Experimental investigation on thin-walled steel sigma beams restrained with CFRP textiles

• Autorzy: Dybizbański Maciej Adam , Rzeszut Katarzyna , Pasternak Hartmut

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.154114

Warianty tytułu

PL

Badania eksperymentalne na stalowych cienkościennych belkach typu sigma wzmocnionych tkaninami CFRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Until now, CFRP was used to reinforce steel sections or to extend the service life in the event of fatigue. Now, the aim of the investigations is to find out whether CFRP can be used to convert an open, thin-walled Sigma steel profile into a closed one in certain areas. The tests were carried out on 16 samples, including reference beams (unreinforced) and three different reinforcement solutions as well as two different cross-sections. The experiments included two stages. Both stages used forked supports at each end of the beam, but stage II also blocked the possibility of cross-sectional warping. The laboratory tests used the ARAMIS system and the Artec Leo 3D scanner. The comparative analysis was carried out between vertical and horizontal displacements. In addition, global and local force-displacement diagrams were developed. The proposed reinforcement method can have a significant effect on increasing the load-bearing capacity of thin-walled steel beams with slender cross-sections, which tend to distort in the form of section opening.

PL

Badanie miało na celu sprawdzenie, czy tkanina CFRP może być używana do zamknięcia profilu cienkościennej belki stalowej typu sigma w wybranych obszarach. Testy przeprowadzono na 16 próbkach, obejmując belki referencyjne (niewzmocnione) i trzy różne rozwiązania wzmocnienia, a także dwa różne przekroje poprzeczne. Testy obejmowały dwa etapy, z użyciem podpór widełkowych na obu końcach belki. W etapie II zablokowano dodatkowo możliwość deplanacji przekroju poprzecznego. Testy laboratoryjne wykorzystywały między innymi system ARAMIS i skaner 3D Artec Leo. Analizowano porównawczo przemieszczenia pionowe i poziome oraz opracowano wykresy siły-przemieszczenia globalne i lokalne. Metoda wzmocnienia może istotnie zwiększyć nośność cienkościennej belki stalowej o przekroju poprzecznym w postaci litery Sigma, które mają tendencję do deformacji w postaci otwarcia przekroju. Belki poddano testom w układzie czteropunktowego zginania. Tkanina CFRP (Sika Wrap 230C) była przyklejana do belki klejem SikaDur 330. Testy przeprowadzono przy użyciu maszyny wytrzymałościowej INSTRON 8505. Pomiary przemieszczeń były synchronizowane z przyrostem obciążenia z maszyny wytrzymałościowej i prezentowane w postaci filmów i wykresów za pomocą systemu pomiarowego ARAMIS. Propozycja wzmocnienia belki cienkościennej stali za pomocą tkanin CFRP może istotnie zwiększyć jej nośność. Szczególnie dla belki o smukłym przekroju, która ma tendencję do deformacji w postaci otwarcia przekroju. Metoda ta jest łatwa w aplikacji i ma minimalny wpływ na zwiększenie masy konstrukcyjnej elementu. Dodatkowe badania są jednak potrzebne w celu opracowania precyzyjnych wytycznych dotyczących zastosowania tej metody.

Słowa kluczowe

EN

adhesive connection; CFRP textile; cold-formed steel; open-closed cross-section; thin-walled beam

PL

belka cienkościenna; połączenie klejone; przekrój otwarto-zamknięty; stal zimnogięta; tkanina CFRP

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 2
• Strony: 159--175
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Dybizbański Maciej Adam

• Poznan University of Technology, Faculty of Civil and Transport Engineering, Poznan, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9861-119X

autor

Rzeszut Katarzyna

• Poznan University of Technology, Faculty of Civil and Transport Engineering, Poznan, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7134-608X

autor

Pasternak Hartmut

• Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, Institute of Civil and Structural Engineering, Cottbus, Germany

• https://orcid.org/0000-0003-0473-0302

Bibliografia

• [1] S. Bartholomé, et al., “Bonded CFRP lamellae reinforced steel members”, Adhäsion KLEBEN & DICHTEN, vol. 60, no. 9, pp. 42-49, 2016, doi: 10.1007/s35145-016-0039-6 (in German).
• [2] D. Guo, Y.-L. Liu, W.-Y. Gao, and J.-G. Dai, “Bond behavior of CFRP-to-steel bonded joints at different service temperatures: Experimental study and FE modeling”, Construction and Building Materials, vol. 362, art. no. 129836, 2023, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129836.
• [3] D. Guo, H.-P. Wang, Y.-L. Liu, W.-Y. Gao, and J.-G. Dai, “Structural behavior of CFRP-strengthened steel beams at different service temperatures: Experimental study and FE modeling”, Engineering Structures, vol. 293, art. no. 116646, 2023, doi: 10.1016/j.engstruct.2023.116646.
• [4] Y. Doroudi, D. Fernando, A. Hosseini, and E. Ghafoori, “Behavior of cracked steel plates strengthened with adhesively bonded CFRP laminates under Fatigue Loading: Experimental and Analytical Study”, Composite Structures, vol. 266, art. no. 113816, 2021, doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113816.
• [5] Y. Kasper, et al., “Application of carbon fibre composite materials for the rehabilitation of fatigue damaged steel structures”, in Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications. CRC Press, 2019, pp. 2148-2153, doi: 10.1201/9780429426506-370.
• [6] A. Kale, P. Zhang, and S. Soghrati, “Effect of pre-existing microstructural damage and residual stresses on the failure response of carbon fiber reinforced polymers”, International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 147, art. no. 104248, 2022, doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2022.104248.
• [7] A. Skiadopoulos, A. de Castro e Sousa, and D. G. Lignos, “Experiments and proposed model for residual stresses in hot-rolled wide flange shapes”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 210, art. no. 108069, 2023, doi: 10.1016/j.jcsr.2023.108069.
• [8] S. Lu, et al., “Effect of residual stress in gradient-grained metals: Dislocation dynamics simulations”, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 256, art. no. 108518, 2023, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108518.
• [9] D. Kollár, I. Völgyi, and A.L. Joó, “Assessment of residual stresses in welded T-joints using contour method”, Thin-Walled Structures, vol. 190, art. no. 110966, 2023, doi: 10.1016/j.tws.2023.110966.
• [10] G.J. Hancock, “Cold-formed steel structures”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 59, no. 4, pp. 473-487, 2003, doi: 10.1016/S0143-974X(02)00103-7.
• [11] K. Rzeszut, I. Szewczak, P. Różyło, and M. Guminiak, “Impact of numerical modelling of kinematic and static boundary conditions on stability of cold-formed sigma beam”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 311-323, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145269.
• [12] L. Tong, Q. Yu, and X.-L. Zhao, “Experimental study on fatigue behavior of butt-welded thin-walled steel plates strengthened using CFRP sheets”, Thin-Walled Structures, vol. 147, art. no. 106471, 2020, doi: 10.1016/j.tws.2019.106471.
• [13] A. Bastani, S. Das, and S. Kenno, “Rehabilitation of thin walled steel beams using CFRP Fabric”, Thin-Walled Structures, vol. 143, art. no. 106215, 2019, doi: 10.1016/j.tws.2019.106215.
• [14] P.V. Nhut and Y. Matsumoto, “Experimental analytical and theoretical investigations of CFRP strengthened thin-walled steel plates under shear loads”, Thin-Walled Structures, vol. 155, art. no. 106908, 2020, doi: 10.1016/j.tws.2020.106908.
• [15] I. Szewczak, K. Rzeszut, and P. Rozylo, “Structural behaviour of steel cold-formed sigma beams strengthened with bonded steel tapes”, Thin-Walled Structures, vol. 159, art. no. 107295, 2021, doi: 10.1016/j.tws.2020.107295.
• [16] L. Hu, X. Liang, P. Feng, and H.-T. Li, “Temperature effect on buckling behavior of prestressed CFRP-reinforced steel columns”, Thin-Walled Structures, vol. 188, art. no. 110879, 2023, doi: 10.1016/j.tws.2023.110879.
• [17] M.R. Bambach, H.H. Jama, and M. Elchalakani, “Axial capacity and design of thin-walled steel SHS strengthened with CFRP”, Thin-Walled Structures, vol. 47, no. 10, pp. 1112-1121, 2009, doi: 10.1016/j.tws.2008.10.006.
• [18] L. Hu, P. Feng, W. Gao, and Y. Wang, “Flexural behavior of light steel purlins reinforced by prestressed CFRP laminates”, Thin-Walled Structures, vol. 174, art. no. 109125, 2022, doi: 10.1016/j.tws.2022.109125.
• [19] Y. Chen, M. Yuan, H. Wang, R. Yu, and L. Hua, “Progressive optimization on structural design and weight reduction of CFRP Key Components”, International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, vol. 6, no. 1, pp. 59-71, 2023, doi: 10.1016/j.ijlmm.2022.07.001.
• [20] M.A. Dybizbański and K. Rzeszut, “Badania laboratoryjne wzmacnianych belek stalowych cienkościennych typu sigma za pomocą tkanin CFRP z zastosowaniem bezdotykowych metod optycznych”, Przegląd Budowlany, vol. 94, no. 7-8, pp. 111-116, 2023, doi: 10.5604/01.3001.0053.8501.
• [21] K. Rzeszut and M.A. Dybizbański, “Structural behavior of sigma-type thin-walled cold-formed steel beams reinforced with CFRP textile”, ce/papers, vol. 6, no. 3–4, pp. 11-15, 2023, doi: 10.1002/cepa.2747.
• [22] J. Jönsson, “Distortional theory of thin-walled beams”, Thin-Walled Structures, vol. 33, no. 4, pp. 269-303, 1999, doi: 10.1016/S0263-8231(98)00050-0.