Kütle Elemanlarda Erken Yaş Çatlak Riskinin Belirlenmesi Ve Uygulama İle Karşılaştırması

Abstract

Tez kapsamında yüksek durabiliteye sahip bir kütle betonda yüksek sıcaklık sebebiyle oluşabilecek çatlak riskinin benzeşimlerle belirlenmesi ile sonuçlarının uygulama ölçümleriyle karşılaştırılmalı şekli analiz edilmiştir. Literatür çalışmasında sertleşen betonda; hidratasyon ısısının çimento ile ilişkisi incelenmiştir, yüksek hidratasyon ısısı altında Gecikmiş Etrenjit (GE) oluşumu hakkında bilgiler edinilerek, GE oluşumunun betonda meydana getirdiği hasarlar ile ilgili araştırmalar yapılmıştır. Rötre mekanizması açıklanarak, rötre türleri irdelenmiştir. Betonun iç-dış sıcaklık farkının kısıtlanmış rötre etkisi ile halka deneyi ile rötre ilişkisi araştırılarak karşılaştırması yapılmış ve deney yöntemi irdelenmiştir. Beton kesitlerde kür yönteminin önemi, soğutmanın betonun iç sıcaklığına olan etkileri araştırılarak, soğutma sisteminin teşkili hakkında bilgi verilmiştir. Simülasyon çalışmasında betonun laboratuvar koşullarında elde edilen veriler yardımıyla sıcaklık ve gerilme gelişiminin simülasyonu yapılması planlanmıştır. Simülasyonda kullanılan hesaplar genel olarak incelenmiştir. Kesitlerin ön hesaplarına göre soğutma gerekliliği irdelenmiştir. Farklı kesitlerde simülasyon yapılmıştır. Simülasyon yardımıyla betonun maruz kalacağı ortam koşullarına göre kür gerekliliği ve süresi, kalıp söküm zamanları belirlenmiştir. Simülasyon “4C Temperature and Stress” (4C Sıcaklık ve Gerilme) programı ile yapılmıştır. Uygulama çalışmasında ise bir yeraltı yapısı olan istasyon binasında farklı soğutmalı betonarme elemanlarda (perde ve temel kesitlerinde) ölçümler yapılmıştır. Ölçüm sistemi anlatılmıştır. Bu sonuçlar elde edilen taze beton sıcaklığı, hava/mevsim koşulları ve kesit kalınlıklarına göre değerlendirilerek irdelemesi yapılmıştır. Uygulama verilerinde elde edilen sıcaklıklardan betonda hasar yaratabilecek kriterler (en yüksek sıcaklık ve sıcaklık farkları) hesaplanmıştır. Tüm sonuçların zaman bağlı değişimleri eğrilerle eklerde verilmiştir. Laboratuvar çalışmasında ise halka deneyi ile 2 farklı karışımdan dökümler yapılarak çatlak oluşum zamanları belirlenmiş, çatlak genişlikleri ölçülmüştür. Aynı karışım ile yapılan 2 farklı kriterdeki dökümde numunelerin beklediği ortam sıcaklığının ve numuneleri kısıtlayan halka kalınlıklarının kısıtlanmış rötre üzerine etkisi araştırılmıştır. Farklı karışım ile yapılan dökümlerde ise normal rötre değişimi birbirinden farklı olan 2 farklı betonda kısıtlanmış rötredeki çatlak oluşum zamanı ve çatlak genişlikleri tespit edilmiştir. Sonuç olarak; kütle betonlarında yüksek hidratasyon ısılarından kaçınmak amacıyla ön-test olarak simülasyon yazılımları ile yapılmış model verileri saha imalat ölçümleri ile karşılaştırılarak yapılan simülasyonların uygulama ile uygunluğu grafik ve çizelgeler yardımıyla gösterilmiştir. Kullanılan modeller baz alınarak kür ve kalıp açma zamanları betonun ısıl gelişiminden elde edilen veriler yardımıyla kullanılmıştır.

The main objective of this thesis is to investigate the effect of thermal stresses and boundary conditions of concrete on the risk of crack formation and compare the simulation results with the site monitoring records. In the literature review, causes and effects of temperature rise in concrete structures are described. Heat evolution due to reaction between cement and water, effects of internal thermal differences and crack formation in concrete are described. Information on hydration reaction of is presented based on different cement types. Mechanisms and types of early age shrinkage in concrete is discussed. Effects of shrinkage on concrete are presented by shrinkage – length change graphics. Determination of restrained shrinkage model and test method is also presented. Restrained ring test is introduced and explained. In order to prevent thermal cracks in mass concrete, the importance of cooling and curing are discussed. Types, materials and methods for curing and cooling are described for mass concrete structures. The basics of simulation for temperature and stress calculation from heat evolution are described. Maturity concept is defined and calculation method is given. The temperature-stress evolutions and crack risks were analyzed using “4C Temperature and Stress Simulation” software. Simulations were performed for the foundation and wall sections of a train station structure. Simulation models are presented based on the concrete properties. Curing conditions and casting sequences are determined by the model structures. A sample curing plan is obtained from calculations. In “4C Temperature and Stress” software, the critical sections of a train station were simulated. The hardened and fresh properties of concrete are tested in laboratory. Parameters such as thermal conductivity, activation energy, tensile strength, compressive strength, elastic modulus, creep, shrinkage, thermal expansion coefficient and heat development values are used in calculations. The boundary conditions such as the concrete curing conditions, ambient temperature and wind conditions are defined in the software. As a result of simulation for each section, temperature rise vs. time, crack risk vs. time and maturity vs. time realtions are obtained. Crack risk calculation is described for concrete structures and presented in graphs. Restrained ring test is prepared according to ASTM C 1581 requirements in the laboratory. Test equipments are introduced, and obtained test results are given. Two different ring thicknesses, two different curing conditions and two different water/cement ratios are tested. As a result; crack initiation date and crack widths are measured by the ring test specimens. Crack propagation under restrained shrinkage is inspected for 30 days. 4 sample temperature readings from a train station structure are recorded on site. Recordings are obtained for Spring/Fall and Summer models. Curing conditions are selected according to the measured fresh concrete properties. Temperature recordings are monitored with thermocouples for a period of 20 days. Calculated values such as internal temperature differences, average and maximum temperatures are evaluated from measured temperatures. Maximum temperatures and times, and internal temperature differences for each concrete section are compared with simulation results. Temperature vs. time graphs are given up to 20 days. As a result, early age temperature rise in hardening concrete; PC calculated simulation results are nearly in coordination with in-situ measured results. All recorded temperatures are measured for cooled sections are equal or below 55oC. No early age cracks were observed for all concrete elements monitored. And also the relation between restrained shrinkage cracks is shown with the result of ring test. With the ring test, crack times were exactly estimated with strain measurements. Cracks measured and compared according to three different conditions. Crack openings by time under load were inspected. Curing effects on restrained shrinkage was shown with the relative results. As final result before building the structures with predictions calculated by simulation models can be used as in real structures construction applicatons. With the correct parameters; predicting the concrete temperature stress relations are easy with basic finite element models. Early-age crack on mass concrete can be prevented by creating simulation models, applying cooling/heating and true identified curing conditions. Durability of key projects can be moved to the upper level with the engineering simulations and measurements.