A platform for research: civil engineering, architecture and urbanism
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Gekoppelte chemo-mechanische Modellierung und numerische Simulation langzeitiger Degradation von Betonstrukturen
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei makroskopische Modelle zur Beschreibung der Deterioration von Betonstrukturen infolge von kombinierten chemischen und mechanischen Belastungszuständen entwickelt und angewendet. In dem ersten Modell wurde als chemisch treibende Einwirkung die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) betrachtet, während in dem zweiten Modell das Calcium-Auslaugen durch weiches Wasser als chemisch lösende Einwirkung berücksichtigt wurde. Die numerische Umsetzung des chemo-hygro-mechanischen AKR-Modells umfaßte die Zeitintegration mit einem impliziten Verfahren der Newmark-Klasse und die räumliche Diskretisierung mit der Finite Elemente Methode. Den zweiten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete die Formulierung und Anwendung eines Modells zur makroskopischen Beschreibung der von Betondegradation infolge des Calcium-Auslaugens, einschließlich der Wechselwirkungen mit mechanisch induzierten Schädigungsprozessen. Basierend auf der exerimentellen Beobachtung, dass die chemische Lösung der Hydratationsprodukte primär durch die Calcium-Konzentration der Porenflüssigkeit kontrolliert wird, wurden im Rahmen der Modellformulierung die Calciumionen der Porenflüssigkeit als einzige Ionenart berücksichtigt. Die numerische Umsetzung des chemo-mechanischen Modells zur Beschreibung des Calcium-Auslaugens erfolgte unter Zuhilfenahme eines impliziten Zeitintegrationsverfahrens der Newmark-Klasse und unter Verwendung von höherwertigen finiten Elementen für die räumliche Diskretisierung. Es wurde gezeigt, daß das entwickelte Modell die numerische Beschreibung der Bewegung der Lösungsfronten einschließlich der damit verbundenen lokalen Material- und globalen Strukturschwächung ermöglicht. Durch den Vergleich der Berechnungsergebnisse gekoppelter und entkoppelter Struktursimulationen konnte nachgewiesen werden, daß die Berücksichtigung chemo-mechanischer Wechselwirkungen eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige modellgestützte Vorhersagen der Deterioration von Betonstrukturen darstellt: Zum einen beschleunigt die mechanisch induzierte Schädigung in Form von Rissen die chemischen Transport-Lösungsprozesse, zum anderen resultiert die chemisch induzierte Schädigung in Form eines Porositätszuwachses in der Degradation der Struktursteifigkeit und Strukturtragfähigkeit. Die präsentierte chemo-mechanische Modellformulierung, die sich auf die Definition der totalen Porosität stützt, hat sich als leistungsfähige Möglichkeit zur realitätsnahen Erfassung dieser Wechselwirkungen erwiesen.
Gekoppelte chemo-mechanische Modellierung und numerische Simulation langzeitiger Degradation von Betonstrukturen
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei makroskopische Modelle zur Beschreibung der Deterioration von Betonstrukturen infolge von kombinierten chemischen und mechanischen Belastungszuständen entwickelt und angewendet. In dem ersten Modell wurde als chemisch treibende Einwirkung die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) betrachtet, während in dem zweiten Modell das Calcium-Auslaugen durch weiches Wasser als chemisch lösende Einwirkung berücksichtigt wurde. Die numerische Umsetzung des chemo-hygro-mechanischen AKR-Modells umfaßte die Zeitintegration mit einem impliziten Verfahren der Newmark-Klasse und die räumliche Diskretisierung mit der Finite Elemente Methode. Den zweiten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete die Formulierung und Anwendung eines Modells zur makroskopischen Beschreibung der von Betondegradation infolge des Calcium-Auslaugens, einschließlich der Wechselwirkungen mit mechanisch induzierten Schädigungsprozessen. Basierend auf der exerimentellen Beobachtung, dass die chemische Lösung der Hydratationsprodukte primär durch die Calcium-Konzentration der Porenflüssigkeit kontrolliert wird, wurden im Rahmen der Modellformulierung die Calciumionen der Porenflüssigkeit als einzige Ionenart berücksichtigt. Die numerische Umsetzung des chemo-mechanischen Modells zur Beschreibung des Calcium-Auslaugens erfolgte unter Zuhilfenahme eines impliziten Zeitintegrationsverfahrens der Newmark-Klasse und unter Verwendung von höherwertigen finiten Elementen für die räumliche Diskretisierung. Es wurde gezeigt, daß das entwickelte Modell die numerische Beschreibung der Bewegung der Lösungsfronten einschließlich der damit verbundenen lokalen Material- und globalen Strukturschwächung ermöglicht. Durch den Vergleich der Berechnungsergebnisse gekoppelter und entkoppelter Struktursimulationen konnte nachgewiesen werden, daß die Berücksichtigung chemo-mechanischer Wechselwirkungen eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige modellgestützte Vorhersagen der Deterioration von Betonstrukturen darstellt: Zum einen beschleunigt die mechanisch induzierte Schädigung in Form von Rissen die chemischen Transport-Lösungsprozesse, zum anderen resultiert die chemisch induzierte Schädigung in Form eines Porositätszuwachses in der Degradation der Struktursteifigkeit und Strukturtragfähigkeit. Die präsentierte chemo-mechanische Modellformulierung, die sich auf die Definition der totalen Porosität stützt, hat sich als leistungsfähige Möglichkeit zur realitätsnahen Erfassung dieser Wechselwirkungen erwiesen.
Gekoppelte chemo-mechanische Modellierung und numerische Simulation langzeitiger Degradation von Betonstrukturen
Bangert, Falko (author)
2005
239 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German