Εκτίμηση Οριακής Αντοχής Μελών από Σύνθετα Υλικά υπό Στατικά Φορτία      

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Ηλιάδου Μαρία                                     
Επιβλέπων Καθηγητής: Ιωαννίδης Γ., Αν. Καθηγητής       
Ημερομηνία : Οκτώβριος 2002

Τα σύνθετα υλικά είναι σχηματισμοί που προκύπτουν από συνδυασμό  δύο ή περισσοτέρων ομοιογενών υλικών. Το ένα από τα υλικά είναι ισχυρό (ίνες) και παραλαμβάνει το μέγιστο μέρος του φορτίου (οπλισμός), ενώ το άλλο είναι ασθενές και χρησιμεύει περισσότερο σαν συνδετικό μέσο (μητρώο). Το σύνθετο υλικό συναντάται συνήθως με τη μορφή μεμονωμένης στρώσης (ply), αλλά στην πράξη ενώνονται πολλές στρώσεις μαζί δημιουργώντας μια διαστρωμάτωση (laminate), προκειμένου να μορφωθεί ένας δομικός φορέας. Τα σύνθετα υλικά συνδυάζουν μικρό βάρος και υψηλές αντοχές. Έτσι επιτυγχάνονται ελαφρότερες κατασκευές με παρόμοιες ή και μεγαλύτερες αντοχές συγκριτικά με κατασκευές από συνήθη δομικά υλικά (σκυρόδεμα, χάλυβα). 

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο προσδιορισμός της οριακής αντοχής μελών (πλακών, δοκών, υποστυλωμάτων, κλπ.) από σύνθετα υλικά και η εκτίμηση της γενικότερης συμπεριφοράς τους υπό στατικά φορτία. Στο Εισαγωγικό μέρος της εργασίας γίνεται μια γενική παρουσίαση – εισαγωγή στα σύνθετα υλικά (κατάταξη, ιδιότητες, κλπ.) Το Α΄μέρος αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας, σύμφωνα με τις αρχές της Μηχανικής. Επισημαίνεται η ειδική περίπτωση επίπεδης εντατικής κατάστασης (plane stress) η οποία επικρατεί στη διαστρωμάτωση. Το Β΄Μέρος εστιάζει στην προσομοίωση της συμπεριφοράς των σύνθετων υλικών μέσω προγραμματισμού. Πραγματοποιήθηκε σύνθεση (προγραμματισμός) πέντε (5) νέων προγραμμάτων. Τα τέσσερα (4) προγράμματα υπολογίζουν το σημείο «πρώτης αστοχίας» (διαρροή) και το σημείο «τελικής αστοχίας» (οριακή αντοχή – θραύση) διαστρωματώσεων για 4 στατικές καταπονήσεις (εφελκυσμό, θλίψη, διάτμηση, κάμψη).  Με το 5ο πρόγραμμα  υπολογίζεται η ροπή πρώτης αστοχίας (διαρροή) και η ροπή πλήρους αστοχίας (οριακή αντοχή-θραύση) για δοκούς συνήθων διατομών. Παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής όλων των προγραμμάτων. Ως εφαρμογή στα προγράμματα, μελετήθηκε η συμπεριφορά 9 συνήθων διαστρωματώσεων με στρώσεις από το σύνθετο υλικό E-glass/ Vinylester (ίνες γυαλιού εμβαπτισμένες σε  συνδετικό μέσο από βινυλεστέρα), με σταθερό πάχος στρώσης 0,50 mm και αριθμό στρώσεων 16, αλλάζοντας τις εξής παραμέτρους: τη γωνία προσανατολισμού των ινών της κάθε στρώσης, την αλληλουχία (ply sequence) των στρώσεων και τον κώδικα της διαστρωμάτωσης [παραμετρικές αναλύσεις]. Τα αποτελέσματα των εφαρμογών δίνονται με τη μορφή πινάκων και διαγραμμάτων. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την εξαγωγή συμπερασμάτων. Ακολούθως μορφώνεται ένας πίνακας τυποποιημένων διατομών δοκών για απ΄ ευθείας ανάγνωση της ροπής «πρώτης αστοχίας» αλλά και της ροπής «πλήρους αστοχίας» (οριακής αντοχής) της διατομής για τις διαστρωματώσεις που μελετήθηκαν. Στο Γ΄ Μέρος  παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα γενικά και τα συνδυαστικά συμπεράσματα της εργασίας (ένα από τα κυριότερα είναι η δυνατότητα «κατευθυνόμενης αστοχίας» στους σύνθετους φορείς), καθώς και μερικές προτάσεις για πρακτική εφαρμογή των αποτελεσμάτων των αναλύσεων (συγκεκριμένα στο σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση δομικών φορέων, στην επιλογή κατάλληλων διαστρωματώσεων, στην ενίσχυση φερόντων στοιχείων κατασκευών).  Το Δ΄ Μέρος  αποτελείται από 2 Παραρτήματα: Το Παράρτημα I, το οποίο  περιλαμβάνει μια πλήρη σειρά αναλύσεων για τη συνήθη διαστρωμάτωση [02  452  902 -452]s  (π/4), και το Παράρτημα II, στο οποίο παρουσιάζονται σύνθετες κατασκευές (κτίρια, γέφυρες, κλπ.) ανά τον κόσμο. Μερικές από αυτές είναι:

 

LaSalle Street Bridge,
Σικάγο, ΗΠΑ

      The Fiberline Bridge, 
Pontresina, Ελβετία

      Κατασκευή: “Fiberline
      Composites A/S”,
      Kolding, Δανία 

The Fiberline Bridge, 
       Kolding
, Δανία

Κατασκευή: “Fiberline
      Composites A/S”,
      Kolding, Δανία

           Lleida bridge, 
     Lleida, Ισπανία

      Κατασκευή: “Fiberline
      Composites A/S”,
      Kolding, Δανία 

The Eyecatcher building,
    Βασιλεία, Ελβετία

Κατασκευή: “Fiberline
      Composites A/S”,
      Kolding, Δανία

           

Προβλήτα  λιμανιού, 
      Noorland Harbour, 
      Ολλανδία

Κατασκευή: “Fiberline
      Composites A/S”,
      Kolding, Δανία