1

DLHODOBÝ TENZOMETRICKÝ MONITORING

OCEĽOVEJ KONŠTRUKCIE SILA

LONG-TERM STRAIN GAGE MONITORING OF THE STEEL CONSTRUCTION OF THE CLINKER

SILO

Lukáš Kowalski

Katedra kovových a drevených konštrukcií, Stavebná fakulta, Slovenská technická univerzite v

Bratislave

Klíčová slova: silo, slinok, tenzometer, experiment, monitoring Keywords: silo, clinker, strain gage, experiment, monitoring

4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně

2

1. Príprava experimentu V roku 2009 bolo v spolupráci s firmou Holcim a.s. rozhodnuté

realizovať dlhodobý monitoring rekonštruovaného sila PC1 na slinok. Cieľom dlhodobého experimentu je sledovať odozvu zmeny napätia v stene plášťa sila na zmenené prevádzkové pomery ako je zmena naplnenosti, zmena teploty steny sila, oslnenie. Hodnoty napätí získaných z monitoringu slúžia ako podklad pre porovnanie s výsledkami matematického FEM modelovania ako aj s výsledkami prepočtov podľa postupov zo súborov noriem STN a EC. Na obvodový plášť bolo naplánované nainštalovať tenzometrickú aparatúru v počte 16ks, alternatíva A. Pôdorysne sú tenzometre rozmiestnené po obvode 1/8 kružnice do 3 zoskupení, „rezov“ – A, B, C, po výške do 5 výškových úrovní: 1.000m od úrovne ±0.000m, 5.525m od úrovne ±0.000m, 6.775m od úrovne ±0.000m, 8.025m od úrovne ±0.000m, 10.525m od úrovne ±0.000m, obr. 1, 2. Rozmiestnenie tenzometrov zohľadňuje 2 osovú symetriu meraného sila PC1 na minimalizáciu potrebného počtu tenzometrov na vystihnutie skutočnej napätosti sila. Pre kontrolu správnosti výsledkov sú tenzometre na rovnakých pozíciách spárované za cieľom porovnanie výsledkov. V rámci experimentu sa používajú lepené fóliové tenzometre výrobcu HBM. Boli inštalované jednosmerné tenzometre HBM LY11-6/120 (zn. výrobcu, typ tenzometra, veľkosť -tenzometra/impedancia) a krížové tenzometre HBM XY11-6/120. Jednosmerné tenzometre LY11 sú lepené na stenu sila v oblasti výstuh, kde je merané pomerné predĺženie v axiálnom smere (vertikálnom) a na L výstuhu, kde sú nainštalované v horizontálnom smere s cieľom merať osové napätia na výstuhe. Krížové tenzometre XY11 boli nalepené do poľa, na stenu medzi výstuhy s cieľom merať meridiánové a tangenciálne napätia na konštrukcií sila. V reze A sa nachádza 6ks tenzometrov (2 krížové, 4 jednosmerné, 8 kanálov), v reze B 5ks (3 krížové, 2 jednosmerné, 8 kanálov) a v reze C 5ks tenzometrov (3 krížové, 2 jednosmerné, 8 kanálov). Sledovanie naplnenosti sila je zabezpečené pomocou 2 radarových snímačov (Siemens Sitrans LR400), ktoré merajú výšku hladiny slinku kolmo na horizontálnu rovinu. Meranie teploty steny sila je zabezpečené pomocou infračerveného bezkontaktného teplomeru CEM DT-812. Na konštrukciu boli vyznačené body odčítania teploty (smer západ – východ) X, A1, A2, A3, A4, B1, B2, C1, C2, C3, C4, Y vid. obr. 3. Meracie body teploty sila, ako aj rezy A, B, C sú umiestnené na južnej strane. Slnko sa pohybuje po horizonte v smere rezov C – B – A. Meracie body X, Y neboli v časoch odčítania nikdy oslnené a ich teplota bola uvažovaná pre celú neoslnenú časť sila. Teplota vzduchu je odčítaná z teplomeru v areály závodu firmy Holcim.

Prípravné práce na experimente začali v októbri 2009. Príprava spočívala v nákupe potrebného materiálu a príprave čiastkových produktov ako lepenie

3

kompenzačných tenzometrov, príprava skríň s koncovkami, strihanie káblov. Realizácia experimentu in situ bola začatá 1.12.2009. Ako prvý krok (1.12.2009, 2.12.2009) boli na vertikálne výstuhy konštrukcie prichytené 3 skrine s koncovkami, cez ktoré je pripájané odčítacie zariadenie (Vishay P3). Pred aplikáciou – prilepením tenzometrov bol povrch konštrukcie zbavený náteru (drôtenou kefou), očistený a odmastený. Na odmastenie bol použitý prípravok HBM RMS 1 na báze acetónu. Prichytenie tenzometrov na konštrukciu bolo realizované pomocou dvojzložkového lepidla HBM X60 (methyl methacrylat s anorganickým plnivom) tuhnúceho a tvrdnúceho za studena. Prvá fáza lepenia tenzometrov pokusne začala dňa 2.12.2009 a bola ukončená o deň neskôr 3.12.2009 z dôvodu nevyhovujúcich podmienok na lepenie tenzometrov – nízkej teploty (<5°C), vysokej vlhkosti a nevyhovujúceho tvrdnutia lepidla X60. Medzi ďalšie náročné úlohy patrilo spájkovanie kontaktov kabeláže, taktiež zapríčinené nízkou teplotou podkladovej oceľovej konštrukcie, nakoľko nebolo možné dostatočne prehriať tavidlo, a tak vznikali "studené spoje", ktoré vnášali do merania nepresnosti. Ako výsledok pokusnej inštalácie fóliových tenzometrov pri nízkych teplotách bola konštatovaná nevhodnosť práce pri teplotách nižších ako 10°C.

Obr. 2 Pohľad na nainštalovanú tenzometrickú aparatúru

Bolo rozhodnuté pokračovať pri zlepšených poveternostných podmienkach, ktoré nastali až 19.4.2010 (15 °C, polooblačno). Fáza inštalácie pokračovala do 10.5.2010 kedy boli nalepené posledné tenzometre na konštrukciu sila PC1. Všetky tenzometre boli zapájané do konfigurácie „polomost“ s kompenzačným tenzometrom na elimináciu vplyvov od zmeny teploty tenzometra. Z dôvodu

4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně

4

dĺžky trvania experimentu (dlhodobý experiment, dĺžka trvania >1rok) bola nutná dôkladná izolácia tenzometrov voči poveternostným vplyvom, najmä voči vlhkosti. Použitá bola kombinácia nevodivého izolačného laku HBM PU120, tekutej elektrickej izolačnej pásky, trvalo plastického izolačného tmelu HBM ABM75 a hliníkovej lepiacej pásky. Vhodnosť daného riešenia je potvrdená funkčnosťou tenzometrickej aparatúry aj rok po skončení montáže. V období medzi 2.12.2009 a 10.5.2010 boli vykonávané kontrolné merania tenzometrickej aparatúry. Po skončení montáže dňa 10.5.2010 bola stanovená referenčná nulová hodnota napätia a naplnenosti sila. Meranie teploty steny sila bolo realizované od dňa 1.10.2010 kedy bol k dispozícií spoľahlivý merací prostriedok CEM DT-812. 2. Priebeh experimentu

Už v priebehu montáže boli už nalepené tenzometre kontrolne odčítané. Na základe týchto meraní boli uskutočnené opravy tenzometrov, ktoré boli inštalované v nepriaznivých poveternostných podmienkach. Výstupy z tenzometrického merania - hodnoty pomerných predĺžení sú zoradené v tabuľke, v denníku merania. V denníku merania sú uvedené nasledovné údaje: číslo merania, dátum merania, čas merania, hodnota pomerného pretvorenia / zmena pomerného pretvorenia oproti „nulovému“ stavu, zmena napätosti konštrukcie, naplnenosť sila / zmena naplnenosti oproti „nulovému“ stavu, teplota ovzdušia, počasie, poznámka. Do „poznámok“ boli uvádzané podstatné informácie o stave prác na experimente ako aj informácie o vyprázdňovaní / plnení sila. Ako samostatný list denníka merania je pridaný záznam priebehu teplôt steny sila. Meranie teploty steny sila bolo zaradené najmä z dôvodu kvantifikácie vplyvov nerovnomerného ohriatia steny sila od oslnenia. Jednosmerné tenzometre HBM LY11-6/120 sú umiestnené v blízkosti vertikálnych výstuh kde merajú pomerné pretvorenia v meridiánom smere, respektíve na horizontálnej L výstuhe, kde snímajú pomerné pretvorenia v axiálnom smere. Potom pre normálové napätia platí Hookov zákon

E (1) Hodnoty pomerných pretvorení namerané krížovými tenzometrami HBM XY11-6/120 sú upravené pre rovinný stav napätosti na rozšírený Hookov zákon s vplyvom priečneho pretvorenia

)(1 2 yxxE (2)

)(1 2 xyyE (3)

Vplyv oslnenia bol zohľadnený vzťahom tEt (4)

Referenčná bola uvažovaná priemerná teplota pri montáži aparatúry tref = 15°C.

5

3. Výsledky experimentu Na grafoch nižšie sú uvedené hodnoty napätí nameraných tenzometrickou

aparatúrou v rozmedzí jedného roka – v rozmedzí dátumov od 10.5.2010 (meranie číslo 21) do 20.5.2011 (meranie číslo 53). Okrem pomerných pretvorení (napätí) bolo sledované počasie – odhad oblačnosti (vplyv na oslnenie sila) a teplota vzduchu. Teploty steny sila boli merané od čísla merania 30 (1.10.2010) Výsledky sú uvedené v grafickej podobe na grafoch zvlášť pre krížové a jednosmerné tenzometre. Vždy je zobrazený jeden graf pre tú ktorú výškovú úroveň (+1.000m, +5.525m, 6.675m, 8.025m, 10.525m) od hodnoty ±0.000m. Na hlavnej osi sú vynesené hodnoty zmeny napätia na konštrukcií červenou (vertikálny kanál) a čiernou (horizontálny kanál) farbou, na vedľajšej osi je zobrazená priemerná hodnota zmeny naplnenia sila slinkom (priemerná hodnota zo snímačov 1,2) tyrkysovou farbou. Z nameraných hodnôt je zrejmá dobrá zhoda nameraných meridiánových napätí s priebehom naplnenosti sila.

Na grafe číslo 11 je uvedený priebeh teploty na stene sila PC1 v závislosti na oslnení. Počas jasného počasia bola zaznamenaná značná nerovnomernosť priebehu teploty na sile. Tieto merania sú v grafe 11 zvýraznené hrubou červenou farbou, ide najmä o merania číslo 32, 41, 45, 46, 49, 51. Najväčší rozdiel teplôt v predpoludňajšom čase medzi meracími bodmi X a C bol zaznamenaný pri meraniach 32 (5°C – 18,7°C), 45 (-2,5°C – 14°C). Pri meraniach číslo 44 a 47 boli namerané na meracích bodoch A, B, C približne rovnaké teploty, na bodoch X, Y boli teploty výrazne nižšie. Meracie body boli zvolené tak, že body X, Y boli vždy v čase odčítania zatienené a slnečný jas dopadal na silo v mieste bodov A, B, C. Táto skutočnosť vysvetľuje nameraný nárast teploty na meracích bodoch A, B, C počas slnečných dní na sile PC1. Teplota steny sila na bodoch X a Y bola približne rovnaká ako teplota vzduchu v areály firmy Holcim, Rohožník a bola uvažovaná pre celú neoslnenú časť sila. Počas oblačného, zamračeného počasia bol rozdiel teplôt medzi meracími bodmi zanedbateľný.

-400-350-300-250-200-150-100

-500

50100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez A - tenzometer 2 V rez C - tenzometer 2 V Graf 1 Jednosmerné tenzometre vo vertikálnom smere na úrovni +10.525m

4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně

6

-200

-150

-100

-50

0

50

100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez A - tenzometer 8 V rez B - tenzometer 6 VGraf 3 Jednosmerné tenzometre vo vertikálnom smere na úrovni +5.525m

-200

-150

-100

-50

0

50

100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez A - tenzometer 12 V rez C - tenzometer 10 V rez A - tenzometer 12 V Graf 4 Jednosmerné tenzometre vo vertikálnom smere na úrovni +1.000m

-200-150-100

-500

50100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050výš

ka nap

lnenia

sila [m

]

rez C - tenzometer 1 H rez C - tenzometer 1 V rez B - tenzometer 1 H rez B - tenzometer 1 V Graf 5 Krížové tenzometre na úrovni +10.525m

7

-200-150-100

-500

50100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez B - tenzometer 3 V rez B - tenzometer 3 H Graf 6 Krížový tenzometer na úrovni +8.025m

-200-150-100

-500

50100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez A - tenzometer 7 V rez A - tenzometer 7 H rez B - tenzometer 7 H rez B - tenzometer 7 V rez C - tenzometer 6 V rez C - tenzometer 6 H Graf 7 Krížové tenzometre na úrovni +5.525m

-200

-150

-100

-50

0

50

100

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

zmena

napät

ia [MP

a]

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050

výška

naplne

nia sil

a [m]

rez A - tenzometer 11 V rez A - tenzometer 11 H rez C - tenzometer 9 V rez C - tenzometer 9 H Graf 8 Krížové tenzometre na úrovni +1.000m

4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně

8

05

101520253035404550

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53číslo merania

výška

naplne

nia sil

a [m]

snímač 1 snímač 2snímač 1 snímač 2 Graf 9 Výška naplnenia sila PC1

-10-505

101520253035

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

číslo merania

teplot

a vzdu

chu [°C

]

Graf 10 Priebeh teploty vzduchu, Holcim, Rohožník, SR

-20-15

-10-5

05

1015

2025

3035

40

X A1 A2 A4 A3 B1 B2 C1 C2 C3 C4 Y

merací bod

teplot

a [°C]

3030.23131.2323333.33435363738394041424344454646.1474849505153

Graf 11 Priebeh teploty steny sila PC1

9

Na grafoch 12, 13, 14 sú zobrazené závislosti priemerov amplitúd zmeny meridiánových napätí nameraných tenzometrickou aparatúrou pre 3 stavy užívania sila – nárast naplnenosti (plnenie sila pred odstávkou pece na slinok), konštantná úroveň naplnenosti, vyprázdňovanie sila. Na grafoch sú krivky prináležiace krížovým tenzometrom zobrazené červenou farbou, jednosmerným tenzometrom čiernou farbou. Priemery hodnôt z tenzometrov sú zvýraznené hrubou čiarou danej farby. Graf 12 zobrazuje zmenu meridiánového napätia pri prechode sila z vyprázdneného stavu (meranie číslo 35, 3.12.2010) do stavu plného naplnenia (meranie číslo 40, 28.1.2011). Počas tohto obdobia narástla výška naplnenia sila v priemere z 4.995m na 46.590m, t.z. nárast o 41.595m. Nárast naplnenia viedol k nárastu priemernej hodnoty amplitúdy meridiánového napätia v rozmedzí od 52.450 MPa do 85.300 MPa v závislosti na type a polohe tenzometra. Maximálna amplitúda meridiánového napätia dosiahla hodnotu 105.400MPa. Graf 13 zobrazuje zmenu meridiánového napätia na sile pri minimálnej zmene naplnenosti sila. Toto obdobie prebiehalo v čase pravidelnej odstávky rotačnej pece na slinok (meranie číslo 40, 28.1.2011 až meranie číslo 43, 25.2.2011) Dá sa konštatovať, že zmena naplnenosti sila o 0.110m je nepresnosťou meracích zariadení, resp. sadnutím slinku keďže v tom čase silo nebolo vyprázdňované. Počas tohto obdobia neboli zaznamenané žiadne významné zmeny meridiánových napätí namerané tenzometrami. Priemer amplitúd meridiánových napätí sa pohyboval v rozmedzí od -4.250 MPa do +2.600 MPa v závislosti na na type a polohe tenzometra. Maximálna hodnota amplitúdy dosiahla hodnotu -6.000 MPa. Graf 14 zobrazuje zmenu meridiánového napätia pri prechode sila z plne naplneného stavu (meranie číslo 43, 25.2.2011) na vyprázdnený stav (meranie číslo 48, 1.4.2011). Počas tohto obdobia poklesla výška naplnenia sila v priemere z 46.480m na 16.140m, t.z. pokles o 30.340m. Pokles naplnenia viedol k poklesu priemernej hodnoty amplitúdy meridiánového napätia v rozmedzí od -29.290 MPa do -59.300 MPa v závislosti na type a polohe tenzometra. Maximálna amplitúda meridiánového napätia dosiahla hodnotu -69.000 MPa.

05

10152025303540

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]

výškov

á úrov

eň [m

]

tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez Atenzometre XY11 - rez B tenzometre XY11 - rez C

Graf 12 Amplitúdy meridiánových napätí pri náraste naplnenosti sila

4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně

10

05

10152025303540

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]

výškov

á úrov

eň [m

]

tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez Atenzometre XY11 - rez B tenzometre XY11 - rez C

Graf 13 Amplitúdy meridiánových napätí pri stálej naplnenosti sila

05

10152025303540

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]

výškov

á úrov

eň [m

]

tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez Atenzometre XY11 - rez B tenzometre XY11 - rez C

Graf 14 Amplitúdy meridiánových napätí pri poklese naplnenosti sila

4. Záver Z výsledkov dlhodobého monitoringu sa dá konštatovať dobrá korelácia

nameraných hodnôt meridiánových napätí s hodnotami výšok naplnenia sila. Hodnoty tangenciálnych napätí je naproti tomu náročné interpretovať, je zrejmý vplyv naplnenia sila ako aj vplyv rovnomernej a nerovnomernej zmeny teploty steny sila. Zo zhody priebehov nameraných tangenciálnych napätí na jednotlivých tenzometroch je zrejmá funkčnosť tenzometrickej aparatúry. Práve skúmanie funkčnosti tenzometrickej aparatúry bolo vedľajším cieľom dlhodobého experimentu. Výsledky preukázali vhodnosť použitia fóliových tenzometrov na dlhodobé exteriérové sledovanie oceľových konštrukcií, za predpokladu montáže pri vhodných poveternostných podmienkach. Kontakt

Ing. Lukáš Kowalski, e-mail: lukas.kowalski@stuba.sk, Katedra kovových a drevených konštrukcií, Stavebná fakulta, Slovenská technická univerzita v Bratislave