296-300, 2014.
• 28. A. Łapko, M. Urbański, ”Experimental and theoretical analysis of deflections of concrete beams reinforced with basalt rebar”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. 15 No. 1, pp. 223-230, 2015.
• 29. T. Ovitigala, “Structural Behavior of Concrete Beams Reinforced with Basalt Fiber Reinforced Polymer(BFRP) Bars”, PhD Thesis, University of Illinois, Chicago, USA, 2012.
• 30. K. Protchenko, E. D. Szmigiera,, M. Urbański & A. Garbacz, ”Development of Innovative HFRP Bars”, MATEC Web of Conferences, 196, pp. 1-6, 2018. http://doi.org/10.1051/matecconf/201819604087
• 31. K. Protchenko, J. Dobosz, M. Urbański, A. Garbacz, ”Wpływ substytucji włókien bazaltowych przez włókna węglowe na właściwości mechaniczne prętów B/CFRP (HFRP)”, [EN: Influence of substitution of basalt fibres by carbon fibres on mechanical properties of B/CFRP (HFRP)] Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, Vol. 63 No. 1/1, pp. 149-156, 2016.
• 32. K. Protchenko, M. Włodarczyk, E.D. Szmigiera, ”Investigation of Behavior of Reinforced Concrete Elements Strengthened with FRP”, Procedia Engineering, Vol. 111, pp. 679-686, 2015.
• 33. D.N. Saheb; J.P. Jog, “Natural fiber polymer composites: A review”, Advances in Polymer Technology, Vol. 18, pp. 351-363, 1999.
• 34. E. D. Szmigiera, M. Urbański, K. Protchenko, ”Strength Performance of Concrete Beams Reinforced with BFRP Bars”, In International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018). Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, 1st ed.; M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb; Springer, Volume 1, pp. 667-674, Washington, USA, 2018.
• 35. M. Urbański, A. Łapko, A. Garbacz, “Investigation on Concrete Beams Reinforced with Basalt Rebars as an Effective Alternative of Conventional R/C Structures”, Procedia Engineering 2013, Vol. 57, pp. 1183-1191.
• 36. W. Voigt, “Uber die beziehung zwischen den beiden elasticitatsconstanten isotroperkorper”. Annals of Physics, Vol. 274 No. 12, pp. 573-587, 1889.
• 37. B. Wei, H. Cao, S. Song, “Environmental Resistance and Mechanical Performance of Basalt and Glass Fibers”, Journal of Materials Science and Engineering: Part A, Vol. 527, pp. 4708-4715, 2010.
• 38. S. Yehia, G. Kashwani, ”Performance of Structures Exposed to Extreme High Temperature - An Overview”, Open Journal of Civil Engineering, Vol. 3 No. 3, pp. 154-161, 2013.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).