NUMERICKÁ SIMULACE ODTRŽENÍ SKLOEPOXIDOVÉ VRSTVY ADAFLEX BG Autoři: Ing. Michal Mrózek, Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, e-mail: mrozek.m@fce.vutbr.cz Ing. Zdeněk Čada, Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, e-mail: cada.z@fce.vutbr.cz doc. Ing. Vlastislav Salajka, CSc., Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, e-mail: salajka.v@fce.vutbr.cz Anotace: V příspěvku jsou prezentovány výsledky simulace odtržení skloepoxidové ochranné vrstvy ADAFLEX BG od betonového kvádru. Skloepoxidová vrstva je aplikována na vnitřní stěnu skladovacích nádrží petrochemického průmyslu za účelem zajištění její integrity. Dostatečné spolupůsobení mezi skloepoxidovou vrstvou a betonovým podkladem se prokazuje přesně definovanými průkazními zkouškami. Důvodem pro provedení numerické simulace odtržení vrstvy je srovnání mezní síly potřebné k odtržení vrstvy při nepředepsaném způsobu namáhání s mezní silou odtržení stanovenou standardními zkouškami. Výpočty vedoucí ke stanovení mezní síly při odtržení byly provedeny s podporou programu ANSYS 12.1. V programu ANSYS byl sestaven prostorový výpočtový model zkušebního tělesa. Následně byly provedeny výpočty statické odezvy modelu tělesa při požadovaném namáhání. Výsledky získané výpočty byly porovnány s provedenými experimenty. Annotation: Within the presented paper simulation results of glass-epoxy protective layer ADAFLEX BG separation from concrete block is presented. Glass-epoxy layer is applied on internal surface of retention tanks used in petrochemical industry to secure its integrity. Sufficient cohesion between protective layer and concrete surface is proved by defined probative tests. Reason for performing numerical simulation of separation tests is comparison of ultimate separation force during standard probative tests and non-standard loading. Performed computations were carried out using ANSYS 12.1 to determine ultimate separation force. Spatial computational model of tested specimen was created using ANSYS. Subsequently static response computations were performed. Results were compared with experiments. 1
Úvod Předmětem příspěvku je výpočet namáhání betonového kvádru osazeného deskou z kompozitního materiálu. Kompozitní materiál označovaný souhrnně jako skloepoxidová vrstva má být použit na zajištění vnitřní izolační vrstvy na skladovacích nádržích v petrochemickém průmyslu. Pro verifikaci parametrů laminátu byla zkušebním ústavem provedena řada zkoušek. Provedené zkoušky prokázaly vyhovující vlastnosti z hlediska tahového, tlakového i smykového namáhání. Současně byly provedeny zkoušky přídržnosti skloepoxidové vrstvy na betonovém podkladě. Ty rovněž prokázaly vyhovující vlastnosti skloepoxidové vrstvy z hlediska přídržnosti k betonovému povrchu. Konfigurace zkoušek přídržnosti je nastavena taky, aby odpovídala způsobu použití a namáhání na reálné konstrukci nádrží. V rámci experimentálního testování přídržnosti skloepoxidové vrstvy a betonu bylo způsobeno nežádoucí odtrhnutí vrstvy laminátu při nepředepsaném způsobu namáhání. K odtrhnutí došlo při tahu za přesahující části skloepoxidové vrstvy přes hrany betonové krychle. Účelem výpočtu bylo výpočtem prokázat, že při tahu přesahující skloepoxidové vrstvy v místě rohu betonové krychle může dojít k odtržení vrstvy, a to při zatížení podstatně menší silou než při předepsaných odtrhových zkouškách. Popis experimentálních vzorků Jedná se o aplikované vzorky skloepoxidu na betonovém kvádru o rozměrech 250 x 250 x 150 mm. Pro výrobu betonových kvádrů byl použit beton C30/37. Vlastní aplikace byla provedena na ploše 250 x 250 mm a dále byla protažena mimo okraj betonového vzorku. Hodnota protažení je uvažována 25 mm. Tloušťka skloepoxidové vrstvy se pohybuje v rozmezí 2,55 až 3,60 mm. Zkoušky přídržnosti Pro provedení zkoušek přídržnosti je nejprve odseparována plocha skloepoxidové vrstvy ve tvaru osmiúhelníku, jehož vepsaná kružnice má průměr 50 mm. Na takto připravený povrch betonu jsou nalepeny kontaktní kovové terče vysokopevnostním lepidlem. Zkoušky se provádí zařízením PROCEQ - DYNA. Při namáhání zkušebního vzorku svislým tahem za převislý kraj skloepoxidové vrstvy v místě rohu nebo ve středu hrany betonové krychle dochází k odtržení vrstvy od betonového povrchu a následně k přelomení skloepoxidu. Namáhání je prováděno manuálně, jak je zobrazeno na obr. 1. 2
Obr. 1, 2: Odtržení skloepoxidové vrstvy Výpočtový model V programovém systému ANSYS 12.1 [4] byl v souladu se schématy prováděných zkoušek, fotodokumentací a videozáznamy zkoušek [1, 2, 3] vytvořen prostorový výpočtový model betonového kvádru, který je osazen skloepoxidovou vrstvou. Obr. 3, 4: Výpočtový model vrstvy Při simulaci standardní odtrhové zkoušky je předpokládaná oblast porušení modelována ve dvou variantách. V první variantě se předpokládá bilineární závislost mezi napětím a přetvořením. Modul pružnosti v tahu/tlaku je pro lineární oblast předpokládán E = 33 MPa. Mezní hodnota napětí se uvažuje f t = 4,0 MPa. Součinitel příčné kontrakce ν = 0,15. V druhé variantě materiálového modelu se předpokládá pružně - plastické chování s definovanou obálkou plasticity Drucker - Prager. Obálka plasticity typu Drucker - Prager je zadána přepočtenými hodnotami pro úhel vnitřního tření materiálu φ a kohezi c. Hodnoty φ a c jsou získány přepočtením hodnot jednoosé tahové pevnosti materiálu a pevnosti v tlaku. 3
Výpočet odtržení při zatížení převislého okraje V prvním výpočtu je řešena nelineární statická odezva modelu vzorku na zatížení vyvozené zkoušecím zařízením DYNA s předpokladem pružně - plastického chování vrstvy porušení. Uzlům na povrchu zatěžovaného osmiúhelníku je předepsán svislý posuv. Odezva je řešena přírustkově. Vyhodnocení je provedeno do úrovně přenesené síly F = 7,6 kn, tato hodnota byla stanovena experimentálně. Rozložení napětí na průřezu je nerovnoměrné. Maximální hodnota svislých napětí je σ z = 5,43 MPa. Výpočet odtržení skloepoxidové vrstvy při zatížení převisu byl proveden ve dvou variantách z zhlediska působení vnější síly: zatížení v místě rohu, zatížení ve středu hrany. Výpočty odtržení v případě obou variant byly provedeny na výpočtovém modelu celé betonové krychle se skloepoxidovou vrstvou. Varianty se vzájemně liší pouze polohou aplikovaného zatížení. Simulováno bylo postupné odtržení těsně pod oblastí penetrované vrstvy betonu vlivem postupující koncentrace napětí a následného porušení vrstvy. Porušovaná vrstva měla stejné materiálové vlastnosti betonu jako okolní beton, s rozdílem možnosti porušení při překročení mezního napětí resp. poměrné deformace. Pracovní diagram této porušované vrstvy je vynesen na obr. 5. Oblast změkčení byla volena z důvodu stabilizace výpočtu, konkrétní hodnoty neodpovídají přesným lomovým parametrům kvazikřehkého chování porušovaného materiálu, což ale minimálně ovlivňuje vyšetřované maximum přenesené síly vzorkem. Maximální přípustné napětí 5,43 MPa bylo odvozeno z výpočtu odtržení předepsanou zkouškou. Obr. 5: Pracovní diagram porušované vrstvy Samotné řešení bylo provedeno pomocí vlastní subrutiny psané v APDL, která na základě aktuálního stavu nejslabší vrstvy (rozhraní pod materiálem skloepoxidu) mění materiálové vlastnosti (modul pružnosti) této vrstvy. 4
Výsledná odezva z řešených variant je vynesena v grafu na obr. 6, kde je na vodorovné ose vyneseno svislé posunutí sledovaných bodů, které leží v místě zatížení. Na svislé ose je vynesena aplikovaná síla do modelu. Varianta modelu zatíženého v rohu přenesla maximální sílu 53 N odpovídající svislému posunutí 29,2 mm. Tento výpočtový stav je vykreslen na obr. 7, kde je pole celkového přemístění (měřítko posunutí je 1:1). Progrese porušení je na hranici rohů betonové krychle, zobrazeno na obr. 8. Při překročení této síly dochází k labilnímu nárůst posunutí a porušení s následujícím celkovým oddělení skloepoxidové vrstvy od betonové krychle. Obr. 6: Průběhy zatěžovací síly v závislosti na posunutí Varianta modelu zatíženého ve středu hrany rohu přenesla maximální sílu 227 N odpovídající svislému posunutí 6,4 mm. Analogicky je tento výpočtový stav vykreslen na obr. 9 a 10. Přibližně této maximální síle model odolával až do posunutí 9,5 mm, kdy porušení dosáhlo rohů betonové krychle. Dále dochází k pozvolnému klesání síly až do okamžiku celkového odtržení skloepoxidové vrstvy. Obr. 7, 8: Pole celkového posunutí [m] a svislého napětí [Pa] při maximální přenesené síle 5
Závěry Obr. 9, 10: Pole celkového posunutí [m] a svislého napětí [Pa] při maximální přenesené síle Z uvedených výpočtů vyplývá, že v případě zatěžování testovaného vzorku (betonová krychle se skloepoxidovou vrstvou) nepředepsaným způsobem, a to odtržení skloepoxidové vrstvy chycením za převislý kraj, je potřebná maximální síla několikanásobně menší (více jak 30x) než při předepsané zkoušce. Konkrétní hodnota síly je závislá na koncentraci napětí v procesní zóně, kdy koncentrace napětí je silně závislá na konfiguraci děje (pozice zatížení, směr zatížení, tloušťka skloepoxidové vrstvy, provedení spoje skloepoxid-beton...), což bylo prokázáno výpočtem. Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Výzkumného záměru MSM 0021630519 Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce a grantového projektu GAČR 103/09/2007 Vliv technické a přírodní seizmicity na statickou spolehlivost a životnost staveb. LITERATURA [1] Jiří Janovec, Posouzení vlastností laminátové vrstvy DOPA, Znalecký posudek 7/08, Praha, 22.2.2008 [2] Technický a zkušební ústav stavební Praha, s.p., Odborný posudek č. 010-022 633 o zkouškách plastů typu I na železobetonových vzorcích, Praha, 13.2.2008 [3] ČVUT, Kloknerův ústav, Závěrečná zpráva o zkouškách dvouvrstvého systému DOPA s vakuovanou mezerou, který je určen pro monitorované těsnění povrchů nádrží pro skladování kapalných médií, Projekt: Experimentální stanovení dvojitého vakuovanového dna DOPA, Praha, leden 2009 [4] ANSYS, Inc., Release 10.0 Documentation for ANSYS. SAS IP, Inc 2005. [5] BITTNAR, Z., ŠEJNOHA, J., Numerické metody mechaniky 1. Praha: ČVUT, 1992. 6