Papel de materiales de ingeniería civil
Aplicaciones de materiales inteligentes en ingeniería civil.
A medida que las personas tienen requisitos cada vez más altos para la calidad y el funcionamiento de la ingeniería civil, diversos materiales inteligentes, incluidas fibras ópticas, aleaciones piezomagnéticas, piezoeléctricas y con memoria, se han utilizado ampliamente en el campo de la ingeniería civil. Este artículo presenta el concepto, las características y la aplicación de los materiales inteligentes en la ingeniería civil y espera conocer sus futuras tendencias de aplicación.
Materiales inteligentes; ingeniería civil; características; tendencias de desarrollo
Introducción
Actualmente, con el desarrollo de aleaciones de soldadura óptica, piezomagnéticas, piezoeléctricas y con memoria de forma, etc. Con el desarrollo de materiales, los materiales inteligentes se han utilizado ampliamente en diversos campos de la ingeniería civil. Los materiales inteligentes más básicos generalmente se denominan materiales sensores, que pueden detectar sustancias excitadas por estímulos internos y externos. Los materiales que pueden adaptarse al medio ambiente al detectar cambios en las condiciones internas y externas se denominan materiales de actuación. Los materiales inteligentes actuales generalmente requieren el ensamblaje de una variedad de materiales para lograr el diagnóstico, reparación y ajuste de la estructura del material ante cambios ambientales.
1. Tipos y características de los materiales inteligentes
El concepto de materiales inteligentes se propuso sistemáticamente a principios de los años 80 y ganó un espacio de desarrollo sin precedentes a finales de los años 80. Con el desarrollo de materiales inteligentes como fibras ópticas, piezoimanes y aleaciones con memoria de forma, se han utilizado ampliamente en ingeniería civil. Los materiales inteligentes normalmente se pueden dividir en dos categorías debido a sus diferentes propiedades funcionales. Un tipo son los materiales que pueden sentir la intensidad de estímulos externos o internos, que se denominan materiales sensoriales. El otro tipo son los materiales que pueden responder o impulsar cambios debido a condiciones ambientales externas o condiciones internas, también conocidos como materiales de actuación inteligente. Las estructuras materiales inteligentes tienen tres elementos: control, detección y actuación. Puede utilizar su propia percepción para procesar información, emitir instrucciones y realizar acciones, realizando así diversas funciones como autocontrol, diagnóstico, detección, reparación, corrección y adaptación de la estructura. En términos generales, es difícil que un solo material funcional posea las funciones mencionadas anteriormente, que sólo pueden lograrse mediante la combinación o el ensamblaje de múltiples materiales para formar nuevos materiales inteligentes.
2. Aplicación de materiales inteligentes en ingeniería civil
1. Aplicación de aleación con memoria de forma
La aleación con memoria de forma es un tipo de material inteligente con efecto de memoria de forma material de aleación. Como nuevo tipo de material funcional, la ventaja más importante es que el material puede generar una tensión de recuperación superior a 700 MPa y una tensión de recuperación de aproximadamente 8 durante el proceso de estimulación del efecto de memoria de forma del material. También tiene una fuerte energía. capacidades de transmisión y almacenamiento. La aplicación de esta característica puede colocar materiales en diversas estructuras para lograr investigaciones aplicadas sobre autodiagnóstico, endurecimiento, mejora y control adaptativo de estructuras. También puede desarrollar materiales en actuadores inteligentes para llevar a cabo deformaciones estructurales, daños, investigaciones aplicadas sobre grietas e. vibración. La pseudoelasticidad y la histéresis del cambio de fase es otra ventaja de las aleaciones con memoria de forma. Durante el proceso de carga y descarga, la curva tensión-deformación tiene forma de anillo, lo que indica que el material puede absorber y disipar más energía durante este proceso. Las aleaciones con memoria de forma tienen una fuerza de recuperación de transformación de fase de hasta 400 MPa. Combinando esta característica, se puede desarrollar un sistema de control de disipación de energía pasiva de aleación con memoria de forma para lograr propiedades pseudoelásticas de cambio de fase, que se pueden utilizar para el control pasivo de la disipación de energía y la resistencia sísmica de estructuras de ingeniería civil. Por lo general, se instala un sistema de control pasivo de disipación de energía de aleación con memoria de forma entre los pisos o en la parte inferior de la estructura. A través del sistema de disipación de energía, se puede detectar la deformación entre las capas estructurales, consumiendo así energía sísmica. Los resultados de investigaciones relevantes muestran que después de instalar una estructura de aleación con memoria de forma en el disipador de energía, el disipador de energía puede absorber aproximadamente dos tercios de la energía del terremoto y suprimir significativamente el desplazamiento de la estructura.
2. Aplicación de materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos generalmente se refieren a materiales cristalinos que tienen voltaje en ambos extremos después de recibir presión. Las aplicaciones de los materiales piezoeléctricos en la ingeniería civil incluyen principalmente el control de la deformación estática de estructuras, el control del ruido, la resistencia a los terremotos y al viento, etc. El método tradicional de utilizar materiales piezoeléctricos es detectar la vibración de la estructura a través de elementos sensores piezoeléctricos y utilizar los resultados de salida de los sensores para realizar la detección de vibraciones y la alerta temprana.
Sobre esta base, se utilizan algoritmos de control apropiados para controlar y cuantificar la entrada de cuerpos piezoeléctricos para controlar la vibración estructural. Esta es la frontera de investigación actual de los materiales piezoeléctricos inteligentes. Con el desarrollo de la investigación y la tecnología, la aplicación de estructuras inteligentes piezoeléctricas en la ingeniería civil debería generalizarse cada vez más.
3. Aplicación de la fibra óptica
La fibra óptica es un material medio de comunicación óptica con forma de fibra, que consta de un revestimiento exterior y un núcleo interior. Este material se utilizó originalmente en sistemas de transmisión de comunicaciones mediante el uso de tecnología avanzada de transmisión de información. Como portadores de información, los fotones tienen mayor velocidad y capacidad que los electrones, por lo que se están desarrollando rápidamente. Los fotones tienen altas capacidades de procesamiento paralelo y altas velocidades de información, aprovechando plenamente su potencial en términos de capacidad de información y velocidad de procesamiento. Los materiales de fibra óptica se han utilizado en campos como el monitoreo, la detección y la transmisión de información a larga distancia. La incorporación de fibras ópticas como elementos sensores en estructuras de hormigón tradicionales permite el seguimiento, el diagnóstico, el control, la predicción y la evaluación automáticos de diversos indicadores estructurales, y la incorporación de elementos impulsores, como aleaciones con memoria de forma, para combinar orgánicamente sistemas de procesamiento de información y elementos de control. Funciones inteligentes, realizando así el autodiagnóstico y la reparación de la estructura de hormigón. En el diagnóstico de estructuras de ingeniería civil y el control activo de las respuestas sísmicas, los materiales de fibra óptica siempre han sido materiales ideales para el diseño de sensores y se han utilizado en la detección y evaluación de la presa de las Tres Gargantas en mi país.
4. Aplicación de materiales piezomagnéticos
Las aplicaciones de los materiales piezomagnéticos en ingeniería civil incluyen principalmente materiales magnetorreológicos y materiales magnetoestrictivos. Basado en el principio de los materiales magnetorreológicos, cuando la intensidad del campo magnético es superior a la intensidad crítica, el estado magnetorreológico cambia de líquido a sólido en muy poco tiempo. Está entre sólido y líquido Según las características del fluido magnetorreológico, es rápido, controlable y reversible, y requiere poca energía para controlar las propiedades del fluido. Por lo tanto, los fluidos magnetorreológicos se utilizan a menudo como material principal para dispositivos de energía en estructuras inteligentes. En base a esto, los materiales magnetorreológicos se pueden utilizar en estructuras de edificios de gran altura para lograr un control semiactivo de los terremotos. Los materiales magnetoestrictivos han atraído gran atención en los últimos años debido a sus amplias perspectivas de aplicación potenciales. Los materiales magnetoestrictivos tienen un fuerte efecto magnetoestrictivo y pueden convertir reversiblemente entre electromagnético y mecánico. Esta característica lo hace adecuado para dispositivos ultrasónicos de alta potencia, sistemas de sonar, control de posicionamiento preciso y muchos otros campos.
3. Tendencias de desarrollo de materiales inteligentes
En el campo de la ingeniería civil, las tendencias de desarrollo de materiales inteligentes se centran en los siguientes tres aspectos. Uno es monitorear y detectar el estado estructural en tiempo real, integrar componentes de detección y conducción en la estructura civil y usar su red para monitorear el estado estructural en tiempo real, garantizando así la seguridad de las estructuras e infraestructuras de ingeniería civil y reduciendo efectivamente el mantenimiento. costos. En segundo lugar, los materiales y estructuras que se adaptan a la forma no sólo pueden transportar y transmitir movimiento, sino también detectar y cambiar propiedades estructurales, lo que tiene amplias perspectivas de aplicación. En tercer lugar, el control adaptativo de la reducción de la vibración estructural, la resistencia a los terremotos, la resistencia al viento y la reducción del ruido siempre ha sido una cuestión importante en el diseño de ingeniería civil, especialmente para la resistencia a los terremotos y al viento de estructuras de ingeniería civil como puentes y edificios de gran altura. El desarrollo y la aplicación de materiales inteligentes proporcionan una forma importante de lograr un control adaptativo de las estructuras. Aunque todavía existen algunas deficiencias en los materiales inteligentes actuales, con la profundización de la investigación relevante, el rendimiento de los materiales inteligentes mejorará significativamente. En muchos campos, los materiales inteligentes desarrollarán su potencial y mostrarán amplias perspectivas de aplicación. Las investigaciones realizadas incluyen mecánica, control informático, materiales, microelectrónica, inteligencia artificial y otras disciplinas y tecnologías.
Cuatro. Conclusión
En resumen, con la aplicación generalizada de materiales inteligentes y el desarrollo gradual de componentes miniaturizados, multifuncionales y de alta potencia, las estructuras de los edificios se convertirán en sistemas integrados de control, detección, accionamiento y acoplamiento. Las estructuras de construcción inteligentes activas que integran componentes desempeñan un papel importante en la utilización eficaz de la energía solar, resisten el impacto de desastres naturales graves como terremotos y vibraciones del viento, proporcionan un entorno más cómodo y seguro para el trabajo y la vida de las personas y mejoran la calidad de la construcción. estructuras de ingeniería civil de gran importancia.
Materiales de referencia:
[1] Zhang Yadong. Investigación sobre la aplicación de materiales inteligentes en ingeniería civil [J]. Información científica y tecnológica, 2011 (30): 49.
[2]Hora de Huangpu. Investigación sobre materiales inteligentes en la construcción de ingeniería civil [J]. Usuarios digitales, 2013 (11): 27.
[3]Wang Yang. Aplicación de materiales de construcción inteligentes en edificios ecológicos y ecológicos que ahorran energía [J]. Foreign Building Materials Technology, 2008, 29 (2): 123-126.
Zheng Zhi, Zhang Yongxing, Dong Qiang. Materiales inteligentes y sus aplicaciones en ingeniería civil [J]. Revista de la Universidad Chongqing Jiaotong, 2005, 24 (6): 91-94.
gt gt gtLa siguiente página trae más artículos sobre materiales de ingeniería civil.