Zasady doboru współczynników bezpieczeństwa konstrukcji z materiałów kompozytowych

• Autorzy: Bełzowski A.

Warianty tytułu

EN

Determination of safety factors in composite structures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono najważniejsze koncepcje określania współczynników bezpieczeństwa [delta] oraz odkształceń i naprężeń dopuszczalnych elementów konstrukcyjnych wykonanych z kompozytów polimerowych. Omówiono klasyczne podejście deterministyczne (tab. 1), w którym zaleca się minimalne wartości [delta] przyjmowane względem wytrzymałości doraźnej. Ta koncepcja nie sprzyja optymalizacji konstrukcji, a jej racjonalne stosowanie wymaga od konstruktora dobrej znajomości problematyki kompozytów. Przedyskutowano zastosowanie tego podejścia w konstruowaniu zbiorników wysokociśnieniowych. Drugą omówioną koncepcją jest określanie odkształceń dopuszczalnych względem progu uszkodzeń mikrostrukturalnych FPF. Jest ona bardziej racjonalna od pierwszej, ale w zastosowaniach innych niż chemoodporne może prowadzić do nadmiernych zapasów nośności. Trzecim przedstawionym podejściem jest określanie naprężeń dopuszczalnych na podstawie wytrzymałości długotrwałej. Podejście to prowadzi do rozwiązań bezpiecznych i niezawodnych, ale wiąże się z koniecznością przeprowadzania kosztownych prób wyznaczania wytrzymałości długotrwałej (rys. rys. 1 i 2). Czwartą omówioną koncepcją jest metoda współczynników cząstkowych wywodząca się z teorii niezawodności. Przedstawiono jej podstawy teoretyczne (zależności (3)-(7)) oraz przedyskutowano opisaną w literaturze propozycję stosowania do obliczeń konstrukcji budowlanych (wzór (8)). Wskazano kilka przykładów znaczących różnic koncepcji określania zapasu wytrzymałości odnoszących się do podobnych zastosowań.

EN

Discussed are various concepts of determining d safety factors and working strains/stresses in structural components made of polymer composites. First, the classic deterministic approach is presented (Table 1) which recommends minimum values of [delta] with respect to the short-term strength. This approach is not favourable to optimising attempts in the design process and presumes a designer to possess a considerable experience in a particular area of composite design and application. High-pressure vessels were chosen to show this approach in action. The second concept involves working strains as determined with respect to the threshold microstructural damage (FPF). The concept is shown to be more rational than the first one, but outside the chemically-resistant equipment it can produce designs with excessive load capacity. The third approach involves working stresses as determined with respect to the long-term strength. The resulting designs are safe and reliable, but the required reference tests are costly and time-consuming (Figs. 1,2). The fourth concept involves partial safety factors used earlier in the reliability theory. Some essential theory behind the concept is presented (formulas (3)-(7)) along with a particular implementation concerned with civil engineering structures (formula (8)). A few examples are presented of how the remaining life estimation may differ for a given design if various approaches are used.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt polimerowy; współczynnik bezpieczeństwa; materiał kompozytowy; konstrukcja

EN

polymer-matrix composite; safety factor; composite materials; construction

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2004
• Tom: R. 4, nr 12
• Strony: 396--403
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bełzowski A.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Wydziałowy Zakład Wytrzymałości Materiałów, ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] Mallinson J.H., Chemical plant design with reinforced plastics, Mc Graw Hill, 1969.
• [2] BS 4994 Specification for design and construction of vessels and tanks in reinforced plastics, 1987.
• [3] Bełzowski A., Błażejewski W., Zbiorniki wysokociśnieniowe z kompozytów polimerowych montowane w pojazdach oraz przenośne, Dozór Techniczny 2001, 3, 53-57.
• [4] Le Courtois T., PWR Composite Material Use: A Particular Case of Safety-Related Service Water Pipes, Proceedings of Enercomp 95, Technomic Pub., Montreal 1995, 835-843.
• [5] Eckold G., Design and manufacture of composite structures, Woodhead Publishing, 1994.
• [6] Mayer R.M., Design of composite structures against fatigue, Applications to wind turbine blades, Antony Rowe Ltd., 1996.
• [7] Karbhari M.V., Application of composite materials to the renowal of twenty-first centure infrastructure, Proceedings of ICCM-11, Gold Coast 1997, I-88 -107.
• [8] Guide for Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars, ACI Commitee 440, May 2000, 1-96.
• [9] Murphy J., The Reinforced Plastics Handbook, Elsevier Science Publishers, 1994.
• [10] Kozłowski J., Wilczopolski M., Wituszyński K., Konstrukcje okrętowe z kompozytów polimerowych, Wyd. Morskie, Gdańsk 1982.
• [11] NFT 57900, Réservoirs et appareils en matiéres plastiques renforcées. 1987.
• [12] ISO/DIS 11439, High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles. 1997.
• [13] prEN 12245, Transportable gas cylinders - Fully wrapped composite cylinder, CEN, 1997, 1-32.
• [14] prEN 12257, Transportable gas cylinders - Seamless, hoop wrapped composite cylinders. CEN, 1997, 1-25.
• [15] Eckold G., A design method for filament wound GRP pressure vessels and pipework, Composites 1985, 16, 1, 41-47.
• [16] Quinn J.A., Composites - Design Manual, Ed. 3, James Quinn Associates Ltd, 2002.
• [17] BS 7159 Code of practice for design and construction of glass-reinforced plastic piping systems, 1989. [
• [18] Reifsnider K.L., Case S., Xu Y.L., A micro-kinetic approch to durability analysis: The critical element method, Progress in Durability Analysis of Composite Systems, Cardon, Fukuda, Reifsnider, Balkema 1996, 3-11.
• [19] ASTM D 2992 (1991): Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for „Fiberglass” (Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin) Pipe and Fittings.
• [20] Bełzowski A., Krawczak P., Pabiot J., Zagadnienie wytrzymałości długotrwałej rur z kompozytów polimerowych, Dozór Techniczny 2000, 2, 188, 31-36.
• [21] Bełzowski A., Metody oceny wytrzymałości długotrwałej kompozytów żywicznych stosowanych w budowie rurociągów ciśnieniowych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2003, 9, 308-313.
• [22] ASME B31.3, Chemical Plant and Petroleum Rafinery Piping, 1993.
• [23] Materiały firmy Wavistrong, http://futurpipe.com/products/ wavistrong/engineering Guide/sectionTwo/II7.html. 2003
• [24] Zako M., Kurashiki S., Hanaki S., On statistical method for evaluation of the fatigue test data for composite materials, Proceedings of ICCM-13, ID-1251, Pekin 2001, CD.
• [25] Kong C.D., Bang J.H., Jeong J.C., Kang M.H., Jeong S.H., Yoo J.Y., Structural design of medium scale composite wind turbine blade. Proceedings of ICCM-13, ID-1026, Pekin 2001, CD.
• [26] Bełzowski A., Efekt wielkości w materiałach kompozytowych, Stan zagadnienia, Górnictwo Odkrywk. 2003, 4-5, 25-29.
• [27] Biegus A., Podstawy probabilistycznej analizy bezpieczeń- stwa konstrukcji, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996.
• [28] Murzewski J., Niezawodność konstrukcji inżynierskich, Arkady, Warszawa 1989.
• [29] Urząd Dozoru Technicznego, Warunki techniczne dozoru technicznego, Stałe zbiorniki ciśnieniowe z tworzyw sztucznych, DT-UC-90/ZT, 1-37.
• [30] Karbhari V.M., Determination of materials design values for the use of fibre-reinforced polymer composites in civil infrastructure, Proc. Instn. Mech. Eng., 214, Part L, J. of Materials: Design & Applications, 2000, 163-171.