Narzędzia help

Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
first last
cannonical link button

http://yadda.icm.edu.pl:80/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0018-0011

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Tytuł artykułu

Modelowanie sprzężonych zjawisk cieplno-wilgotnościowych w materiałach i elementach budowlanych

Autorzy Gawin, D. 
Treść / Zawartość
Warianty tytułu
EN Modelling of coupled hygro-thermal phenomena in building materials and building components
Języki publikacji PL
Abstrakty
PL Rozprawa poświęcona jest zagadnieniom modelowania sprzężonych zjawisk cieplno-wilgotnościowych w odkształcalnych materiałach budowlanych. Punktem wyjścia jest opis wewnętrznej struktury materiałów budowlanych oraz natury fizycznej zjawisk cieplno-wilgotnościowych w nich zachodzących. Przedstawiono podstawy teoretyczne i wyniki badań wybranych parametrów struktury wewnętrznej materiałów budowlanych. Omówiono przyczyny zawilgacania się materiałów budowlanych oraz formy, w jakich wilgoć występuje w ich porach, a także podstawowe mechanizmy przenoszenia masy i energii w ośrodku w różnych stanach zawilgocenia. Następnie, stosując teorię uśredniania przestrzennego, sformułowano lokalne i globalne bilanse masy, pędu, krętu, entalpii i entropii w częściowo nasyconym wodą, wielofazowym ośrodku kapilarno-porowatym. Uwzględniono przemiany fazowe i procesy hydratacji (dehydratacji) cementu oraz związane z nimi objętościowe źródła lub upusty masy (szkieletu i wody) i energii. Przyjęto podstawowe związki konstytutywne dla zawilgoconych materiałów budowlanych, zakładając, że ośrodek lokalnie znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej, suche powietrze, para wodna f ich mieszanina są gazami doskonałymi, zaś gęstość szkieletu zależy od jego temperatury i stanu naprężeń oraz stopnia zaawansowania procesu hydratacji (dehydratacji) cementu. Założono, że szkielet materiału jest materiałem liniowo-sprężytym i obowiązuje dla niego zasada naprężeń efektywnych. Uwzględniono podstawowe mechanizmy ruchu wody, pary wodnej i powietrza oraz przepływu ciepła. Na bazie globalnych bilansów dla ośrodka wielofazowego i przyjętych związków konstytutywnych, sformułowano równania rządzące modelu, w których zmiennymi stanu są ciśnienie gazu, ciśnienie kapilarne, temperatura i wektor przemieszczeń. Zdefiniowano i przedyskutowano warunki brzegowe, występujące na powierzchniach przegród budowlanych. Podano sformułowanie wariacyjne zagadnienia póczątkowo-brzegowego, które opisuje analizowane zjawiska. Stosując metodę Galerkina, dokonano jego dyskretyzacji w przestrzeni za pomocą metody elementów skończonych, a następnie czasowej za pomocą metody różnic skończonych. Otrzymany nieliniowy układ równań rozwiązano przy pomocy zmodyfikowanej metody Newtona-Raphsona. Na tej podstawie opracowano badawczy program komputerowy, którego poprawność działania sprawdzono, rozwiązując dwa problemy testowe. Wykonano analizę teoretyczną wpływu struktury wewnętrznej materiału na jego przepuszczalność względną gazu i efektywny współczynnik dyfuzji pary wodnej, uwzględniając wpływ tzw. efektu Knudsena, który odgrywa ważną rolę w ośrodkach mezo-porowatych. W celu lepszego zrozumienia kinetyki procesów cieplno-wilgotnościowych podczas wysychania materiałów budowlanych o różnych typach struktury wewnętrznej, rozwiązano numerycznie zagadnienie początkowo-brzegowe dotyczące tego procesu. Przeanalizowano także wpływ zmian kształtu krzywej rozkładu wielkości porów, porowatości i krętności kapi-lar na przebieg modelowego procesu wysychania płyty z cegły ceramicznej. Wykonano obliczenia dotyczące zjawisk cieplno-wilgotnościowych w trzech różnych elementach budowlanych poddanych oddziaływaniu polskiego klimatu zewnętrznego. Analizowano proces wysychania z wilgoci technologicznej ściany wykonanej z betonu komórkowego, higro-termiczne zachowanie się ściany ceglanej ocieplonej metodą lekką mokrą przy użyciu różnych materiałów termo-izolacyjnych i różnych własnościach tynku zewnętrznego oraz 2-wymiarowy mostek higro-termiczny, jaki tworzy spoina w ścianie z betonu komórkowego. Przedstawiono zjawiska fizyczne zachodzące w młodym betonie i zdefiniowano związki konstytutywne dla tego materiału. Przeanalizowano wpływ temperatury i wilgotności względnej otoczenia, grubości ściany, typu cementu i warunków wymiany ciepła na jej powierzchni, na przebieg zjawisk cieplno-wilgotnościowych i kinetykę procesu hydratacji cementu w ścianie betonowej. Zbadano wpływ sprzężenia między stanem higro-termicznym młodego betonu i kinetyką procesu hydratacji cementu na wyniki obliczeń numerycznych. Omówiono problemy związane z zastosowaniem sztucznych sieci neuronal-nych w programie MES do modelowania zjawisk cieplno-wilgotnościowych w ośrodkach porowatych. Przeanalizowano wpływ histerezy na odkształcenia i higro-termiczne zachowanie się betonowej ściany oraz walcowej próbki w otoczeniu o sinusoidalnie zmieniających się temperaturze i wilgotności względnej, dla trzech różnych kształtów wewnętrznych gałęzi izoterm sorpcji. Przedstawiono zjawiska fizyczne zachodzące w betonie w wysokich temperaturach i na tej podstawie zdefiniowano związki konstytutywne dla tego materiału. Uwzględniano wzrost przepuszczalności właściwej betonu wskutek tworzących się mikro-rys, które modelowano przy użyciu izotropowej, nielokalnej teorii zniszczenia. Wykonano analizę wpływu sprzężenia pomiędzy procesami destrukcji i zmianami przepuszczalności betonu na higro-termiczne zachowanie się ściany betonowej w warunkach pożarowych. Przedstawiono przykłady praktycznego zastosowania opracowanego programu komputerowego do analizy w 1- i 2-wymiarowych procesów cieplno-wilgotnościowych i destrukcji betonów wysoko-wartościowych w wysokich temperaturach.
EN The dissertation deals with modelling of coupled hygro-thermal phenomena in deformable capillary porous media. The starting point is description of inner structure of building materials and physical nature of the transport phenomena, taking place in them. Theoretical fundamentals and some results of inner structure parameters' tests have been presented. Reasons of getting moist by building materials and forms of moisture in their pores, as well as basic mechanisms of mass and energy transfer in the medium at various moisture contents have been discussed. Next, using the space averaging theory, the local and global balances of mass, momentum, angular momentum, enthalpy and entropy in a partially saturated, multi-phase, capillary-porous medium have been formulated. Phase changes, condensation-evaporation and adsorption-desorp-tion, and hydration (dehydration) processes, as well as associated with them volumetric heat and mass sources or sinks (of water and solid skeleton) are taken into account. Basic, constitutive relationships for moist building materials have been given, assuming that medium is in thermodynamic equilibrium state locally, the dry air, water vapour and their mixture are perfect gases, and the skeleton density depends upon its temperature, stress state and degree of cement hydration (or dehydration). It is assumed that the skeleton is a linear elastic material and the effective stress principle holds for it. Main mechanisms of the water, vapour and air movement and heat flow have been considered. On the basis of the global balances for the multi-phase medium and the assumed constitutive relationships, the governing equations of the mathematical model have been formulated. The state variables are gas pressure, capillary pressure, temperature and displacement vector. The boundary conditions on the surfaces of building elements have been defined and discussed. The variational formulation of the initial-boundary value problem, describing analysed phenomena, has been given. Next, by using the Galerkin method, it has been spatially discretized by means of the Finite Element Method and then temporally discretized by use of the Finite Differences Method. The obtained, non-linear equation set has been solved using of the modified Newton-Raphson method. On this basis, a computer code has been developed and checked by solving of the two test problems. Theoretical analysis of influence of the material inner structure upon the relative gas permeability and effective vapour diffusivity has been done, taking into account the Knudsen effect, which is of importance for the meso-porous media. In order to understand better the kinetics of hygro-thermal phenomena during drying of building materials with various types of inner structure, an initial-boundary value problem, dealing with it, has been numerically solved. An effect of changes of basic parameters describing a material inner structure has been analysed, too. Some computations, concerning hygro-thermal phenomena in three building elements exposed to Polish climatic conditions, have been performed. A drying process of a cellular concrete wall, containing some technological water, and hygro-thermal behaviour of a brick wall with various External Insulation and Finishing Systems, as well as 2-D hygro-thermal brick caused by a mortar in a cellular concrete wall have been analysed and discussed. Physical phenomena in fresh concrete and some constitutive relationships for this material have been presented. Influence of the temperature and relative humidity of the surrounding air, the cement type, the wall thickness and the conditions of heat exchange on its surface, upon the hygro-thermal performance and kinetics of the cement hydration process have been analysed. Effect of the coupling between hygro-thermal state of the fresh concrete and the kinetics of the cement hydration process upon the results of the numerical computations has been analysed and discussed. Problems, related to application of Artificial Neural Network inside the FEM code for modelling of hygro-thermal phenomena in porous media, have been discussed. Effect of capillary hysteresis on the deformations and hygro-thermal behaviour of the concrete wall and the cylindric concrete sample in an ambient with sinusoidally changing temperature and relative humidity, for three various shapes of the inner sorption branches, have been numerically analysed. Physical phenomena in concrete at high temperature have been presented. On that basis some constitutive relationships for this material have been defined. An increase of the intrinsic permeability of concrete, caused by micro-cracking, has been modelled by using of the non-local isotropic damage theory. Effect of the coupling between concrete damaging and changes of its intrinsic permeability upon hygro-thermal behaviour of the concrete wall during standard fire has been analysed. Some examples of practical application of the developed computer code for analysis of some 1-D and 2-D problems concerning hygro-thermal and material damaging phenomena in the elements made of High Performance Concrete in high temperature ambient have been presented and discussed.
Słowa kluczowe
PL zjawisko cieplno-wilgotnościowe   materiały budowlane  
EN hydro-thermal phenomena   building materials  
Wydawca Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
Czasopismo Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
Rocznik 2000
Tom Z. 279
Strony 5--299
Opis fizyczny . Bibliogr. 264 poz.
Twórcy
autor Gawin, D.
Bibliografia
Kolekcja BazTech
Identyfikator YADDA bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0018-0011
Identyfikatory