Numerické modelování toku čerstvého betonu a popis tlaků na bednění

Abstract

Hlavním cílem této práce bylo vytvořit model stěny, který popisuje tok samozhutnitelného betonu a vypočítává výsledný tlak na bednění. Bylo vytvořeno několik dílčích modelů pro testování jednotlivých složek finálního modelu toku betonu. Nejprve byla modelována konzola pro výpočet průhybu a normálového napětí v programu Ansys Mechanical. Dále byl modelován experiment proudění kapaliny plnící nádrž pomocí programu Ansys Fluent a modelu objemu kapaliny. Následně byla vymodelována zkouška sednutí kužele pomocí Herschel-Bulkleyho modelu pro různé cementové pasty. Byly vytvořeny tři modely stěn pro určení vhodné geometrie stěn a způsobu plnění. Poté byl vytvořen 2D model podélného řezu stěny, aby bylo možné posoudit, jak beton protéká kolem problematického rohu okna. Nakonec byl vytvořen jednosměrný model interakce tekutiny s konstrukcí (FSI) stěny. Výsledky ukazují, že Herschel-Bulkleyho model spolehlivě replikuje experimenty se sednutím betonu. Ukázalo se však, že pro přesný odhad tlaku na bednění je nedostatečný, protože ve srovnání s experimentem výrazně nadhodnocuje vypočtené tlaky. Další korekce je nutná začleněním materiálového modelu, který zohledňuje tixotropii a stárnutí materiálu. Směsi s vysokými mezemi kluzu vedou ke špatné kvalitě povrchu betonu. Předložená jednosměrná FSI počítá ekvivalentní (von-Misesovo) napětí a deformaci bednění. Tyto hodnoty se však jeví jako téměř nezávislé na betonové směsi.

In this thesis, the main objective was to create a model of a wall that describes the flow of self-compacting concrete and calculates the resulting pressure on the formwork. Several submodels were developed to test individual components of the final concrete flow model. First, a cantilever was modeled to calculate deflection and normal stress in Ansys Mechanical. Next, the fluid flow experiment of water filling a tank was modeled using Ansys Fluent and the volume of fluid model. Subsequently, the slump flow test was modeled using the Herschel-Bulkley model for different cement pastes. Three wall models were created to determine the suitable wall geometry and filling method. Then, a 2D model of the longitudinal wall section was created to assess how the concrete flows around the problematic corner of the window. Lastly, a one-way fluid-structure interaction (FSI) model of the wall was made. The results indicate that the Herschel-Bulkley model reliably replicates the slump flow experiments. However, it proves inadequate for accurately estimating pressure on the formwork, as it significantly overestimates calculated pressures compared to the experiment. Further correction is necessary by incorporating a material model that considers thixotropy and material aging. Mixtures with high yield stress thresholds lead to poor concrete surface quality. The presented one-way FSI calculates equivalent (von-Mises) stress and deformation of the formwork. However, these values appear almost independent of the concrete mixture.