MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 44, s. 101-108, Gliwice 2012 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: pawel.grudzinski@zut.edu.pl, konrad.konowalski@zut.edu.pl 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 R p, wyznaczoną ze wzoru podanego na rys. 1, gdzie F max oznacza siłę, przy której nastąpiło zniszczenie danego połączenia, a S pole powierzchni styku stalowego elementu z danym ośrodkiem. Wyznaczona w ten sposób przyczepność R p 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: R a = 5,26 6,43 μm, R z = 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 o C. 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 R p, 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 F max oraz przyczepności R p, 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 5 E s = 2 10 MPa, s = 0,3; dla tworzywa EPY E t = 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 u y 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 u x (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 (R pmax = 15,67 MPa) przyczepności są znacznie niższe od wytrzymałości na ścinanie badanego tworzywa EPY (R t = 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. Grudziński K., Grudziński P.: Tradycyjny i nowoczesny sposób posadawiania ciężkich sprężarek tłokowych na fundamentach betonowych. Przegląd Mechaniczny 2009, nr 5, 9, s. 15-21. 2. 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. 3. Kawiak R.: Osadzanie śrub fundamentowych za pomocą kompozytów polimerowych. W: XIX Sympozjon Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zielona Góra Świnoujście, 1999, s. 481-486. 4. Wałach D.: Przyczepność betonów wysokowartościowych do stali zbrojeniowej. W: XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki 2004, s. 1-9 (z Internetu). 5. 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