Simulation der Temperaturverteilung in Betondecken mit dem Differenzenverfahren

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema Temperaturverteilung in Betonfahrbahnen. Die Temperatur wird als eine witterungsbedingte Beanspruchung betrachtet, die bei der Bemessung von Straßenbaukonstruktionen berücksichtigt werden soll. Die Kenntnis der Temperaturverteilung erlaubt die Ermittlung der Temperaturgradienten sowie der temperaturbedingten Spannungen und Deformationen im Beton und somit auch der genaueren Lebensdauer der Straßenkonstruktion. Ausgehend von den Überlegungen, dass die klimatischen Bedingungen einen großen Einfluss auf die Temperaturschwankungen in den Betonplatten haben, wird zuerst ein Überblick über den Klimawandel und die klimaspezifischen Einteilung Österreichs nach Regionen gegeben. Die Klimaparameter und somit auch die im Straßenaufbau herrschenden Temperaturen sind abhängig von der geographischen Lage der betrachteten Region. Im Weiteren wurden die wichtigsten Einflussparameter auf die Temperaturverteilung identifiziert und beschrieben. Um die Temperaturentwicklung an der Straßenoberfläche besser zu verstehen, wurden auch die Wärmetransportvorgänge beschrieben. Dabei wurden charakteristische Werte der wärmetechnischen Parameter zusammengefasst, die in der Berechnung der Temperaturprofile und der Primärwirkungen verwendet werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Differenzenverfahren für die Simulation der Temperaturverteilung in einem typischen starren Straßenaufbau mit real gemessenen Daten der Oberflächentemperatur angesetzt. Als Ergebnis von der mit diesem Verfahren durchgeführten Sensitivitätsanalyse wurde schlussgefolgert, dass das Wassergehalt sich auf die Temperaturentwicklung in den Betonplatten auswirkt und dass deren Einfluss auch in der Ermittlung charakteristischer Temperaturgradienten berücksichtigt werden soll. In einem nächsten Schritt wurde die Temperaturverteilung mit Messdaten der Oberflächentemperatur von 16 Messstationen des österreichischen Autobahnenund Schnellstraßennetzes für den Zeitraum von 2011 bis 2015 simuliert. Dabei wurde das Jahr in sechs charakteristische Perioden mit annähernd einheitlichen klimatischen Verhältnissen unterteilt und für jede dieser Perioden statistisch abgesicherten Werte für die Temperaturgradienten in trockenen und wassergesättigten ungebunden Schichten abgeleitet. Diese wurden danach mit dem Mittelwert aus den Temperaturgradienten bei trockenen und wassergesättigten Schichten zusammengefasst. Nach der Auswertung der Ergebnisse von allen Messstationen und Jahren zuerst nach Klimaregionen und dann für ganz Österreich wurde schlussgefolgert, dass keine Zonenunterteilung abhängig von den Temperaturgradienten notwendig ist. Die ermittelten Ergebnisse können zur Optimierung der österreichischen Bemessungsmethode für starre Aufbauten beitragen.

This master thesis deals with the temperature distribution in concrete slabs. The temperature can be regarded as a weather-related stress, which should be considered in the design of road construction. The knowledge of the temperature distribution allows the determination of the temperature gradients as well as the temperature-induced stresses and deformations in the concrete and thus also the more accurate service life of the road construction. Based on the considerations that the climatic conditions have a great influence on the temperature fluctuations in the concrete slabs, it was given of climate change and the climate-specific division of Austria by regions. The climatic parameters and thus also the temperatures prevailing in the road construction depend on the geographic location of the region under consideration. Furthermore, the most important influencing parameters on the temperature distribution were identified and described. In order to better understand the temperature development on the road surface, heat transfer processes were also described. Characteristic values of the thermal parameters, which can be used in the calculation of the temperature profiles and the primary effects, have been summarized. Outgoing of this work the difference method for the simulation of the temperature distribution in a typical rigid road construction with real measured data of the surface temperature was applied. As a result of the sensitivity analysis carried out with this method, it was concluded that the water content affects the temperature development in the concrete slabs and that their influence should also be taken into account in the determination of characteristic temperature gradients. In a next step, the temperature distribution was simulated with measuring data of the surface temperature of 16 measuring stations in Austria for the period from 211 to 2015. With the data of the measured surface temperature provided by the motorways and expressway financing corporation (ASFINAG), the simulations are carried out for road constructions with dry unbound soil layers, as well as for those with water-saturated layers. The results show differences which must be taken into account in the evaluation. Therefore, the temperature gradients are determined and weighted by thermophilically input parameters for dry and water-saturated layers depending on the sum of the precipitation days per period. The results of the simulations show minimal differences between the relevant temperature gradients in the various climatic regions. It can thus be concluded that no zone subdivision is necessary depending on the temperature gradients. The results obtained can help to improve the dimensioning method of road structures in Austria.