Nesteputkijäähdytteisen massiivivalubetonin fysikaalinen mallinnus

Thumbnail Image

Files

master_Tähkänen_Henri_2024.pdf (4.32 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-08-19

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology (CIV)

Language

fi

Pages

148 + 19

Series

Abstract

Tämän työn tarkoituksena on simuloida nesteputkistolla jäähdytetyn tuoreen massiivivalubetonin lämpötilajakaumaa, lämpöjännityksiä ja halkeilua, jotta voidaan varmistaa, että betonin maksimilämpötila ja lämpötilaerot pysyvät sallituissa rajoissa eivätkä aiheuta liiallista halkeilua. Halkeilu yhdessä korkeiden lämpötilojen kanssa heikentää sekä betonin säilyvyyttä että lujuutta, minkä vuoksi sekä betonin maksimilämpötilaa että lämpötilaeroja täytyy kontrolloida ja tarvittaessa rajoittaa. Työssä esitetään vesiputkijäähdytteisen massiivivalubetonin lämpötilajakaumaan liittyvät fysikaaliset perusteet, ja niiden pohjalta ratkaistaan elementtimenetelmällä betonin kovettumisprosessiin liittyvä epälineaarinen lämpötehtävä. Lämpötehtävää ratkaistaessa otetaan huomioon sementin lämmöntuotto ja nestejäähdytysputkiston viilentävä vaikutus, mutta kytkentä kosteuteen ainoastaan esitellään lyhyesti. Betonin lämpöjännitysten ja halkeilun mallintamista varten kytkentä mekaniikkaan käsitellään perusteellisemmin. Elementtimenetelmään perustuvan simuloinnin avulla tarkastellaan lämpötilaa erilaisissa massiivisissa betonirakenteissa sekä kaksi- että kolmiulotteisesti. Mallinnuksen avulla arvioidaan eri jäähdytysparametrien vaikutusta massiivivalubetonin lämpötilajakaumaan ja pyritään löytämään kaikkein merkittävimmin vaikuttavat parametrit, joiden avulla betonin jäähdytystä voitaisiin tehokkaimmin säädellä. Lisäksi tarkastellaan geometrian vaikutusta betonin lämpötilaan mallintamalla erimuotoisia betonikappaleita. Lopuksi simuloidaan monifysikaalisella laskentamallilla betonin lämpöjännityksiä ja mahdollista halkeilua. Laskentamallit validoidaan vertailemalla saatuja lämpötilajakaumia kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin ja analyyttiseen ratkaisuun. Elementtimenetelmän ja mallinnusten avulla työssä esitetään eri parametrien vaikutus betonin lämpötilajakaumaan sekä luodaan mitoitustaulukot, joiden perusteella voidaan karkeasti suunnitella massiivivalubetonin nestejäähdytysjärjestelmä sekä arvioida eri parametrien muuttamisen vaikutusta betonin maksimilämpötilaan. Työ myös esittää mallinnustavan, jonka avulla massiivivalubetonin lämpöjännityksiä ja halkeilua voidaan arvioida. Yhteenvetona työ esittää tapoja mallintaa massiivivalubetonin lämpötilajakaumaa, lämpöjännityksiä ja halkeilua sekä antaa työkaluja eri jäähdytysparametrien ja geometrian vaikutuksen arvioimiseen sekä nesteputkijäähdytysjärjestelmän alustavaan mitoittamiseen.

The purpose of this thesis is to simulate the temperature distribution, thermal stresses, and cracking of early-age massive concrete with waterpipe cooling system to make sure that the maximum temperatures and temperature differences stay between the limit values and that concrete does not crack excessively. Too high temperatures and temperature differences may cause cracking which together with high temperatures harms the durability and strength of massive concrete. That is why the maximum temperature and temperature differences must be limited. The thesis introduces the physical background related to the temperature distribution of waterpipe-cooled massive concrete, and then the finite element method is used to solve the nonlinear thermal problem related to the hardening process of concrete. The hydration heat of cement and cooling effect of waterpipes will be considered in the analysis, but moisture coupling will only shortly be presented. To model the thermal stresses and cracking of concrete, the mechanical coupling will be more thoroughly considered. The temperature distributions of different massive concrete structures will be studied with both two- and three-dimensional models based on finite element simulation. The effects of different cooling parameters, like flow rate of cooling water, on the temperature distribution will also be evaluated. The aim is to find the most effective parameters with which one could effectively control the temperature of hardening concrete. In addition, the effect of geometry on temperature distribution of concrete will be examined. Finally, the thermal stresses and cracking of concrete around the cooling pipes will be simulated by using multiphysical modeling. The calculation models are validated by comparing the results to some temperature distributions and analytical solution from literature. Based on the finite element method simulations, the thesis presents the effects of different cooling parameters on the temperature distribution of concrete and provides tables to roughly design cooling systems. With those tables one can evaluate the needed cooling system, and on the other hand evaluate the cooling effects of different parameters. The thesis also presents a calculation model with which the thermal stresses and cracking of concrete can be evaluated. All in all, the thesis presents a way to simulate the temperature distribution, thermal stresses and cracking of waterpipe-cooled massive concrete and provides tools to evaluate the effects of different cooling system parameters and geometry on temperature of concrete and to roughly design the pipe cooling system.

Description

Supervisor

Niiranen, Jarkko

Thesis advisor

Punkki, Jouni

Keywords

massiivivalubetoni, nestejäähdytysputkisto, elementtimenetelmä, lämpötila, lämpöjännitykset, vauriomekaniikka

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408255719

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG