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Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Roman LacknerMaterial-Technologie Innsbruck (MTI)Universität InnsbruckRoman.Lackner@uibk.ac.at
Dipl.-Ing. Dr.techn. Klaus MeinhardPorr Technobau und Umwelt AG(vormals imws)Klaus.Meinhard@porr.at
Dipl.-Ing. Dr.techn. Christian PichlerInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität WienChristian.Pichler@tuwien.ac.at
Dipl.-Ing. Dr.techn. Matthias ZeimlInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität WienMatthias.Zeiml@tuwien.ac.at
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.Josef EberhardsteinerInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität WienJosef.Eberhardsteiner@tuwien.ac.at
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
MOTIVATION
Die Dauerhaftigkeit/Sicherheit limitierende Prozesse sind …
• Nutzung (Schäden am Material durch Verschleiß, Ermüdung)
• Umweltbedingungen (Temperatur, chemische Angriffe)
• Sonderlastfälle (Brandeinwirkung)
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
DIE HERAUSFORDERUNG
Die Prognose des Werkstoff- und Strukturverhaltenserfordert …
• Realitätsnahe Abbildung des Materialverhaltens
• Realitätsnahe Abbildung des Strukturverhaltens
• Realitätsnahe Abbildung physikalischer/chemischer Prozesse
In der Regel sind die zugrundeliegenden Prozesse gekoppelt:
Konzentration(Chemie)
Belastung(Mechanik)
Temperatur
… Thermochemo-mechanik
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
DIE IDEE
“Die Mikrostruktur des Werkstoffsdefiniert sein Verhalten“
Diese ermöglicht …
• die Verknüpfung von Eigenschaften mit dem Werkstoffaufbau
• Berücksichtigung chemischer/physikalischer Prozesse auf derEbene ihrer Wirkens
• realitätsnahe Abbildung chemischer/physikalischer Prozesse
MikrostrukturbasierteWerkstoffbeschreibung
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
WARUM JETZT?
MikrostrukturbasierteBeschreibung erforderte …
• neue experimentelle Methoden fürdie Materialcharakterisierung (z.B. Nanoindentation)
• neue Erkenntnisse in der Materialmechanik (Mikromechanik)
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
ANWENDUNG AUF ZEMENTHALTIGEWERKSTOFFE
Matthias Zeiml: Tunnel unter Feuerlast
Christian Pichler: Sicherheit von Spritzbetonschalen bei der NÖT
Klaus Meinhard: Qualitätssicherung beim Düsenstrahlverfahren
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
ANWENDUNG AUF ZEMENTHALTIGEWERKSTOFFE
Matthias Zeiml: Tunnel unter Feuerlast
Christian Pichler: Sicherheit von Spritzbetonschalen bei der NÖT
Klaus Meinhard: Qualitätssicherung beim Düsenstrahlverfahren
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
QUALITÄTSICHERUNG BEIM DSV:DAS VERFAHREN
Das Düsenstrahlverfahren ist eine Methode der Bodenver-besserung im Spezialtiefbau – das neu geschaffene Materialist Bodenmörtel
Technische Probleme:
(1) Abmessung istverfahrensbedingtnicht bekannt
(2) Zementgehaltunbekannt
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
Rotationssymmetrische Berechung:DSV-Säule Boden
R > 2R
Eingangsgrößen: Anfangstemperatur T0
Wärmeentwicklung BindemittelErgebnis: Radius R, Zementgehalt s
QUALITÄTSICHERUNG BEIM DSV:STRUKTURMODELL
Durch Vergleich der gemessenen und derberechneten Temperaturentwicklung könnendie unbekannten Parameter bestimmt werden
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
QUALITÄTSICHERUNG BEIM DSV:DAS MEHRSKALENMODELL
Mikrostrukturbezogene Ermittlung der thermischen Parameter:
Schritt 1: Betrachtung einer Kontaktfläche
Schritt 2: Betrachtung der KornanordnungEingangsgrößen: Kontaktpunkte je Korn
Anzahl der KörnerThermische Wege
Berücksichtigung derSättigung durchWasserzwickel
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
Gemessener Durchmesser [cm]
Berechneter Durchmesser [cm]
10% Abweichung
Validierung des Modells bei mehr als 60 Probesäulen(Einbautiefen bis 16 m, Durchmesser von 80 cm bis 270 cm)
QUALITÄTSICHERUNG BEIM DSV:ANWENDUNG
gemessenerDurchmesser
prognostizierterDurchmesser
200720062005
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
ANWENDUNG AUF ZEMENTHALTIGEWERKSTOFFE
Matthias Zeiml: Tunnel unter Feuerlast
Christian Pichler: Sicherheit von Spritzbetonschalen bei der NÖT
Klaus Meinhard: Qualitätssicherung beim Düsenstrahlverfahren
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
SICHERHEIT BEI TUNNELVORTRIEBEN:DIE NEUE ÖSTERREICHISCHE TUNNELBAUWEISE
Im Zuge des Tunnelvortriebs werden die Verschiebungen der Spritzbetonschaletäglich gemessen
Durch die Kombination eines Mehrskalenmodellsfür Spritzbeton mit den gemessenenVerschiebungen kann die Belastung derSpritzbetonschale bestimmt werden
Hybride Berechnungsmethode
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
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Hydrat- und Klinkerebene
Mörtelebene
SICHERHEIT BEI TUNNELVORTRIEBEN:DAS MEHRSKALENMODELL
Zementsteinebene
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
SICHERHEIT BEI TUNNELVORTRIEBEN:ANWENDUNG
Entwicklung des Auslastungsgrades an einem Messquerschnittdes Lainzer Tunnels:
Hohe Belastung nach der Installation der SchaleMessquerschnitt bewegt sich zur rechten Ulme
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
ANWENDUNG AUF ZEMENTHALTIGEWERKSTOFFE
Matthias Zeiml: Tunnel unter Feuerlast
Christian Pichler: Sicherheit von Spritzbetonschalen bei der NÖT
Klaus Meinhard: Qualitätssicherung beim Düsenstrahlverfahren
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
TUNNEL UNTER FEUERLAST:BETONABPLATZUNGEN
Ergebnis der Quecksilberporosimetrie:
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Durch die Zugabe von PP-Fasernwird der Porenraum bei thermischerBelastung erhöht (adaptives Material)
ohneFasern
mitFasern
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
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Zementstein-ebene
Mörtelebene
Strukturebene
TUNNEL UNTER FEUERLAST:DAS MEHRSKALENMODELL
Mehrskalenmodell zur Prognose …
(1) der thermischen Degradation der mechanischenEigenschaften
(2) der Transporteigenschaften von Beton unter Feuerlast
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
TUNNEL UNTER FEUERLAST:DAS STRUKTURMODELL
Durch den Einsatz numerischer Verfahren können die auftretenden Transportprozesse sowie die Veränderung desMaterialverhaltens (Mehrskalenmodell) berücksichtigt werden.
Bestimmung der Verschiebung derTunnelfirste für verschiedeneAbplatzszenarien (Lainzer Tunnel):
Versagen bei Abplatzungen von 30 cm
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen
Baupreis 2008
Publikationen in wissenschaftlichen Journalen:
M. Zeiml, D. Leithner, R. Lackner, H.A. Mang. How Do Polypropylen Fibers Influence the Spalling Behavior of Concrete Linings? Cement and Concrete Research, 36(5):929-942 (2006).M. Zeiml, R. Lackner, D. Leithner, J. Eberhardsteiner. Identification of Residual Gas-Transport Properties of Concrete Subjected to High Temperatures. Cement and Concrete Research, 38(5):699-716 (2008).M. Zeiml, R. Lackner. Experimental Investigation on Spalling Mechanisms in Heated Concrete. Acta Geotechnica 3(4):295-308 (2008).K. Meinhard, R. Lackner. Multi-Phase Hydration Model for Prediction of Hydration-Heat Release in Blended Cements. Cement and Concrete Research, 38(6):794-802 (2008).Ch. Pichler, R. Lackner, H.A. Mang. A Multiscale Micromechanics Model for the Autogenous-Shrinkage Deformation of Early-Age Cement-Based Materials. Engineering Fracture Mechanics, 74:34-58 (2007).Ch. Pichler, R. Lackner. A Multiscale Creep Model as Basis for Simulation of Early-Age Concrete Behaviour. Computers and Concrete, 5(4) (2008). Ch. Pichler, R. Lackner. Identification of Logarithmic-Type Creep of Calcium-Silicate-Hydrates (CSH) by Means of Nanoindentation. Strain, 45:17-25 (2009).Ch. Pichler, R. Lackner, F.-J. Ulm. Scaling Relations for Viscoelastic-Cohesive Indentation. International Journal of Materials Research, 99:836-846 (2008). M. Zeiml, R. Lackner, F. Pesavento, B. Schrefler. Thermo-hydro-chemical Couplings Considered in Safety Assessment of Shallow Tunnels Subjected to Fire Load. Fire Safety Journal, 43(2):83-95 (2008).Ch. Pichler, R. Lackner, H.A. Mang. Multiscale Model for Creep of Shotcrete - From Logarithmic-Type Viscous Behavior of CSH at the µm-Scale to Macroscopic Tunnel Analysis. Journal of Advanced Concrete Technology, 6(1):91-110 (2008).
Dissertationen:
Klaus Meinhard: Thermochemical Model for Quality Assurance of Jet-Grouting Work - From Multiphase Hydration Model and Microstructure-Related Thermal Properties Towards Site Application (2007).Christian Pichler: Multiscale Characterization and Modeling of Creep and Autogenous Shrinkage of Early-AgeCement-Based Materials (2007).Matthias Zeiml: Concrete subjected to fire loading - from experimental investigation of spalling and mass-transport properties to structural safety assessment of tunnel linings under fire (2008).
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