Omezení teplotních trhlin v masivních betonových konstrukcích s chladícími trubkami.

Abstract

Tato práce se zabývá teplotním a mechanickým chováním pilotního betonového bloku, který je součástí protipovodňového poldru na řece Krounce v Pardubickém kraji. Zvláštní pozornost je věnována chování v raném stádiu tuhnutí a vzniku trhlin v důsledku hydratačního tepla. Pro popis chování je vytvořen numerický model v prostředí OOFEM, využívající objektově orientovaný popis metody konečných prvků. Pro tvorbu geometrie modelu a následné vyhodnocení výsledků jsou využity open-source nástroje. Hydratace cementu je simulována pomocí afinního modelu, jehož parametry byly kalibrovány na základě experimentálních dat pro použitý cement. Teplotní analýza je formulována jako nestacionární vedení tepla a výsledky jsou ověřeny porovnáním s daty ze zabudovaných teplotních čidel. Nelineární mechanická analýza je navázána na výsledky teplotní simulace. Beton je modelován jako stárnoucí viskoelastický materiál s popisem tahového poškození. Základní dotvarování a autogenní smrštění je popsáno pomocí teorie mikropředpětí a solidifikace a vznik trhlin je uvažován pomocí modelu s pevnou orientací trhlin. Parametry modelů byly odvozeny převážně na základě složení betonu a experimentů, případně doplněny hodnotami z literatury. Výsledky mechanické analýzy byly porovnány se změřenými deformacemi a celkově vykazují poměrně dobrou shodu. Klíčovým výsledkem je také sledování vývoje šířky trhlin. Práce dokládá, že pilotní blok není při realistických okrajových podmínkách náchylný ke vzniku raných trhlin. Je však velmi citlivý na vnější omezení. Pokud je podkladní beton modelován jako axiálně tuhý, dochází ke vzniku trhlin šířky až 0,3 mm. Práce zdůrazňuje význam vestavěného chladicího potrubního systému pro snížení maximální šířky trhlin. Práce dále dokládá, že numerické modelování je efektivním nástrojem pro návrh a posouzení rizika vzniku trhlin v masivních betonových konstrukcích.

This work investigates the thermal and mechanical behaviour of a concrete pilot block, which forms part of a flood prevention polder dam on the Krounka River in the Czech Republic. Particular attention is paid to the early-age behaviour of the structure and the development of cracks as a result of hydration heat. A numerical model is developed using the object-oriented finite element software OOFEM, supported by open-source tools for pre- and post-processing. Cement hydration is simulated using the affinity hydration model, with parameters calibrated from experimental data. The thermal analysis is formulated as a transient heat transfer problem and validated using temperature data from embedded sensors. The nonlinear mechanical analysis is coupled with the thermal simulation results. Concrete is modelled as an ageing viscoelastic material with tensile fracture behaviour. Basic creep and autogenous shrinkage are described by the Microprestress Solidification theory and fracture behaviour is captured using a fixed crack model. Model parameters are derived primarily from experiments, supplemented by literature values where necessary. The results of mechanical analysis are compared with in situ strain data, overall showing good agreement. The evolution of the crack width is also the key objective. The findings indicate that the structure is not prone to early-age cracking under realistic boundary conditions. However, it is highly sensitive to external restraint. When underlying concrete is modelled as axially rigid, significant through-cracks with maximum width of 0.3 mm occur. The study highlights the importance of embedded cooling systems in reducing thermal cracks and demonstrates the applicability of numerical modelling as an effective tool for the design and evaluation of the risk of cracking in massive concrete structures.