Entwicklung der Beanspruchungen im jungen Beton infolge der Hydratation

Modellierung und numerische Analyse am Beispiel einer massigen Stahlbetonwand
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 4
Malte Kosmahl
Hrsg.: Univ. Hannover, Institut für Massivbau; Jürgen Grünberg
2007, 312 S., zahlr. Abb. u. Tab.
Fraunhofer IRB Verlag
ISBN 978-3-7388-0256-6

Inhalt

In massigen Stahlbetonbauteilen, deren freie Verformung behindert wird, können bereits während der Hydratation Risse im jungen Beton auftreten. Die risserzeugenden Zwang- und Eigenspannungen entstehen durch behinderte thermische Volumendehnung während der Erwärmung und nachfolgenden Abkühlung als Folge der Temperaturentwicklung durch die exothermische Zementhydratation.
Während der Hydratation sind die Werkstoffeigenschaften des Betons zeitlich veränderlich und entwickeln sich unterschiedlich schnell. Durch die starke Relaxationsfähigkeit werden die entstehenden Spannungen teilweise wieder verringert. Aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Materialverhaltens im jungen Betonalter und den vielfältigen Einflussfaktoren auf die Spannungsentwicklung handelt es sich um ein sehr komplexes und umfangreiches Themengebiet.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf zwei Schwerpunktbereiche. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Berechnungsalgorithmen zur wirklichkeitsnahen Ermittlung der Temperatur- und Spannungsfelder infolge der Wärmefreisetzung während der Hydratation und deren Implementierung in das Programmsystem ANSYS.
Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse und Interpretation von Temperatur- und Dehnungsmesswerten einer abschnittsweise hergestellten massiven Schleusenwand und der zugehörigen Ergebnisse von numerischen Vergleichsrechnungen.

Verfügbare Formate

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

1.2 Stand der Forschung

1.2.1 Experimentelle Methoden

1.2.2 Mechanische Modelle zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens

1.2.3 Numerische Rechenverfahren

1.3 Ziel und Inhalt der Arbeit

1.3.1 Thema der Arbeit

1.3.2 Motivation

1.3.3 Methode

1.3.4 Gliederung

1.4 Einschränkungen und Voraussetzungen

2 Hydratation des Betons

2.1 Chemische Vorgänge während der Hydratation

2.2 Wirksames Betonalter

2.3 Hydratationsgrad

2.4 Kopplung zwischen der Wärmeentwicklung und der Prozesstemperatur

3 Thermomechanische Werkstoffeigenschaften des jungen Betons

3.1 Allgemeines

3.2 Bruchmechanische Werkstoffeigenschaften

3.2.1 Druckfestigkeit

3.2.2 Zugfestigkeit

3.2.3 Zugbruchdehnung

3.2.4 Bruchenergie

3.3 Elastische Werkstoffeigenschaften

3.3.1 Spannungs-Dehnungs-Beziehung

3.3.2 Elastizitätsmodul

3.3.3 Querdehnzahl

3.3.4 Wärmedehnzahl

3.4 Thermische Werkstoffeigenschaften

3.4.1 Spezifische Wärmekapazität

3.4.2 Wärmeleitzahl

4 Schwinden und Quellen

4.1 Allgemeines

4.2 Schwind- und Quellvorgänge während der Hydratation

4.3 Modellansätze zur Beschreibung des Schwindens

5 Viskoelastische Werkstoffeigenschaften des jungen Betons

5.1 Allgemeines

5.2 Verformungsverhalten des hydratisierenden Betons

5.2.1 Erhärtung des Betons

5.2.2 Kriechen

5.2.3 Relaxation

5.2.4 Primäres, sekundäres und tertiäres Kriechen

5.2.5 Grundlegende Kriechtheorien

5.3 Modellansätze zur Beschreibung des Kriechens

5.3.1 Allgemeines

5.3.2 Grundkriechen und Trocknungskriechen

5.3.3 Summenansätze zur Beschreibung des Betonkriechens

5.3.4 Produktansätze zur Beschreibung des Betonkriechens

5.3.5 Diskussion der Kriechansätze

5.3.6 Rheologische Modelle

5.4 Zusammenhang zwischen Kriechen und Relaxation

5.5 Lösungsansätze für numerische Berechnungen

5.5.1 Allgemeines

5.5.2 Integrallösung

5.5.3 Differentiallösung

5.6 Zusammenfassung

6 Berechnung von gerissenen Betonstrukturen während der Hydratation

6.1 Allgemeines

6.2 Spannungsentwicklung während der Hydratation

6.3 Beschreibung der Rissbildung

6.4 Modellvorstellungen

6.5 Anwendungen aus der Literatur

6.6 Verschmiertes Rissmodell mit zeitveränderlichen Materialparametern

6.6.1 Nachrissverhalten

6.6.2 Belastung und Entlastung

7 Umsetzung in ein numerisches Modell

7.1 Allgemeines

7.2 Berechnung von Temperaturfeldern

7.2.1 Wärmeleitungsgleichung

7.2.2 Wärmeübergangsbedingungen

7.2.3 Berechnung der Wärmeerzeugungsraten

7.3 Berechnung von Spannungsfeldern

7.4 Validierung des Berechnungsmodells

7.4.1 Allgemeines

7.4.2 Zugkriech- und Relaxationsversuche GUTSCH (1998)

7.4.3 Temperaturspannungsentwicklung PLANNERER (1998)

7.4.4 Nachrissverhalten bei jungem Beton GUTSCH (1998)

7.4.5 Wand-Fundament-System PAAS (1998)

7.5 Zusammenfassung

8 Messtechnische Untersuchungen an einer massiven Schleusenwand

8.1 Allgemeines

8.2 Beschreibung der Schleusenwand

8.3 Durchführung der in-situ Messungen

8.4 Messwertaufnehmer

8.4.1 Temperaturaufnehmer

8.4.2 Betondehnungsaufnehmer

8.5 Ergebnisse der in-situ Untersuchungen

8.5.1 Temperaturmessungen

8.5.2 Messung der Betondehnung

8.6 Eigenschaften des Bauwerkbetons

8.6.1 Betonzusammensetzung

8.6.2 Adiabatische Wärmeentwicklung

8.6.3 Betondruckfestigkeit

8.6.4 Betonzugfestigkeit

8.6.5 Elastizitätsmodul

9 Berechnung der Temperaturfelder während der Hydratation und Vergleich mit Messwerten

9.1 Allgemeines

9.2 System- und Materialeigenschaften

9.3 Randbedingungen

9.3.1 Anfangstemperaturen

9.3.2 Umgebungstemperatur

9.3.3 Wärmeübergangszahlen

9.4 Berechnungszeitschritte

9.5 Interpretation der Ergebnisse

10 Berechnung der Dehnungs- und Spannungsfelder während der Hydratation und Vergleich mit den Messwerten

10.1 Allgemeines

10.2 Randbedingungen

10.3 Ergebnisse

10.3.1 Dehnungen und Spannungen in Längsrichtung

10.3.2 Dehnungen und Spannungen in Querrichtung

10.3.3 Dehnungen und Spannungen in Vertikalrichtung

10.4 Diskussion der Ergebnisse

11 Zusammenfassung und Ausblick

ANHANG A: Betoneigenschaften

ANHANG B: Ergebnisse Schleusenwand

Literaturverzeichnis

Publikationslisten zum Thema:
Stahlbetonbauteil, Stahlbetonwand, Junger Beton, Beanspruchung, Verformung, Hydratation, Zwang, Spannung, Eigenspannung, Rissbildung, Temperaturentwicklung, Materialverhalten, Berechnung,

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R. Breitenbücher
Einfluß der Zementeigenschaften und Zusatzmittel auf die Reißneigung von jungem Beton. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2301
1989, 39 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

Risse entstehen v.a. in dickeren Betonbauteilen häufig infolge von Zwangsspannungen, wenn die durch die Hydratationswärme bedingten Verformungen des noch jungen Betons behindert werden. Weniger Risse bilden sich, wenn sich während der Erwärmung relativ große Druckspannungen aufbauen, weil dann während der Abkühlung die Zugspannungen kleiner bleiben. Die Reißneigung des jungen Betons, die anhand der im Reißrahmen ermittelten Rißtemperatur abgeschätzt werden kann, hängt neben anderen betontechnologischen Parametern (z.B. Frischbetontemperatur, Zuschläge) stark vom verwendeten Zement ab. In umfangreichen Reißrahmenversuchen wurden zunächst Betone mit Handelszementen (PZ 35 F) aus verschiedenen Werken untersucht. Anschließend wurden aus zwei verschiedenen Klinkern, die sich v.a. im Alkaligehalt unterschieden und getrennt gemahlenen Sulfatträgern (Anhydrit, Halbhydrat) Versuchszemente mit unterschiedlichem Sulfatgehalt hergestellt, die ebenfalls für Betone mit Reißrahmen verwendet wurden. Darüberhinaus wurden auch Betone mit verschiedenen Verzögerern untersucht. (-y-)

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