Projekty a granty

Inverzní a korelační analýza lomových, difuzních a mechanických parametrů nekonvenčních betonů

SP2022/45

PŘEDMĚT VÝZKUMU: Způsoby a možnosti používání recyklovaných materiálů a druhotných surovin pro výrobu betonu jsou dnes již relativně prozkoumány, škála různorodých materiálů, které mohou být za tímto účelem využívány, se však stále rozšiřuje. Pro výzkum charakteristik nekonvenčních betonů je možno použít standardizované postupy stanovené pro návrh běžných betonů, avšak je třeba tyto postupy ověřovat a případně vhodně upravit [1]. Pro použití takových betonů v praxi je také nutné vyhodnotit jak náročnost, tak i udržitelnost procesu výroby. Je třeba také stanovit, které testy mohou být nahrazeny nebo doplněny nedestruktivními zkouškami. V rámci předchozích projektů byla navázána a stále pokračuje spolupráce s odborníky na univerzitách v Olsztynu (prof. Katzer [2, 3]) a v Gliwicích (prof. Gołaszewski, [4]). V rámci této spolupráce byly připraveny vzorky různých betonů pro destruktivní testování pevnosti v tlaku, v příčném tahu a v ohybu, pro stanovení statického modulu pružnosti, pro určení difuzního koeficientu, a stejně tak nedestruktivní testování dynamického modulu pružnosti a povrchové a objemové rezistivity. Předkládaný projekt je zaměřen na statistické vyhodnocení a hloubkovou korelační analýzu dříve i nově získaných parametrů na těchto betonech: - beton z recyklovaného cihelného kameniva (SLWAC) vyztuženého ocelovými poměděnými drátky v různém procentuálním obsahu objemu betonu a s různými úrovněmi tlakového poškození [2, 3, 5], počet vzorků: 4 sady (dle vyztužení), 1 sada obsahuje 18 vzorků (6 testů vždy na 3 vzorcích = minimum dle norem; recyklovaného cihelného kameniva bylo v laboratořích v Koszalinu dostupné pouze malé množství); - beton s magnetickými kamenivy s vysokou hustotou použitelných proti radiačním účinkům [4], celkový počet sad analyzovaných vzorků je prozatím v řešení (spolupráce s univerzitou v Gliwicích), jedna sada bude obsahovat min. 3 válce (povrchová resistivita), 3 trámečky (objemová rezistivita) a několik kostek pro zjištění pevnosti v tlaku a tepelných vlastností betonu; - beton z recyklovaného betonového kameniva s obsahem odpadních metalurgických kalů [6], počet vzorků: 14 sad (dle obsahu kalu), 1 sada obsahuje 6 vzorků pro testování povrchové (3 válce) a objemové (3 trámečky) resistivity a 5x3 vzorků pro měření pevnosti v tlaku v 7, 14, 28, 56 a 112 dnech a tepelné vodivosti=nedestruktivní zkouška (vždy na 3 vzorcích). Pro správné modelování odezvy betonových konstrukcí je třeba brát v úvahu také aspekty lomově-mechanických parametrů. Protože je beton heterogenní materiál, je jejich stanovení poměrně obtížné a problematické. Pro získání těchto parametrů je často používána metoda založena na kombinaci numerické simulace lomových testů s inverzní analýzou [7]. Např. v publikaci [8] byla použita inverzní analýza na bázi umělé neuronové sítě pro stanovení stochastických lomově-mechanických parametrů pro konkrétní třídu pevnosti betonu. Vzhledem k tomu, že je beton materiálem s výrazně nelineárním chováním, je potřeba při modelování používat speciální konstitutivní modely [9]. Software ATENA takové modely obsahuje (např. CC3DNonLinCementitious2User). Tahové chování betonu je zde modelováno prostřednictvím nelineární lomové mechaniky v kombinaci s metodou šířky pásu trhlin a modelem rozetřených trhlin. Pro modelování drátkobetonu je pak potřeba určit především tyto parametry: tahová a tlaková funkce (vztah mezi napětím v tahu/tlaku a poměrnou deformací), pevnost v tahu a snížení pevnosti v tlaku v důsledku vzniku trhlin. Tyto parametry je pak potřeba vyladit tak, aby data z numerické simulace odpovídala datům z experimentálních zkoušek. Dále je tedy projekt zaměřen na numerickou simulaci tříbodového ohybu a odvození lomově-mechanických parametrů SLWAC pomocí inverzní analýzy. V rámci projektu z roku 2021 byla tato práce započata na betonu SLWAC1.5% pomocí jednoduché manuální inverzní analýzy na 2D modelu, která se však ukázala být pro praktické účely poměrně neefektivní. Proto bude přistoupeno ke kombinaci stochastického a inverzního přístupu pro vytvoření efektivního postupu pro stanovení potřebných parametrů betonu. Projekt úzce souvisí s tématem disertační práce hlavního řešitele (Numerické modelování difuze chloridů v betonu z recyklovaného kameniva). LITERATURA: [1] Wang, J., Zheng, K., Cui, N. Et Al. Green and Durable Lightweight Aggregate Concrete: The Role of Waste and Recycled Materials. Materials [online]. 2020, 13(13). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13133041 [2] Horňáková, M., Katzer, J., Kobaka J., Konečný, P. Lightweight SFRC Benefitting from Pre-soaking and Internal Curing Process. Materials 2019, 12 (24), 4152. https://doi.org/10.3390/ma12244152 [3] Horňáková, M., Lehner, P., Le, T. D., Konečný, P, Katzer, J. Durability Characteristics of Concrete Mixture Based on Red Ceramic Waste Aggregate. Sustainability. 2020, 12(21). ISSN 2071-1050. doi:10.3390/su12218890 [4] Lehner, Petr a Jacek Gołaszewski. Relationship of Different Properties from Non-Destructive Testing of Heavy Concrete from Magnetite and Serpentinite. Materials [online]. 2021, 14(15). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma14154288 [5] Horňáková, M., Lehner, P. Relationship of Surface and Bulk Resistivity in the Case of Mechanically Damaged Fibre Reinforced Red Ceramic Waste Aggregate Concrete. Materials. 2020, 13(23). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13235501 [6] Pizoń, Jan, Jacek Gołaszewski, Mohamed Alwaeli a Patryk Szwan. Properties of Concrete with Recycled Concrete Aggregate Containing Metallurgical Sludge Waste. Materials. 2020, 13(6). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13061448 [7] Jepsen, Michael S., Lars Damkilde, Ingemar Lövgren a Carlos Berrocal. Adaptive inverse analysis (AIA) applied and verified on various fiber reinforced concrete composites. Materials and Structures. 2018, 51(3). ISSN 1359-5997. doi:10.1617/s11527-018-1177-0 [8] Zimmermann, T., A. Strauss, D. Lehký, D. Novák a Z. Keršner. Stochastic fracture-mechanical characteristics of concrete based on experiments and inverse analysis. Construction and Building Materials. 2014, 73, 535-543. ISSN 09500618. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.09.087 [9] Soetens, T. a S. Matthys. Different methods to model the post-cracking behaviour of hooked-end steel fibre reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2014, 73, 458-471. ISSN 09500618. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.09.093 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: - Analýza povrchové a objemové elektrické resistivity (Wennerova sonda a RCON): Experimentální metoda, kterou se dlouhodobě zabývá Katedra stavební mechaniky FAST VŠB-TUO. - NordTest NTBuild 443 – zrychlený test chloridové penetrace. - ČSN 73 1371 – stanovení dynamického modulu pružnosti. - Metoda konečných prvků – numerické modelování, software ATENA, ANSYS. - Analytické řešení difuze chloridů. - Inverzní analýza v kombinaci se stochastickým přístupem. HARMONOGRAM PRACÍ: leden–březen – rešerše, statistické vyhodnocování vlastností vzorků z předchozích projektů, testování betonových vzorků, únor – příprava konferenčního příspěvku (Modelování v mechanice 2021) duben – příprava a zaslání publikace (Mathematics, MDPI). duben–srpen – numerické modelování tříbodového testu, určení vlastností betonu pomocí inverzní analýzy, příprava publikace (Theoretical and Applied Fracture Mechanics), příprava abstraktu na konferenci ICNAAM 2022, květen – účast na konferenci Modelování v mechanice 2022, září – účast na konferenci ICNAAM 2022, září–listopad – dokončení a zaslání publikace (Theoretical and Applied Fracture Mechanics). ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ: Ing. Marie Horňáková (cca 10 hod/týdně): - rešerše literatury, - koordinace testování a vyhodnocení naměřených dat, - provedení statistických a korelačních analýz, - příprava numerických modelů a numerické modelování, inverzní analýzy, - příprava konferenčních příspěvků a publikací (Modelování v mechanice 2022, ICNAAM 2022, Mathematics, Theoretical and Applied Fracture Mechanics), účast na konferencích. Ing. Nela Freiherrová (cca 5 hod/týdně): - modelování a kontrola numerických modelů, - součinnost s přípravou publikace na konferenci ICNAAM 2022 a článku v časopise Theoretical and Applied Fracture Mechanics s ohledem na numerické modelování. Ing. Kateřina Stejskalová (cca 7 hod/týdně): - provedení statistických a korelačních analýz, - stanovení tepelných parametrů betonů, - součinnost s přípravou publikace na konferenci Modelování v mechanice 2022 a článku v časopise Mathematics. Ing. Petr Lehner, Ph.D.: - kontrola numerických modelů, převoz vzorků, pomoc při testování a korelačních analýzách, - součinnost s přípravou konferenčních příspěvků a publikací (Modelování v mechanice 2022, ICNAAM 2022, Mathematics, Theoretical and Applied Fracture Mechanics). PŘEDCHOZÍ NEJVÝZNAMĚJŠÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU: Lehner, Petr a Marie Horňáková. Effect of Amount of Fibre and Damage Level on Service Life of SFR Recycled Concrete in Aggressive Environment. Buildings [online]. 2021, 11(10). ISSN 2075-5309. doi:10.3390/buildings11100489 Horňáková, Marie a Petr Lehner. Relationship of Surface and Bulk Resistivity in the Case of Mechanically Damaged Fibre Reinforced Red Ceramic Waste Aggregate Concrete. Materials [online]. 2020, 13(23). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13235501 Miarka, Petr, Stanislav Seitl, Marie Horňáková, Petr Lehner, Petr Konečný, Oldřich Sucharda a Vlastimil Bílek. Influence of chlorides on the fracture toughness and fracture resistance under the mixed mode I/II of high-performance concrete. Theoretical and Applied Fracture Mechanics [online]. 2020, 110. ISSN 01678442. doi:10.1016/j.tafmec.2020.102812 Horňáková, Marie, Petr Konečný, Petr Lehner and Jacek Katzer. Durability of structural lightweight waste aggregate concrete – electrical resistivity. In: Structural and physical aspects of construction engineering: 4th international conference. High Tatras, 2019 Horňáková, Marie, Katzer, Jacek, Kobaka Janus, Konečný, Petr. Lightweight SFRC Benefitting from Pre-soaking and Internal Curing Process. Materials 2019, 12 (24), 4152. https://doi.org/10.3390/ma12244152 ROZPOČET: Stipendia: 55 000 Kč – Ing. Marie Horňáková, 30 000 Kč – Ing. Nela Freiherrová, 45 000 Kč – Ing. Kateřina Stejskalová. Materiálové náklady: 29 000 Kč – obnova hardwaru pro výpočetní PC pro spoluřešitele (např. výkonnější procesory pro numerické modelování), 7 800 Kč – laboratorní materiál pro testování (nádoby, sůl, spojovací materiál), 16 650 Kč – ocelové formy pro betonování a testování nestandardních vzorků. Drobný hmotný a nehmotný majetek: 1000 Kč – datové nosiče. Služby: 320 EUR (8200 Kč) – vložné na ICNAAM 2022, 195 EUR (5 000 Kč) – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2022, 1800 CHF (44 000 Kč) – publikační poplatek Mathematics. Cestovní náhrady: 20 000 Kč – cestovní náklady, stravné a diety – příprava a převoz vzorků, testování – Gliwice (Polsko), 25 000 Kč – cestovní náklady, ubytování, stravné a diety – ICNAAM 2022, Rhodos (Greece). Režie: 31 850 Kč.

2022

2022

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Horňáková Marie Ing., Ph.D.