Betonin mallintamisella lisää turvaa vaaratilanteisiin
25.05.2009
Betonirakenteista voidaan tehdä malli, joka kuvaa betonista valmistetun esineen mekaanista sekä lämpöön ja kosteuteen liittyvää eli termistä ja hygroskooppista käyttäytymistä. Suomen Akatemia on rahoittanut kolmen vuoden ajan projektia, jossa nämä betonin käyttäytymiseen vaikuttavien kolmen osa-alueen vuorovaikutukset voidaan mallintaa. Tämän pohjalta voidaan aikanaan rakentaa toimivia sovelluksia.
Opettava tutkija Reijo Kouhia TKK:lta sanoo, että mallin pohjalta voitaisiin tehdä työkalu, jossa vaativissa projekteissa simuloitaisiin betonin käyttäytymistä esimerkiksi tulipalossa.
”Esimerkkeinä olisivat tunnelipalot tai ydinvoimalan suojakuori, miten se käyttäytyy tulipalon sattuessa”, Kouhia kuvaa tulevalle työkalulle sopivia tehtäviä.
”Tämä kaikki on tärkeää suunnitteluvaiheessa, koska mahdollisiin tilanteisiin pitää pystyä varautumaan. Ja jos jotain tapahtuu, niin mitä siitä seuraa. Sen avulla voisi tehdä analyyseja, joista olisi apua kestävämpien rakenteiden suunnittelussa ja onnettomuustilanne-analyysissä.”
Tiiviin betonin ongelmat esille
”Erityisesti korkealujuusbetoneilla esiintyy korkeissa lämpötiloissa ongelmia, koska ne ovat tiiviitä, ja niiden huokoistilavuus on pieni, mikä ei mahdollista höyrynpaineen purkautumista riittävän nopeasti. Probleema on sama jäätymisen kanssa; malli voidaan yhdistää kestävyyden analysointiin, jossa simuloidaan rakenteen käyttäytymistä toistuvissa jäätymis-sulamis -vaihteluissa.”
Projektissa oli mukana Timo Manninen, joka oli Akatemialta rahoitusta saanut tutkija. Suomen Akatemian rahoitus on nyt päättynyt, mutta Kouhia sanoo, että hän jatkaa hanketta yhdessä tutkija Juha Hartikaisen kanssa itsenäisesti eteenpäin. Timo Manninen on nyt siirtynyt töihin muualle.
Kehitettävän mallin pohjalta voidaan luoda työkalu, jonka avulla voidaan simuloida esimerkiksi ydinvoimalan betonisen suojakuoren käyttäytymistä tulipalossa.
Seosaineiden teoria pohjana
Projektin aikana hanke oli TKK:n rakennus- ja yhdyskuntatekniikan osastolla. Nyt nimenä on insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta, sen rakenne- ja rakennustuotantotekniikan laitos.
”TKK:n entisessä rakenteiden mekaniikan laboratoriossa on pitkään harrastettu kaikenlaista rakenteisiin ja materiaaleihin liittyvää mallinnusta”, Kouhia kertoo hankkeen taustasta.
”Professori Martti Mikkola kiinnostui 90-luvulla seosaineiden teoriasta ja hän kehitti pariisilaisen professori Michel Frémondin kanssa mallin maan jäätymiselle. Sitä voitiin käyttää maan routimisen analysointiin. Perinnettä on täällä jatkanut Juha Hartikainen. Mikkola jäi joku vuosi sitten eläkkeelle”, Kouhia kertoo.
Hän lisää, että seosaineiden teorian pohjalta olisi mahdollista mallintaa myös betonia. ”Meidän tarkoituksenamme olisi muodostaa sisäisesti konsistentti, ristiriidaton, malli.”
Tällaisella termodynaamisesti ristiriidattomalla mallilla pyritään laskemaan rakenteen mekaanista, termistä ja hygroskooppista käyttäytymistä.
Myös EU kiinnostui
Reijo Kouhia kertoo EU:ssa olleen asiasta iso Hiteco-niminen projekti. ”Heidän matemaattinen mallinsa oli meidän mielestämme epäyhtenäinen. Se ei ollut mielestämme sisäisesti konsistentti”, hän sanoo.
”Meillä oli kunnianhimoisena tavoitteena lähteä liikkeelle makroskooppisesta termodynamiikasta ja mekaniikan perusprinsiipeistä ja johtaa siitä matemaattinen malli.”
Työ on vielä osin kesken. Kouhia selvittää, että yksi avainongelma liittyy siihen, että esimerkiksi kappaleen lämpenemisen tuottamat vauriot ovat tavallisesti anisotrooppisia. Hiteco-projektissa lähdettiin siitä, että vauriot olisivat isotrooppisia, suunnasta riippumattomia.
”Siinä meidän oma formulaatiomme olisi mennyt hienosti läpi, mutta me halusimme laajentaa sitä anisotrooppiseen vaurioitumiseen, joka kuvaa todellisuutta paremmin, koska kappaleen vaurioituminen on aina anisotrooppista.”
”Ja niin lähestyimme probleemaa toisella tavalla, joka oli huomattavasti hankalampi. Tajusimme, että siksi ei sitä kukaan maailmassa ole tehnytkään. Anisotrooppisia vaurioita ei ole esitetty yhdessä termisen kentän kanssa.”
”Tässä vaiheessa me nyt olemme, tietty versio matemaattisesta mallista on valmis, mutta sitä pitää kehittää eteenpäin”.
Teksti: Heikki Nenonen
Tutkijoiden kuva: Reijo Kouhia
Kuvituskuvat: Futureimagebank ja Stockxpert
