Πειραματική μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων και των μορφών αστοχίας σύνθετων δομικών πανέλ ( τύπου sandwich) από καταπόνηση

Abstract

Τα σύνθετα υλικά (τύπου σάντουιτς) που χρησιμοποιούνται ως δομικά στοιχεία σε οποιαδήποτε εφαρμογή, είναι ειδικές κατασκευές που προκύπτουν από συγκόλληση διαφορετικών υλικών. Η σύνδεση του ενός υλικού με το άλλο, δίνει την δυνατότητα να αξιοποιηθούν οι ιδιότητες του κάθε υλικού ξεχωριστά, από το οποίο αποτελείται το πάνελ,με αποτέλεσμα να προκύπτουν βελτιωμένα μηχανικά χαρακτηριστικά.Τυπικά ένα σύνθετο πάνελ αποτελείται από τρία κύρια μέρη: δύο λεπτά σκληρά και ανθεκτικά φύλλα στις εξωτερικές επιφάνειες, με ένα ελαφρύ, συμπαγή και χαμηλής πυκνότητας πυρήνα. Η μελέτη αυτή επικεντρώνεται σε ένα ιδιαίτερα ευνοϊκό συνδυασμό υλικών που εφαρμόζεται συχνά στις μέρες μας. Μελετάται σύνθετο πάνελ με επένδυση δύο λεπτών φύλλων χάλυβα (πάχους 0,5 mm) με μη τοξικό πυρήνα αφρού πολυουρεθάνης χαμηλής πυκνότητας, ιδανικός συνδυασμός για χρήση σε τοίχους, οροφές και ψυκτικούς θαλάμους. Τα δύο αυτά υλικά συνδυάζουν τις θετικές ιδιότητες του χάλυβα, όπως την αντοχή του σε κάμψη και τις θετικές ιδιότητες της πολυουρεθάνης όπως την καλή θερμομόνωση που παρέχει αλλά και τη προστασία της από τις έντονες καιρικές συνθήκες και τη διάβρωση. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική μελέτη και αξιολόγηση της αντοχής των σύνθετων υλικών,καθώς και η επαλήθευση/επιβεβαίωση των κυριότερων θεωρητικών μορφών αστοχίας, όπως αυτές αναφέρονται στα διεθνή πρότυπα και κανονισμούς: 1. Η διάτμηση του αφρού πολυουρεθάνης. 2. Ο τοπικός λυγισμός του χάλυβα που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία πτυχώσεων (wrinkling) καθώς και την αποκόλληση του χάλυβα από τον πυρήνα πολυουρεθάνης. Για την επίτευξη των προαναφερθέντων στόχων ,διενεργήσαμε στο εργαστήριο, δοκιμές κάμψης και θλίψης σύνθετων υλικών, των οποίων η ανάλυση έδωσε χρήσιμα συμπεράσματα για τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των υλικών. Στην μελέτη αυτή,η αξιολόγηση της αντοχής των σύνθετων υλικών,ολοκληρώνεται με τον προσδιορισμό των ορίων αστοχίας για όλες τις καταπονήσεις που μελετήθηκαν,και τον καθορισμό των ασφαλών ορίων φόρτισης,στοιχεία απαραίτητα για την κατάλληλη και την ορθή χρήση του υλικού στις διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές.

Sandwich panels have being extensively used in single-storey and multi-storey building construction because they combine low weight, energy efficiency, and aesthetic attractiveness. Their cost is relatively low and they are easily handled and erected. Because of these advantages their use is continuously increasing. Sandwich panels are simple structural components, which can be analyzed using the conventional principles of structural mechanics. Provided that a small number of mechanical properties are known, they can be designed on the basis of structural analysis, which predicts the stresses and deflections. In our research we will focus on factory engineered sandwich panels, consisting of steel facings and a foamed polyurethane core. We will consider the method of their production and all aspects of their design parameters and we will investigate their mechanical properties and examine by testing their main failure modes. Further, we will investigate the following: 2. The influence of the shear flexibility of the polyurethane core. 2. The influence of the core in restraining local buckling (wrinkling) of the steel faces. This research will consider how the stresses and deflections caused by conventional loads are determined analytically. We will show how the strength of panels may be calculated with respect to the alternative failure modes. A deterministic approach will be used for the calculation model, which is based on characteristic values of the properties of the face and core materials. At the end of the research, we will consider how the calculated strengths may be compared under prescribed conditions of safety in order to complete the design. The safety analysis will be based on limit state principles with partial factors of safety for materials (γ m) and loads (γ f).