Ny metod för sprickmodellering i armerad betong

Figur 1: Betong spricker lätt i drag på grund av låg draghållfasthet. Sprickor öppnar upp konstruktionen för skadliga ämnen, som kan orsaka armeringskorrosion.

Ett pågående doktorandprojekt handlar om modellering av armerad betong, speciellt med avseende på sprickbildning. Projektet, som presenteras i denna artikel, genomförs i samarbete mellan avdelningarna Konstruktionsteknik och Material- och beräkningsmekanik, båda på Chalmers i Göteborg. Projektet finansieras av Vetenskapsrådet och syftar till att utveckla ett nytt sätt att analysera stora armerade betongkonstruktioner genom att modellera materialet på olika längdskalor, och koppla dessa skalor till varandra. Det kommer att göra det möjligt att studera sprickor och spricktillväxt i stora konstruktioner i detalj.

Ett betydande problem hos armerade betongkonstruktioner under bruksstadiet är sprickbildning. Betong är ett material som har en hög tryckhållfasthet, men dess draghållfasthet är låg, och därför uppstår det lätt sprickor. Lasten bärs då av armeringen, men sprickor öppnar konstruktionen för skadliga ämnen, till exempel kloridjoner, som kan orsaka armeringskorrosion, se figur 1. På så sätt kan sprickbildning påverka konstruktionens hållbarhet – därför begränsas sprickvidden i normer, som exempelvis Eurokod 2.
I princip finns det två metoder att beräkna sprickbildning i armerade betongkonstruktioner – analytiska metoder och numeriska simuleringar. I analytiska metoder kan sprickvidd beräknas med relativt enkla matematiska uttryck. Dessa ger dock rimliga resultat enbart för enkla konstruktioner, till exempel armerade betongbalkar belastade i ren böjning. Större betong-konstruktioner, som broar, är ofta mer komplicerade med avseende på geometri och belastning – för dem är analytiska metoder för sprickbildning inte helt tillförlitliga.

Numerisk modellering
En annan möjlighet att analysera sprickbildning i betongkonstruktioner, är att bygga en numerisk modell och simulera konstruktionens beteende under pålagd last. Under simuleringen löser datorn de partiella differentialekvationer som beskriver konstruktionens deformationer. Det finns många olika metoder, men den mest kända och använda metoden är finita elementmetoden (FEM), som är tillämpbar för godtyckliga geometrier. Konstruktionen delas upp i så kallade finita element, som tillsammans bildar ett elementnät. Finita elementmetoden är ett kraftfullt verktyg i tekniska simuleringar och gör det möjligt att lösa komplicerade problem. I simuleringar kan sprickbildning predikteras och studeras i detalj.

Artikelförfattare:
Adam Sciegaj, Karin Lundgren, Fredrik Larsson, Filip Nilenius och Kenneth Runesson
Chalmers tekniska högskola

Läs hela artikeln i Bygg & teknik nr 7/18.