Thermisches Berechnungsmodell zur Durchmesserbestimmung von Düsenstrahlsäulen

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1 Thermisches Berechnungsmodell zur Durchmesserbestimmung von Düsenstrahlsäulen Dr. Klaus MEINHARD Univ.-Prof. Dr. Roman LACKNER Univ.-Doz. Dr. Dietmar ADAM Technische Universität Wien PORR Technobau und Umwelt AG Abteilung Grundbau

2 Durchmesserbestimmung Stand der Technik Herstellen und Freilegen von Probesäulen (ÖN EN 12716) Pegelstangen Erosion Schallpegelmessungen Einsatz von Hydrophonen Faltschirmmethode Rücklaufanlayse Theoretische Ansätze Energie / Erosion Düsenstrahl Freigelegte Probesäulen

3 Thermisches Berechnungsmodell - Gliederung Thermochemisches Rechenmodell zur Durchmesserbestimmung von DSV-Säulen Thermochemisches Rechnungsmodell Theoretische - Physikalische - Zementhydratation - Thermische Eigenschaften (Boden, DSV-Säule) Rechnungsmodell Benutzeroberfläche sbeispiele - sgrenzen Ausblick

4 Thermochemisches Rechenmodell Thermochemisches Exotherme Abbindereaktion zementhaltiger Bindemittel führt zu einem Temperaturanstieg in betonierten Bauteilen (z. B. DSV- Körper) Eine Temperaturerhöhung im Bauteil beschleuningt die chemische Abbindereaktion (Hydratation) Thermo-Chemische Kopplung Rechnungsmodell Temperaturverlauf gemessen in der DSV-Säule wird mit numerisch berechneten Temperaturverläufen verglichen Berechnungsergebnis: Säulendurchmesser und Zementgehalt

5 Theoretische Typischer Temperaturverlauf in DSV-Säulen Erwärmung unmittelbar nach Herstellung (Zementhydratation) Erreichen einer maximalen Temperatur in der Säule Abkühlung nach Erreichen der maximalen Temperatur (Abfließen der Wärme in den anstehenden Boden) Temperatur [ C] Messdauer [h] Physikalischer Hintergrund

6 Theoretische Typischer Temperaturverlauf in DSV-Säulen Erwärmung unmittelbar nach Herstellung (Zementhydratation) Erreichen einer maximalen Temperatur in der Säule Abkühlung nach Erreichen der maximalen Temperatur (Abfließen der Wärme in den anstehenden Boden) Erster Hauptsatz der Wärmelehre Wärmequelle Temperaturänderung. ρc T+ lξ ξ = div q Zementhydratation. Wärmestromvektor Wärmefluss

7 Theoretische Wärmequelle - Zementhydratation Hydratationseigenschaften: zeitliche Entwicklung der während des Abbindevorganges freigesetzten Wärme Kalorimeterversuche Hydratationsmodelle (Einphasenmodell - Mehrphasenmodell)

8 Theoretische Thermische Eigenschaften (Boden, DSV-Säule) Wärmespeicherkapazität C eff [kj/(m³k)] C = f C + (1 f f )C + f eff p p p a w a C a p. Boden-, Zementpartikel w. Wasser a. Luftporen Wärmeleitfähigkeit k eff [kj/(mhk)] / [W/(mK)] - Trockendichte - Feuchtdichte - Kornform, Korngrößenverteilung - Mineralogie

9 Berechnungsmodell Methode der Finiten Elemente Rotationssymmetrische Berechung: FE-Netz DSV-Säule Boden R > 2R Eingabewerte DSV-Körper - Anfangstemperatur T 0 - Wärmeentwicklung Bindemittel - Radius R, Zementgehalt s - thermische Parameter c eff (s), k eff (s) - Rohdichte ρ DSV (s) Eingabewerte Boden - Bodentemperatur T B - Trockendichte ρ d - Rohdichte ρ - thermische Parameter C eff, k eff

10 Berechnungsmodell Parameterstudie (numerische Berechnung) Zementgehalt steigend Zementgehalt konstant Durchmesser steigend Durchmesser konstant

11 Benutzeroberfläche R

12 Benutzeroberfläche Eingabefeld: Messung, Allgemeines

13 Benutzeroberfläche Eingabefeld: Boden

14 Benutzeroberfläche Eingabefeld: DSV-Suspension

15 Benutzeroberfläche Eingabefeld: Einstellungen FE-

16 Benutzeroberfläche Ergebnis

17 Benutzeroberfläche Ergebnis Eingabewerte

18 Praktische R Einbau der Temperaturfühler vor Ort Messspitze Temperaturfühler Datenlogger Fa. TESTO, Anschluss von vier Temperaturfühlern möglich

19 Praktische Einbau der Temperaturfühler vor Ort Eingebaute Temperaturfühler mit Datenlogger verbunden Einbau der Temperaturfühler in die DSV-Säule

20 Praktische Baustelle Ailecgasse, PORR AG

21 Praktische Baustelle Ailecgasse, PORR AG Temperaturfühler: 4 Einbautiefe: 2,5 3,0 m Maximaltemperaturen erreicht nach ca h Duplex / Simplex Mehrphasenhydratationsmodell

22 Praktische Baustelle Ailecgasse, PORR AG Prognostiziert: D = 240 / 100 / 130 cm s = 410 / 650 / 660 kg/m³

23 Praktische Baustelle Ailecgasse, PORR AG Prognostiziert: D = 240 / 100 / 130 cm s = 410 / 650 / 660 kg/m³ < 10 % in-situ Durchmesser: D = 240 / 110 / 145 cm

24 Praktische Baustellenergebnisse - sgrenzen Gemessener Durchmesser [cm] 10% Abweichung Probesäulen: > 60 Stk Einbautiefen: bis 16 m 80 < D < 270 cm Abweichungen Berechneter Durchmesser [cm] bei 2/3 der Säulen: <5% bei 1/3 der Säulen: 5-12% Hydratationswärme Bindemittel < 150 J/g Fließendes Grundwasser Beeinflussung durch Nachbarsäulen

25 Thermisches Berechnungsmodell Zusammenfassung Anwendbarkeit in der Baupraxis durch sehr gute Übereinstimmung mit tatsächlichem Säulendurchmesser und Benutzeroberfläche möglich Einbau mehrerer Temperaturfühler gleichzeitig (Durchmesservariation DSV-Säule) Information über den Zementgehalt in der Säule Wirtschaftliche Vorteile Einfacher Einbau in Bauwerkssäule Durchmesserbestimmung in tiefliegenden Bodenschichten Geringe Kosten der Messeinrichtung