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M.Sc. Ksenija VasilićA Numerical Model for Self-CompactingConcrete Flow through Reinforced Sections:a Porous Medium AnalogyBAM-Dissertationsreihe Band 144Berlin 2016

Die vorliegende Arbeit entstand an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).ImpressumA Numerical Model for Self-CompactingConcrete Flow through Reinforced Sections:a Porous Medium Analogy2016Herausgeber:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Unter den Eichen 8712205 BerlinTelefon: 49 30 8104-0Telefax: 49 30 8104-72222E-Mail:[email protected]: www.bam.deCopyright 2016 byBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Layout:BAM-Referat Z.8ISSNISBN1613-4249978-3-9817502-6-3

A Numerical Model for Self-Compacting Concrete Flowthrough Reinforced Sections: a Porous Medium AnalogyEin numerisches Modell für das Fließverhalten vonselbstverdichtendem Beton in bewehrten Zonen:eine Analogie zu porösen MedienAn der Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresdenzur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)eingereichteDISSERTATIONvorgelegt vonM.Sc. Ksenija Vasilićaus Šabac, Serbieneingereicht am 02. Dezember 2014Tag der mündlichen Prüfung: 16. April 2015Gutachter:Prof. Dr.-Ing. Viktor MechtcherineDr.-Ing. Nicolas Roussel

AbstractThis thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castingsand suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formworkas porous media.As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concreteflow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site castingincidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. Thesimulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling andtime-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time isadditionally significantly increased because each reinforcement bar occurring insuccession has to be considered one by one. This is particularly problematic whensimulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforcedstructural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction inpractice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving.In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for castingprediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zoneswith arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCCthrough a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagatingthrough the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, theinfluence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porousmatrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porouszone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’castings.Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections wasdeveloped. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and themacroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) onthe flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software andvalidated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratorycasting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arraysof steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for theporous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous mediumparameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcementcases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numericalpackage, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesisconcludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict theconcrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less timeconsuming than existing tools.v

ZusammenfassungDie Arbeit behandelt die numerische Modellierung des Fließverhaltens von selbstverdichtendem Beton (SVB) in bewehrten Schalungselementen. Die numerischeSimulation des Fließens von Frischbeton kann eine vielversprechende Unterstützung beider Optimierung von Befüllvorgängen sein, indem diese bereits im Vorfeld vorhergesagtwerden. Die Simulation des Fließens von Frischbeton verwendet kompliziertemathematische Modelle und zeitintensive Rechenoperationen. Darüber hinaus wird dieSimulationszeit für die Vorhersage des Füllvorgangs zusätzlich deutlich verlängert, weilaufeinanderfolgende Bewehrungsstäbe einzeln zu berücksichtigen sind. Das istinsbesondere für die Simulation von SVB ein entscheidendes Problemfeld, da SVB oftgerade für hochbewehrte Bauteile verwendet wird. Dennoch ist ein weitreichender Einsatzvon numerischen Hilfsmitteln bei der Vorhersage von Füllprozessen nur denkbar, wenndie Anwenderfreundlichkeit und eine Zeitersparnis gewährleistet werden können. Um dieSimulationszeit zu verkürzen und näher an eine anwenderfreundliche Lösung für dieVorhersage von Füllprozessen zu kommen, wird als Alternative zur einzelnenModellierung aller Stahlstäbe in dieser Arbeit vorgeschlagen, Zonen mitBewehrungsstäben als poröse Medien zu modellieren. Infolgedessen wird das Fließenvon SVB durch bewehrte Zonen als Strömung eines nicht-Newton’schen Fluides durch einporöses Medium betrachtet. Durch die Definition charakteristischer Parameter desporösen Mediums kann das veränderte Verhalten des Betons in der porösen Matrixvorhegesagt werden. Dies ermöglicht die Modellierung beliebiger Bewehrungszonen undvereinfacht und beschleunigt folglich die numerische Simulation bewehrter Bauteile.Im Rahmen der Arbeit wird ein Rechenmodell für das Fließverhalten von SVB durchbewehrte Schalungszonen entwickelt. Das Modell verkoppelt das Strömungsverhalten vonBeton mit dem makroskopischen Ansatz für den Einfluss von porösen Medien, welche indiesem Fall die Bewehrungsstäbe ersetzen. Das entwickelte Modell wird in eine CFDSoftware implementiert und anhand mehrerer numerischer und experimenteller Studienvalidiert, darunter auch ein maßstabsgetreues Fließexperiment eines hochbewehrtenBalkens. Darüber hinaus wird die scheinbare Rheologie des Betons innerhalb derAnordnung der Stahlstäbe untersucht und daraus eine Methode zur Bestimmungunbekannter Parameter für das poröse Medium vorgeschlagen. Es werden hierfür auchnormative Tabellen generiert, die die charakteristischen Eigenschaften der porösenMedien für unterschiedliche Bewehrungsanordnungen abbilden. Zuletzt ist derHauptbeitrag dieser Arbeit das resultierende Numerikpaket, bestehend aus demnumerischen Solver einschließlich des implementierten Modells sowie derParameterbibliothek. Im Abschluss werden die Verlässlichkeit der Vorhersage vonFüllvorgängen durch die Analogie zu porösen Medien erörtert sowie Schlussfolgerungenzur deutlichen Ersparnis an Aufwand und Zeit gegenüber herkömmlichen Methodenvorgenommen.vii

ContentsAbstract . vZusammenfassung . viiContents . ix11.11.21.32Introduction . 1Motivation and objectives . 1Research steps . 3Thesis structure . 4State of the art . 7SCC basics, difficulties and need for numerical modelling . 92.1.1Self-compacting concrete . 92.1.2Challenges in casting and rheological characterisation .122.1.3Conclusions .152.2Modelling of concrete flow .172.2.1Rheology of fresh concrete .172.2.2Numerical simulations of fresh concrete flow .252.2.3Industrial casting processes.342.2.4Conclusions .362.3Modelling of complex materials flow through porous medium .382.3.1Flow of complex fluids through porous medium .382.3.2Flow through arrays of cylinders fibrous porous media .412.3.3Parameters of porous medium .422.3.4Conclusions .452.13Model for SCC flow through reinforced zones – the porous medium analogy . 473.13.23.33.43.5Governing equations of concrete flow .493.1.1Constitutive equations .493.1.2Conservation equations .51Model of flow through porous medium .52Model implementation into the CFD code .54Programme of the research steps towards model validation .56Conclusions .584Calibration of the numerical code. 594.14.2Boundary conditions and regularisation of the model .60Channel flow.624.2.1Analytical solution .62ix

4.2.2Numerical simulation . 644.2.3Comparison of analytical and numerical data . 654.3Slump flow . 664.3.1Analytical solution . 674.3.2Numerical solution. 684.3.3Comparison of analytical and numerical data . 694.4Conclusions . 705Flow of Newtonian fluids through porous media . 735.1Unknown model parameters: studies on permeability . 745.1.1Permeability in the direction perpendicular to the cylinder axes . 755.1.2Permeability in the direction parallel to the cylinders axes . 785.1.3Permeability as a function of bars arrangement. 805.2Boundaries and interfaces . 855.2.1Boundaries between porous zone and flowing fluid . 855.2.2Wall influence . 885.3Numerical case studies with Newtonian fluid: bars vs. PM . 915.4Conclusions . 936Propagation of non-Newtonian fluids in porous media . 956.1Unknown model parameters: numerical studies on shift factor . 966.1.1A numerical method to determine values of shift factor . 966.1.2Numerical studies. 976.1.3Results of numerical studies. 996.2Numerical validation: case studies with non-Newtonian fluid . 1006.3Conclusions . 1027Experimental validation: experiments with model material. 1057.1Model material and experimental setup . 1057.1.1Model material. 1057.1.2Experimental setup . 1077.2Comparison of numerical and experimental results . 1087.2.1Determination of

and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media. As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete .