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Multiphysik-Simulation auf der Baustelle

Zeit, Temperatur, Materialauswahl, Witterungsbedingungen und Gusstechnik können die Leistung von jungem Beton beeinflussen, der zum Bau von Gebäuden verwendet wird. Um seinen Kunden dabei zu helfen, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wie sich diese entscheidenden Variablen auf ihre Projekte auswirken werden, bietet Heidelberg Materials mit einer kompilierten Simulations-App Zugang zu Multiphysik-Modellierungsfunktionen, die Vorhersagen ermöglichen.

Von Alan Petrillo
September 2023

Beton ist ein grundlegender Bestandteil zahlloser Bauwerke, von bescheidenen Häusern bis hin zu hoch aufragenden Brücken und Wolkenkratzern. Damit Beton jedoch sein Versprechen der Langlebigkeit erfüllen kann, müssen Bauunternehmer während des Bauprozesses die richtigen Entscheidungen treffen. Ihre Entscheidungen beeinflussen die Geschwindigkeit, mit der der Beton aushärtet oder reift, was wiederum seine langfristige Festigkeit und Beständigkeit mitbestimmt.

Bauunternehmer können das potenzielle Ergebnis eines Betongusses mithilfe der Reifemethode vorhersagen, aber es kann schwierig sein, diese Technik in der Praxis anzuwenden. Aus diesem Grund stellt Heidelberg Materials, einer der größten Anbieter von Zement, Zuschlägen, Fertigteilen und Transportbeton weltweit, seinen Kunden in Schweden und Norwegen das Computerprogramm HETT zur Verfügung. (Ref. 1) Das Unternehmen hat an der Entwicklung mehrerer Generationen von HETT mitgewirkt, aber die neue Version ist anders: HETT²² ist eine kompilierte Simulations-App, die zeitnahen Zugriff auf Prognosen bietet, die auf multiphysikalischen Modellen basieren, welche die Bedingungen vor Ort, die Umgebungstemperaturen, die Materialauswahl und andere relevante Variablen berücksichtigen. HETT²² und die zugehörigen Modelle wurden für Heidelberg Materials von Deflexional erstellt, einem COMSOL Certified Consultant, der auf die Verwendung der COMSOL Multiphysics® Software zur Erstellung von Multiphysik-Modellen und Simulations-Apps spezialisiert ist (Ref. 2). Nachdem Deflexional die Modelle mit dem Application Builder in eine benutzerdefinierte App verwandelt hatte, wurde diese mit COMSOL Compiler™ bereitgestellt. In den sechs Monaten nach dem Start wurde HETT²² mehr als 1100 Mal heruntergeladen.

„HETT²² hilft, Optionen aus verschiedenen Blickwinkeln zu bewerten“, sagt Mikael Westerholm, Projektleiter für das HETT-Programm bei Cement Sverige von Heidelberg Materials (ehemals Cementa). Durch den Einsatz von Simulationen zur Vorhersage möglicher Ergebnisse des frühen Reifeprozesses können Bauunternehmer ihre Entscheidungen in Bezug auf Baualternativen mit größerer Sicherheit treffen - und zwar bevor ihre Entscheidungen tatsächlich in Stein gemeißelt sind.

Zeit, Temperatur und die Tradeoffs der Zementhydratation

Während mehrere Faktoren die chemischen Prozesse beeinflussen können, die die Reifung und Festigkeitsentwicklung von Beton steuern, spielt die Temperatur eine besonders wichtige Rolle.

„Bei der Zementhydratation, also der chemischen Reaktion zwischen Zement und Wasser, entsteht viel Wärme“, erklärt Tom Fredvik, technischer Leiter bei Sement Norge (ehemals Norcem) von Heidelberg Materials. „Dies führt zu einem Temperaturanstieg während des Erhärtungsprozesses, und die Geschwindigkeit der Zementhydratation ist stark temperaturabhängig. Höhere Temperaturen führen zu einer schnelleren Hydratation und Festigkeitsentwicklung.“

Eine schnelle Hydratation ist nicht unbedingt wünschenswert. Beton, der bei heißem Wetter schnell erhärtet, wird wahrscheinlich schwächer sein als Beton, der unter kühleren Bedingungen langsamer reift. Umgekehrt können auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die Festigkeitsentwicklung beeinträchtigen. „Es ist sehr wichtig, diese Effekte zu berücksichtigen, insbesondere beim Gießen im Winter“, sagt Fredvik. „Im schlimmsten Fall kann der Beton dauerhafte Frostschäden erleiden, wenn er gefriert, bevor er eine ausreichende Festigkeit erreicht hat.“

Bauunternehmer können die Schalung isolieren und freie Betonflächen mit Isoliermaterial abdecken, um das Risiko des Einfrierens zu verringern, oder sogar Wärme von außen zuführen. Diese Techniken müssen mit Bedacht eingesetzt werden, um eine Überhitzung, ein vorzeitiges Austrocknen oder einen erheblichen Anstieg der Projektkosten zu vermeiden.

Abschätzen der Festigkeitsentwicklung mit der Reifemethode

Bevor sie sich auf eine Thermomanagementstrategie festlegen, können Bauunternehmer die Reifemethode nutzen, um das mögliche Ergebnis eines bestimmten Projekts vorherzusagen. „Die Reifemethode [...] wird seit mehr als 50 Jahren verwendet, um abzuschätzen, wie sich die Temperatur auf die Entwicklung der Betonfestigkeit auswirkt“, so Westerholm. „Sie ist eine zerstörungsfreie Methode zur Vorhersage der Festigkeit, die sonst nur durch die Analyse von Proben nach dem Gießen des Betons bestimmt werden kann.“

Die Reifemethode kombiniert bekannte Metriken mit standort- und projektspezifischen Daten. Die Werte für die Reifefunktion und die Referenzfestigkeit einer Betonmischung können im Voraus ermittelt werden, aber die Temperatur, der der Beton ausgesetzt sein wird, muss geschätzt werden. Diese geschätzte Temperaturkurve sollte die Umgebungstemperaturen und die durch die Zementhydratation erzeugte interne Wärme berücksichtigen. Das tatsächliche Temperaturniveau wird sich nicht gleichmäßig über das gesamte Volumen eines bestimmten Betongussteils entwickeln, was bedeutet, dass sich auch die Festigkeit ungleichmäßig entwickeln kann.

Putting Multiphysics Simulation into the Hands of Contractors

To support wider access to the predictive potential of simulation, Heidelberg Materials engaged Deflexional to create the latest version of HETT. "When the team from Heidelberg explained their goals, we saw a great opportunity to expand HETT's usefulness," said Daniel Ericsson, CEO at Deflexional. HETT²² is the first generation of the program to be developed using the Application Builder in the COMSOL Multiphysics software and compiled using COMSOL Compiler™.

"With HETT²², one of our goals was to be as user-friendly as possible," said Fredvik. "We have also added new features that enable our customers to consider real-world conditions in more detail."

A brief walkthrough of a hypothetical concrete casting project demonstrates HETT²²'s expanded capabilities (Figure 2). The app user starts by selecting from a list of typical cases representing different construction scenarios and then defines the casting geometry parameters, material mix, strength class of concrete, time frame, and expected weather conditions. The model accounts for how the physical surroundings of a casting may affect its behavior.

"In a situation where concrete is cast on an existing slab, the connection between new and old castings is very critical," said Fredvik. "HETT²² gives us the ability to analyze what is happening around that joint." Other relevant physical attributes that may affect the temperature and strength development of concrete, such as the presence of heating cables or heating/cooling pipes inside a casting, can be incorporated into the model. The geometry of the model and its mesh is shown in Figure 3.

After defining the formwork and geometry, the user can integrate site-specific weather forecasts for the planned casting (Figure 4). Forecasts for the entire world can be automatically downloaded and transformed into appropriate boundary conditions for the model. "Along with selecting a forecast in advance, we can also provide HETT²² with in situ recorded temperatures during the curing period and then make adjustments if measured conditions are significantly different from what was expected," Fredvik said.

Time constraints and desired strength are key influences on a user's choice of materials. "In this example, the strength requirement is set to 15 MPa before we can remove the formwork," said Westerholm, "so we choose a concrete with appropriate strength development from the preinstalled library. A user can also choose supplementary cementitious materials to be mixed with the concrete. These materials may include fly ash, granulated blast furnace slag, and silica fume," he explains.

These materials are by-products from other industries, such as energy production and the processing of iron and ferrosilicon. The use of supplementary materials in cement or as additives to concrete helps lower the overall carbon footprint of concrete construction. "Reducing CO₂ emissions is a focus of the concrete industry worldwide," said Westerholm. "But these alternative materials may slow down hydration and have different strength development characteristics. We wanted HETT²² to help users predict the behavior of concrete that they may not be familiar with."

HETT²²

Simulationsergebnisse ermöglichen präventive Anpassungen

Mithilfe der COMSOL-Modelle unter der Haube der App liefert HETT²² Prognosewerte, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bis die gewünschte Festigkeit - in diesem Beispiel 15 MPa - vor dem Ausschalen erreicht ist. „Wir können die erwarteten Temperaturen für die Umgebungsluft und den Boden verfolgen und eine Temperaturkurve für den Beton selbst vorhersagen“, so Fredvik. (Abbildung 5) „Auf der Grundlage unserer Temperaturentwicklung können wir berechnen, dass es etwa 30 Stunden dauern wird, bis der gesamte Guss die von uns benötigte Festigkeit erreicht hat.“ Wenn das für diesen speziellen Auftrag zu lange dauern würde, kann HETT²² die möglichen Auswirkungen verschiedener Betonauswahlen auf die geschätzte Zeit für das Ausschalen zeigen. Bauherren können verschiedene Optionen aus einem Menü der Betonprodukte von Heidelberg Materials auswählen und Details zu den Leistungsmerkmalen der einzelnen Optionen direkt in der Simulations-App einsehen.

Was ist, wenn die tatsächlichen Wetterbedingungen von der Vorhersage abweichen? In diesem Fall können die Benutzer die Temperaturwerte anpassen, um zu sehen, wie sich dies auf die Festigkeitsentwicklung auswirkt. „Wenn sich die Luft- und Windgeschwindigkeiten erheblich ändern, können wir unsere Schalung möglicherweise früher als erwartet entfernen“, so Fredvik.

Multiphysik-Simulation unterstützt Kosten-Nutzen-Analysen

Durch die Vorhersage der Auswirkungen von Entscheidungen im Zusammenhang mit den physikalischen Bedingungen kann ein Bauteam eine kompilierte Simulations-App für ein besseres Management der Wirtschaftlichkeit und der CO₂-Bilanz eines Projekts verwenden. Wenn zum Beispiel die Wettervorhersage zeigt, dass ein Guss mit einem kohlenstoffarmen Beton aufgrund der kalten Temperaturen zu lange dauern wird, werden die Bauunternehmer mit möglichen Kosten-Nutzen-Abwägungen konfrontiert.

„Sollten Sie zu einem schneller aushärtenden Zement oder einer höheren Festigkeitsklasse von Beton wechseln, auch wenn dies teurer ist und möglicherweise zu einer schlechteren CO₂-Bilanz führt?“ fragt Westerholm. „Oder können Sie bei Ihrem ursprünglichen Plan bleiben und stattdessen Maßnahmen zur Isolierung oder Erwärmung Ihrer Schalung ergreifen?“

Heidelberg bietet seinen Kunden Hunderte von potenziellen Betonrezepturen. Aus Sicht des Unternehmens ist die Simulations-App eine notwendige Ergänzung zu einer potenziell entmutigenden Optionsvielfalt. Die Fähigkeit der COMSOL Multiphysics Software zur prädiktiven Modellierung, die über die benutzerdefinierte Oberfläche der App präsentiert wird, hilft den Benutzern, effizienter fundierte Entscheidungen zu treffen.

„Wir stellen unseren Kunden HETT²² zur Verfügung, weil es ihnen an jedem Entscheidungspunkt eines Betongussauftrags einen Mehrwert bietet“, sagt Fredvik. „Für uns ist das ein wesentlicher Bestandteil unseres technischen Supportangebots.“