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Volumen gekoppelte Mehrfeldsysteme

Volumen gekoppelte Mehrfeldsysteme

Forschungsthemen

  • Gekoppelte THMC-Prozesse in Betonkonstruktionen unter Berücksichtigung der Alterung
  • Numerische Simulation von Beton bei hohen Temperaturen
  • Deformationsverhalten von Betonbauteilen unter erhöhtem Porendruck infolge Ettringittreiben
  • Analyse von Hausmülldeponien

Gekoppelte THMC-Prozesse in Betonkonstruktionen unter Berücksichtigung der Alterung

Die genaue Vorhersage der Dauerhaftigkeit von Betonkonstruktionen erfordert eine detaillierte Beschreibung der Alterungsprozesse unter Berücksichtigung der gesamten Lastgeschichte. Im Rahmen der Kontinuumstheorie poröser Medien ist ein Modell entwickelt, das die genaue Analyse der wichtigsten Alterungsprozesse im Beton erlaubt und die verschiedenen Prozesse flexibel in einem monolitischen Lösungsalgorithmus zusammenfasst.

Dies erfordert eine formale Behandlung und allgemein gültige Beschreibung der unterschiedlichen Prozesse mit Leitvariablen, wie Deformation, Temperatur, relativer Feuchtigkeit, Hydratationsgrad und Konzentrationen gelöster Substanzen. Die zugehörigen Leitprozesse beschreiben die Entwicklung der Leitvariablen in Raum und Zeit mithilfe der zugehörigen Bilanzgleichungen, die wiederum konstitutive Modelle sowohl für das mechanische als auch für das Transport- und Reaktionsverhalten benötigen.

Die Beschreibung der Degradation von Betonkonstruktionen aufgrund extremer Umwelteinflüsse erfordert die Berücksichtigung des Wasser- und Wärmetransportes sowie des Transportes von Substanzen wie z.B. Chloriden oder Karbonaten. Chemische Reaktionen in der Zementmatrix können dann die Tragfähigkeit und die Dauerhaftigkeit zusätzlich negativ beeinflussen. Hier sind die Dehydratation des Betons infolge hoher Temperaturen, die Chloridbindung, die Karbonatisierung sowie das Ettringittreiben aufgrund eindringenden Sulfates berücksichtigt.

Beispiel: Aufgehende Stütze auf Geschossdecke - Eintrag von Streusalz

cramer fig7a

Das Bild zeigt die Verteilung des Hydratationsgrades m nach einer Abbindezeit von 100 Tagen. Innerhalb der Konstruktion erreicht der Hydratationsgrad nahezu seinen Endwert. Im Gegensatz dazu stoppen Austrocknungseffekte aufgrund der Umgebungseinflüsse den Hydratationsprozess nahe der Oberfläche. Zwischen Geschossdecke und Stütze ist der erreichte Hydratationsgrad aufgrund des schrittweisen Betonierens von Decke und Stütze geringer als im restlichen Bauteil.

Dargestellt ist die Verteilung der mechanischen Schädigung D nach 100 Tagen. Die Schädigung resultiert aus der Schalung der Stütze sowie aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften aufgrund der zeitversetzten Betonage von Decke und Stütze. Die Verteilung der Wassersättigung Sw zeigt eine geringere Sättigung in der Fuge zwischen Decke und Stütze obwohl die zugehörige relative Feuchtigkeit gleichförmig verläuft. Dies ist durch den geringeren Hydratationsgrad in diesem Bereich begründet, der die Sättigungsfunktion beeinflusst.

cramer_chloride

Das linke Bild zeigt die Verteilung der Konzentration an freiem Chlorid nach 5 Jahren. Im rechten Bild ist die Entwicklung der Konzentration über der Zeit für verschiedene Tiefen, gemessen von der Bauteiloberfläche, aufgetragen. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes im Bereich der Bewehrungslage kann hieraus eine chloridinduzierte Korrosion des Betonstahls resultieren, welche die Tragfähigkeit der Bewehrung reduziert und den umgebenden Beton aufgrund der Volumenzunahme der Reaktionsprodukte schädigt.

Anwendungen des vorgestellten Modells auf Dauerhaftigkeitsuntersuchungen von Betonkonstruktionen unter Chorid- und Karbonatangriffen zeigen, dass die Berücksichtigung der Lastgeschichte und der resultierenden Änderungen der Materialstruktur sowie der Leitvariablen und der materialabhängigen Modellparameter die Eindringtiefe des Chlorids stark beeinflussen. Eine Modellierung unter Ausschluss dieser Effekte führte zu einer Überschätzung der Tragfähigkeit der untersuchten Konstruktion.

Das entwickelte Materialmodell für Beton beschreibt das Verformungsverhalten sowohl bei äußeren Belastungen als auch bei inneren Beanspruchungen in Form von treibenden Angriffen. Zu den treibenden Angriffen zählen die bei Brandeinwirkung im Porenraum entstehenden Dampfdrücke und das Sulfattreiben.


Numerische Simulation von Beton bei hohen Temperaturen

Die Prognose der Tragfähigkeit und die Kenntnis der Feuerwiderstandsdauer der gesamten Konstruktion sind wichtige Aspekte bei der Beurteilung der Sicherheit im Brandfall.

Tunnelbauten haben ein besonders großes Gefahrenpotential, da aufgrund ihrer geschlossenen Bauweise die Brandraumtemperatur bis auf 1500 K ansteigen kann. Rauch und Verbrennungsgase erreichen im Tunnelraum schnell lebensbedrohliche Konzentrationen. Grundlage des entwickelten Berechnungsmodells sind die Erhaltungsgleichungen für die Masse von Wasser, Wasserdampf, trockener Luft sowie für die Energie und den Impuls. Die zusammengefasste Massenerhaltung von Porenwasser und Wasserdampf berücksichtigt die Wasserdampffreisetzung infolge von Dehydratationsprozessen. Die Energieerhaltungsgleichung berücksichtigt Diffusions- und Konvektionswärmeströme, Verdampfungswärme sowie die Reaktionsenthalpie aus Dehydratation.

Beispiel: Stütze unter Brandeinwirkung, definiert über die ISO-Standard-Temperaturkurve

ostermann_brandwirkung

Der Dampfdruck Pv erreicht sein Maximum im Eckbereich des untersuchten Bauteils. Die hohen Temperaturen führen zu Maximalspannungen innerhalb der Konstruktion aufgrund des erhöhten Porendrucks und einer entsprechenden mechanischen Schädigung. Die chemische Schädigung infolge der Dehydratation der Zementminerale trägt zum Ansteigen der Gesamtschädigung D im Bereich des erhitzten Bauteilrandes bei.


Deformationsverhalten von Betonbauteilen unter erhöhtem Porendruck infolge Ettringittreiben

Beim Sulfatangriff bewirken chemische Reaktionen im Betongefüge Phasenneubildungen, deren expansive Wirkung zum Aufbau innerer Drücke führt.

Beispiel: Stützenquerschnitt unter Sulfat-Angriff

Es sind die Volumendehnugnen in Abhängigkeit des Ettringitgehaltes dargestellt.

Nach Steigerung des Volumenanteils des Ettringits entsteht ein entsprechender Porendruck (Bild links). Dieser erreicht bereits kurz nach dem Auftreten erster Deformationen den Maximalwert. Die sich entwickelnde Schädigungsverteilung ist im rechten Bild dargestellt. Die Orientierung der entstehenden Anisotropie entspricht der Rissrichtung.


Analyse von Hausmülldeponien

Der Betrieb von Hausmülldeponien erfordert innovative Monitoring-Konzepte und die langfristige Prognose der Emissionen und des Deformationsverhaltens. Hausmülldeponien werden als heterogene Strukturen modelliert, in denen Transportprozesse von Flüssigkeiten und Gasen mit der lokalen Degradation des Materials und verschiedenen mechanischen Deformationsvorgängen interagieren.

Gekoppelte Prozesse beim Siedlungsabfall

Die gekoppelten Prozesse werden im Rahmen der Kontinuumstheorie poröser Medien beschrieben. Das Langzeitverhalten des Deponiekörpers kann nur realitätsnah vorhergesagt werden, wenn die Interaktionen der einzelnen Prozesse und die unterschiedlichen Skalen in Raum und Zeit berücksichtigt werden. Die Gleichgewichtsbedingungen und die Bilanzgleichungen für Masse und Energie erfordern Modelle für das mechanische Verhalten sowie für die Beschreibung von Transportphänomenen und chemischen Reaktionen.

Mithilfe des Konzeptes der effektiven Spannungen lassen sich verschiedene Setzungsphänome getrennt erfassen. Das Kompaktionsmodell berücksichtigt sowohl die Spannungsabhängigkeit der Kompaktionsrate als auch die Abhängigkeit von der aktuellen Lagerungsdichte. Der Abbau von organischem Material führt in Deponien zu zeitabhängigen Verformungen und einer Änderung der Porenstruktur. Die exothermen Reaktionen setzen Wärme frei, wobei die Temperatur einen bestimmenden Einfluss auf die Abbauraten hat. Das entstehenden Deponigas strömt durch die Poren nach außen.

Beispiel: Degradationsinduzierte Setzungen

Die Langzeitanalyse eines Deponiekörpers zeigt den Einfluss unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten der Festkörper-Phase auf den Abbau organischen Materials. Punkt A liegt in der Nähe der Oberfläche des Deponiekörpers. Die Temperatur ist nahezu konstant. Punkt B liegt im Innern der Deponie, die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst die Temperaturentwicklung und damit die Abbauprozesse, die Dichte nimmt ab, die Setzungen sind entsprechend groß.

Dargestellt sind die vertikalen Cauchy-Spannungen der Festkörper-Matrix zu verschiedenen Zeiten, aufgetragen über der deformierten Deponie-Struktur.

Beispiel: Analyse des Gas-Extraktions-Systems

Zur Bestimmung des Einflusses der Deformation des Deponiekörpers auf den Gasfluss werden zwei Varianten (Variante 1: κΦ = 1,0 und Variante 2: κΦ = 10,0) mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten verglichen. Das Gas-Extraktions-System wird nach jeweils 2,2 Jahren aktiviert. Die Untersuchungen werden bei isothermen Bedingungen durchgeführt. Für Variante 2 wird angenommen, dass die Kompaktion zu einer größeren Verringerung der Durchlässigkeit führt. Der Effekt der Absaugung des Deponiegases wird mit einem negativen Druck nahe der Saugleitung schon 0,5 h ((a) und (b)) nach Aktivierung des Gassammelsystems sichtbar, der betroffene Bereich dehnt sich schnell aus.

Der Gasfluss ist für beide untersuchten Durchlässigkeits-Varianten über der Zeit aufgetragen. Die Kurven zeigen, dass die Gasproduktion stark von der Materialdegradation abhängt.

Beispiel: Acetatentwicklung im Deponiekörper

tra1

Die Bilder zeigen beispielhaft die zeitliche Entwicklung des Acetatgehaltes. Abbaubares organisches Material ist im mittleren Bereich des Deponiekörpers konzentriert. Während der Biodegradation entsteht Acetat als Zwischeprodukt (Bild links). Die Zugabe von Wasser über den oberen Rand führt zu einem Transport des Acetats nach unten (Bilder in Mitte). Nach Beendigung der Wasserzufuhr steigt die Acetatkonzentration erneut an (Bild rechts).


Aktuelle Forschungsprojekte

  • T. Stein: Numerische Analyse von Stahlbetonbauteilen im Brandfall
  • K. Al-Kadry: Linear and nonlinear numerical investigation of reinforced concrete structures under dynamic loading and emphasis to earthquake loading

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • F. Cramer: Mehrfeld-Modell für chemisch-physikalische Alterungsprozesse von Beton, Dissertation, TU Braunschweig, 2016
  • L. Ostermann: Hochtemperaturverhalten von Beton – Gekoppelte Mehrfeld-Modellierung und numerische Analyse, Dissertation, TU Braunschweig, 2011
  • S. Bente: Interaction of Degradation, Deformation and Transport Processes in Municipal Solid Waste Landfills, Dissertation, TU Braunschweig, 2010
  • V. Krase :  Stability of municipal solid waste landfills , Dissertation, TU Braunschweig, 2007
  • J. Kindlein: Gekoppelte Analyse von Reaktions- und Transpor tprozessen in Deponiestrukturen, Dissertation, TU Braunschweig, 2011
  • J. Hanel: Modell zur Analyse von gekoppelten Transport- und Stoffabbauprozessen in Deponien, Dissertation, TU Braunschweig, 2001
  • A. Steffens: Modellierung von Karbonatisierung und Chloridbindung zur numerischen Analyse der Korrosionsgefährdung der Betonbewehrung, Dissertation, TU Braunschweig, 2000
  • C.-X. Huang: Berechnung von Temperaturspannungen und Rißbildungen infolge Hydratation in 3D-Betonkonstruktionen, Dissertation, TU Braunschweig, 1999
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