Explosive spalling of concrete under thermal load - state of knowledge

Abstract

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit dem explosiven Abplatzen von Beton bei thermischer Belastung. Die erste schriftliche Aufzeichnung dieses Themas stammt aus dem Jahre 1854. Seit diesem Zeitpunkt haben unzählige Forscher und Experten versucht herauszufinden, was der tatsächliche Auslöser dieses Verhaltens ist. Um diesen langen Prozess der Forschungsarbeit besser verstehen zu können, sind die wichtigsten Erkenntnisse und Ereignisse der letzten 170 Jahre in dieser Arbeit beschrieben. Explosives Abplatzen ist ein sehr komplexes Thema. Aus diesem Grund wurde auch essenzielles Grundlagenwissen für das bessere Verständnis der beschriebenen Szenarien inkludiert. Verschiedenste Theorien und Modelle wurden im Laufe der Jahre entwickelt, um den Prozess des explosiven Abplatzens besser zu beschreiben. Die heutzutage noch anerkannten Theorien werden im Detail beschrieben, um die Komplexität des Themas darzustellen. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einem der größten Probleme dieser Thematik, nämlich dem Hochskalieren der Ergebnisse von Experimenten im kleinen Maßstab auf das Verhalten von größeren Probekörpern. Die Unbekanntheit dieses Skalierungsfaktors führt dazu, dass die Vorhersage des Verhaltens realer Bauteile herausfordernd und unsicher ist. Die Ergebnisse verschiedenster Forschungsprogramme wurden analysiert, um ein Muster zwischen den Testergebnissen zu finden. Dies ist mit dem gewählten Ansatz nicht gelungen.

This master thesis deals with explosive spalling of concrete under thermal load. The first written account of this phenomenon was made in 1854. Since then, many researchers from all over the world have tried to elucidate the governing mechanisms behind this behaviour.First, the most important findings and events concerning the explosive spalling of concrete over the last 170 years are described for a better understanding of this long knowledge-building process. As explosive spalling is a very complex process, essential knowledge about the basics of this research field is also included in this section. Various theories and models were developed over the years to describe the process of explosive spalling but leave gaps in understanding the leading causes of this phenomenon. The theories that are still considered a possible explanation today are then described in more detail and underline the topic’s complexity.The last part of this thesis presents one of the outstanding issues in this field, namely upscaling the small-scale laboratory experimental results to the behaviour of large-scale elements, making the prediction of real-life structures’ behaviour challenging and uncertain. The results of different research programs were analysed to identify a pattern amongst the various test results to describe explosive spalling behaviour, but the chosen approach showed none.