Wirklichkeitsnahe und recheneffiziente Ermittlung von Temperatur und Spannungen bei großen RCC-Staumauern

TLDR: In this article, a wirklichkeitsnahen and recheneffizienten Planung betontechnologischer, konstruktiver, and bauausfuhrungsbezogener Masnahmen zur Abwendung der Rissegefahr bei grosen RCC-Staumauern ein Stuck naher zu kommen, wird in der vorliegenden Arbeit eine Verfahrensweise entwickelt, with der es m

Abstract: Um der wirklichkeitsnahen und recheneffizienten Planung betontechnologischer, konstruktiver sowie bauausfuhrungsbezogener Masnahmen zur Abwendung der Rissegefahr bei grosen RCC-Staumauern ein Stuck naher zu kommen, wird in der vorliegenden Arbeit eine Verfahrensweise entwickelt, mit der es moglich ist, wesentliche Einflussfaktoren in umfassenderer Weise als bisher zu berucksichtigen und die Temperatur- und Spannungsentwicklungen im Beton wahrend der Bauausfuhrung und des Betriebs der grosen RCC-Staumauern effizient zu berechnen. Ausgehend von der bekannten Fourier'schen Differentialgleichung werden in Kapitel 2 mathematische Beziehungen vorgestellt, die es gestatten, die Temperatur im Beton unter Berucksichtigung der Kopplung zwischen Temperaturverlauf und Hydratationswarmeabgabe und unter moglichst wirklichkeitsnaher Berucksichtung der Rand- und Anfangsbedingungen iterativ zu ermitteln. Die Sonnenstrahlung und Verdunstung werden dabei als Warmestrome direkt in den Cauchy-Neumannschen Randbedingungen untergebracht. Bei denen sind sowohl die Cauchyschen Randbedingungen (Warmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft) als auch die Neumannschen Randbedingungen (vorgegebene Warmeflusse: Sonnenstrahlung und Verdunstung) zu berucksichtigen. Der konvektive Warmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft bei Vorhandensein der Verdunstung wird zusammen mit der Temperatur des Untersuchungsobjekts und der Verdunstung auf den Oberflachen iterativ ermittelt. Die Globalsonnenstrahlung auf die Oberflachen des Bauwerkes kann aus den anderen ublich erhaltlichen meteorologischen Daten (Lufttemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Sonnenscheindauer) an oder nahe dem Standort der Staumauer anhand der Sonnenstrahlungsmodelle abgeschatzt werden. Zur Abschatzung der Kurzzeitverdunstung an nassen Oberflachen ist das Penmann-Brutsaert-Modell bevorzugt. In Kapitel 3 werden die Hilfsmittel fur die Spannungs-Dehnungs-Berechnung in Betonbauwerken infolge Hydratation des Zements im Beton bereitgestellt. Die allgemeingultigen Gleichgewichtsgleichungen bleiben bei der vorliegenden Problemstellung unverandert. Die fur die Spannungs-Dehnungs-Berechnung notwendigen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden durch das verallgemeinerte Hooke'sche Gesetz beschrieben, in dem die unelastische sofortige Verformung, die Verformung infolge des Kriechens und Schwindens/Quellens, und die Temperaturverformung als die Anfangsverformung zusammengefasst werden. Die Wahl notwendiger Parameter und Ansatze der alternden Betoneigenschaften, wie Elastizitatsmodul- und Festigkeitsentwicklung, Kriechen, Schwinden, Temperaturverformung und Querdehnzahl, wird anhand der in der Literatur angegebenen Forschungsergebnisse begrundet. Die in den vorigen zwei Kapiteln dargestellten Gleichungen zur Temperatur- und Spannungsberechnung werden in Kapitel 4 anhand der Methoden finiter Elemente numerisch implementiert. Die Reduzierung des Rechenaufwands erfolgt zeitlich durch Adaptive-Zeitschrittweiten-Methode und raumlich durch Zusammenfassung der Betonschichten. Die in Kapital 4 entwickelten inkrementellen Verfahren zur Temperatur- und Spannungsberechnung sind im Programm Tesa'' (Temperatur- und Spannungsanalyse), welches teilweise auf KASKADE basierte, implementiert. Anhand von Programmen Tesa und Ansys wurde eine umfangreiche Parameter- und Fallstudie durchgefuhrt. Dabei werden die Temperatur und Spannungen in einer fiktiven RCC-Staumauer unter verschiedenen Bedingungen berechnet und die Schwerpunkte im Hinblick auf folgende zwei Aspekte gelegt: (1) Methoden zur Reduzierung des Rechenaufwands; (2) Beeinflussungen der klimatischen Bedingungen (Lufttemperatur, Sonnenstrahlung und Windgeschwindigkeit) sowie konstruktions- und bauausfuhrungsbezogenen Parameter (Frischbetontemperatur, Zeitdauer der Spruhwasserkuhlung und Querfugenabstand) auf die Temperatur- und Spannungsentwicklungen in der Mauer. Die Ergebnisse sind in Kapitel 5 dokumentiert, gewertet und diskutiert. Daraus lassen sich eine Reihe fur die Praxis nutzlich Schlussfolgerungen ziehen. Die Anwendung der entwickelten Methoden in Form der ineinander greifenden Programme Tesa'' und Ansys'' auf konkrete Projekte in Form von Variantenuntersuchungen ermoglicht eine prazisere Vorplanung der konstruktiven und bauausfuhrungsbezogenen Masnahmen, wie z.B Anordnung der Querfugen, Spruhwassernachbehandlung und Kontrolle der Frischbetontemperatur. In order to take a step closer to the realistic and computational efficient planning of material, structural and constructional measures for avoiding thermal cracking in large RCC dams, a framework is developed in the present work, with the help of which it is possible to take into account the essential influencing factors in a more comprehensive way, and calculate temperature and stress development in the concrete during the construction and operation of large RCC dams efficiently. Starting from the well-known Fourier differential equations, mathematical relations are presented in chapter 2, which allow calculating temperature in the concrete iteratively by taking into account the coupling between temperature and hydration evolution, and by taking into account boundary and initial conditions more realistically. During the calculation solar radiation and evaporation are integrated as heat fluxes directly into the Cauchy-Neumann boundary conditions, where both the Cauchy boundary conditions (heat exchange between surfaces of the dam/foundation and the air) and the Neumann boundary conditions (given heat fluxes to consider solar radiation and evaporation) are taken into consideration. At the presence of evaporation the convective heat exchange between dam/foundation and air is iteratively calculated together with the temperature of the dam/foundation and the evaporation on its surfaces. Global solar radiation on the surfaces of the dam can be calculated by using the solar radiation models and other usually available meteorological data (air temperature, air pressure, relative humidity and duration of sunshine) at or near the dam site. For the estimation of short time evaporation on wet surfaces the Penmann-Brutsaert model is preferred. In chapter 3 equations, simplifications and assumptions for calculating strains and stresses in plain concrete structures due to hydration are introduced. The generally accepted equilibrium equations remain unchanged for the relevant problem statement. Stress-strain relations necessary for the stress/strain computation are described by the generalized Hooke's law, in which inelastic immediate deformation, deformations due to creep and shrinkage/expansion, and temperature deformation are summarized as initial deformation. The choice of necessary parameters and formulas for describing the aging concrete properties, such as developments of elastic moduli and strengths, creep, shrinkage, temperature deformation and Poisson's ratio, are justified on the basis of the research results indicated in the references. Equations presented in the previous two chapters for calculating temperature and stresses are numerically implemented in chapter 4, using the methods of finite elements. The reduction of computation effort is acchieved through adaptive time steps control and combination of concrete lifts during temperature and stress calculations. The finite element methods implemented in chapter 4 for incremental calculation of temperature and stresses are coded in the program package Tesa'', which is partly based on the program package KASCADE''. With the programs Tesa'' and Ansys'' an extensive parameter and case study is carried out. Temperature and stresses in a fictitious RCC dam are computed under different conditions, and the emphasis is put on the following two aspects: (1) Methods for reducing computation effort; (2)Influences of climatic conditions (air temperature, solar radiation and wind velocity) as well as construction and structural design related parameters (initial concrete temperature, duration of the spray water cooling and distance between transverse joints) on temperature and stress development in the dam. The results are documented, evaluated and discussed in chapter 5, from which some useful conclusions for controlling thermal cracks in massive concrete structures can be drawn. The application of the developed methods on concrete projects, as utilizing the interwinded programs Tesa'' and Ansys'' for parameter and case studies in the present work, allows a more precise planning of structural and constructional measures to avoid thermal cracking, such as arrangement of transverse joints, spray water cooling and control of the initial concrete temperature.