badania przyczepności tworzywa epy do stali w śrubach

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
44, s. 101-108, Gliwice 2012
ISSN 1896-771X
BADANIA PRZYCZEPNOŚCI TWORZYWA EPY DO STALI
W ŚRUBACH FUNDAMENTOWYCH ZAKOTWIONYCH
W TYM TWORZYWIE
PAWEŁ GRUDZIŃSKI, KONRAD KONOWALSKI
Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
e-mail: [email protected], [email protected]
Streszczenie. W pracy przedstawiono metodę oraz wyniki doświadczalnych
badań przyczepności tworzywa EPY do trzpienia stalowej śruby fundamentowej,
zakotwionej w tym tworzywie. Badania przeprowadzono na specjalnych
próbkach, reprezentujących niewielkie wycinki trzpienia śruby fundamentowej
( 30), osadzonego w tworzywie. Stosunkowo krótkie próbki takich połączeń
(rzędu średnicy trzpienia) umożliwiły wyznaczenie rzeczywistych naprężeń
przyczepności, bez uzależnienia ich od długości zakotwienia. Przyjęto modele
MES dla badanych układów i wyznaczono rozkłady naprężeń oraz przemieszczeń
w kontakcie tworzywa ze stalą. Sformułowano wnioski o znaczeniu poznawczym
i praktycznym
1. WSTĘP
Podczas naprawy fundamentów żelbetowych i modernizacji posadowień dużych sprężarek
tłokowych, a ostatnio także instalacji nowych tego rodzaju obiektów, coraz częściej stosuje
się śruby fundamentowe zakotwione w specjalnie do tego celu opracowanych tworzywach
polimerowych (rys. 1a). Jest to nowoczesny sposób fundamentowania ciężkich maszyn
i urządzeń, generujących duże siły dynamiczne (nie tylko dużych sprężarek tłokowych), który
ma wiele istotnych zalet w porównaniu z tradycyjnym sposobem kotwienia śrub
fundamentowych w betonie. Czynniki, które wymusiły postęp w tej dziedzinie oraz zalety
stosowania specjalnych tworzyw w naprawie fundamentów i modernizacji sposobu
mocowania na nich ciężkich maszyn i urządzeń, omówiono szczegółowo we wcześniejszych
pracach [1,2].
Istotną rolę przy osadzaniu śrub fundamentowych w tworzywie odgrywają zagadnienia
przyczepności tworzywa do stali oraz betonu. Musi ona być na tyle duża, aby mogła
bezpiecznie i bez naruszenia spójności przenosić obciążenia statyczne i dynamiczne
działające na dany układ. Znajomość przyczepności oraz czynników, od których ona zależy,
ma podstawowe znaczenie nie tylko w projektowaniu i realizacji nowoczesnych
fundamentowych złączy śrubowych, ale także w modelowaniu i analizie dynamicznej
posadowionych obiektów.
Badania na ten temat, znane z literatury [3, 4] i przedstawione we wcześniejszej pracy [5]
miały charakter globalny i dotyczyły przyczepności betonu lub tworzywa do prętów lub śrub
stalowych o znacznej długości zakotwienia. Zasadniczym celem prac badawczych,
102
P. GRUDZIŃSKI, K KONOWALSKI
przedstawionych w tym artykule, było opracowanie odpowiedniej metody i wyznaczenie
przyczepności, odniesionej do jednostkowej powierzchni styku tworzywa EPY z trzpieniem
stalowej śruby fundamentowej, osadzonej w tym tworzywie.
2. METODA I PRÓBKI PRZYJĘTE DO BADAŃ
Zjawisko przyczepności należy tutaj rozumieć w ogólnym pojęciu [4] jako opór
powstający w warstwie stykowej betonu lub tworzywa ze stalowym prętem, przy próbie jego
wyciągania z ośrodka, w którym został zalany. Czynnikami wywołującymi zjawisko
przyczepności w ogólnym przypadku są:
 adhezja, tj. przyciąganie międzycząsteczkowe, występujące na styku dwóch materiałów,
 wzajemne zaczepianie się nierówności obu materiałów, występujących na stykających się
powierzchniach,
 tarcie występujące na styku dwóch materiałów,
 chemiczne wiązania obu materiałów.
Pomimo tego, że zagadnieniu przyczepności betonu i tworzywa do stali poświęcono już
dość dużo uwagi, nie ma do tej pory odpowiednio opracowanej teorii na ten temat. Brak jest
też zaleceń normowych wskazujących metodę badawczą, a także kryteriów do jej oceny.
Badania przyczepności (oprócz prętów zbrojeniowych) prowadzi się zwykle dla trzpieni
śrub fundamentowych, o określonej długości zakotwienia l (rys. 1b). W takich wypadkach
w badanym układzie, na powierzchni styku dwóch materiałów powstaje bardzo
nierównomierny rozkład naprężeń stycznych, pokazany schematycznie na rys. 1c [5].
Rys.1. Zmodernizowane posadowienie motosprężarki GMVH-12 z użyciem tworzywa
EPY (a) oraz schemat klasycznego wyznaczania przyczepności tworzywa do trzpienia
zakotwionej w nim śruby fundamentowej (b, c)
Jako miarę przyczepności, nazywanej też naprężeniem przyczepności [4], przyjmuje się
zwykle graniczną wartość naprężenia stycznego Rp, wyznaczoną ze wzoru podanego na rys. 1,
gdzie Fmax oznacza siłę, przy której nastąpiło zniszczenie danego połączenia, a S – pole
powierzchni styku stalowego elementu z danym ośrodkiem.
Wyznaczona w ten sposób przyczepność Rp określa wartość średnią tego wskaźnika, która
w sposób istotny zależy od długości l połączenia. Nie odzwierciedla ona należycie
BADANIA PRZYCZEPNOŚCI TWORZYWA EPY DO STALI W ŚRUBACH FUNDAMENTOWYCH … 103
przyczepności jako zjawiska fizycznego, niezależnego od długości l, określającego jego
rzeczywistą wytrzymałość na ścinanie, odniesioną do jednostkowej powierzchni styku.
W celu zbadania rzeczywistej przyczepności tworzywa EPY do stalowego trzpienia śruby
fundamentowej przeprowadzono badania doświadczalne na próbkach, reprezentujących
pewne małe wycinki tych połączeń. Schematy i podstawowe wymiary tych próbek
przedstawiono na rys. 2a i b, a ich widok – na rys. 2c.
Rys. 2. Próbki do badań przyczepności tworzywa do osadzonych w nim trzpieni śrub
fundamentowych
Próbki te różnią się grubością warstwy tworzywa, która wynosi odpowiednio 5 i 10 mm.
Wykonano dwie serie próbek, po 6 sztuk w każdej. Przyjęta średnica trzpienia ( 30)
odpowiada średnicy śrub fundamentowych dużych sprężarek tłokowych. Stosunkowo
niewielka długość połączenia tworzywa z trzpieniem (rzędu jego średnicy) przyjęta została
tutaj po to, aby uzyskać w przybliżeniu równomierny rozkład naprężeń stycznych na długości
połączenia.
Badane trzpienie wykonane zostały ze stali 45 przez toczenie i miały na powierzchni
kontaktowej z tworzywem parametry chropowatości: Ra = 5,26 – 6,43 μm, Rz = 25,30 – 31,67
μm. Po odpowiednim oczyszczeniu i odtłuszczeniu powierzchni trzpieni, przeznaczonych do
kontaktu z tworzywem, ustawiono je koncentrycznie wewnątrz stalowych tulejek i zalano
ciekłym tworzywem EPY, wymieszanym z utwardzaczem. Utwardzanie tworzywa odbyło się
w temperaturze pokojowej 22-23 oC. Badania przyczepności przeprowadzono po 2 dobach
utwardzania.
3. REALIZACJA I WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH
Badania przeprowadzono na serwohydraulicznych maszynach wytrzymałościowych
INSTRON model 8501 Plus oraz model 8850. Przyjęto, że siła obciążająca badane połączenie
narastać będzie ze stałą prędkością przesuwu głowicy maszyny wytrzymałościowej
v = 1 mm/min (przyjmowanej w próbie ściskania materiałów), nie tylko aż do zniszczenia
badanego połączenia, ale aż do całkowitego wysunięcia trzpienia z tworzywa.
Badania przeprowadzono dla dwóch sposobów obciążania wykonanych próbek,
powodujących odpowiednio wypychanie lub wyciąganie trzpienia z otaczającego go
tworzywa.
Schemat i realizację pierwszego sposobu obciążania badanego układu na maszynie
wytrzymałościowej przedstawiono na rys. 3. W tym wypadku na trzpień działa siła
104
P. GRUDZIŃSKI, K KONOWALSKI
ściskająca, która powoduje jego wypychane z otaczającego go tworzywa. Przebieg tych prób
obrazują przykładowe wykresy przedstawione na rys. 4, a ich wyniki zawarte są w tabeli 1.
Rys. 3. Schemat wypychania trzpienia osadzonego w tworzywie (a) i jego realizacja
na maszynie wytrzymałościowej (b, c)
Rys. 4. Przykładowe wykresy obrazujące przebiegi i wyniki prób wypychania trzpienia
osadzonego w tworzywie EPY
Tabela 1. Wyniki badań przyczepności tworzywa EPY do stali uzyskane
w próbach wypychania trzpienia z tworzywa
Schemat i realizację drugiego sposobu obciążania badanego układu na maszynie
wytrzymałościowej przedstawiono na rys. 5. W tym wypadku na trzpień działa siła
rozciągająca powodująca jego wyciąganie z otaczającego go tworzywa. Przebiegi tych prób
obrazują przykładowe wykresy przedstawione na rys. 6, a ich wyniki zawarte są w tabeli 2.
BADANIA PRZYCZEPNOŚCI TWORZYWA EPY DO STALI W ŚRUBACH FUNDAMENTOWYCH … 105
Rys. 5. Schemat wyciągania trzpienia osadzonego w tworzywie (a) i jego realizacja na
maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8850 (b)
Rys. 6. Przykładowe wykresy obrazujące przebiegi i wyniki prób wyciągania trzpienia
osadzonego w tworzywie EPY
Tabela 2. Wyniki badań przyczepności tworzywa EPY do stali
uzyskane w próbach wyciągania trzpienia z tworzywa
Badane próbki w obydwóch przypadkach obciążeń były takie same. Chodziło tutaj nie
tylko o wyznaczenie wartości wskaźnika Rp, ale także o sprawdzenie, czy i w jakim stopniu,
w takich krótkich połączeniach, wyniki badań przyczepności zależą od odkształceń
poprzecznych trzpienia, wywołanych jego ściskaniem lub rozciąganiem.
Analizując otrzymane wykresy (rys. 4 i 6) można ogólnie stwierdzić, iż zniszczenie
badanych połączeń stalowego trzpienia z tworzywem jest efektem działania naprężeń
stycznych występujących w kontakcie tych dwóch materiałów. Szybki, równomierny liniowy
wzrost obciążenia aż do jego maksymalnej wartości i gwałtowny jego spadek, świadczą
o tym, że zniszczenie połączenia (wywołane naprężeniami stycznymi) występuje praktycznie
106
P. GRUDZIŃSKI, K KONOWALSKI
jednocześnie na całej powierzchni styku trzpienia z tworzywem. Po utracie spójności
trzpienia z tworzywem badane połączenia nie tracą jednakże całkowicie zdolności nośnej,
dzięki występowaniu w nich dość dużych oporów tarcia. Opory te maleją, co wiąże się ze
stopniowym wysuwaniem się trzpienia z tworzywa oraz wygładzaniem się trących
powierzchni. Widoczne na wykresach oscylacje są efektem występowania zjawiska stiuk-slip.
Uzyskane ilościowe wyniki prób podane są w tabelach 1 i 2. Zawierają one wartości siły
niszczącej Fmax oraz przyczepności Rp, wyznaczonej według wzoru podanego na rys. 1.
Uzyskane wyniki charakteryzują się dość dużym rozrzutem. Wyniki dla wszystkich badanych
próbek (tj. z warstwą tworzywa o grubości 5 i 10 mm) oraz sposobów ich obciążeń,
polegających na wypychaniu lub wyciąganiu trzpienia z tworzywa, są porównywalne.
Występujące różnice mieszczą się w granicach rozrzutu wartości wyznaczanych parametrów.
Można więc z grubsza (w pierwszym przybliżeniu) przyjąć, że dla stosunkowo krótkich
połączeń (o długości l ≈ d) badania przyczepności, polegające na wypychaniu lub wyciąganiu
trzpienia osadzonego w tworzywie, są równoważne. W celu sprawdzenia tego wniosku,
wykonano pewne obliczenia numeryczne za pomocą MES.
4. OBLICZENIA MES
Zasadniczym celem modelowania badanych układów i obliczeń MES było wyznaczenie
rozkładów naprężeń i przemieszczeń występujących w obszarze kontaktu tworzywa ze stalą
i zbadanie różnic, jakie występują przy wypychaniu i wyciąganiu trzpienia z tworzywa. Do
modelowania i obliczeń MES przyjęto osiowosymetryczny układy pokazane na rys. 3a i 5a.
W modelowaniu MES uwzględniono nie tylko badane próbki, ale także oddziałujące na nie
elementy oprzyrządowania. Założono, że materiały, z których wykonane są badane układy, tj.
stal i tworzywo EPY, są liniowo-sprężyste, i że między stalą i tworzywem istnieje pełna
spoistość. Przyjęcie tych założeń uzasadniają uzyskane wyniki badań doświadczalnych.
Zasadnicze wymiary poszczególnych elementów składowych w modelach obliczeniowych
przyjęto zgodnie z rys. 2. Do obliczeń przyjęto następujące stałe materiałowe: dla stali
Es = 2  10 5 MPa, s = 0,3; dla tworzywa EPY– Et = 5580 MPa, t = 0,376. Obliczenia
wykonano dla siły F= 25 kN, która odpowiada najmniejszej wartości siły niszczącej badane
połączenia. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 7 i 8. Ograniczono się tutaj tylko
pokazania rozkładów naprężeń i przemieszczeń występujących w kontakcie tworzywa ze
stalowym trzpieniem. Rysunek 7 przedstawia wyniki obliczeń dla przypadku wypychania
trzpienia z tworzywa z zadaną siłą F, natomiast rys. 8 - wyniki dla przypadku wyciągania
trzpienia z otaczającego go tworzywa. W pierwszym przypadku trzpień jest ściskany, a w
drugim – rozciągany.
Z obliczeń wynika, że w kontakcie tworzywa z trzpieniem, przy obydwóch sposobach
obciążeń badanych próbek (tj. siłami ściskającymi i rozciągającymi), występuje daleko idące
podobieństwo rozkładów i wartości naprężeń stycznych xy oraz promieniowych x, mających
decydujący wpływ na wytrzymałość (nośność) badanego połączenia. W szczególności zaś
naprężenia styczne charakteryzują się dużą równomiernością rozkładu na długości l
połączenia i niewielkimi odchyleniami od wartości średniej. Na brzegach występują pewne
spiętrzenia naprężeń. Jest to zagadnienie, które wymaga odrębnych bardziej szczegółowych
badań.
BADANIA PRZYCZEPNOŚCI TWORZYWA EPY DO STALI W ŚRUBACH FUNDAMENTOWYCH … 107
Rys. 7. Wykresy naprężeń i przemieszczeń występujących w kontakcie tworzywa ze stalą dla
przypadku wypychania trzpienia tworzywa siłą F =25 kN
Rys. 8. Wykresy naprężeń i przemieszczeń występujących w kontakcie tworzywa ze stalą dla
przypadku wyciąganego trzpienia z tworzywa siłą F =25 kN
Z wykresów przemieszczeń pionowych uy wynika (rys. 7d i 8d), że trzpień na długości
połączenia z tworzywem przemieszcza się głównie jako ciało sztywne, doznając przy tym
tylko niewielkiego skrócenia lub wydłużenia (l ). Wykresy przemieszczeń promieniowych
ux (rys. 7e i 8e) obrazują zmiany wymiarów poprzecznych trzpienia na długości l połączenia.
Rozkłady tych przemieszczeń wykazują duże podobieństwo. Przemieszczenia te różnią się
znakiem, a ich wartości są bardzo małe  u x max  0,0005 mm  i nie wykazały (w badaniach
doświadczalnych) dającego się zauważyć wpływu na wytrzymałość badanych złączy.
5. WNIOSKI KOŃCOWE
Uzyskane wyniki badań doświadczalnych oraz obliczeń MES pozwalają stwierdzić, że
badania przyczepności tworzywa EPY do stalowego trzpienia, dla dostatecznie krótkich
połączeń (rzędu średnicy tego trzpienia), wykonane metodą jego wypychania lub wyciągania
z tego tworzywa, mogą być traktowane jako równoważne.
108
P. GRUDZIŃSKI, K KONOWALSKI
Uzyskane wyniki badań dostarczają wartościowych źródłowych informacji jakościowych
i ilościowych, dotyczących rzeczywistej przyczepności tworzywa EPY do trzpieni stalowych
śrub fundamentowych, osadzonych w tym tworzywie, oraz zachowania się takich połączeń po
przekroczeniu granicy ich wytrzymałości. Mogą one być wykorzystane w projektowaniu
nowoczesnych fundamentowych złączy śrubowych, a także jako dane bazowe do porównań w
dalszych badaniach.
Wyznaczone w badaniach wartości średnie (rzędu 12 MPa), a także wartości maksymalne
(Rpmax = 15,67 MPa) przyczepności są znacznie niższe od wytrzymałości na ścinanie
badanego tworzywa EPY (Rt = 52,3 MPa). Wykorzystując odpowiednio własności
wytrzymałościowe tego tworzywa (wyższe od betonu), można znacznie poprawić
efektywność zakotwienia śrub fundamentowych w tym tworzywie, poprzez odpowiednie
wyprofilowanie powierzchni ich trzpieni. Badania w tym kierunku są aktualnie prowadzone, a
ich wyniki zostaną przedstawione w następnych publikacjach.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
Grudziński K., Grudziński P.: Tradycyjny i nowoczesny sposób posadawiania ciężkich
sprężarek tłokowych na fundamentach betonowych. „Przegląd Mechaniczny” 2009, nr 5,
9, s. 15-21.
Grudziński K., Grudziński P., Jaroszewicz W,. Ratajczak J.: Techniczne, ekonomiczne
i eksploatacyjne korzyści ze stosowania tworzyw polimerowych w montażu maszyn
i urządzeń. „Technologia i Automatyzacja Montażu” 2011, nr 4, s. 19-24.
Kawiak R.: Osadzanie śrub fundamentowych za pomocą kompozytów polimerowych. W:
XIX Sympozjon Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zielona Góra –Świnoujście, 1999, s.
481-486.
Wałach D.: Przyczepność betonów wysokowartościowych do stali zbrojeniowej. W:
XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki 2004, s. 1-9 (z Internetu).
Grudziński P.: Modelowanie i analiza wytrzymałościowa śruby fundamentowej
zakotwionej w bloku betonowym przy użyciu tworzywa polimerowego. „Modelowanie
Inżynierskie” 2011, nr 42, t. 11, s. 147-154.
A STUDY OF THE EPY PLASTIC-STEEL BOND
IN FOUNDATION BOLTS ANCHORED IN THIS PLASTIC
Summary. The paper presents a method and results of experimental studies of the EPY
plastic-steel bond in a foundation bolt shank anchored in this plastic. The studies
were performed on special samples, which represented small pieces of the foundation
bolt shank ( 30) anchored in the plastic material. Owing to their limited length
(about the size of the diameter of the shank), the samples enabled to determine the
real bond stress regardless of the length of the anchorage. FEM models were adopted
for the investigated systems and stress and displacement distributions at the contact
interface between the plastic and steel have been determined. The conclusions
seem to be of some scientific and practical value.
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr NN 502 194938