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Self-prestressing bonded patches using Fe-SMA and CFRP for lifetime extension of fatigue-cracked steel details

形状记忆合金* 材料科学 形状记忆合金 复合材料 碳纤维增强聚合物 结构工程 压力(语言学) 寿命延长 条状物 复合数 计算机科学 老年学 工程类 哲学 医学 语言学 算法
作者
Sizhe Wang,Qingtian Su,Xu Jiang,Lingzhen Li,Masoud Motavalli,Elyas Ghafoori
出处
期刊:Construction and Building Materials [Elsevier BV]
卷期号:443: 137690-137690 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.conbuildmat.2024.137690
摘要

Self-prestressing bonded patches employing iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) for lifetime extension of cracked steel structures are investigated. The repair patches, applicable in confined spaces, are bonded over cracks, with prestress generated within Fe-SMA via activation (heating and cooling) to induce compression on cracks. Experimental tests involve cracked steel plates repaired with Fe-SMA and Fe-SMA/CFRP bonded patches, with a patch width of 50 mm and varied patch lengths of 100[sbnd]500 mm. Fe-SMA strips are activated to 180 ℃ using electric heating, generating prestresses of 154[sbnd]254 MPa. Fatigue tests (∆σ=90 MPa, R=0.2) show fatigue life extensions of ≥4.2 and ≥5.5 times for Fe-SMA and Fe-SMA/CFRP repairs. The 100 mm long Fe-SMA/CFRP patch exhibits optimal performance in lifetime extension, achieving complete crack arrest. As patch lengths decrease, failure modes shift from Fe-SMA (and CFRP) fracture to patch debonding while all patches remain effective in fatigue life extension. Finite element analysis with experimental validation quantifies the effects of prestress and load-sharing on reducing stress intensity factors at crack tips, thus retarding crack propagation. Design recommendations are proposed for the application of self-prestressing patches.

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