ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΛΕΠΤΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΩΝ ΣΥΡΜΩΝ

ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΛΕΠΤΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΩΝ ΣΥΡΜΩΝ Α.Γ. Μάμαλης*, Κ.Ν. Σπέντζας**, Δ.Ε. Μανωλάκος*, Μ.Β. Ιωαννίδης*, Π.Κ. Κωστάζος* Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών * Εργαστήριο Τεχνολογίας των Κατεργασιών 15780 Αθήνα Τηλ. +30 210 7723688, Fax +30 210 7723689 e-mail: mamalis@central.ntua.gr, manolako@central.ntua.gr, menelaos@central.ntua.gr, swing@central.ntua.gr ** Εργαστήριο Οχημάτων 15780 Αθήνα Τηλ. +30 210 7721500, Fax +30 210 7721523 e-mail: spentzas@central.ntua.gr Περίληψη Μελετώνται πειραματικά και θεωρητικά δύο υβριδικές sandwich κατασκευές, κατάλληλες για εφαρμογή στην εξωτερική δομή σιδηροδρομικών συρμών, οι οποίες εξασφαλίζουν μικρότερο βάρος, ευκολία κατασκευής και συντήρησης και μεγαλύτερη ασφάλεια σε περίπτωση κρουστικής φόρτισης. Τα υβριδικά δομικά στοιχεία υπόκεινται σε καταπόνηση αξονικής συμπίεσης και πλευρικής καταπόνησης, αντίστοιχα, με μοντέλα υπό κλίμακα και προσομοιάζεται η μηχανική τους απόκριση σ αυτές τις καταπονήσεις με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ To βάρος, το κόστος συντήρησης και η συμπεριφορά έναντι κρουστικής φόρτισης θεωρούνται τα κυρίαρχα χαρακτηριστικά στοιχεία στο σχεδιασμό των σύγχρονων μεταφορικών μέσων. Για την εκπλήρωση του σχεδιασμού, απαιτείται η αυστηρή επιλογή των κατάλληλων υλικών που θα αντιμετωπίσουν στον μέγιστο δυνατό βαθμό αυτές τις απαιτήσεις. Μολονότι οι τυπικές κατασκευές, που αποτελούνται κατά βάση από συγκολλητά μεταλλικά δομικά στοιχεία, πληρούν σε μεγάλο βαθμό τα κριτήρια στατικής και δυναμικής αντοχής, δεν αντιμετωπίζουν με επάρκεια τις ανάγκες για μείωση του βάρους και ευκολία σχεδιασμού, κατασκευής και συντήρησης. Επιπλέον, οι ερευνητικές δυνατότητες στην περιοχή των συμβατικών υλικών κατασκευής (χαλυβοκράματα και κράματα αλουμινίου) είναι περιορισμένες, δεδομένου ότι οι σχετικές τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα αυτόν έχουν εξαντληθεί και το επίπεδο γνώσης θεωρείται πλήρες. Αναζητείται, λοιπόν, διέξοδος με την ανάπτυξη τεχνολογίας υβριδικών κατασκευών μέσω του συνδυασμού εκπροσώπων από όλες τις βασικές οικογένειες υλικών και ειδικότερα προς την κατεύθυνση των συνθέτων sandwich κατασκευών. Μία τυπική sandwich κατασκευή, που προορίζεται για εφαρμογές απορρόφησης ενέργειας σε περίπτωση σύγκρουσης, αποτελείται από έναν πυρήνα, από αφρό (foam) ή από κάποιο υλικό κυψελωτής δομής (honeycomb structure), που τοποθετείται μεταξύ δύο πλακών από μεταλλικό ή σύνθετο πολυστρωματικό υλικό. Οι βασικοί μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας τέτοιων κατασκευών είναι συνήθως η τοπική θραύση του πυρήνα και η κάμψη και έκταση (stretching) των πλακών, όπως επίσης και η συνολική παραμόρφωση και αστοχία του δομικού στοιχείου. Για την κατασκευή, επομένως, τέτοιων sandwich δομικών στοιχείων, είναι απαραίτητη η χρήση επιμέρους συστατικών με υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας [1, 2]. Στην βιομηχανία οχημάτων, τα τελευταία χρόνια, η σχετική ερευνητική προσπάθεια έχει επικεντρωθεί στο σχεδιασμό και την κατασκευή δομικών στοιχείων από υβριδικά sandwich σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν υψηλή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε σύγκρουση, αυξάνοντας την παρεχόμενη ασφάλεια σε επιβάτες και μεταφερόμενο φορτίο. Το υλικό του πυρήνα τέτοιων κατασκευών απαιτείται να έχει ιδιότητες που συμβάλλουν σημαντικά στη μηχανική συμπεριφορά τους σε περίπτωση σύγκρουσης. Πρέπει να είναι αρκετά στιβαρό σε κατεύθυνση κάθετα προς τις πλάκες που το περιβάλλουν, για να περιορίζει την έντονη παραμόρφωση του κελύφους του οχήματος, προστατεύοντας κατά το δυνατό τη δομική του ακεραιότητα. Ταυτόχρονα, πρέπει να παρέχει υψηλή αντοχή σε διάτμηση για να προλαμβάνει τη σχετική ολίσθηση των πλακών σε συνθήκες καμπτικής καταπόνησης. Οι πολυμερικοί αφροί (polymeric foams) εμφανίζουν σημαντικές ιδιότητες αναφορικά με τη συμπεριφορά τους σε συνθήκες σύγκρουσης. Ενισχυόμενοι, ως υλικά πυρήνα, με πρόσθετα στοιχεία απορρόφησης ενέργειας, μορφής είτε ελασμάτων είτε μικρών σωλήνων λεπτού πάχους, που τους διασχίζουν συνδέοντας τις εξωτερικές πλάκες μεταξύ τους, - 1 -

προσδίδουν στη sandwich κατασκευή υβριδική μορφή. Η προσθήκη των στοιχείων αυτών βοηθά στον έλεγχο και τελικά στη βελτίωση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας της κατασκευής ως συνόλου. Η μελέτη δύο τέτοιων προστατευτικών υβριδικών κατασκευών έναντι σύγκρουσης παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία, πειραματικά με την εκτέλεση δοκιμών αξονικής συμπίεσης και πλευρικής καταπόνησης με μοντέλα υπό κλίμακα [1-3, 6] και θεωρητικά με την αριθμητική προσομοίωση της μηχανικής τους απόκρισης με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων [4-6]. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ / ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η προτεινόμενη sandwich κατασκευή αποτελείται από δύο εξωτερικά τοποθετημένες λεπτόπαχες πλάκες συνθέτου υλικού ενισχυμένου με υαλονήματα (FRP) και πυρήνα από αφρό (resilient phenolic foam). Τα ενισχυτικά στοιχεία που τοποθετούνται μέσα στον πυρήνα και συνδέουν μεταξύ τους τις εξωτερικές πλάκες είναι επίσης λεπτού πάχους FRP υλικό και έχουν στη μία περίπτωση μορφή λεπτού ελάσματος-μαιάνδρου και στην άλλη μορφή κυλινδρικών σωλήνων. Οι δύο τύποι της προτεινόμενης sandwich κατασκευής χαρακτηρίζονται ως corrugated και tube-tied, αντίστοιχα. Η μορφή και οι γεωμετρικές λεπτομέρειες των δύο αυτών κατασκευαστικών διαμορφώσεων παρουσιάζονται στο σχ. 1. Οι εξωτερικές πλάκες και τα ενισχυτικά στοιχεία του πυρήνα κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο RTM (Resin Transfer Moulding). Καθεμιά εξωτερική πλάκα αποτελείται από δύο στρώσεις ινών γυαλιού, μη πεπλεγμένων μεταξύ τους και τοποθετημένων σε τέσσερις διευθύνσεις. Κάθε στρώση έχει επιφανειακή πυκνότητα 1.168 kg/m 2, ενώ τοποθετούνται μεταξύ τους, σχηματίζοντας συμμετρική πολυστρωματική πλάκα με διαστρωμάτωση [0/45/90/-45] s. Η εμβάπτιση γίνεται σε υγρό διάλυμα φαινόλης με προσθήκη οργανικού καταλύτη, και παραμένουν στη συνέχεια στους 90 ο C για 2h, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Το ονομαστικό πάχος των συνθέτων υβριδικών πλακών είναι 2mm. To βασικό υλικό του πυρήνα είναι αφρός κλειστών κελιών (closed cell, syntactic phenolic foam), πυκνότητας 130kg/m 3. Το έλασμα ενίσχυσης στην corrugated διατομή είναι σύνθετο πολυστρωματικό, ενισχυμένο με ίνες γυαλιού και έχει την ίδια διαστρωμάτωση και πάχος με τα εξωτερικά ελάσματα, ενώ συνδέεται ( πλέκεται ) με αυτά σε συγκεκριμένες θέσεις, διασχίζοντας τον αφρό του πυρήνα σε όλη την περίμετρο του υβριδικού δομικού στοιχείου υπό τη μορφή μαιάνδρου. Λεπτομέρειες των δομικών προδιαγραφών της διατομής αυτής φαίνονται στο σχ. 1. Οι εσωτερικές λεπτού πάχους κυλινδρικές FRP ενισχύσεις της tubular διατομής έχουν διάμετρο 25mm, και διαστρωμάτωση ινών γυαλιού [+/-45], οι οποίες έχουν εμποτιστεί στην ίδια ρητίνη με τις εξωτερικές σύνθετες πλάκες. Τα άκρα των ενισχυτικών κυλίνδρων πλέκονται μέσω στρώσης με συνεχείς ίνες γυαλιού τυχαίας διεύθυνσης και επιφανειακής πυκνότητας 0.450kg/m 2 στις αντίστοιχες σύνθετες πλάκες της υβριδικής διατομής, αφού διασχίσουν κάθετα τον αφρό και πληρούνται επίσης εσωτερικά από αυτόν, εξασφαλίζοντας με τον τρόπο αυτόν ενίσχυση της μηχανικής αντοχής στη διεπιφάνεια σύνδεσης κυλίνδρων/πλακών. Σε κάθε πλευρά του τετραγωνικού κελύφους και κατά τη διεύθυνση του ύψους του τοποθετούνται δύο σειρές κυλίνδρων, συμμετρικά ως προς την κεντρική της γραμμή, που απέχουν μεταξύ τους 70mm. Οι κύλινδροι κάθε σειράς απέχουν μεταξύ τους 70 mm και είναι έτσι τοποθετημένοι, ώστε ο καθένας να βρίσκεται ακριβώς ανάμεσα σε δύο άλλους της διπλανής πλευράς κατά τη διεύθυνση του ύψους του δοκιμίου. Οι δομικές λεπτομέρειες της συγκεκριμένης διατομής φαίνονται στο σχ. 1. Τα δομικά στοιχεία που διαμορφώνονται από κάθε δομή είναι σωλήνες τετραγωνικής διατομής με ύψος 450mm και γεωμετρικά χαρακτηριστικά εγκάρσιας διατομής, όπως φαίνεται στο σχ. 1 για κάθε προτεινόμενη υβριδική δομή, καταπονήθηκαν δε σε στατική αξονική συμπίεση ή σε πλευρική καταπόνηση, μεταξύ των δύο χαλύβδινων πλακών υδραυλικής πρέσας SMG, ικανότητας φορτίου 1000kN. Οι δοκιμές διεξήχθησαν με ταχύτητα ωστικής κεφαλής της πρέσας 10mm/min, που αντιστοιχεί σε ταχύτητα παραμόρφωσης 10-3 s -1. Τα πειραματικά αποτελέσματα, που συνίστανται σε φωτογραφίες με διαδοχικές φάσεις της διαδικασίας κατάρρευσης, τελικές όψεις των παραμορφωμένων δοκιμίων και χαρακτηριστικές τομές στις διάφορες ζώνες παραμόρφωσης και διαγράμματα φορτίου/παραμόρφωσης, παρουσιάζονται για κάθε υβριδική κατασκευή στα σχ. 2 και 3, στην περίπτωση της αξονικής συμπίεσης και στα σχ. 5 και 6, στην περίπτωση της πλευρικής φόρτισης. Για την αριθμητική προσομοίωση της αξονικής συμπίεσης των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε ο explicit κώδικας πεπερασμένων στοιχείων LS-DYNA, ο οποίος είναι ειδικά σχεδιασμένος για τη μελέτη δυναμικών προβλημάτων, που λαμβάνουν χώρα μεγάλες πλαστικές παραμορφώσεις. Για την επίλυση των εμπλεκομένων διαφορικών εξισώσεων κίνησης του συνεχούς μέσου χρησιμοποιεί τη μέθοδο κεντρικών διαφορών και εφαρμόζει μεγάλη ποικιλία ευέλικτων μεθόδων ανάλυσης σε προβλήματα που περιλαμβάνουν φαινόμενα σύγκρουσης. - 2 -

Η μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης που ακολουθήθηκε και τα στάδια υλοποίησής της αναπτύσσονται λεπτομερώς στις αναφορές [4-6], ενώ τα αποτελέσματα της παρουσιάζονται στην μεν περίπτωση της αξονικής συμπίεσης από κοινού με τα αντίστοιχα πειραματικά στα σχ. 2 και 3, στη δε περίπτωση της πλευρικής καταπόνησης στο σχ. 7. Σχήμα 1. Γενική διάταξη και διατομή σύνθετης υβριδικής κατασκευής: Με ενίσχυση μαιάνδρου ( corrugated σύστημα ενίσχυσης), με σωλήνες ενίσχυσης ( tube-tied σύστημα ενίσχυσης). 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ A. Αξονική συμπίεση Η μορφή κατάρρευσης που σημειώθηκε πειραματικά και επιβεβαιώθηκε θεωρητικά χαρακτηρίζεται από προοδευτική αστοχία που ξεκινά από το ένα άκρο του κελύφους και με την πρόοδο της θλιπτικής καταπόνησης εξαπλώνεται κατά τον άξονα του δοκιμίου. Τα διαδοχικά στάδια κατάρρευσης, που προέκυψαν τόσο πειραματικά όσο και από την αριθμητική προσομοίωση του φαινομένου, παρουσιάζουν τα ακόλουθα γενικά χαρακτηριστικά, βλ. σχ. 2 και 3. Και στις δύο υβριδικές κατασκευές, παρατηρείται αρχική κατάρρευση στο κάτω (ακίνητο) άκρο του δομικού στοιχείου, η οποία διαδίδεται κατά το ύψος του δοκιμίου, διατηρώντας υψηλές τιμές φορτίου και ενέργειας κατάρρευσης. - 3 -

Αρχικά, το δοκίμιο συμπεριφέρεται ελαστικά, με σταθερή αύξηση του φορτίου μέχρι μία μέγιστη τιμή, P max, που παρατηρείται στα πρώτα 5mm της θλιπτικής παραμόρφωσης και ακολουθείται από ταχεία μείωσή του. Στο σημείο αυτό, η μηχανική συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από τη δημιουργία ρωγμών κατά τον άξονα του δοκιμίου που εντοπίζονται στις τέσσερις γωνίες αυτού και διασχίζουν όλο το πάχος του (πλάκες και πυρήνα). Οι ρωγμές αυτές διαδίδονται προς το άλλο άκρο του κελύφους κατά τον άξονα του διαχωρίζοντας την εσωτερική και εξωτερική πλάκα σε τέσσερα συνεχόμενα τμήματα (ένα σε κάθε πλευρά της τετραγωνικής διατομής) που ωθούνται ακτινικά προς το εσωτερικό και το εξωτερικό του δοκιμίου, αντίστοιχα, προσδίδοντας μορφή μανιταριού (mushrooming failure) στο μέτωπο κατάρρευσης. Με την πρόοδο της καταπόνησης, αναπτύσσονται πτυχώσεις στις σύνθετες FRP πλάκες του δοκιμίου, που συνοδεύονται από την αναμενόμενη ψαθυρή θραύση που επιδεικνύουν τέτοιου είδους σύνθετα υλικά (fiberglass composites). Οι εξωτερικές πλάκες συνθέτου υλικού συνεχίζουν να καμπυλώνονται προς τα κάτω αυτοτελώς σε κάθε πλευρά του δοκιμίου, ανανεώνοντας τις αξονικές ρωγμές που έχουν αναπτυχθεί στις τέσσερις γωνίες. Ο μηχανισμός που διέπει το φαινόμενο ενισχύεται επιπλέον και από το δευτερογενή εφαπτομενικό (κατά την περίμετρο) εφελκυσμό που αναπτύσσεται στο άθικτο τμήμα του δομικού στοιχείου λόγω της διόγκωσης που σημειώνεται στο εσωτερικό του από τον παραμορφούμενο αφρό. Στις εσωτερικές πλάκες της υβριδικής δομής δεν παρατηρείται αντίστοιχο φαινόμενο, δεδομένου ότι αυτές, λόγω του περιορισμένου εσωτερικού διαθέσιμου χώρου και της έντονης αξονικής θλιπτικής καταπόνησης, λαμβάνει χώρα θραύση ή/και διαδοχικές ομοιόμορφες πτυχώσεις μορφής concertina. H συμπίεση του αφρού στον πυρήνα οδηγεί σε πλαστική κατάρρευση των τοιχωμάτων των κελιών του με αποτέλεσμα τον λυγισμό, την τοπική θραύση και τη δημιουργία ξεχωριστού κωνικού τμήματος αφρού μέσα στο κυρίως σώμα του, που ωθείται αξονικά ως σφήνα μέσα στο τοίχωμα του κελύφους. Και στις δύο περιπτώσεις υβριδικής δομής, παρατηρείται μια συνεχής πριονωτή ταλάντωση του φορτίου μικρού εύρους και υψηλής συχνότητας περί μία μέση τιμή στην καμπύλη φορτίου/μετατόπισης, λόγω κυρίως των μηχανισμών μικροθραύσης που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των δοκιμίων. Μετά από ένα ποσοστό παραμόρφωσης με τον μηχανισμό προοδευτικής κατάρρευσης, η κατάρρευση του δοκιμίου χαρακτηρίζεται από νέο πιο καταστροφικό μηχανισμό κατάρρευσης που έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Στην περίπτωση της corrugated διατομής: Μία ρωγμή εξελίσσεται κατά μήκος της περιμέτρου του κελύφους σε σημείο κοντά στο άνω άκρο του και διαταράσσει την μέχρι τούδε προοδευτική του κατάρρευση, οδηγώντας σε ολική (καταστροφική) αστοχία και το φορτίο σε χαμηλές τιμές (χαμηλή απορρόφηση ενέργειας). Στην περίπτωση της tubular διατομής: Ανάπτυξη ταχύτατα διαδιδόμενης ρωγμής στη μία γωνία του κελύφους, που οδηγεί στην άμεση συνολική του κατάρρευση. Από μικροσκοπικής πλευράς, παρατηρήθηκαν δύο διαφορετικές μορφές αστοχίας σχετικές με τους μηχανισμούς μικροθραύσης που αναπτύσσονται στις διάφορες περιοχές στο εσωτερικό των δοκιμίων, βλ. επίσης σχ. 4. Στις περιοχές χαλαρής σύνδεσης μεταξύ εξωτερικών πλακών και ενισχυτικών στοιχείων πυρήνα παρατηρείται η μορφή διαχωρισμού-διεύρυνσης (splaying mode), που χαρακτηρίζονται από έντονη τοπική αποκόλληση των εξωτερικών πλακών και δημιουργία μεγαλύτερων ξεχωριστών φύλλων συνθέτου υλικού. Στις περιοχές ισχυρής σύνδεσης των προαναφερθέντων μερών των sandwich κελυφών, παρατηρείται εντονότερα η μορφή του πολυθρυμματισμού (fragmentation mode) με σημαντική τοπική θραύση των ινών του συνθέτου υλικού, αποκόλληση μεταξύ των στρώσεών του (delamination), θραύση των τελευταίων και διαχωρισμός μικρών τεμαχίων υλικού. Οι βασικοί μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας που ενεργοποιούνται κατά την κατάρρευση των κελυφών υπό την επίδραση του αξονικού θλιπτικού φορτίου είναι οι ακόλουθοι, βλ. λεπτομέρειες στο σχ. 4: Προοδευτική πτύχωση ή/και ψαθυρός κατακερματισμός των εξωτερικών πλακών και των ενισχυτικών στοιχείων του πυρήνα. Ανάπτυξη εσωτερικών ρωγμών μέσα στο σύνθετο υλικό, όπου αυτό συναντάται (πλάκες και ενισχύσεις),τοπική θραύση ινών και μήτρας, διαχωρισμός ινών, διαστρωματική αποκόλληση, αστοχία από την έντονη κάμψη των εσωτερικών και εξωτερικών φύλλων του συνθέτου υλικού. Έντονος λυγισμός και εκτεταμένες ρωγμές (πλαστική κατάρρευση και κονιοποίηση) του αφρού στον πυρήνα. Ανάπτυξη τριβής σε όλες τις επιφάνειες επαφής (πλάκα πίεσης/φύλλα συνθέτου υλικού, πλάκα πίεσης/αφρός πυρήνα, εξωτερικές πλάκες συνθέτου υλικού/αφρός) Ανάπτυξη τριβής κατά την εισχώρηση του κωνικού σφήνα από συμπιεσμένο αφρό στο εσωτερικό του τοιχώματος του κελύφους. Αστοχία σε κάμψη με μορφή πολλαπλών εγκάρσιων ρωγμών, στα όρια της διαστρωματικής αποκόλλησης των διαχωρισμένων στρώσεων του συνθέτου υλικού. Διάδοση ρωγμών ανάμεσα στα φύλλα της εσωτερικής και εξωτερικής πλάκας, αντίστοιχα. Πολλαπλές ρωγμές στην εσωτερική πλάκα που οδηγούν στη διαμόρφωση πτυχώσεων όπως στη μορφή λυγισμού concertina στα όλκιμα υλικά. - 4 -

(γ) Σχήμα 2. Αξονική συμπίεση υβριδικής σύνθετης κατασκευής ενισχυμένης με εσωτερική ενίσχυση από σύνθετο υλικό υπό μορφή μαιάνδρου ( corrugated ): Πειραματικά αποτελέσματα, αποτελέσματα προσομοίωσης, (γ) καμπύλες φορτίου/μετατόπισης - 5 -

(γ) Σχήμα 3. Αξονική συμπίεση υβριδικής σύνθετης κατασκευής ενισχυμένης με σωλήνες ( tubular ) Πειραματικά αποτελέσματα, αποτελέσματα προσομοίωσης, (γ) καμπύλες φορτίου/μετατόπισης - 6 -

Σχήμα 4. Τυπική εικόνα της ζώνης θραύσης 1: Εσωτερική σύνθετη (FRP) πλάκα, 2: εξωτερική σύνθετη (FRP) πλάκα, 3: πυρήνα αφρού, 4: μαίανδρος ενίσχυσης, 5: πτυχώσεις εσωτερικής πλάκας, 6: καμπτική αστοχία, 7: αποκόλληση στρώσεων, 8: επιφάνειες τριβής με πλάκα πίεσης της ωστικής κεφαλής, 9: περιοχές ανάπτυξης τριβών μεταξύ αφρού (πυρήνα) και πλακών, 10: επιφάνειες τριβής εσωτερικά του πυρήνα, 11: αξονική διάσχιση (splitting) εξωτερικής (FRP) πλάκας, 12: απόκομμα εξωτερικής (FRP) πλάκας, 13: πλάτυνση εξωτερικής (FRP) πλάκας. B. Πλευρική καταπόνηση H μηχανική απόκριση της corrugated υβριδικής δομής παρουσίασε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Έντονη παραμόρφωση των γωνιών του δοκιμίου, αλλά υψηλή ακαμψία των κάθετων πλευρών του σε θλιπτική παραμόρφωση. Η συμπεριφορά αυτή οδήγησε σε αστοχία με μηχανισμό διάτμησης που εκδηλώθηκε με στρέβλωση της διατομής και πλήρη αποχωρισμό του υβριδικού υλικού σε δύο απέναντι γωνίες της, συνοδευόμενο από εκτεταμένες ρηγματώσεις των δομικών συστατικών υλικών. Δεν σημειώθηκαν έντονες διακυμάνσεις στη μεταβολή του φορτίου. Σε μία ενεργό διαδρομή παραμόρφωσης της τάξης των 50mm, καταγράφηκαν μέγιστη τιμή φορτίου 17kN και ελάχιστη τιμή 14.8kN. Συνολικά τα χαρακτηριστικά απορρόφησης ενέργειας της υβριδικής δομής χαρακτηρίζονται ως φτωχά. Στο εσωτερικό της υβριδικής δομής, παρατηρήθηκαν οι εξής αστοχίες υλικών: Αποκόλληση αφρού/πλακών στις γωνίες του δοκιμίου. Ρηγματώσεις του αφρού στα καμπύλα τμήματά του, που εκκινούν από το μέσον τον και κατευθύνονται υπό γωνία ±45 ο ως προς τον οριζόντιο άξονα και κάθετα προς την εσωτερική πλάκα ενίσχυσης (μαίανδρο). (γ) Άλλες ρωγμές σε κάθετη διεύθυνση ως προς τις προηγούμενες. Το tube-tied σύστημα ενίσχυσης επέδειξε την ακόλουθη συμπεριφορά: Αξιοσημείωση ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και παραλαβή μεγάλου ποσοστού παραμόρφωσης μέχρι την πλήρη αστοχία της διατομής (μέγιστη ενεργή αξονική συμπίεση ~100mm). H τελική φάση παραμόρφωσης χαρακτηρίζεται από αποχωρισμό του αφρού από τις FRP σύνθετες πλευρές της υβριδικής δομής στις ζώνες έντονου λυγισμού και από εκτεταμένη ανάπτυξη ρηγμάτωσης στα καμπύλα τμήματα της διατομής. - 7 -

Σχήμα 5. Πλευρική καταπόνηση δομικού στοιχείου του corrugated υβριδικού συστήματος Διαδοχικές φάσης παραμόρφωσης, καμπύλη φορτίου/παραμόρφωσης. Σχήμα 6. Πλευρική καταπόνηση δομικού στοιχείου του tubular υβριδικού συστήματος Διαδοχικές φάσης παραμόρφωσης, καμπύλη φορτίου/παραμόρφωσης. Σχήμα 7. Αριθμητική προσομοίωση της πλευρικής καταπόνησης δομικού στοιχείου του corrugated υβριδικού συστήματος Διαδοχικές φάσης παραμόρφωσης, καμπύλη φορτίου/παραμόρφωσης. - 8 -

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την πειραματική και θεωρητική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των προτεινόμενων υβριδικών σύνθετων sandwich κατασκευών σε καταστροφική αξονική συμπίεση και πλευρική καταπόνηση προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: Γενικά, οι μορφές αστοχίας των κελυφών επηρεάζονται από τη δομή του υβριδικού δοκιμίου, την κατανομή των ινών, τις μηχανικές ιδιότητες ινών και μήτρας, τις ιδιότητες του αφρού και τον τρόπο διαστρωμάτωσης και κατασκευής του συνθέτου υλικού αλλά και ολόκληρου του δομικού στοιχείου. Με την προσθήκη FRP ενισχυτικών στοιχείων στον πυρήνα του sandwich κελύφους, αναπτύσσονται μηχανισμοί ελέγχου του φορτίου κατάρρευσης και της συνολικής ενέργειας απορρόφησης της κατασκευής. Η βασική λειτουργία των εσωτερικών ενισχυτικών στοιχείων του πυρήνα είναι να προσδίδει ισχυρότερη μηχανική σύνδεση μεταξύ των εξωτερικών πλακών του κελύφους. Η δομή αυτή αναβαθμίζει τις μηχανικές ιδιότητες της κατασκευής, ειδικά σε σχέση με τη στιβαρότητα και την αντοχή σε διάτμηση. Στην corrugated κατασκευή προκύπτουν μεγάλης έκτασης περιοχές επαφής μεταξύ του πυρήνα του κελύφους και των εξωτερικών πλακών του, που προσδίδουν στην όλη κατασκευή πολύ υψηλή αντοχή. Αντίθετα, στην tubular δομή οι αντίστοιχες περιοχές επαφής είναι περιορισμένες. Στη διαφορά αυτή οφείλεται η υψηλότερη αποτελεσματικότητα της corrugated κατασκευής αναφορικά με την φέρουσα ικανότητα φόρτισης και της ικανότητας απορρόφηση ενέργειας κρούσης κατά την αξονική καταπόνηση. Η αντίθετη παρατήρηση ισχύει στην περίπτωση της πλευρικής φόρτισης, κατά την οποία η tubular υβριδική δομή επέδειξε καλλίτερα χαρακτηριστικά μηχανικής απόκρισης και ικανότητας απορρόφησης ενέργειας. 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, P.K. Kostazos, Axial collapse of hybrid square sandwich composite tubular components with corrugated core: Experimental, Int. J. of Crashworthiness, Vol. 5, 2000, pp. 315-332. [2] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, P.K. Kostazos, Axial crushing of hybrid square sandwich composite vehicle hollow bodyshels with reinforced core: Experimental, Int. J. of Crashworthiness,, Vol. 6, 2001, pp. 363-376. [3] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, P.K. Kostazos, Axial crushing of hybrid square sandwich composite vehicle hollow bodyshells, ATTCE 2001, Vol. 4, Barcelona, October 2001, pp. 133-138. [4] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, P.K. Kostazos, D.P. Papapostolou, Axial collapse of hybrid square sandwich composite tubular components with corrugated core: Numerical modelling, Composite Structures, Vol. 58, 2002, pp. 571-582. [5] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, P.K. Kostazos, Crushing of hybrid square sandwich composite vehicle hollow bodyshells with reinforced core subjected to axial loading: Numerical simulation, Composite Structures, Vol. 61, 2003, pp. 175-186. [6] A.G. Mamalis, On the side impact of hollow composite rail body shells, Chapter 4 in Advances in Dynamics and Impact Mechanics, WIT Press, 2003, pp. 87-113. - 9 -