Grafische Darstellung von Transportprozessen in Beton
Quelle: BAM, Fachbereich Modellierung und Simulation
Transportprozesse in Beton zu verstehen ermöglicht es, die Einflüsse von Brand, Schwinden, eindringenden Chemikalien sowie Tau- und Frostwechseln auf Sicherheit und Lebensdauer von Bauwerken zu bestimmen. Numerische Simulationen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Einerseits, um den experimentellen Aufwand zu reduzieren und vorhandene Versuchsergebnisse auf neue Gegebenheiten zu übertragen, und andererseits zur Optimierung von Betonrezeptur und dem Entwurf und der Bemessung eines Bauteils. Der Artikel beschäftigt sich mit der Modellierung des Feuchtetransports bei hohen Temperaturen. Insbesondere der Effekt der Akkumulation der Feuchte, verbunden mit einem signifikanten Anstieg des Porendrucks, ist für hochfeste Betone von Bedeutung, da dieser Effekt im Brandfall zum Abplatzen der oberen Betonschicht führen kann. Dieses sogenannte Spalling stellt ein großes Sicherheitsrisiko dar, insbesondere da dadurch die Bewehrung freigelegt werden kann. Moderne Hochleistungsbetone sind aufgrund ihrer geringen Durchlässigkeit für Spalling besonders gefährdet.
Der Feuchtetransport bei hohen Temperaturen besteht aus einer Vielzahl von interagierenden Phänomenen, wie Dehydratation, Ad-/Desorption, Advektion, Diffusion, Wärmeleitung und -transport, sowie Verdampfung und Kondensation. Die notwendigen Parameter, um diese Effekte zu modellieren, stammen dabei aus Experimenten, in denen diese Interaktionen ebenfalls stattfinden, bei der Auswertung jedoch häufig vernachlässigt werden. Weiterhin sind solche Ergebnisse nur selten öffentlich verfügbar. Die Kombination aus der Vielzahl an Prozessen und der geringhaltigen Datenlage macht akkurate und zuverlässige Modellierung schwierig. Das Finite Elemente Modell wurde in der freien Software FEniCS implementiert, und löst die Erhaltungsgleichungen für Wasser-, Luft- und Festkörpermasse, sowie die der Enthalpie.
Für dieses Paper wurde das Modell an Daten aus der Computertomographie validiert. Die CT ermöglicht eine volumetrische Erfassung des Feuchtegehalts im Probekörper, im Gegensatz zur punktuellen Messung mit Temperatur- und Drucksonden. Dabei zeigt sich, dass Dehydratationsbeschreibungen basierend auf Thermogravimetrie unzureichend sind, da die Bedingungen während der Thermogravimetrie nicht denen in kompakten Bauteilen entsprechen. Eine auf den CT-Daten basierende Dehydrationsgleichung wird eingeführt. Die Reproduzierbarkeit des Papers inklusive aller Diagramme war ein wichtiges Anliegen bei der Erstellung, d.h. der Quellcode, eine automatisierte Ausführung aller Rechnungen sowie eine Rechenumgebung mit der gesamten benötigten Software sind öffentlich unter der DOI 10.5281/zenodo.4452800 zugänglich.
A three-phase transport model for high-temperature concrete simulations validated with X-ray CT data
Christoph Pohl, V. Smilauer, Jörg F. UngerORCiD
erschienen in Materials, Band 14, Heft 17, Aufsatz 5047 S. 1- 21, 2021
BAM Fachbereich Modellierung und Simulation