Modelle zur Beschreibung der thermomechanischen Materialeigenschaften jungen Betons

Hermerschmidt, Wibke

Die Kenntnis der thermomechanischen Materialeigenschaften jungen Betons ist für zahlreiche Anwendungsfälle von Bedeutung, bspw. für die Prognose von Eigen- und Zwangsspannungen infolge Hydratationswärme, für die Planung von Abläufen auf Baustellen und in Fertigteilwerken oder für die Optimierung von Betonrezepturen im Hinblick auf einen möglichst effizienten Rohstoffeinsatz. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die thermomechanischen Materialeigenschaften verschiedener Betone im jungen Alter experimentell untersucht. Darauf aufbauend werden neue Materialmodelle entwickelt bzw. existierende Modelle angepasst. Darüber hinaus werden die Materialmodelle in eine Finite-Elemente-Software implementiert, wodurch eine realitätsnahe Prognose der Temperatur- und Spannungsentwicklung infolge der Hydratationswärmefreisetzung in erhärtenden Betonbauteilen möglich wird. Das Versuchsprogramm umfasst Untersuchungen zur Wärmefreisetzung und Festigkeitsentwicklung sowie zum Verformungsverhalten junger Betone unter Kurz- und Langzeitbeanspruchung. Als Einflussfaktoren werden die Betonzusammensetzung, die Erhärtungstemperatur und die Belastungsgeschichte untersucht. Die Versuchsergebnisse dienen zur Entwicklung bzw. Anpassung von Modellen zur Beschreibung der Materialeigenschaften von Beton im jungen Alter. Zur Beschreibung der zeitlichen Entwicklung der mechanischen Kurzzeiteigenschaften wird ein Ansatz auf Basis einer Exponentialfunktion gewählt, der durch die Kopplung der Parameter eine realitätsnahe Beschreibung der Eigenschaften mit verhältnismäßig wenigen Parametern möglich macht. Zur Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens dient ein rheologisches Modell bestehend aus vier Maxwelleinheiten und einer Feder, jeweils mit alternden Materialkennwerten, das in der Lage ist, das Verformungsverhalten des Betons unter konstanter und zeitlich veränderlicher Spannung realitätsnah zu beschreiben, was durch den Vergleich mit entsprechenden Versuchsdaten belegt wird. Die entwickelten und experimentell kalibrierten Materialmodelle werden in eine kommerzielle Finite-Elemente-Software implementiert. Mit zwei Berechnungsbeispielen wird beispielhaft die Anwendung der Modelle zur rechnerischen Prognose der Temperatur- und Spannungsentwicklung in erhärtenden Betonbauteilen gezeigt.

The knowledge of the thermomechanical material properties of early age concrete is of importance for many applications, eg. for the calculation of restraint stresses due to hydration heat, for the planning of optimization processes on building sites and in precast plants or for the optimization of concrete mixes with focus on an efficient use of raw materials. In the present work, the thermomechanical properties of various concretes at an early age are investigated experimentally. Based on the experimental results material models are developed or adapted. Moreover, the material models are implemented in a finite element software. With this, a more realistic prediction of the temperature and stress development caused by hydration heat in hardening concrete structures is possible. The experimental program includes the testing of the heat release, the strength development and the stress-strain behavior of early age concrete under short- and long-term stress. Influences of the concrete composition, the curing temperature and the loading history are investigated. The test results are used for development or adaptation of models to describe the material properties of concrete at an early age. To describe the time evolution of the mechanical properties an exponential function was chosen, which may describe the evolution of the properties realistically with a relatively low number of parameters. For the description of the viscoelastic material behavior a rheological model with aging spring and dashpot parameters is developed. This model is able to describe the stress-strain behavior of concrete under constant and time-varying stress realistically which is proven by a comparison with experimental data. The developed and experimentally calibrated material models are implemented into a commercial finite element software. Two calculation examples show that this software may then be used for the computational prediction of temperature and stress development in hardening concrete structures.

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Hermerschmidt, Wibke: Modelle zur Beschreibung der thermomechanischen Materialeigenschaften jungen Betons. 2016.

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