Modeling and sensitivity analysis the thermal behaviour of mass concrete with finite volume method
Sonlu hacim yöntemi ile kütle betonun ısıl davranışının modellenmesi ve hassasiyet analizi
- Tez No: 810045
- Danışmanlar: PROF. DR. YILMAZ AKKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Beton, su hariç dünyada en yaygın kullanılan malzemelerden biridir. Nüfus arttıkça ve kullanılabilir arazi sınırlı hale geldikçe enerji, ulaştırma ve iskan gibi talepleri karşılamak için barajlar, köprüler, gökdelenler gibi büyük yapılar için giderek daha fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yapıların dayanıklılığını ve sağlamlığını sağlamak için genellikle yüksek performanslı beton kullanılır. Ancak, bu tür beton yapıların önemli bir sorunu beton içindeki sıcaklık farklarından kaynaklanan ısıl çatlaklardır. Betonun ısıl iletkenliği düşüktür, bu da ısıyı malzeme içinde hızlı bir şekilde dağıtamadığı anlamına gelir. Sonuç olarak, betonun dış yüzeyi iç kısıma göre daha hızlı soğur ve bu da ısıl farklar oluşturur. Bu sıcaklık farkları, betonun içindeki hareketi kısıtlayan iç veya dış kısıtlar olmadığı sürece diferansiyel ısıl genleşmeye neden olur. Bu gerilmeler, kısıtlanmış haldeki betonun çekme dayanımını aştığında çatlaklar oluşur. Bu çatlaklar su girişi, yapısal bütünlük, dayanıklılık (gömülü donatının korozyonu gibi) ve estetik endişelere neden olabilir. Farklı standartlar, beton içinde maksimum sıcaklığı ve beton elemanları içindeki maksimum sıcaklık farklarını sınırlamak için çeşitli kısıtlamalar belirler. TS 13515 standartına göre, bu sınırlamalar sırasıyla 65 °C ve 25 °C'dir. Bu özellikler, beton yapıların hizmet ömrü boyunca güvenli sıcaklık aralıklarında tutulmasını sağlayarak ısıl çatlamaların riskini en aza indirmek için tasarlanmıştır. Kullanılan hesaplamalı yöntem, Python'da geliştirilmiş olan sonlu hacim modelleme tekniğine dayanmaktadır. Beton eleman, düğüm noktalarına ayrılır ve her düğüm için konumuna bağlı olarak bir kontrol hacmi dikkate alınır. Sınır koşulları olarak konveksiyon ve iletkenlik dikkate alınırken, modelde radyasyon ve güneş yüklerini de içeren diğer ısı transfer süreçlerini eklemek mümkündür. Ayrıca, bir eşdeğer konveksiyon katsayısı türetilir ve modelde kalıp ve yalıtımın etkisi, elektrik direnci benzeşimi kullanılarak hesaba katılabilir. Enerji dengesi prensiplerinden geliştirilen yönetici denklem daha sonra her düğüme uygulanır. Bu enerji dengelemesi, betonun içine giren, üretilen, kaybedilen ve depolanan tüm enerjiyi dikkate alır. Mevcut model, tahmini bir yöntem kullanarak ortam sıcaklığını varsayım olarak kabul edebilme özelliğine sahiptir. Gerçek sıcaklık-zaman verisi girilerek doğruluk ve güvenilirlik artırabilir. Model, olgunlaşma kavramını içerir ve Arrhenius olgunlaşma fonksiyonunu kullanarak çimento hidrasyonu sırasında oluşan ısıyı hesaplar. Isı oluşumunu simüle etmek için Schindler'in S-şekilli fonksiyonu kullanılır ve iki önemli hidrasyon parametresini belirlemek için eğri uydurma teknikleri gerektirir: eğim parametresi ve zaman parametresi. Daha önceki modellerde genellikle tek bir set hidrasyon parametresi kullanıldığından, bu, katkılı çimento davranışını yakalamada başarısız olur. Mevcut model, iki S-şekilli fonksiyonun süperpozisyonunu kullanarak bu kısıtlamayı ele alır. Bu yaklaşım, katkılı çimentonun serbest bırakılan ısı eğrisindeki tüm noktaları doğru bir şekilde yakalar. S-şekilli fonksiyondan elde edilen ısı hızı fonksiyonu kolayca elde edilebilir ve model ayrıca oluşturulan ısı hızını giriş olarak kabul etme yeteneğine sahiptir. Oluşturulan ısı hızı fonksiyonunu doğru bir şekilde belirlemek, kütle betonunun termal davranışını simüle etmek için önemlidir ve modelin gerçek ısı oluşum sürecini doğru bir şekilde temsil etmesini sağlar. Deneysel aşamada, Bursa Beton tesislerinden elde edilen veriler kullanılmıştır. Tezin 3. bölümünde deney kurulumu detaylı bir şekilde açıklanmış ve elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Bu bölüm, beton içindeki sıcaklık gradyanı üzerinde yalıtımın etkisini ve farklı beton karışımlarının etkisini araştırmaya odaklanmaktadır. Toplanan verilerin analizi dikkate değer bulgular ortaya koymuştur. Beton etrafına kalın bir yalıtım tabakası uygulandığında, beton içine yerleştirilen ısıl-çiftler tarafından kaydedilen sıcaklık gelişimi, elemanın sağ ve sol tarafında benzer bir davranış sergilemiştir. Bununla birlikte, yalıtımın olmadığı durumlarda ve beton örnekleri çevre koşullarına maruz kaldığında, sağ ve sol taraftaki sensörler arasında belirgin sıcaklık profilleri gözlemlenmiştir. Bu sıcaklık farkı, beton yüzeyindeki rüzgar hızı ve güneş yükü gibi faktörleri içeren mikro iklim etkisine bağlı olabilir. Bu etki, daha önceki modellerde de sıklıkla göz ardı edilmiştir. Model, 2-D ve 3-D olarak geliştirilmiştir. 3-D versiyon, Bursa Beton örneklerinin simülasyonunu yaparak eldeki deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır, 2-D model ise Ballims modeliyle sonuçlarını karşılaştırarak doğrulanmıştır. 3-D model ayrıca West Virginia Üniversitesi'nde yapılan bir çalışmanın verileri kullanılarak doğrulanmıştır. Model her doğrulama örneğinde yeterli doğruluk sergilemektedir, bu da modelin yeteneklerine güven oluşturur ve hassasiyet analizinin yapılmasını sağlar. Ayrıca, farklı değişkenlerin kütle betonunun sıcaklık profili üzerindeki etkisini incelemek için bir hassasiyet analizi yapılmıştır. Betonun başlangıç sıcaklığı, beton elemanının boyutu ve çimentonun yerine ek mineral katkı maddeleri kullanma gibi değişiklikler dikkate alınan değişiklikler arasındadır. Analizin sonuçları, son sıcaklık profili üzerinde hem başlangıç sıcaklığının hem de beton parçasının boyutunun önemli ölçüde etkili olduğunu göstermektedir. Ancak, beton karışımında çimento yerine mineral katkıların eklenmesi bu duyarlılığı azaltmaktadır. Özellikle bir kısım çimentonun yerine uçucu kül kullanıldığında bu durumla karşılaşılmaktadır. Ayrıca, farklı takviye düzeylerinin kullanımını dikkate aldığımızda, sonuçlar maksimum sıcaklık ve beton içindeki maksimum sıcaklık farkında önemli azalmalar göstermektedir. Özellikle uçucu kül ve yüksek fırın cürufunun kullanımı dikkate değer etkiler ortaya çıkarmıştır. Sonuçlar, uçucu kül kullanımının maksimum sıcaklık ve sıcaklık gradyanında daha büyük bir azalmaya yol açtığını göstermiştir. Ayrıca, yüksek fırın cürufunun varlığı, betonun maksimum sıcaklığa ulaşması için gereken sürenin gecikmesine neden olmuştur. Sonuç olarak, geliştirilen ısıl beton davranış modeli, beton yapıların ısıl performansını analiz etmek için kullanılabilir ve ısıl çatlakların riskini azaltmak için tasarım ve yapım süreçlerinde rehberlik sağlar. Ayrıca, farklı değişkenlerin ısıl davranış üzerindeki etkisini değerlendirmek ve optimize etmek için kullanılabilir. Bu model, beton yapıların dayanıklılığını artırmaya ve uzun ömürlü olmalarını sağlamaya yönelik daha iyi tasarım ve inşaat yöntemleri geliştirme çabalarını desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
Concrete is one of the most widely used materials in the world, second only to water. As the population grows and available land becomes limited, there is a growing need for large structures such as dams and bridges and towers to meet the demands of water management, transportation, and accommodation. To ensure the strength and durability of these structures, high-performance concrete is often used. However, a major challenge in such concrete structures is thermal cracking, which occurs due to temperature gradients within the concrete. Concrete has low thermal conductivity, meaning that heat does not dissipate quickly throughout the material. As a result, the outer layer of concrete cools faster than the inner layer, creating thermal gradients. These temperature differences cause differential thermal expansion, if there is no restriction for these movements, there is no problem. But as soon as these movements are stopped by internal or external restrictions, the development of stress will start. When these stresses exceed the tensile strength of the concrete, cracks form. These cracks can result in issues such as water penetration, reduced structural integrity, durability problems (such as corrosion of embedded reinforcement), and aesthetic concerns. Different standards define limitations on the maximum temperature reached within concrete and the maximum temperature gradient within concrete elements, in Turkish standards (TS 13515 ) these limitations are 65 C and 25 C respectively. These specifications are designed to minimize the risk of thermal cracking by ensuring that concrete structures are maintained within safe temperature ranges throughout their service life. The finite volume modeling technique is used in the current model, which was developed in Python. The concrete element is separated into nodes in this manner, and for each node, a control volume according to its location is considered. Convection and conduction are taken into account as boundary conditions in the model, with the flexibility to include other heat transfer processes such as radiation and solar loads. Additionally, an equivalent convection coefficient is derived and employed in the model to account for the impact of formwork and insulation using the analogy of electrical resistance. The governing equation, which is developed from energy balance principles, is then applied to each node. This energy balance takes into consideration all of the energy that enters, is produced, is lost, and is stored inside the concrete. The present model is capable of accepting the ambient temperature using a predictive method, or it may also take actual temperature-time histories as input to improve its accuracy and dependability. The model incorporates the concept of maturity and calculates the heat generated during cement hydration using the Arrhenius maturity function. To simulate the heat generation, Schindler's S-shaped function is employed, requiring curve fitting techniques to determine two important hydration parameters: the slope parameter and time parameter. Unlike previous models that use a single set of hydration parameters, which fails to capture the behavior of blended cement, the current model addresses this limitation by utilizing the superposition of two S-shaped functions. This approach accurately catch all the points on the released heat curve for blended cement. By considering the behavior of blended cement, the model effectively captures the heat generation characteristics. From the S-shaped function, the generated heat rate function can be easily obtained. Additionaly, the model has the capability to accept the generated heat rate as an input. Accurately determining the generated heat rate function is crucial in simulating the thermal behavior of mass concrete, ensuring that the model accurately represents the actual heat generation process. During the experimental phase, data obtained from the Bursa Beton factory was employed. In Chapter 3 of the thesis, the experiment setup is described in detail, and the resulting outcomes are presented. This particular chapter focuses on investigating the impact of insulation on the temperature gradient within the concrete, as well as the influence of different concrete mixtures. The analysis of the collected data revealed noteworthy findings. When a thick layer of insulation was applied around the concrete, the temperature development recorded by the thermocouples placed inside the concrete exhibited similar behavior on both the right and left sides. However, in cases where no insulation was present and the concrete samples were exposed to the environment, distinct temperature profiles were observed between the right and left side sensors. This disparity in temperature can be attributed to the microclimate effect, which includes factors such as wind speed and solar loading on the concrete surface. It is worth noting that this effect has often been overlooked in previous models. The model has been developed in both 2-D and 3-D. The 3-D version is validated by simulating Bursa Beton samples and comparing the findings with experimental data, whereas the 2-D model is validated by comparing its results with the Ballims model. The 3-D model is additionally validated using data from a study carried out at West Virginia University. The model constantly exhibits sufficient accuracy in every validation instance, creating trust in its abilities and allowing sensitivity analysis to be carried out. Additionally, a sensitivity analysis is carried out to examine the impact of different variables on the temperature profile of mass concrete. The initial temperature of the concrete, the size of the concrete element, and the usage of supplemental cementitious materials (SCMs) in place of cement in blended cement are among the changes that have been taken into consideration. The results of the analysis show that the final temperature profile is significantly influenced by both the initial temperature and the size of the concrete part. However, the addition of SCMs to the concrete mixture lessens this sensitivity, especially when fly ash is used instead of some part of cement. Furthermore, when considering the utilization of different replacement levels of supplementary cementitious materials (SCMs), the findings demonstrate significant reductions in both the maximum temperature and maximum temperature gradient within the concrete. The results indicated that the usage of fly ash led to a greater reduction in the maximum temperature and temperature gradient compared to using GGBFS. Additionally, the presence of GGBFS resulted in a delay in the time required for the concrete to reach its maximum temperature. This suggests that adding fly ash to mass concrete lessens its sensitivity to changes in size while at the same time reducing the maximum temperature and thermal gradient inside the concrete. Furthermore, the degree of hydration affects the thermal properties of concrete, including its thermal conductivity and specific heat capacity. As the hydration reaction advances, the amount of available water or moisture inside the concrete drops, which causes a decrease in thermal conductivity and specific heat capacity. In earlier models, these thermal properties were frequently assumed to have constant values. A sensitivity analysis comparing the modeling results with constant thermal properties to those considering variations with hydration reveals that assuming constant specific heat capacity significantly impacts the final results. However, assuming a constant thermal conductivity does not cause substantial changes. In conclusion, the developed model offers a simple yet effective approach to predict the temperature distribution within concrete elements using the finite volume method. It accounts for various boundary conditions, considers the generation of heat during cement hydration, and incorporates the behavior of blended cement using a superposition of S-shaped functions. The model's accuracy is validated through comparisons with experimental data and existing models. Sensitivity analysis provides insights into the influence of different parameters and variations on the temperature profile. By addressing the thermal cracking issue, the model contributes to ensuring the safety, durability, and cost-effectiveness of concrete structures.
Benzer Tezler
- Ev tipi bir buzdolabının dinamik çevrim davranışının modellenmesi ve farklı parametrelerin sistem üzerindeki etkilerinin deneysel validasyonu
Modeling the dynamic cycle behavior of a domestic refrigerator and experimental validation of the effects of different parameters on the system
AKIN ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Kabarcıklı akışkan yatakta biyokütle gazlaştırma işleminin incelenmesi
Investigation of biomass gasification process in a bubbling fluidized bed
MAHMUT CANER ACAR
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
- Chemical kinetic modelling of autoignition under conditions relevant to knock in spark ignition
Kıvılcım ateşlemeli motorlarda vuruntu şartlarında kendiliğinden tutuşmanın kimyasal kinetik modellemesi
HAKAN SERHAD SOYHAN
- Modeling and interpreting transient sandface temperatures in presence of momentum and skin effects under nonisothermal single-phase liquid flow conditions
Petrol rezervuarlarında tek-fazlı sıvı akışı koşullarında momentum ve zar etkileri altında kuyudibi sıcaklık davranışlarının modellenmesi ve yorumlanması
SERHAT KOÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ONUR
- Numerical simulation of transient sandface and wellbore temperature behaviors of wells in multilayer single-phase oil and geothermal reservoirs
Çok tabakalı, tek-fazlı petrol ve jeotermal rezervuarlardaki kuyuların kararsız kuyu cidarı ve kuyu içi sıcaklık davranışlarının sayısal simülasyonu
CİHAN ALAN
Doktora
İngilizce
2022
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ÇINAR