Modelle zur Beschreibung der thermomechanischen Materialeigenschaften jungen Betons
Wibke Hermerschmidt
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.
