1. 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
2. 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. 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. 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 yxx
E
(2)
)(
1 2 xyy
E
(3)
Vplyv oslnenia bol zohľadnený vzťahom
tEt (4)
Referenčná bola uvažovaná priemerná teplota pri montáži aparatúry tref = 15°C.
5. 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
-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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[m]
rez A- tenzometer 2 V rez C - tenzometer 2 V
Graf 1 Jednosmerné tenzometre vo vertikálnom smere na úrovni +10.525m
6. 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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[m]
rez A - tenzometer 8 V rez B - tenzometer 6 V
Graf 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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[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
-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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[m]
rezC - tenzometer 1 H rezC -tenzometer 1 V rez B - tenzometer 1 H rez B - tenzometer 1 V
Graf 5 Krížové tenzometre na úrovni +10.525m
7. 7
-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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[m]
rezB - tenzometer 3 V rezB - tenzometer 3 H
Graf 6 Krížový tenzometer na úrovni +8.025m
-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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[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
zmenanapätia[MPa]
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
výškanaplneniasila[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
9. 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.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]
výškováúroveň[m]
tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez A
tenzometre XY11 - rez B tenzometre XY11 - rez C
Graf 12 Amplitúdy meridiánových napätí pri náraste naplnenosti sila
10. 4. – 5. října 2011, FAST VUT v Brně
10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]
výškováúroveň[m]
tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez A
tenzometre XY11 - rez B tenzometre XY11 - rez C
Graf 13 Amplitúdy meridiánových napätí pri stálej naplnenosti sila
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
priemer amplitúd nameraných meridiánových napätí [MPa]
výškováúroveň[m]
tenzometre LY11 tenzometre XY11 tenzometre LY11 - rez A
tenzometre 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
