Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit...

20
Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Roman Lackner Material-Technologie Innsbruck (MTI) Universität Innsbruck [email protected] Dipl.-Ing. Dr.techn. Klaus Meinhard Porr Technobau und Umwelt AG (vormals imws) [email protected] Dipl.-Ing. Dr.techn. Christian Pichler Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws) Technische Universität Wien [email protected] Dipl.-Ing. Dr.techn. Matthias Zeiml Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws) Technische Universität Wien [email protected] Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Josef Eberhardsteiner Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws) Technische Universität Wien [email protected]

Transcript of Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit...

Page 1: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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 [email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Klaus MeinhardPorr Technobau und Umwelt AG(vormals imws)[email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Christian PichlerInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität [email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Matthias ZeimlInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität [email protected]

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.Josef EberhardsteinerInstitut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (imws)Technische Universität [email protected]

Page 2: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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)

Page 3: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 4: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 5: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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)

Page 6: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 7: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 8: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 9: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 10: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 11: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 12: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 13: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 14: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen

Baupreis 2008

#

3 $ #

4 % & #

3 %#

2 $ ' ( ) * + , - - . /

0 1 2 3 1 4 5 . 6 - 2 * 7 8 # $ 9

: ; 6 ; - ( < ) , * #

4 % ¯$ 9 12

= 2 > - #

¯$ 9 2

? ( - @ 1 < , 3#

3 A % B & C 9 6

0 < ; D 4 5 . 6 - 2 * 7 8 # $ 9

E ; / * < , 6 5 2 * # 9F * * / 2 6 3 2 * #

6 % ¯$ 3 9 32

9 7 5 / , * 4 G H D I J < 2 6 K . / . G . 6 .

: L / * . < . G . 6 .

� M N O −6

4 N O −4 P

� M N O −8

4 N O −6 P

� M N O −2 P

� M N O −1 P

: , K / ; . G . 6 .

? . P . 6 * - * . 2 6 . G . 6 .

9 7 5 / , * .

> ; / L - . 9 7 5 / , * .J < 2 6 K . / > 1 , - . 6Makroebene

Hydrat- und Klinkerebene

Mörtelebene

SICHERHEIT BEI TUNNELVORTRIEBEN:DAS MEHRSKALENMODELL

Zementsteinebene

Page 15: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 16: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 17: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen

Baupreis 2008

TUNNEL UNTER FEUERLAST:BETONABPLATZUNGEN

Ergebnis der Quecksilberporosimetrie:

���

����

�����

������

���

����

�����

������

� �� ��� ���� ����� �� � �����

� �

���� ������ �� � �����

���3�!� ���!��""�

���� ������ �� � �����

���3�!� ���!��""�

�� � �����

� �

� �� ��� ���� �����

���� �

�� ◦#

�� ◦#

��� ◦#

��� ◦#

��� ◦#

$�� ◦#

��� ◦#

��� ◦#

Durch die Zugabe von PP-Fasernwird der Porenraum bei thermischerBelastung erhöht (adaptives Material)

ohneFasern

mitFasern

Page 18: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen

Baupreis 2008

�����������

���

��������

���

� �

�� �

��� ���

�����

��������������� ����������

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

Page 19: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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

Page 20: Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im ... · Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im Bauingenieurwesen Baupreis 2008 Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit im

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).