Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

On reliable predicting risk and nature of thermal spalling in heated concrete

Gawin D., Pesavento F., Castells A. G.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 18, no. 4

1219--1227

EN

Thermal spalling is a deterioration phenomenon which is of fundamental importance during durability analysis of concrete structures exposed to high temperature, e.g. during a fire. To assess the risk of this damage mechanism for a real concrete structure, numerical simulations are usually applied since experimental tests are very costly. Some aspects related to predicting thermal spalling by means of numerical modelling of chemo-hygro-thermal and damage processes in heated concrete, are presented in this work. First, we propose a spalling index, validate it with some experimental results and show how it can be used in the quantitative assessment of spalling risk. Then, the results of numerical simulations of a slab, made of two types of concrete (NSC and HPC), heated with three different rates, are discussed from the energetic point of view in order to indicate the main physical causes and predict the nature of thermal spalling: slow, rapid or violent. The presented results allow to assess the contribution of energy due to constrained thermal strains and compressed pore gas into the thermal spalling for different types of concrete heated with different rates.

2

Experimental and numerical investigation of the alkali-silica reaction in the cement-based materials

Grymin W., Gawin D., Koniorczyk M., Pesavento F.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 18, no. 4

1698--1714

EN

The main subject of this paper is the investigation of the influence of the alkali-silica reaction on the microstructure and the transport properties of the cement-based materials. In the experimental research, mortar bars prepared with two different aggregates and stored in conditions of various alkali content were examined. Influence of the reaction on the microstructure of the material was investigated using mercury intrusion porosimetry, water capillary suction test and water vapour adsorption test. Mathematical model of the alkali diffusion and the reaction development is presented. It allows to take into consideration the influence of alkali concentration and aggregate sizes on the reaction development. The numerical code was developed using the finite element, finite difference and Newton-Raphson methods. Good accordance of the results obtained using the proposed model with the experimental data available in literature was obtained.

3

O doświadczalnej i teoretycznej analizie trwałości materiałów budowlanych

Gawin D., Koniorczyk M., Konca P., Witek A., Marciniak A., Pesavento F.

Inżynieria i Budownictwo

|

2016

|

R. 72, nr 5

270--276

PL

Przedstawiono wybrane wyniki badań doświadczalnych i teoretycznych dotyczących obciążeń konstrukcji budowlanych cyklicznym zamarzaniem/rozmarzaniem wody, oddziaływaniem wysokiej temperatury w warunkach pożarowych i krystalizacją soli. Przedstawiono także model matematyczny sprzężonych zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradacji w porowatych materiałach budowlanych, zawierających wodę i sole w niej rozpuszczone, z uwzględnieniem przemian fazowych: woda – lód i sól rozpuszczona – sól krystaliczna. Opracowano program komputerowy HMTRA/COMES, który zastosowano do analizy procesów degradacji materiałów budowlanych.

EN

In this article some results of experimental and theoretical research, concerning three types of environmental loads on building structures, i.e.: cyclic freezing/thawing of water, effect of high temperature at fire conditions, and salt crystallization. There was presented mathematical model of coupled hygro-thermal phenomena and deterioration in a porous building materials containing water and dissolved salt, considering phase changes: water – ice and dissolved salt – crystallized salt. The computer code HMTRA/COMES was developed and used for the analysis of building material degradation processes.

4

Modelling of hydro-thermo-chemo-mechanical phenomena in building materials

Gawin D., Koniorczyk M., Pesavento F.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2013

|

Vol. 61, nr 1

51-63

EN

IssueJournal/Yearbook Volume Issue Page Issues Volume 61 (2013) Issue 1 (Mar 2013) , pp. 5-286 Volume 60 (2012) Issue 4 (Dec 2012) , pp. 673-859 Issue 3 (Sep 2012) , pp. 371-667 Issue 2 (Jun 2012) , pp. 185-368 Issue 1 (Mar 2012) , pp. 3-178 Volume 59 (2011) Issue 4 (Dec 2011) , pp. 371-579 Issue 3 (Sep 2011) , pp. 247-366 Issue 2 (Jun 2011) , pp. 125-243 Issue 1 (Mar 2011) , pp. 3-115 Volume 58 (2010) Issue 4 (Dec 2010) , pp. 463-716 Issue 3 (Sep 2010) , pp. 347-458 Issue 2 (Jun 2010) , pp. 217-342 Issue 1 (Mar 2010) , pp. 3-207 Volume 57 (2009) Issue 4 (Dec 2009) , pp. 297-398 Issue 3 (Sep 2009) , pp. 195-292 Issue 2 (Jun 2009) , pp. 123-188 Issue 1 (Mar 2009) , pp. 3-116 Most Downloaded Articles Joint reactions in rigid or flexible body mechanisms with redundant constraints by Wojtyra, M. and Frączek, J. Modified current differencing transconductance amplifier – new versatile active element by Malcher, A. Particle swarm optimization of artificial-neural-network-based on-line trained speed controller for battery electric vehicle by Ufnalski, B. and Grzesiak , L.M. Laser modification of the materials surface layer – a review paper by Kusinski, J./ Kac, S./ Kopia, A./ Radziszewska, A./ Rozmus-Górnikowska, M./ Major, B./ Major, L./ Marczak, J. and Lisiecki, A. Gas sensors based on nanostructures of semiconductors ZnO and TiO2 by Pustelny, T./ Procek, M./ Maciak, E./ Stolarczyk, A./ Drewniak, S./ Urbańczyk, M./ Setkiewicz, M./ Gut, K. and Opilski, Z. View Top 20 Most Downloaded Articles Previous Article Next Article Go to table of contents Download full text pdf (PDF, 1 MB) Modelling of hydro-thermo-chemo-mechanical phenomena in building materials D. Gawin1 / M. Koniorczyk1 / F. Pesavento2 1Department of Building Physics and Building Materials, Lodz University of Technology, 6 Politechniki Ave., 90-924 Lodz, Poland 2Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, University of Padova, Via Marzolo 9, 35131 Padova, Italy Citation Information: Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. Volume 61, Issue 1, Pages 51–63, ISSN (Print) 0239-7528, DOI: 10.2478/bpasts-2013-0004, May 2013 Publication History: Published Online: 2013-05-01 Abstract A general approach to modelling chemical degradation processes in building materials, due to combined action of variable hydrothermal, chemical and mechanical loads, is presented. Mechanics of multiphase porous media and damage mechanics are applied for this purpose, and kinetics of degradation processes is described with evolution equations based on thermodynamics of chemical reactions. The mass-, energy - and momentum balances, as well as the evolution equations, constitutive and physical relations are briefly summarized. Then, the model governing equations are numerically solved with the finite element method. Three examples of the model application for analyzing degradation processes of building materials are presented and discussed. The first one deals with capillary suction of the salt solution by two different building materials, the second one with the salt crystallization during drying of a brick wall, and the third one concerns calcium leaching from a concrete wall due to the chemical attack of pure water under pressure gradient at two different temperatures.

5

Wiarygodność wyników uproszczonych modeli matematycznych degradacji betonu w warunkach pożarowych

Gawin D., Pesavento F.

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska

|

2011

|

z. 58, nr 3/III

91-98

PL

W pracy krótko omówiono, opracowany przez autorów model matematyczny zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradacji fizykochemicznej betonu w wysokiej temperaturze. Na podstawie analizy literatury przedmiotu sformułowano szereg modeli uproszczonych, w których pominięto wybrane zjawiska fizyczne. Następnie wykonano symulacje komputerowe zachowania się ściany betonowej w warunkach normowego pożaru ISO 834, stosując pełen model matematyczny oraz jego uproszczone wersje. Analiza wyników obliczeń pozwoliła na stwierdzenie, które z rozważanych uproszczeń dają wyniki zbliżone do modelu pełnego, który został uprzednio pomyślnie zwalidowany, dając wyniki zgodne z doświadczeniem.

EN

A mathematical model developed by the authors for the analysis of hygrothermal performance and physicochemical degradation of concrete at high temperature has been presented. On the basis of the literature review, five simplified models of the material have been formulated, where some phenomena have been omitted. Next computer simulations of a wall performance during a standard IS0 834 fire have been performed with the full and simplified models. The analysis of the results enabled indication which of the considered simplifications are allowable and give reliable results in comparison with the full model, which was previously successfully validated experimentally, giving results in good agreement with experimental tests.

6

Modelowanie odkształceń betonu wskutek reakcji alkalia - krzemionka w zmiennych warunkach higrotermicznych

Grymin W, Gawin D, Pesavento F, Wyrzykowski M

Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce

|

2011

|

T. 6, nr 2

29--34

PL

Przedstawiono model matematyczny procesu degradacji chemicznej w elementach betonowych wskutek reakcji alkalia-krzemionka, a także odkształceń przez nią spowodowanych. Model uwzględnia sprzężenie zjawisk cieplno-wilgotnościowych, chemicznych i ewolucji właściwości materiału wskutek zachodzącej reakcji. Oparty jest on na mechanice wielofazowych ośrodków porowatych. Krótko omówiono równania bilansu masy, pędu i energii, równanie kinetyczne reakcji alkalia-krzemionka oraz związki konstytutywne i fizyczne wykorzystywane do modelowania reakcji w zmiennych warunkach klimatycznych. Pokrótce przedstawiono rozwiązanie numeryczne układu równań za pomocą metody elementów skończonych. Zaprezentowano przykłady walidacji eksperymentalnej modelu na podstawie opublikowanych wyników badań doświadczalnych.

EN

A mathematical model of degradation process of concrete structures due to alkali-silica reaction is presented. The model takes into account variable hygral, thermal, chemical and mechanical loads. Some examples of the model application for analyzing development of the alkali-silica reaction are presented.

7

Mathematical and numerical multi-scale modelling of multiphysics problems

Schrefler B. A., Boso D. P., Pesavento F., Gawin D., Lefik M.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2011

|

Vol. 18, no. 1-2

91-113

EN

In this paper we discuss two multi-scale procedures, both of mathematical nature as opposed to purelynumerical ones. Examples are shown for the two cases. Attention is also devoted to thermodynamical aspects such as thermodynamic consistency and non-equilibrium thermodynamics. Advances for the firstaspect are obtained by adopting the thermodynamically constrained averaging theory TCAT as shown in the case of a stress tensor for multi-component media. The second aspect has allowed to solve numerically,with relative ease, the case of non-isothermal leaching. The absence of proofs of thermodynamic consistencyin case of asymptotic theory of homogenization with ?nite size of the unit cell is also pointed out.

8

Modelling strains of concrete exposed to alkali-silica reaction in variable hygro-thermal conditions

Gawin D., Wyrzykowski M., Grymin W., Pesavento F.

Architecture Civil Engineering Environment

|

2011

|

Vol. 4, no. 3

43-54

EN

A mathematical model of combined action of hygro-thermal, chemical and mechanical loads is proposed to describe chemical degradation of concrete due to ASR. The model is based on mechanics of multiphase reactive porous media. The mass-energy- and momentum balance equations, as well as constitutive and physical relationships necessary for modelling the ASR in variable environmental conditions, are presented. A method for their numerical solution with the finite element and finite differences methods is described. The proposed mathematical model is validated by comparing the simulation results with some published experimental data concerning hygro-thermal processes and ASR expansion of concrete specimens in different hygro-thermal conditions, both constant and variable in time.

PL

Zaproponowano model matematyczny równoczesnego oddziaływania czynników cieplno-wilgotnościowych, chemicznych i mechanicznych do opisu degradacji chemicznej betonu, wywołanej reakcją alkalia-krzemionka. Model ten bazuje na mechanice wielofazowych reaktywnych ośrodków porowatych. Przedstawiono równania bilansu masy, energii i pędu oraz związki konstytutywne i fizyczne, które są niezbędne do modelowania przebiegu reakcji alkalia-krzemionka w zmiennych warunkach środowiskowych. Opisano metodę numerycznego rozwiązania równań modelu za pomocą metod różnic skończonych i elementu skończonego. Zaproponowany model matematyczny został zwalidowany przez porównanie wyników symulacji komputerowych z opublikowanymi danymi doświadczalnymi, które dotyczą przebiegu procesów cieplno-wilgotnościowych i pęcznienia próbek betonowych w różnych warunkach higro-termicznych, zarówno stałych, jak i zmiennych w czasie.

9

Modelowanie procesu nieizotermicznej dekalcyfikacji kompozytów cementowych

Gawin D., Pesavento F.

Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce

|

2010

|

T. 5, nr 1

21-26

PL

W pracy przedstawiono model matematyczny i numeryczny zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradacji chemicznej kompozytów cementowych. Omówiono model kinetyki nieizotermicznego procesu dekalcyfikacji oraz przedstawiono wyniki symulacji procesu degradacji chemicznej płyty betonowej, na grubości której występuje gradient temperatury. Stwierdzono, że temperatura ma bardzo istotny wpływ na przebieg procesu dekalcyfikacji tej płyty.

EN

Mathematical and numerical model of hygro-thermal and chemical degradation phenomena of cement based composites, is briefly presented. A new model of non-isothermal decalcification kinetics is described. The results of computer simulation of chemical degradation of a concrete plate with a temperature gradient along its thickness, are presented and discussed. It is concluded that both temperature and the value and direction of temperature gradients have an important influence on the concrete chemical degradation due to decalcification process. The proposed method for modelling decalcification kinetics allows simulation of the process at variable temperature and avoiding numerical problems reported on the literature.

10

Prediction of the thermal spalling risk of concrete structures exposed to high temperatures

Gawin D., Pesavento F.

Architecture Civil Engineering Environment

|

2009

|

Vol. 2, no. 1

49-60

EN

A very characteristic mode of concrete damage at high temperature, especially for the materials characterized by a low intrinsic permeability, like for example HPC or UHPC, is so called thermal spalling. In this paper the results of simulations performed with a mathematical model, which considers concrete as multiphase porous material, are applied to define some spalling indexes based on various collapse mechanisms. A validation of the quantities proposed, carried out by means of a comparison with some experimental test results, is presented. Moreover, the results of a simulation dealing with a structural element exposed to a parametric fire, including a cooling phase, usually not considered in analyses, is described and discussed.

PL

Termiczne odpryskiwanie betonu (ang. thermal spalling) jest bardzo charakterystyczną formą zniszczenia tego materiału pod wpływem wysokiej temperatury. Zagrożone są zwłaszcza materiały o niskiej przepuszczalności, jak na przykład betony wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości. W niniejszej pracy, bazując na modelu matematycznym betonu, traktowanego jako wielofazowy materiał porowaty, zdefiniowano pewne liczby kryterialne (tzw. indeksy spallingu), które charakteryzują niebezpieczeństwo wystąpienia termicznego odpryskiwania betonu, przy założeniu różnych mechanizmów zniszczenia materiału. Przedstawiono także wyniki eksperymentalnej weryfikacji zaproponowanych kryteriów zniszczenia betonu w wysokiej temperaturze. Ponadto opisano i przedyskutowano wyniki symulacji dotyczących betonowych elementów konstrukcyjnych, poddanych działaniu parametrycznego pożaru, z uwzględnieniem fazy studzenia konstrukcji.

11

Modelowanie odkształceń od skurczu i pełzania betonu przy wykorzystaniu naprężeń efektywnych

Gawin D., Wyrzykowski M., Pesavento F.

Inżynieria i Budownictwo

|

2007

|

R. 63, nr 4

209-212

PL

Przedstawiono nowy model odkształceń betonu, oparty na koncepcji naprężeń efektywnych. Zastosowano nową definicję naprężeń efektywnych w odniesieniu do ośrodków z dobrze rozwiniętą strukturą wewnętrzną porowatości. Wykazano, że prezentowany model może być stosowany w praktyce do analizy konstrukcji betonowych.

EN

A new mathematical model of concrete strains, based on the concept of effective stresses, has been presented in this paper. A new definition of the effective stresses for media with a well developed inner structure of porosity, has been used. Comparison of the simulation results with the experimental data concerning autogenous strains of maturing cement paste, as well as creep and shrinkage strains of an ordinary concrete, showed that the model can be practically used for analysis of concrete structures with a sufficient accuracy.

12

Modelowanie kinetyki izotermicznego procesu wyługowywania wapnia z nasyconych kompozytów cementowych

Gawin D., Pesavento F.

Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce

|

2007

|

T. 2

47-52

PL

W pracy przedstawiono model matematyczny izotermicznego wyługowywania wapnia z kompozytów cementowych, w pełni nasyconych wodą, który uwzględnia kinetykę tego procesu. Jest ona opisana za pomocą termodynamiki reakcji chemicznych, przy użyciu tzw. charakterystycmego czasu procesu. Omówiono też metodę numerycznego rozwiązania równań tego modelu za pomocą MES. Przeanalizowano wpływ kinetyki wyługowywania wapnia na przebieg zjawisk transportu masy podczas kontaktu elementu betonowego ze zdemineralizowaną wodą oraz wywołaną tym degradacją che- miczną materiału. Stwierdzono, że zaproponowany sposób mo- delowania procesu wyługowywania, uwzględniający jego kinetykę, poprawia właściwości numeryczne rozwiązania i umożliwia analizę stosunkowo szybkich zjawisk, co nie jest możliwe przy klasycznym opisie, bazującym na założeniu równowagi termodynamicmej .

EN

A mathematical model of isothermal calcium leaching in cement based materials, fully saturated with water, considering kinetics of the process, is presented. The process is described by means of Thennodynamlcs of Irreversible Processes, applied for chemical reactions, and using additionally concept of the so called characteristic time. A method of nu- merical solution of the model equations with the Finite Element Method is also described. The effect of the process kinetics on the mass transport and leaching in a concrete element in contact with demineralised water and caused by this chemical degradatlon of the material are numerically analysed. It is shown, that the proposed method of the process modelling, considering its kinetics, improves the numerical solution convergence and enabIes analyses of relatively fast phenomena, what is not possible with a classical approach, based on the assumption of thennodynamic equilibrium.

13

Modelowanie autogenicznych odkształceń betonu przy użyciu naprężeń efektywnych

Wyrzykowski M., Gawin D., Pesavento F.

Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej. Budownictwo Lądowe

|

2006

|

nr 59

205-212

EN

A recently proposed mathematical model of concrete deformations, based on the concept of effective stresses, has been applied for the analysis of autogeneous strains in concrete maturing, and verified against some published experimental data. A modified formulation of the hydration rate model has been applied to take into account the effect of the hygro-thermal state of concrete on the process. Shrinkage and creep strains are modelled by means of the effective stresses and not of the nominal ones. The simulation results indicate that the creep strains are greater than the shrinkage ones when autogeneous strains are considered. Comparison of the simulation results with the experimental data concerning autogenous strains of maturing ordinary concrete showed that the model can be practically used for the analysis of concrete structures with a sufficient accuracy.

14

Modelling damage processes of concrete at high temperature with thermodynamics of multi-phase porous media

Gawin D., Pesavento F., Schrefler B. A.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2006

|

Vol. 44 nr 3

505-532

EN

In this paper, the authors present a mathematical description of a multi-phase model of concrete based on the second law of thermodynamics. Exploitation of this law allowed researchers to obtain definitions and constitutive relationships for several important physical quantities, like capillary pressure, disjoining pressure, effective stress, considering also the effect of thin films of water. A mathematical model of hygro-thermo-chemo-mechanical phenomena in heated concrete, treated as a multi-phase porous material, has been formulated. Shrinkage strains were determined using thermodynamic relationships via capillary pressure and area fraction coefficients, while thermo-chemical strains were related to thermo-chemical damage. In the model, a classical thermal creep formulation has been modified and introduced into the model. Results of numerical simulations based on experimental tests carried out at NIST laboratories for two types of concrete confirmed the usefulness of the model in the prediction of the time range, during which the effect of concrete spalling may occur.

PL

Autorzy pracy prezentują równania modelu wielofazowego betonu wyprowadzone na podstawie II zasady termodynamiki. Zastosowanie tej zasady pozwoliło badaczom na sformułowanie definicji i związków konstytutywnych dla kilku ważnych wielkości fizycznych, takich jak: ciśnienie kapilarne, ciśnienie rozklinowywujące, naprężenie efektywne oraz na uwzględnienie efektu wywołanego przez cienkie warstwy wody obecnej w betonie. Przedstawiono model matematyczny higro-termo-chemo-mechanicznych zjawisk zachodzących w podgrzewanym betonie traktowanym jako ośrodek porowaty. Skurcz betonu określono za pomocą równań termodynamiki opisujących ciśnienie kapilarne i współczynniki udziału powierzchniowego, podczas gdy odkształcenia termochemiczne skorelowano z parametrem zniszczenia chemicznego. Do rozważań wprowadzono zmodyfikowaną teorię pełzania opartą na sformułowaniu klasycznym. Wyniki przeprowadzonych symulacji numerycznych, bazujących na badaniach doświadczalnych zrealizowanych w laboratoriach NIST na dwóch typach betonu, potwierdziły użyteczność zaprezentowanego modelu w przewidywaniu przedziału czasu, w którym może dojść do termicznego odpryskiwania betonu.

15

O ochronie betonowej obudowy tunelu przed zniszczeniem w warunkach pożarowych - wyniki projektu UPTUN

Gawin D., Witek A., Pesavento F.

Inżynieria i Budownictwo

|

2006

|

R. 62, nr 11

622-625

16

Modelowanie odkształceń i naprężeń podczas wysychania materiałów budowlanych

Witczak K., Pesavento F., Gawin D.

Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce

|

2005

|

T. 1

355-362

PL

W pracy przedstawiono model matematyczny zjawisk cieplno-wilgotnościowych i wywołanych nimi odkształceń i naprężeń w kapilarno-porowatych materiałach budowlanych. Do modelowania skurczu zastosowano nową teorię naprężeń efektywnych w mateńałach porowatych z rozwiniętą powierzchnią wewnętrzną, uwzględniającą wpływ ciśnienia rozklinowującego. Wyniki tej teorii porównano z klasyczną teorią Terzaghiego i wynikami badań eksperymentalnych dotyczących skurczu betonów zwykłego i wysokowartościowego.

EN

In this paper a mathematical model of hygro-thermal phenomena and related strains and stresses in capillary porous building materials is presented. The recently developed theory of effective stresses in porous materials with a well developed inner surface of porosity, considering effect of the disjoining pressure, is used for modelling of material shrinkage. The results of this theory are compared with the classical effective stres s theory and some experimental data concerning shrinkage of NSC and HPC concretes.

17

Modelowanie procesu degradacji betonu w wysokich temperaturach

Gawin D., Pesavento F., Majorana C., Schrefler B.

Inżynieria i Budownictwo

|

2003

|

R. 59, nr 4

218-221

PL

Opisano nowy model matematyczny i numeryczny degradacji właściwości betonu w wysokich temperaturach. Może on być stosowany do prognozowania zachowania się konstrukcji betonowych podczas pożaru, zwłaszcza niebezpieczeństwa wystąpienia zjawiska "spallingu" termicznego. Przedstawiono wyniki symulacji komputerowych dotyczących zjawisk cieplno-wilgotnościowych i destrukcji ściany i kolumny betonowej podczas pożaru normowego.

EN

A new mathematical and numerical model of degradation of concrete properties at high temperature has been briefly described. It can be applied for predicting of concrete structures behaviour during fire, and in particular possible occuring of thermal spalling phenomenon. The results of computer simulation concerning hydro-thermal phenomena and damage of concrete wall and column during standard fire have been presented and discussed.