Comportement en flexion des poutres en acier endommagées renforcées à l'aide de fibre de carbone

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10134 (2022) Citer cet article

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Cet article présente les résultats d'essais et d'analyse par éléments finis d'une étude sur le comportement en flexion de poutres en acier endommagées renforcées avec des feuilles de polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP). Les résultats des essais ont montré que la charge d'élasticité, la charge ultime et la rigidité élastique des poutres en acier avec une perte de 100 % de la semelle de tension étaient supérieures de 68,3 %, 73,8 % et 13,5 % à la charge d'élasticité, à la charge ultime et à la rigidité élastique de la poutre en acier avec une perte de 28 % de l'âme après chargement statique. La charge d'élasticité et la rigidité élastique de la poutre en acier après surcharge étaient de 8,7 % et 24,5 % supérieures à la charge d'élasticité et à la rigidité élastique de la poutre en acier sans surcharge. Le niveau de dommage a eu un effet significatif sur la charge d'élasticité, la capacité portante ultime et la rigidité élastique des poutres en acier, que les poutres en acier soient soumises à une charge statique ou à une surcharge. La poutre en acier endommagée pourrait être réparée par des feuilles de CFRP, les couches accrues de feuilles de CFRP pourraient améliorer la charge d'élasticité, la capacité portante ultime et la rigidité élastique des poutres en acier, et les contraintes des feuilles de CFRP diminueraient en raison de la surcharge. Les résultats de l'analyse numérique ont montré que par rapport à la poutre en acier sans surcharge, la déflexion et les déformations de la poutre en acier après surcharge étaient beaucoup plus faibles. La charge d'élasticité et la rigidité élastique ont augmenté avec l'augmentation de l'amplitude de surcharge, et l'augmentation du nombre de surcharge pourrait réduire la charge d'élasticité et la rigidité élastique. Toutes les charges d'élasticité des poutres en acier après surcharge étaient supérieures aux charges d'élasticité des poutres en acier sans surcharge, mais les capacités portantes ultimes étaient plus petites.

L'un des principaux défis auxquels est confrontée la communauté du génie civil aujourd'hui est l'allongement de la durée de vie des structures en acier dégradées. Le remplacement des structures dégradées n'est souvent pas réalisable, et leur réparation à l'aide de matériaux conventionnels est inefficace en termes de coût, d'impacts sociaux et environnementaux et de durabilité. Certaines structures sont toujours utilisées en surcharge, dans lesquelles la charge de service est supérieure à 70% de la charge ultime de la structure. Ces dernières années, une nouvelle méthode pour réparer les structures en acier endommagées a consisté à utiliser des feuilles de polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP). Les feuilles de CFRP ont des propriétés matérielles et mécaniques uniques, telles qu'un faible poids propre, une résistance et une rigidité élevées et une bonne durabilité. Les feuilles de CFRP peuvent être collées à l'époxy sur la face de tension des éléments endommagés pour restaurer ou améliorer la capacité portante ultime des éléments en acier. Au cours des dernières années, de nombreuses études ont été menées sur la réparation et la modernisation d'éléments en acier avec des matériaux polymères renforcés de fibres (FRP) liés à l'époxy. Colombi et Poggi1 ont étudié un programme expérimental et numérique pour caractériser le comportement statique du renforcement des poutres en acier par des bandes de CFRP pultrudées. L'objectif principal du programme expérimental était l'évaluation du mécanisme de transfert de force, l'augmentation de la capacité de charge et la rigidité en flexion. L'utilisation des bandes CFRP pultrudées nous a également permis de valider différents modèles analytiques et numériques pour l'analyse statique des poutres renforcées. Bocciarelli2 a présenté une approche simple pour évaluer la réponse de poutres en acier déterminées statiquement renforcées par des plaques de polymère renforcées de fibres de carbone dans le régime élastique-plastique. La solution proposée n'était valable qu'à une certaine distance des extrémités du ferraillage où la réponse de l'ouvrage n'était pas influencée par les effets locaux dus à l'arrêt brutal du ferraillage. Sugiura et al.3 ont présenté l'applicabilité de l'adhérence CFRP pour la réparation des éléments en acier corrodés. Le comportement au pelage du CFRP a été étudié expérimentalement lors d'essais de traction et de flexion d'éléments en acier avec du CFRP collé. Sur la base des résultats expérimentaux, la méthode de conception permettant de déterminer le volume requis et la longueur de liaison du CFRP et de vérifier le pelage du CFRP de l'acier a été donnée. Wu et al.4 ont étudié le comportement à la fatigue de poutres en acier artificiellement entaillées renforcées avec quatre types de matériaux différents testés sous une rigidité en traction équivalente. Les résultats des tests ont montré que l'application d'une plaque composite renforcée de fibres pouvait non seulement retarder l'initiation des fissures, diminuer le taux de croissance des fissures et prolonger la durée de vie à la fatigue, mais également réduire la dégradation de la rigidité et la déflexion résiduelle. Yu et al.5 ont étudié l'efficacité des plaques CFRP pour prolonger la durée de vie en fatigue des structures en acier. Les résultats expérimentaux ont montré que les patchs CFRP pouvaient efficacement ralentir la croissance des fissures, prolonger la durée de vie à la fatigue et le renforcement tardif à un niveau de dommage plus important avaient tendance à entraîner une extension plus significative de la durée de vie restante à la fatigue. Bocciarelli et Colombi6 ont présenté une approche simple pour calculer la réponse élastoplastique d'une poutre en acier renforcée avec une lame en CFRP. La principale conclusion était qu'une section renforcée devait atteindre une grande courbure pour développer sa résistance au moment de flexion ultime, et pour cette raison, il était nécessaire d'utiliser des raidisseurs pour éviter les problèmes d'instabilité locale à la fois dans l'âme et dans les semelles. Hmidan et al.7 ont rapporté le comportement en pointe de fissure de poutres en acier à larges ailes W4 × 13 renforcées avec des tôles CFRP. Les résultats ont montré que les propriétés du CFRP, telles que le nombre de couches et le module, influençaient la plasticité en pointe de fissure des poutres renforcées. Colombi et al.8 ont réalisé des essais de fatigue sur des plaques d'acier fissurées (éprouvettes à un seul bord) renforcées par des bandes collées d'un seul côté. Les résultats ont montré que les matériaux CFRP collés autour de la zone de pointe prolongeaient la durée de vie des éléments en acier endommagés d'un facteur d'environ 3. Ghafoori et Motavalli9 ont étudié expérimentalement et numériquement le flambement par torsion latérale (LTB) des poutres en acier renforcées par des stratifiés CFRP de module normal (NM). Il a été démontré que l'augmentation de la précontrainte dans le stratifié CFRP n'augmente pas toujours la résistance au flambement des poutres en acier minces modernisées. Wang et al.10 ont utilisé des feuilles de CFRP et des feuilles de CFRP précontraintes pour réparer les poutres composites acier-béton. Les résultats ont montré que les plaques CFRP n'avaient aucun effet significatif sur les charges d'élasticité des poutres composites renforcées, mais avaient un effet significatif sur les charges ultimes. Colombi et Fava11 ont étudié neuf poutres en acier fissurées renforcées de PRFC sous une charge de fatigue. Les résultats expérimentaux ont révélé la présence d'une zone décollée entre l'armature et le substrat en acier à l'emplacement de la fissure. Le décollement a clairement eu un effet néfaste sur l'efficacité du renforcement. Gholami et al.12 ont évalué les performances de poutres en acier à section en I renforcées avec des plaques de CFRP pultrudées sur la semelle inférieure après exposition à diverses conditions, y compris le climat tropical naturel, les cycles humides/secs, l'eau ordinaire, l'eau salée et une solution acide. L'étude a révélé que la couche adhésive était la partie critique et que les performances du système étaient directement liées au comportement et à la ductilité de toutes les poutres renforcées augmentant après l'exposition. Aljabar et al.13 ont étendu les connaissances actuelles sur le renforcement CFRP des éléments en acier sous chargement de fatigue en traction au cas d'un chargement mixte de traction et de cisaillement. Un phénomène de déplacement a été identifié pour décrire l'influence du mode mixte en termes de propagation de fissure. Un facteur de modification en mode mixte a été développé pour estimer la durée de vie en fatigue des tôles d'acier renforcées de CFRP avec des fissures initiales inclinées. Hu et al.14 ont proposé des guides et des programmes de conception en fatigue pour les structures en acier renforcées de CFRP. Le CFRP s'est avéré efficace pour renforcer les structures en acier en fatigue. Le CFRP pourrait prolonger la durée de vie à la fatigue dans certaines conditions de charge ou augmenter la plage de contraintes admissibles lorsqu'une certaine durée de vie à la fatigue était souhaitée. Yousefi et al.15 ont présenté les résultats d'études expérimentales et numériques sur l'analyse des défaillances et le comportement structurel des poutres en I en acier entaillées renforcées par des plaques de CFRP collées sous charge statique. Les résultats ont montré que les modes de défaillance du CFRP dans le renforcement des poutres en I en acier déficientes comprenaient le décollement des extrémités, le décollement de la charge sous le point, le fendage et le délaminage. Bocciarelli et al.16 ont proposé des modèles analytiques et numériques d'adhésifs élastofragiles pour évaluer la distribution des contraintes et des déformations dans le renforcement à une longueur de fissure donnée. Les résultats expérimentaux ont été considérés pour valider les techniques numériques et analytiques proposées. Les résultats calculés étaient en bon accord avec les résultats expérimentaux. Martinelli et al.17 ont étudié le comportement de liaison de composites polymères renforcés de fibres (FRP) collés à des substrats en acier par des simulations expérimentales et numériques. Les résultats ont montré que la relation liaison-glissement incorporée dans le modèle numérique proposé avait un effet significatif sur les résultats numériques. Par conséquent, il était important d'identifier les relations de liaison-glissement réalistes avec différents types d'adhésifs et conditions de durcissement (en effectuant des tests expérimentaux). Zhang et al.18 ont étudié le comportement en flexion de poutres en acier corrodées renforcées par des plaques en CFRP. Les effets des niveaux de force de corrosion et de précontrainte sur la capacité de flexion, les modes de rupture et les contraintes interfaciales ont été étudiés. Les résultats ont montré que le mode de rupture des poutres corrodées était la rupture de la plaque CFRP après la rupture par cisaillement de l'interface sur la portée médiane, et que l'emplacement de la rupture de la plaque CFRP était principalement au point de chargement. La surface rugueuse de l'acier corrodé peut améliorer l'efficacité du transfert de contrainte à l'interface, améliorant ainsi la longueur de liaison effective de l'interface. La contrainte de cisaillement était concentrée principalement sur l'extrémité de la plaque CFRP, et la valeur maximale est apparue au point de chargement. Par rapport à la poutre de référence, la capacité de flexion ultime de la poutre corrodée renforcée par la plaque CFRP avec un niveau de précontrainte de 15 % a augmenté dans un rapport de 21 %, et le taux d'utilisation des plaques CFRP a atteint 71,59 %. Hu et Feng19 ont présenté une méthode de conception pour les structures en acier endommagées renforcées de CFRP et ont développé un programme de conception. Les résultats ont montré que le renforcement CFRP peut améliorer la durée de vie utile sous une certaine plage de contraintes et la plage de contraintes autorisées sous réserve d'atteindre la durée de vie utile cible. Deng et al.20 ont étudié les performances de fatigue en flexion de poutres en acier endommagées renforcées par des plaques de réseau de Bragg en plastique et fibre optique renforcées de fibres de carbone (CFRP-OFBG). Les résultats des tests ont montré que le renforcement des plaques CFRP-OFBG réduisait efficacement le taux de croissance des fissures de fatigue des poutres en acier endommagées et augmentait la durée de vie des poutres en acier endommagées de 22,46 %. L'analyse et les résultats des tests ont montré que l'erreur minimale entre la valeur calculée du modèle de prédiction de la durée de vie et la valeur du test était de − 24,13 %, et l'erreur maximale était de − 5,61 %.

Cependant, quelques études ont discuté de l'utilisation de plaques ou de feuilles liées à l'époxy pour renforcer les poutres en acier qui ont une semelle de tension ou un défaut d'âme tel qu'une encoche, en particulier la surcharge appliquée à ces poutres en acier. Dans cet article, la semelle ou l'âme tendue a été partiellement observée à mi-portée des poutres en acier. Des feuilles de CFRP ont été collées sur le côté inférieur de la semelle des poutres en acier pour restaurer la capacité portante et la rigidité élastique, puis la charge statique ou la surcharge a été appliquée à ces poutres en acier. Les effets des couches de feuilles de PRFC, le niveau d'endommagement de la poutre en acier et le nombre de surcharges ont été étudiés.

Au total, sept poutres en acier artificiellement endommagées ont été fabriquées. Les poutres en acier étaient constituées d'acier standard chinois I20A, dont la profondeur était de 200 mm, la largeur de la semelle était de 100 mm, les épaisseurs de la semelle et de l'âme étaient de 11,4 mm et 7 mm, respectivement, et la surface de la section était de 3550 mm2. Les profilés en acier ont été coupés en poutres de 1,9 m de long et quatre niveaux de dommages différents de 100 % de perte de semelle de tension et de 15 %, 28 % et 40 % de perte d'âme de tension ont été coupés à mi-portée des poutres en acier, comme illustré à la Fig. 1a. Un essai de traction de l'acier en forme de I a été effectué. La limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier en forme de I étaient respectivement de 265 MPa et 442 MPa. Les systèmes de renforcement à liaison externe sélectionnés pour ce test étaient des feuilles de CFRP à haute résistance. L'épaisseur des feuilles de CFRP était de 0,167 mm, la largeur était de 60 mm et la longueur était de 1 500 mm. Un test de traction des feuilles de CFRP a été effectué comme documenté dans la référence 21, et la résistance à la traction moyenne était de 3456 MPa ; le module d'élasticité était de 258 GPa. La résine adhésive utilisée pour coller la feuille de CFRP correspondait à la feuille de CFRP et sa résistance au cisaillement était de 19,4. La feuille de CFRP a été collée de la même manière que celle documentée dans la référence21. Des feuilles de CFRP ont été collées au bas de la bride de tension, puis des cerceaux en forme de U ont été collés à l'extrémité des feuilles de CFRP pour garantir que les feuilles de CFRP puissent être ancrées aux poutres en acier, comme illustré à la Fig. 1b. Les paramètres détaillés des poutres en acier sont donnés dans le tableau 1.

La préparation des spécimens.

Les poutres en acier ont été chargées en flexion quatre points avec un espacement de 500 mm entre deux charges ponctuelles concentrées et avec deux portées de cisaillement égales de 650 mm, comme illustré à la Fig. 2. Des appuis en caoutchouc ont été utilisés sur les supports. La charge a été appliquée sur toute la largeur de la semelle supérieure de la poutre en acier par une poutre d'écartement qui a été placée entre les paliers en caoutchouc sur le dessus de la poutre en acier. Des tests de flexion à quatre points ont été effectués à l'aide de vérins hydrauliques, comme illustré à la Fig. 2a. Le processus de surcharge nécessitait de définir la charge minimale (Pmin), la charge maximale (Pmax) et le nombre de surcharges. Ensuite, les poutres en acier seraient cyclées dans cette plage. Une période de temps d'un cycle était d'environ 6 min, comme le montre la Fig. 3. Après surcharge, les poutres en acier ont été soumises à une charge jusqu'à ce qu'elles soient rompues. Pour observer le comportement des poutres en acier étudiées, les déformations, les charges et les déviations ont été mesurées aux emplacements souhaités. Les déformations ont été mesurées par des jauges de contrainte à résistance électrique qui ont été placées sur le dessus de la semelle supérieure, la semelle inférieure ou l'âme près de l'encoche et à mi-portée des feuilles de CFRP, comme illustré à la Fig. 2b. Cinq compteurs de déplacement ont été montés à l'extrémité et à mi-portée des poutres, et les compteurs ont été utilisés pour mesurer la déviation verticale, comme illustré à la Fig. 2a.

Schéma des emplacements des compteurs de déplacement et des jauges de contrainte à la poutre.

Processus de surcharge.

Comme indiqué précédemment, les poutres en acier renforcées avec des feuilles de CFRP collées pourraient présenter quatre modes de défaillance distincts : la semelle inférieure étant paralysée ; Rupture de la feuille de CFRP avec la bande paralysée ; Feuille de CFRP se décollant avec la bande étant paralysée ; et rupture de la feuille de CFRP avec la bride inférieure étant paralysée.

La rupture du CFRP avec l'écrasement de l'âme était le mode de défaillance dominant dans les poutres en acier sans surcharge. La rupture des feuilles de CFRP a été soudaine et il n'y avait aucun signe de rupture de liaison entre la feuille de CFRP et la bride en acier dans les spécimens FSB1 et FSB4. Étant donné que le niveau de dommage était faible dans le spécimen FSB4, seule la semelle inférieure était paralysée. Le mode de défaillance de SB0 était que la bride inférieure était paralysée car il n'y avait pas de feuille de CFRP collée.

Les modes de défaillance des poutres en acier sous surcharge étaient la rupture de la feuille de CFRP avec l'âme paralysée et le décollement de la feuille de CFRP avec l'âme paralysée. Un décollement de CFRP est apparu dans les spécimens FSB2 et FSB3. Une rupture de CFRP est apparue dans les spécimens FSB5 et FSB6. Toutes les âmes des poutres en acier ont été paralysées lorsque les feuilles de CFRP se sont décollées ou se sont rompues.

Les résultats expérimentaux ont révélé que la rupture ultime s'accompagnait généralement d'une grande déflexion et que l'âme ou la semelle inférieure était paralysée. L'âme et les semelles des poutres en acier ont cédé, comme illustré à la Fig. 4.

Modes de défaillance des éprouvettes.

La figure 5 montre les courbes charge-déformation au stade cyclique. Dans le processus de déchargement de FSB2, FSB3, FSB5 et FSB6 après 100 cycles, les courbes n'ont pas directement décliné selon les courbes d'origine. Cette condition a montré que l'amplitude de surcharge dépassait la valeur critique du stade élastique de la poutre en acier, et toutes les poutres en acier étaient au stade élastique-plastique. Les courbes charge-flèche de FSB2 et FSB3 étaient plus lisses que les courbes charge-flèche de FSB5 et FSB6 en raison des grandes encoches de FSB5 et FSB6. La capacité de récupération de FSB5 et FSB6 a été réduite, ce qui a entraîné une courbe inégale.

Relation charge-déformation des éprouvettes avec 100 cycles.

La figure 6a montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec 100 % d'endommagement des semelles. SB0 était la poutre en acier qui n'était pas renforcée, et FSB4 était la poutre en acier renforcée avec une couche de tôle CFRP. Les deux spécimens n'ont subi qu'un chargement statique. La charge d'élasticité de FSB4 était de 137 kN, soit 10 % de plus que la charge d'élasticité de SB0, et la rigidité élastique était de 14,5 % supérieure à la rigidité élastique de SB0. La charge ultime de FSB4 était de 195,46 kN, soit 10,3 % de plus que la charge ultime de SB0. Les résultats montrent que la feuille de CFRP liée à l'époxy a considérablement augmenté la charge d'élasticité, la capacité portante ultime et la rigidité élastique de la poutre en acier.

Courbes charge-déformation des poutres en acier renforcées.

La figure 6b montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec différents niveaux de dommage, qui ont toutes deux été renforcées avec une couche de tôle CFRP. Les niveaux de dommages de 100 % de perte de semelle de tension et de 28 % de perte d'âme ont été coupés à mi-portée des poutres en acier dans FSB4 et FSB1, respectivement. Les deux spécimens n'ont subi qu'un chargement statique. Lorsque la charge n'atteint pas 65 % Pu, la rigidité élastique des deux poutres en acier est la même. La charge élastique et la charge ultime de FSB4 étaient supérieures de 68,3 % et 73,8 % à la charge élastique et à la charge ultime de FSB1, et la rigidité élastique était supérieure de 13,5 % à la rigidité élastique de FSB1. La charge d'élasticité et la charge ultime ont évidemment changé en raison du niveau de dommage. Comparé à la charge d'élasticité et à la charge ultime, le niveau de dommage n'a pas eu d'effet significatif sur la rigidité élastique.

La figure 6c montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec 100 % d'endommagement des semelles après surcharge. FSB4 était la poutre en acier avec uniquement une charge statique. FSB2 était la poutre en acier avec une surcharge de 100 fois de 0,7 Pu et un chargement entièrement statique. Lorsque la charge n'atteint pas 60 kN, la rigidité élastique des deux poutres en acier est la même. La charge d'élasticité de FSB2 était de 148,9 kN, soit 8,7 % de plus que la charge d'élasticité de FSB4, et la rigidité élastique était de 24,5 % supérieure à la rigidité élastique de FSB4. La charge ultime de FSB2 était de 185,08 kN, soit 5,3 % de moins que la charge ultime de FSB4. Les résultats montrent que la surcharge peut influencer la charge d'élasticité et la rigidité élastique. La charge élastique et la raideur élastique augmenteraient avec l'augmentation du nombre de surcharges à cause de l'écrouissage à froid de l'acier, mais la charge ultime serait réduite.

La figure 6d montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec différents niveaux de dommage après surcharge. Les niveaux de dommages de 100 % de perte de semelle de tension et de 15 % de perte d'âme ont été coupés à mi-portée des poutres en acier dans FSB2 et FSB3, respectivement. Les poutres en acier ont été soumises à 100 fois une surcharge de 0,7 Pu et à un chargement entièrement statique. Lorsque la charge n'a pas atteint 75 % Pu, la rigidité élastique des deux poutres en acier était la même. La charge d'élasticité de FSB2 était supérieure de 24,1 % à la charge d'élasticité de FSB3. La charge ultime de FSB2 était supérieure de 32 % à la charge ultime de FSB3. Il a été démontré que la charge d'élasticité et la capacité portante ultime des poutres en acier renforcées changent en raison des niveaux de dommage après surcharge.

La figure 6e montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec 40 % d'endommagement de l'âme renforcée par différents nombres de couches de feuilles de PRFC après surcharge. FSB5 a été réparé avec une couche de feuille de CFRP, et FSB6 a été réparé avec deux couches de feuilles de CFRP. Les poutres en acier ont été soumises à 100 fois une surcharge de 0,7 Pu et à un chargement entièrement statique. La charge d'élasticité de FSB6 était de 78,6 kN, soit 38,4 % de plus que la charge d'élasticité de FSB5, et la rigidité élastique était de 36,9 % supérieure à la rigidité élastique de FSB5. La charge ultime de FSB6 était de 94,32 kN, soit 24,9 % de plus que la charge ultime de FSB5. Les résultats montrent que l'augmentation des couches de feuilles de CFRP pourrait améliorer la charge d'élasticité, la rigidité élastique et la capacité portante ultime des poutres en acier après surcharge.

La figure 7 montre les courbes charge-déformation des premier et dernier chargements de FSB2, FSB3, FSB5 et FSB6. Après surcharge, la rigidité élastique de toutes les poutres en acier a augmenté. La rigidité élastique de FSB2, FSB3, FSB5 et FSB6 du dernier chargement était respectivement de 31,1 %, 23,2 %, 14 % et 15 % supérieure à la rigidité élastique du premier chargement. La rigidité élastique des poutres en acier avec de grands niveaux de dommages a augmenté moins que la rigidité élastique des poutres en acier avec de petits niveaux de dommages. Il a été démontré que la rigidité élastique des poutres en acier pouvait être augmentée après surcharge en raison du durcissement à froid de l'acier. Cependant, l'effet du durcissement à froid sur la poutre en acier a diminué avec l'augmentation du niveau de dommage de la poutre en acier.

Courbe charge-déformation des poutres en acier renforcées sous chargement.

Au début de l'essai, les courbes charge-déformation des poutres en acier renforcées étaient linéaires, comme le montre la Fig. 8. Les lignes représentent les déformations dans la région de traction des poutres en acier, la région de compression des poutres en acier et les tôles CFRP. La zone de traction des poutres en acier a commencé à céder à environ 30 à 35 % de la charge ultime. Cependant, en raison de l'effet du durcissement à froid, l'éprouvette FSB2 a cédé à 58 % de la charge ultime. Après avoir cédé, l'efficacité des feuilles de CFRP était bien meilleure. Les déformations dans la région de tension des poutres en acier renforcées ont diminué de manière significative. Au même niveau de charge, les déformations de la poutre en acier avec un niveau de dommage élevé étaient supérieures aux déformations des autres poutres en acier. Lorsque la charge a atteint environ 70 à 85 % de la charge ultime, la zone de compression des poutres en acier a commencé à céder. Ensuite, les contraintes de compression sur la région de compression des poutres en acier sont devenues non linéaires. Les déformations des feuilles de CFRP étaient d'environ 10 000 με après chargement statique et d'environ 7 500 με après surcharge. Les résultats montrent que les niveaux d'endommagement des poutres en acier pourraient affecter les déformations des poutres en acier renforcées. Après la surcharge, la charge d'élasticité de la poutre en acier a augmenté, mais la surcharge n'a eu aucun effet significatif sur les poutres en acier avec des niveaux de dommages importants. Le nombre de couches de feuilles de CFRP pourrait avoir un effet sur la charge d'élasticité et la capacité portante ultime. Les contraintes des feuilles de CFRP diminueraient en raison de la surcharge.

Courbes charge-déformation des poutres en acier renforcées.

L'analyse FE a été réalisée à l'aide d'ABAQUS. Toutes les poutres en acier ont été modélisées. La géométrie et les dispositions de chargement du modèle ont été adoptées conformément aux poutres testées. Le support d'extrémité a été modélisé à l'aide d'un support à rouleaux qui a limité le mouvement vertical de la poutre. La translation longitudinale de la poutre était autorisée. Une contrainte d'attache a été utilisée pour les liaisons entre la poutre en acier et la tôle CFRP car le glissement d'interface n'a pas été pris en compte dans ce modèle.

La poutre en acier a été modélisée comme un élément fini C3D8R (éléments finis solides à huit nœuds avec intégration réduite). La feuille CFRP a été modélisée comme un élément fini SR4 (éléments finis coque à quatre nœuds avec intégration réduite). Les tailles des éléments ont été adoptées sur la base de l'étude de discrétisation du maillage. Le maillage par éléments finis utilisé pour l'analyse est illustré à la Fig. 9. Il y avait 4 modèles de dommages dans l'analyse par éléments finis, comme illustré à la Fig. 10.

Génération de maillage.

Modèle de dégâts.

L'acier a été supposé être un élastoplastique avec un matériau de durcissement et de saturation et identique en traction et en compression, comme le montre la Fig. 11a. La relation contrainte-déformation pour l'acier est illustrée dans l'équation. (1). Un coefficient de Poisson de 0,3 a été utilisé pour la poutre en acier, comme indiqué dans le tableau 2.

où \(A = \frac{{{0}{\text{.2}}f_{{{\text{ty}}}}}{{(\varepsilon_{{{\text{te1}}}} - \varepsilon )^{{2}} }}\), \(B = 2A\varepsilon_{{{\text{te1}}}}\), \(C = 0.8f_{{{\text{ty}}} } + A\left( {\varepsilon_{{{\text{te}}}} } \right)^{{2}} - B\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te}}}} = 0.8f_{{{\text{ty}}}} /E_{{\text{t}}}\),\(\varepsilon_{{{\text{te1 }}}} = {1}.{5}\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te2}}}} = {10}\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(\varepsilon_{{{\text{te3}}}} = {100}\varepsilon_{{{\text{te}}}}\), \(E _{{\text{t}}}\) est le module d'élasticité de l'acier, \(f_{{{\text{ty}}}}\) est la limite d'élasticité de l'acier et \(f_{{{\text{tu}}}}\) est la résistance ultime de l'acier.

Relation contrainte-déformation.

Le CFRP a été modélisé comme un matériau orthotrope élastique linéaire, comme le montre la figure 11b, et la relation entre la contrainte et la déformation était :

où \(\varepsilon_{cf}\) est la déformation de la feuille de CFRP, \(\sigma_{cf}\) est la contrainte de la feuille de CFRP, \(\varepsilon_{cfu}\) est la déformation ultime admissible de la feuille de CFRP, et \(E_{cf}\) est le module d'élasticité de la feuille de CFRP.

Les images de contrainte de la poutre en acier et de la tôle CFRP sont présentées dans les Fig. 12, 13 et 14. Après surcharge, la concentration de contraintes est apparue sur l'entaille de la poutre en acier et à mi-portée de la feuille de CFRP. Par rapport à la poutre en acier sans surcharge, les contraintes de la poutre en acier et de la tôle CFRP étaient toutes deux plus faibles. Il a été démontré que la surcharge peut affecter la déformation finale de la poutre en acier, et la surcharge réduirait l'utilisation de la feuille de CFRP.

Images de contrainte après surcharge.

Comparaison des contraintes d'une poutre en acier avec ou sans surcharge.

Comparaison des contraintes d'une feuille CFRP avec ou sans surcharge.

Les figures 15 et 16 montrent les images de déflexion de la poutre en acier avec et sans surcharge. Après surcharge, une flèche résiduelle s'est produite dans la poutre en acier. La valeur de la déflexion résiduelle était liée au nombre de surcharges et à l'amplitude de surcharge. La déflexion de la poutre en acier après surcharge était inférieure à la déflexion de la poutre en acier après chargement statique.

Flèche résiduelle après surcharge.

Comparaison de flèche de poutre en acier avec ou sans surcharge.

Les figures 17 et 18 montrent une comparaison entre les résultats des tests et les résultats des calculs par éléments finis. Les résultats du calcul par éléments finis étaient en bon accord avec les résultats des essais, indiquant que le modèle de calcul des poutres en acier endommagées renforcées avec des tôles CFRP était correct.

Comparaison entre le test et le calcul par éléments finis des courbes charge-déformation.

Comparaison entre le test et le calcul par éléments finis des courbes charge-déformation (déformation de compression).

La figure 19 montre les courbes charge-déformation des poutres en acier avec 100 % d'endommagement des semelles sous différents nombres de surcharge. La rigidité élastique des poutres en acier avec 100 à 1000 cycles de surcharge était beaucoup plus grande que la rigidité élastique des poutres en acier avec seulement des cycles de chargement statiques. Cependant, il y avait peu de changement parmi tous. Les charges d'élasticité des poutres en acier avec 100 à 1000 cycles de surcharge étaient de 13,5 %, 12,6 %, 11,2 %, 10,1 %, 9 %, 7,9 %, 7 % et 6 % supérieures aux charges d'élasticité des poutres en acier avec uniquement une charge statique. Les charges ultimes des poutres en acier avec des temps de surcharge de 100 à 1 000 étaient toutes inférieures aux charges ultimes des poutres en acier avec uniquement une charge statique. La charge élastique et la raideur élastique augmentent avec l'augmentation du nombre de surcharges à cause du durcissement à froid de l'acier. Cependant, l'amélioration diminue à mesure que le nombre de surcharges augmente. La charge ultime serait réduite en raison du durcissement à froid de l'acier. Le nombre de surcharge a affecté la charge ultime des poutres en surcharge.

Effet de la surcharge du nombre.

La figure 20 montre la courbe charge-déformation des poutres en acier avec 100 % d'endommagement des semelles sous différentes amplitudes de surcharge. La rigidité élastique des poutres en acier avec une amplitude de surcharge de 0,6 Pu-0,76 Pu était, respectivement, de 6,2 %, 6,5 %, 8,6 %, 11,2 %, 14,1 %, 15,8 %, 16,5 %, 18,4 %, 19,8 % supérieure à la rigidité élastique de la poutre en acier avec uniquement une charge statique, et les charges d'élasticité étaient respectivement de 15,8 %, 17,9 %, 21,1 %, 22,8 %, 25 %, 26,8 %, 27 %, 28,9 %, 30,5 % de plus que les charges d'élasticité d'une poutre en acier avec uniquement une charge statique. Les charges ultimes étaient inférieures de 1,9 %, 2,3 %, 2,9 %, 3,2 %, 4 %, 4,7 %, 5,7 %, 6,8 % et 7,7 % aux charges ultimes de la poutre en acier avec uniquement une charge statique. L'amplitude de surcharge a augmenté par 0,02 Pu et la charge d'élasticité a augmenté d'environ 2 kN, mais la charge ultime a diminué d'environ 1 kN. Lorsque l'amplitude de surcharge a atteint 0,77 Pu, la poutre en acier renforcée a été rompue lors de la phase de surcharge.

Effet de l'amplitude de surcharge.

Les résultats de cette étude ont montré que les feuilles de PRFC collées par adhésif peuvent être utilisées efficacement pour renforcer les poutres en acier endommagées et que la surcharge peut affecter la charge d'élasticité et la rigidité élastique des poutres en acier. Les conclusions suivantes ont été tirées.

Toutes les poutres en acier après surcharge pourraient augmenter la charge d'élasticité et la rigidité élastique en raison du durcissement à froid de l'acier après surcharge. Cependant, plus le niveau de dommage de la poutre en acier était élevé, moins l'augmentation de la charge d'élasticité et de la rigidité élastique serait importante. La charge d'élasticité et la rigidité élastique de la poutre en acier après surcharge étaient de 8,7 % et 24,5 % supérieures à la charge d'élasticité et à la rigidité élastique de la poutre en acier sans surcharge. La charge ultime de la poutre en acier après surcharge était inférieure de 5,3 % à la charge ultime de la poutre en acier sans surcharge.

La charge d'élasticité, la charge ultime et la rigidité élastique des poutres en acier avec 100 % de perte de semelle de tension étaient supérieures de 68,3 %, 73,8 % et 13,5 % à celles de la poutre en acier avec une perte de 28 % de l'âme après chargement statique. La charge d'élasticité et la charge ultime de la poutre en acier avec une perte de 100 % de la semelle de tension étaient de 24,1 % et 32 % supérieures à celles de la poutre en acier avec une perte de 15 % de l'âme après surcharge. Indépendamment du chargement statique ou de la surcharge, le niveau de dommage a eu un effet significatif sur la charge d'élasticité et la capacité portante ultime des poutres en acier.

La poutre en acier renforcée avec des feuilles de PRFC pourrait augmenter la charge d'élasticité, la charge ultime et la rigidité élastique de 10 %, 10,3 % et 14,5 %, respectivement, par rapport à la poutre en acier sans renforcement après chargement statique. La poutre en acier renforcée avec deux couches de tôles CFRP a augmenté la charge d'élasticité, la charge ultime et la rigidité élastique de 38,4 %, 24,9 % et 36,9 %, respectivement, par rapport à la poutre en acier renforcée avec une couche de tôles CFRP après surcharge. La poutre en acier endommagée s'est avérée capable d'être renforcée par des feuilles de CFRP, et les couches accrues de feuilles de CFRP se sont avérées capables d'améliorer la charge d'élasticité, la capacité portante ultime et la rigidité élastique des poutres en acier.

Les déformations en CFRP des poutres en acier renforcées par des tôles en CFRP étaient d'environ 10 000 με après chargement statique et d'environ 7 500 με après surcharge. Il a été démontré que les contraintes des feuilles de CFRP diminuent en raison de la surcharge.

Par rapport à la poutre en acier renforcée sans surcharge, la déviation et les déformations de la poutre en acier renforcée avec surcharge étaient beaucoup plus faibles. En raison du durcissement à froid de l'acier, la charge d'élasticité et la rigidité élastique ont augmenté avec l'augmentation de l'amplitude de surcharge, et l'augmentation du nombre de surcharge pourrait réduire la charge d'élasticité et la rigidité élastique, mais la charge ultime serait réduite.

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École d'ingénierie des transports et de la géomatique, Université Shenyang Jianzhu, Shenyang, 110168, Chine

Wenyu Hou

Université d'architecture et de technologie de Jilin, Changchun, Chine

Liang Guang Wang

Université d'architecture et de génie civil de Changchun, Changchun, Chine

Di Shi

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WH a rédigé le test du manuscrit principal. LW a fait le test et l'analyse des données. DS a fait l'analyse numérique.

Correspondance à Liangguang Wang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Hou, W., Wang, L. & Shi, D. Comportement en flexion de poutres en acier endommagées renforcées à l'aide de feuilles de polymère renforcées de fibres de carbone. Sci Rep 12, 10134 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9

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Reçu : 28 février 2022

Accepté : 07 juin 2022

Publié: 16 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-14471-9

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