Numerisk simulering af temperatur- og spændingstilstanden i hærdnende betonkonstruktioner
Oversat titel
Numerical simulation of temperature and stress development during concrete curing
Forfattere
Poulsen, Rikke ; Christiansen, Morten
Semester
4. semester
Uddannelse
Udgivelsesår
2009
Abstract
Dette projekt udvikler og tester en beregningsmetode til at forudsige temperaturer og spændinger i massive betonkonstruktioner, mens de hærder. Metoden bygger på Abaqus, et elementmetodeprogram til computersimulering, og bliver sammenlignet med forsøg og analytiske beregninger. Først undersøges varmeledning i et enkelt betonemne, hvor man forsøger at skabe overvejende endimensional varmetransport ved hjælp af isolering og formplader. En beton med høj varmeudvikling anvendes, og betonens varmeudvikling måles med et adiabatisk kalorimeter som funktion af betonens modenhed (en indikator for hærdningsgrad). Temperaturforløbet beregnes med en analytisk løsning, programmet TempSim (fra Aalborg Portland) og Abaqus. Da varmetransporten i praksis ikke er helt endimensional, giver en 3D-model i Abaqus bedre overensstemmelse med forsøget. Betydningen af at modellere formsystemet og varmeudstråling vurderes også. Dernæst gennemføres forsøg med en 0,4 m betonterning med tredimensional varmetransport. En tilsvarende 3D-simulering i Abaqus stemmer godt med målingerne. Små forskelle tyder på, at betonens specifikke varmekapacitet (varmefylde) ændrer sig under hærdning; derfor afprøves en aftagende varmefylde i simuleringen. Samlet viser resultaterne, at temperaturtilstanden i massivt beton kan simuleres realistisk. I tredje del analyseres deformationer (tøjninger) og spændinger. En hærdet betonterning opvarmes jævnt og måles under afkøling med det optiske system Aramis, som registrerer overfladedeformationer. Systemet kan identificere revnemønstre, men ikke revnebredder. I Abaqus opbygges en tilsvarende model med materialemodellerne Concrete Damaged Plasticity og modificeret Mohr–Coulomb, der beskriver betons brud- og plasticitetsadfærd. Selve revner kan ikke modelleres direkte; i stedet bruges tøjningslokalisering som indikator for revnedannelse. Der undersøges også, hvordan resultaterne påvirkes af større terningestørrelser (0,8 m og 1,6 m). Til sidst anvendes metoden på et massivt hærdende betonelement til en bølgebryder i et aktuelt havneprojekt. Simulationen medtager, at betonens mekaniske egenskaber ændrer sig med modenheden. Resultaterne peger på risiko for termisk betingede revner ved den nuværende udførelsesmetode, og alternative metoder kan derfor vurderes med de udviklede simuleringer i Abaqus.
This project develops and tests a computational method to predict temperatures and stresses in mass concrete during curing. The method uses Abaqus, a finite element simulation tool, and is checked against experiments and analytical calculations. First, heat conduction is studied in a simple concrete specimen, aiming for predominantly one-dimensional heat flow using insulation and formwork plates. A high-heat concrete is used, and the heat release is measured with an adiabatic calorimeter as a function of the concrete’s maturity (an indicator of curing progress). Temperature evolution is calculated with an analytical solution, the TempSim program (from Aalborg Portland), and Abaqus. Because the heat flow was not perfectly one-dimensional in practice, a 3D Abaqus model matched the experiment better. The need to model the formwork system and thermal radiation is also assessed. Next, tests are performed on a 0.4 m concrete cube with three-dimensional heat transport. A corresponding 3D simulation in Abaqus agrees well with measurements. Small differences suggest that the concrete’s specific heat capacity changes during curing; a decreasing specific heat is therefore tried in the simulation. Overall, the results show that the temperature field in mass concrete can be simulated realistically. In the third part, deformations (strains) and stresses are analyzed. A cured concrete cube is uniformly heated and measured during cooling with the optical system Aramis, which records surface deformations. The system can identify crack patterns but not crack width. An equivalent Abaqus model is built using the Concrete Damaged Plasticity and modified Mohr–Coulomb material models, which describe concrete’s fracture and plastic behavior. Cracks cannot be modeled explicitly; instead, strain localization is used as an indicator of cracking. The effect of larger cube sizes (0.8 m and 1.6 m) is also examined. Finally, the method is applied to a massive curing concrete element for a breakwater in an ongoing harbor project. The simulation includes maturity-dependent changes in the concrete’s mechanical properties. The stress and strain results indicate a risk of thermally induced cracking with the current construction method, and alternative methods can be evaluated with the developed Abaqus simulations.
[Dette resumé er genereret ved hjælp af AI]
Emneord