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    Wirklichkeitsnahe und recheneffiziente Ermittlung von Temperatur und Spannungen bei großen RCC-Staumauern
    (2005) Qin, Minghao; Giesecke, Jürgen (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. )
    Um der wirklichkeitsnahen und recheneffizienten Planung betontechnologischer, konstruktiver sowie bauausführungsbezogener Maßnahmen zur Abwendung der Rissegefahr bei großen RCC-Staumauern ein Stück näher zu kommen, wird in der vorliegenden Arbeit eine Verfahrensweise entwickelt, mit der es möglich ist, wesentliche Einflussfaktoren in umfassenderer Weise als bisher zu berücksichtigen und die Temperatur- und Spannungsentwicklungen im Beton während der Bauausführung und des Betriebs der großen RCC-Staumauern effizient zu berechnen. Ausgehend von der bekannten Fourier'schen Differentialgleichung werden in Kapitel 2 mathematische Beziehungen vorgestellt, die es gestatten, die Temperatur im Beton unter Berücksichtigung der Kopplung zwischen Temperaturverlauf und Hydratationswärmeabgabe und unter möglichst wirklichkeitsnaher Berücksichtung der Rand- und Anfangsbedingungen iterativ zu ermitteln. Die Sonnenstrahlung und Verdunstung werden dabei als Wärmeströme direkt in den Cauchy-Neumannschen Randbedingungen untergebracht. Bei denen sind sowohl die Cauchyschen Randbedingungen (Wärmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft) als auch die Neumannschen Randbedingungen (vorgegebene Wärmeflüsse: Sonnenstrahlung und Verdunstung) zu berücksichtigen. Der konvektive Wärmeaustausch zwischen dem Bauwerk/Baugrund und der Luft bei Vorhandensein der Verdunstung wird zusammen mit der Temperatur des Untersuchungsobjekts und der Verdunstung auf den Oberflächen iterativ ermittelt. Die Globalsonnenstrahlung auf die Oberflächen des Bauwerkes kann aus den anderen üblich erhältlichen meteorologischen Daten (Lufttemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Sonnenscheindauer) an oder nahe dem Standort der Staumauer anhand der Sonnenstrahlungsmodelle abgeschätzt werden. Zur Abschätzung der Kurzzeitverdunstung an nassen Oberflächen ist das Penmann-Brutsaert-Modell bevorzugt. In Kapitel 3 werden die Hilfsmittel für die Spannungs-Dehnungs-Berechnung in Betonbauwerken infolge Hydratation des Zements im Beton bereitgestellt. Die allgemeingültigen Gleichgewichtsgleichungen bleiben bei der vorliegenden Problemstellung unverändert. Die für die Spannungs-Dehnungs-Berechnung notwendigen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden durch das verallgemeinerte Hooke'sche Gesetz beschrieben, in dem die unelastische sofortige Verformung, die Verformung infolge des Kriechens und Schwindens/Quellens, und die Temperaturverformung als die Anfangsverformung zusammengefasst werden. Die Wahl notwendiger Parameter und Ansätze der alternden Betoneigenschaften, wie Elastizitätsmodul- und Festigkeitsentwicklung, Kriechen, Schwinden, Temperaturverformung und Querdehnzahl, wird anhand der in der Literatur angegebenen Forschungsergebnisse begründet. Die in den vorigen zwei Kapiteln dargestellten Gleichungen zur Temperatur- und Spannungsberechnung werden in Kapitel 4 anhand der Methoden finiter Elemente numerisch implementiert. Die Reduzierung des Rechenaufwands erfolgt zeitlich durch Adaptive-Zeitschrittweiten-Methode und räumlich durch Zusammenfassung der Betonschichten. Die in Kapital 4 entwickelten inkrementellen Verfahren zur Temperatur- und Spannungsberechnung sind im Programm Tesa'' (Temperatur- und Spannungsanalyse), welches teilweise auf KASKADE basierte, implementiert. Anhand von Programmen Tesa und Ansys wurde eine umfangreiche Parameter- und Fallstudie durchgeführt. Dabei werden die Temperatur und Spannungen in einer fiktiven RCC-Staumauer unter verschiedenen Bedingungen berechnet und die Schwerpunkte im Hinblick auf folgende zwei Aspekte gelegt: (1) Methoden zur Reduzierung des Rechenaufwands; (2) Beeinflussungen der klimatischen Bedingungen (Lufttemperatur, Sonnenstrahlung und Windgeschwindigkeit) sowie konstruktions- und bauausführungsbezogenen Parameter (Frischbetontemperatur, Zeitdauer der Sprühwasserkühlung und Querfugenabstand) auf die Temperatur- und Spannungsentwicklungen in der Mauer. Die Ergebnisse sind in Kapitel 5 dokumentiert, gewertet und diskutiert. Daraus lassen sich eine Reihe für die Praxis nützlich Schlussfolgerungen ziehen. Die Anwendung der entwickelten Methoden in Form der ineinander greifenden Programme Tesa'' und Ansys'' auf konkrete Projekte in Form von Variantenuntersuchungen ermöglicht eine präzisere Vorplanung der konstruktiven und bauausführungsbezogenen Maßnahmen, wie z.B Anordnung der Querfugen, Sprühwassernachbehandlung und Kontrolle der Frischbetontemperatur.