Numerisk simulering af temperatur- og spændingstilstanden i hærdnende betonkonstruktioner
Studenteropgave: Kandidatspeciale og HD afgangsprojekt
- Rikke Poulsen
- Morten Christiansen
4. semester, Bygge- og anlægskonstruktion, Kandidat (Kandidatuddannelse)
I dette projekt er der udviklet en metode til numerisk bestemmelse af massive betonkonstruktioners temperatur- og spændingstilstand under hærdning, baseret på det kommercielle elementmetodeprogram Abaqus. Simuleringerne er valideret ved forskellige eksperimentelle metoder.
I den første del af projektet er der er arbejdet med endimensional varmetransport i et geometrisk simpelt hærdnende betonemne, idet der er anvendt eksperimentelle, analytiske og numeriske metoder. Der er gennemført et forsøg, hvor det blev forsøgt at sikre en endimensional varmetransport vha. isolering og formplader. Til dette blev der anvendt en beton med en høj varmeudvikling, så temperaturforskellen mellem middel- og randtemperaturen blev størst muligt efter afformningen. Desuden er der udført en adiabatisk kalorimetermåling, hvor betonens varmeudvikling er bestemt som funktion af modenheden.
Idet forsøget er udført med endimensional varmetransport, er det muligt at anvende en analytisk løsning til varmeledningsligningen samt programmet TempSim, der er udviklet af Aalborg Portland, til at bestemme temperaturforløbet i betonen.
Den endimensionale varmetransport er ligeledes bestemt numerisk i Abaqus, hvor der i første omgang er anvendt en todimensional model. Idet varmetransporten i forsøget viste sig ikke at være fuldstændig endimensional, var det nødvendigt at anvende en 3D model for at få sammenlignelige resultater mellem forsøget og de numeriske beregninger. I simuleringerne er nødvendigheden af at modellere formsystemet og varmeudstråling ligeledes undersøgt.
I den anden del af projektet er der udført forsøg med en betonterning med dimensionerne 0,4 x 0,4 x 0,4 m, hvor varmetransporten er tredimensional. Forsøget er ligeledes simuleret i Abaqus med en 3D model, hvor resultatet giver god overensstemmelse med forsøgsresultatet. Temperaturforskellen mellem forsøget og simuleringen antyder dog, at betonens ændring af varmefylden under hærdning har en betydning for resultatet, hvorfor det er forsøgt at anvende en aftagende varmefylde i simuleringen. Generelt kan det konkluderes, at det er muligt at simulere temperaturtilstanden i en massiv betonkonstruktion under hærdning.
I den tredje del af projektet er der gennemført eksperimentelle og numeriske analyser af tøjnings- og spændingstilstanden i betonterningen. Indledningsvis blev der udført et forsøg med den hærdnede betonterning, som blev opvarmet til en høj, ensartet fordelt temperatur, hvorefter tøjningerne blev målt under afkøling af betonen. Der blev anvendt et optisk målesystem, kaldet Aramis, der kan måle materialets overfladedeformationer og -tøjninger. Det er fundet, at målesystemet er i stand til at detektere et revnemønster på betonens overflade, men ikke revnevidden.
I Abaqus er der udarbejdet en model svarende til forsøget, hvor tøjnings- og spændingstilstanden i betonterningen bestemmes. Til dette anvendes materialemodellerne Concrete damaged plasticity og modificeret Mohr-Coulomb. I Abaqus er det ikke muligt at simulere revner, i stedet angiver Abaqus en tøjningslokalisering som kan indikere en revnedannelse. Videre er det undersøgt, hvilken betydning det har for tøjnings- og spændingsresultatet, hvis der i stedet for anvendes en betonterning med dimensionerne 0,8 x 0,8 x 0,8 m eller 1,6 x 1,6 x 1,6 m.
Til sidst er der udført en simulering af temperatur- og spændingstilstanden i et massivt hærdnende betonelement, der anvendes i en bølgebryder ved et aktuelt havneprojekt. I simuleringen er ændringen af betonens mekaniske materialeparametre som funktion af modenheden medtaget. Spændings- og tøjningsresultatet viser, at der med den aktuelle udførelsesmetode er mulighed for revnedannelse i betonen. En alternativ udførelsesmetode, hvor termorevnerne kan reduceres eller helt undgås, kan derfor med fordel evalueres i de udviklede numeriske metoder i Abaqus.
Sprog | Dansk |
---|---|
Udgivelsesdato | 2009 |
Udgivende institution | Aalborg Universitet |