SUPERVISOR
Saeed Ajeli,Seyedmadi Hejazi,Mostafa Youssefi
سعید آجلی (استاد راهنما) سیدمهدی حجازی (استاد راهنما) مصطفی یوسفی (استاد مشاور)
STUDENT
Syyed abolfazl Taheri
سیدابوالفضل طاهری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Investigating tensile and bending properties of composite materials reinforced with glass 3D braid structures in comparison with steel bars
Utilization of steel bars in reinforcing concert constructions for building industries has been concerned more than 100 years. In spite of their individual properties, steel reinforcing bars are severely subjected to different environmental conditions (i.e. high humidity, very cold/hot climate, alkaline or acidic conditions, environment of high salt-component, etc.); so that, they strongly suffer from the corrosion effects. Paying no particular attentions toward this issue, might be resulted in disastrous problems in term of the materials poor functions when they are employed as reinforcing components in concrete constructions. For overcoming this problem, extensive efforts have been carried in designing and manufacturing of new bars with desirable properties which in turn leads to appear FRP bars (composite bars reinforced with fibrous materials) suitable in concrete reinforcing. Some individual characteristics including the possibility of using high performance fibers as the structural reinforcement component based on the material end-uses, as well as the ability of lightening up the final product but with higher strength, have been resulted in developing the application of FRP bars in different technical and industrial fields. The importance of these materials in strengthening and lightening up the concert materials, made us to be interested in studying the effect of employing other textile structures as the composite FRP bars reinforcements, instead of the commonly used unidirectional reinforcing fibers. Among different method of fabric production, braiding process with the ability of fabricating 3D rod-shaped textiles in various cross-section as well as their high flexibility in using numerous kinds of high performance fibers, has been considered as one of the high potential method for FRP production, through this research. Here, three different FRP rods varying in their constitutive fibers fineness and orientation (to the central axis of the rod) have been prepared using an experimentally designed 3D braiding machine. In this work, 600-tex and 1200-tex E-glass fibers were employed as reinforcing component of the rods which were oriented at two different angles, namely 16? and 25? to the rod axis. The braiding apparatus containing 48 yarn carriers, were fed by the prepared bobbins of glass fibers. Applying changes in production rate of the machine, was the key point in varying the fibers orientation during the 3D braided textiles. The prepared braid structures, were then hand-laid up using the epoxy resin and embedded into a pre-designed molds to be cured. After 48-houre, the produced composite samples were then post-cured in a vacuum oven for further 6-hour. In order to compare the mechanical performance of the prepared square cross-section composite rods with the conventionally used steel bars, different tensile and bending (three-point) test were applied to the specimens. The results revealed that changing the fineness of reinforcing fibers as well as their orientation, severely affect the FRP mechanical performance during different tensile and bending loadings. It was also concluded that the FRP rods mad of 600-tex glass fibers, have higher strength and stiffness against tensile and bending forced. Moreover, the structures in which the fibers are oriented at smaller angle, show significantly improved mechanical behavior due to the higher fibers parallelization. Statistical analysis applied to the results of tensile and bending test, approve the significant differences between the mechanical performances of FRP rods reinforced with glass 3D braid textiles in comparison with steel bars. Totally, according to the results is could be claimed that the FRP composite rods are considered as good alternatives for steel rods for concert reinforcing, due to their high mechanical performances. Keywords: fiber reinforced composite, FRP rods, Mechanical properties, 3D braid textiles, glass fibers.
بیش از 100 سال است که در صنعت ساختمان از میلگردهای فولادی جهت تسلیح اعضای سازه های بتنی استفاده شده است. میلگردهای فولادی علی رغم ویژگی های کاربردی منحصر بفرد خود، به شدت دستخوش شرایط محیطی خشن(رطوبت بالا، محیط های بسیار سرد یا گرم، شرایط قلیایی یا اسیدی، نمک های موجود در هوا و غیره) قرار می گیرند و از این رو به شدت مستعد آسیب های ناشی از خوردگی هستند. حال اینکه عدم توجه به چنین مسئله ای می تواند مشکلات مصیبت باری را از نقطه نظرکاربرد این میله ها به عنوان تقویت کننده های سازه های بتنی پیش روی مهندسان و طراحان حوزه ی عمران و ساختمان سازی قرار دهد. برای رویارویی با مشکلات این چنینی، تلاش های گسترده ای در راستای طراحی و ساخت میلگردهای جدید با خواص مطلوب تر انجام گرفته است که در نهایت به پیدایش میلگردهای FRP (میله های کامپوزیتی پلیمری تقویت شده با الیاف) انجامیده است. ویژگی های منحصر بفرد از قبیل امکان استفاده از الیاف با کارآیی بالا به عنوان جزء تقویت کننده ی ساختاری متناسب با حوزه ی کاربردی نهایی مورد نظر و همچنین کاهش وزن نهایی سازه در عین استحکام بسیار بالا، سبب گسترش حوزه های کاربردی این نوع میله های کامپوزیتی شده است. اهمیت فوق العاده بالای این دسته از ساختارهای کامپوزیتی پیشرفته در تقویت سازه های بتنی با هدف سبک سازی و استحکام بخشی آن ها، موجب گردیده است تا بررسی اثر استفاده از سایر منسوجات به غیر از الیاف تک جهته، موضوع اصلی این پروژه به شمار رود. جهت تقویت این میلگردها پرداخته شود. در میان روش های مختلف بافت منسوجات، استفاد از روش بریدینگ با امکان بافت منسوجات میله ای شکل سه بعدی با سطح مقطع های مختلف و قابلیت بافت متنوعی از الیاف با کارآیی بالا، سبب شده است تا در پروژه حاضر از این روش به عنوان یک فرآیند کاربردی با پتانسیل بالا جهت تولید میله های کامپوزیتی FRP پرداخته شود. در راستای تحقیقات انجام شده، سه دسته ی میله ی کامپوزیتی با تغییر در ظرافت الیاف مصرفی و زاویه ی جهت گیری الیاف نسبت به راستای بارگذاری تهیه گردید. برای این کار، از نخ های شیشه 600 و 1200 تکس کلاس E استفاده شد و الیاف تحت دو زاویه ی مختلف 16 و 25 درجه در ساختار برید تولید شدند. این منسوجات با استفاده از ماشین برید سه بعدی آزمایشگاهی مجهز به 48 حامل نخ، بافته شد. سپس به کمک روش لایه گذاری دستی و در ادامه با بهره گیری از قالب گیری تحت فشار، میله های کامپوزیتی FRP با استفاده از رزین اپوکسی آماده شد. به منظور مقایسه رفتار مکانیکی میله های کامپوزیتی تهیه شده در این تحقیق با میله های فولادی متداول، آزمایشات مربوط به تعیین استحکام کششی و خمشی (خمش سه نقطه ای) بر مبنای استاندارد برای قطعات کامپوزیتی سه بعدی انجام گرفت. نتایج حاصل بیان گر این واقعیت بود که تغییر در ظرافت الیاف تقویت کننده و زاویه ی آرایش یافتگی آن ها در ساختار، اثر معنی داری بر رفتار و عملکرد مکانیکی سازه ها تحت شرایط بارگذاری مختلف کششی و خمشی دارد. میله های FRP حاصل از نخ های شیشه با نمره ی 600 تکس، بیشترین استحکام را در برابر نیروهای کششی و خمشی از خود ارائه می کنند. همچنین کاهش زاویه ی آرایش یافتگی الیاف نسبت به راستای بارگذاری، به واسطه ی افزایش توازی الیاف در ساختار، اثرات قابل ملاحظه ای را بر بهبود رفتار مکانیکی سازه های کامپوزیتی حاصل خواهد داشته است. تمامی نتایج به دست آمده در ارتباط با استحکام کششی و خمشی نمونه میله های کامپوزیتی تقویت شده با برید الیاف شیشه، به لحاظ آماری نیز بررسی گردید و معنی داری اختلاف های موجود مابین نتایج به دست آمده نیز به اثبات رسید. از سوی دیگر این نتیجه حاصل شد که صرف نظر از اثر تغییرات ساختاری بر رفتار مکانیکی سازه های کامپوزیتی FRP تهیه شده، این سازه ها به طور کل جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی به شمار می روند، چرا که عملکرد مکانیکی به مراتب بهتری را نسبت به میله های فولادی به ویژه در تقویت سازه های بتنی، ارائه می کنند. کلمات کلیدی : لوله های تقویت شده با الیاف (FRP)، خواص مکانیکی، منسوجات برید سه بعدی، الیاف شیشه.