1. Oversikt og Brukerveiledning
TL;DR: MBP (Mathias Betong Program) er et 2D elementmetodeprogram (FEM) for beregning av herdevarmetemperatur, modenhet, tvangsspenninger og rissrisiko i ung betong etter NS-EN 1992-1-1 (Eurokode 2) og Freiesleben Hansen & Pedersen.
- Tegn rektangel eller egendefinert tverrsnitt: Bruk Draw Box eller skriv inn eksakte dimensjoner ($W \times H$ i $\text{mm}$), eller klikk Draw Custom Shape for å tegne vilkårlige tverrsnitt (L-vegger, skrå flater, fundamenter).
- Juster hjørner og sider: Dra direkte i hjørnepunktene (
C1, C2, ...) på lerretet, bruk Move Entire Side for å flytte en hel vegg, eller klikk + Add Corner on Side for å dele en side i to.
- Konfigurer hver enkelt vegg/side: Klikk på hvilken som helst side av boksen for å sette forskalingstype (kryssfiner, isolert forskaling, stålforskaling, fri luft, fjell/eksisterende betong), rivningstidspunkt ($t_{\text{strip}}$), vindhastighet ($v$) og mekanisk fastholding (fri, fast, rullelager eller elastisk fjærstivhet).
2. Modenhet og Ekvivalent Alder ($t_e$)
TL;DR: Betong herder raskere ved høy temperatur og langsommere ved lav temperatur. Hvert reelle tidssteg $\Delta t$ ved nodetemperatur $T$ ($^\circ\text{C}$) regnes om til ekvivalent modenhetsalder $t_e$ ved $20^\circ\text{C}$ ved hjelp av Arrhenius-ligningen med temperaturavhengig aktiveringsenergi.
Matematisk Formulering (Freiesleben Hansen & Pedersen, 1977)
Aktiveringsenergien $E_a(T)$ $[\text{J/mol}]$ er konstant over $20^\circ\text{C}$ og øker lineært ved kaldere temperaturer ned til $-10^\circ\text{C}$:
E_a(T) = E_{a,20} (for T ≥ 20 °C)
E_a(T) = E_{a,20} + k_{Ea} · (20 - T) (for -10 °C < T < 20 °C)
Arrhenius hastighetsfaktor $H(T)$ relativt til referansetemperatur $20^\circ\text{C}$ ($293.15\text{ K}$) og inkrement i ekvivalent alder $\Delta t_e$ $[\text{timer}]$:
H(T) = exp( [E_a(T) / R] · [ 1 / 293.15 - 1 / (T + 273.15) ] )
t_e^(n+1) = t_e^(n) + H(T) · (Δt / 3600)
der $R = 8.31446\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$ er gasskonstanten og $k_{Ea} \approx 1470\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$.
3. Hydratasjonsvarme og 2D Varmetransport
TL;DR: Sementreaksjonen frigjør varme $Q(t_e)$ som funksjon av modenhetsalder $t_e$. Programmet løser 2D transient varmeledning med 3-node trekantelementer (T3) og ubetinget stabil implisitt Euler tidsintegrasjon.
Hydratasjonsgrad $\alpha(t_e)$ og Varmeutvikling $\dot{q}_{\text{hyd}}$
α(t_e) = exp( - (τ / t_e)^β )
Q(t_e) = Q_pot · α(t_e) [J / kg betong]
q̇_hyd = ρ · Q_pot · (Δα / Δt) [W / m³]
der $\tau$ $[\text{timer}]$ er tidskonstanten, $\beta$ $[-]$ er krumningseksponenten, og $Q_{\text{pot}}$ $[\text{J/kg}]$ er total potensiell hydratasjonsvarme per kg betong.
Transient 2D FEM Varmeligning
ρ · c_p · (∂T / ∂t) = ∇ · (k ∇T) + q̇_hyd
( (1 / Δt) · C + K_th(t) ) · T^(n+1) = (1 / Δt) · C · T^(n) + f_hyd^(n+1) + f_conv(t)
4. Termiske og Mekaniske Vegg-betingelser (Forskaling, Rivning og Underlag)
TL;DR: Hver vegg har en effektiv varmeovergangskoeffisient $h_{\text{eq}}(t)$ beregnet fra seriekoblet varmemotstand av forskalingslag, isolasjon og vind. Når $t \ge t_{\text{strip}}$ (forskaling rives), eksponeres betongoverflaten direkte mot ytterluft, og eventuell mekanisk forskalingsstivhet frigjøres automatisk.
Effektiv Varmeovergangskoeffisient $h_{\text{eq}}(t)$ $[\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}]$
h_luft(v) = 5.6 + 4.0 · v (for v ≤ 5 m/s), 7.15 · v^0.78 (for v > 5 m/s)
Før rivning (t < t_strip): h_eq = 1 / [ (1 / h_luft(v)) + Σ (d_i / λ_i) ]
Etter rivning (t ≥ t_strip): h_eq = h_luft(v)
Standard Forhåndsvalg for Forskaling og Underlag
| Forhåndsvalg (Preset) |
Termisk Modell |
Mekanisk Stivhet ($k_x, k_y$) |
Frigjøres ved Rivning ($t \ge t_{\text{strip}}$) |
| Kryssfiner 18mm (Plywood) |
$d=18\text{ mm}, \lambda=0.14\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 5.4$) |
Fleksibel bøyning: $k_x=12, k_y=2\text{ MN/m}^3$ |
Ja (blir Fri ved $t \ge t_{\text{strip}}$) |
| Isolert Kryssfiner (+50mm Ull) |
$d=68\text{ mm}, \lambda_{\text{eff}}=0.048\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 0.68$) |
Fleksibel bøyning: $k_x=12, k_y=2\text{ MN/m}^3$ |
Ja |
| Stålforskaling 6mm (Steel) |
$d=6\text{ mm}, \lambda=50\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 13.6$) |
Stiv forskaling: $k_x=250, k_y=25\text{ MN/m}^3$ |
Ja |
| Komprimert Pukk / Grus |
Grunnkontakt ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}$) |
Permanent fjær: $k_x=60, k_y=150\text{ MN/m}^3$ |
Nei (Permanent) |
| Fast Morene / Forvitret Berg |
Grunnkontakt ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}$) |
Permanent fjær: $k_x=350, k_y=800\text{ MN/m}^3$ |
Nei (Permanent) |
| Fast Fjell / Gammel Betong |
Grunnkontakt ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}, T=10^\circ\text{C}$) |
Fast innspent ($u_x = 0, u_y = 0$) |
Nei (Permanent) |
5. Stivhet, Strekkfasthet, Kryp og Rissrisiko (NS-EN 1992-1-1 / Eurokode 2)
TL;DR: E-modul $E_{cm}(t_e)$, strekkfasthet $f_{ctm}(t_e)$ og autogent svinn $\varepsilon_{ca}(t_e)$ utvikles etter Eurokode 2 kap. 3.1. Spenninger akkumuleres inkrementelt over tid med aldersjustert effektiv E-modul (AAEM) for kryprelaksasjon, og rissrisiko beregnes som $u = \sigma_1 / f_{ctm}(t_e)$.
Utvikling av Egenskaper etter Eurokode 2 ($t_d = t_e / 24\text{ døgn}$)
β_cc(t_d) = exp( s · [ 1 - √(28 / t_d) ] )
E_cm(t_d) = [ β_cc(t_d) ]^0.3 · E_cm,28
f_ctm(t_d) = [ β_cc(t_d) ]^α · f_ctm,28 (α = 1.0 for t_d < 28 døgn, 2/3 for t_d ≥ 28 døgn)
ε_ca(t_d) = - [ 1 - exp(-0.2 · √t_d) ] · ε_ca,∞
Kryprelaksasjon (Trost-Bažant AAEM) og Inkrementell Spenningsanalyse
E_eff(t_d) = E_cm(t_d) / ( 1 + χ · φ_eff )
Δε_free^(s) = α_T · (T^(s) - T^(s-1)) + (ε_ca^(s) - ε_ca^(s-1))
σ^(s) = σ^(s-1) + D(E_eff^(s)) · ( B · Δu^(s) - Δε_free^(s) )
Rissrisiko (Utnyttelsesgrad): u(x,y,t) = max(0, σ₁) / f_ctm(t_e)
- $u < 0.70$ (Grønn): Lav rissrisiko.
- $0.70 \le u < 1.00$ (Gul): Moderat/høy rissrisiko (varselgrense).
- $u \ge 1.00$ (Rød): Strekkspenning overskrider strekkfasthet ($\sigma_1 \ge f_{ctm}$) — forventet opprissing.
6. Kjente Ingeniørmessige Forenklinger og Forutsetninger i V1
Viktig for rådgivende ingeniører: Selv om alle formler for varmeutvikling, modenhet, varmeovergang og Eurokode 2 materialutvikling er eksakte, benytter V1 tre standard ingeniørmessige forenklinger:
- Lineærelastisk spenningsberegning (før opprissing): Utnyttelsesgraden $u = \sigma_1 / f_{ctm}(t_e)$ identifiserer når og hvor strekkfastheten overskrides ($u \ge 1.0$). Når $u > 1.0$, rapporteres den lineærelastiske utnyttelsesgraden uten ikke-lineær stivhetsreduksjon eller beregning av fysisk rissvidde ($w_k$).
- Inkrementell AAEM-krypmodell fremfor full Kelvin-Maxwell-kjede: Viskoelastisk relaksasjon i herdefasen modelleres med aldersjustert effektiv E-modul ($E_{\text{eff}}$), størkningsterskel ($\alpha_0 = 0.12$) og oppvarmingsrelaksasjon fremfor en full fler-ledds Kelvin-kjede. For typiske 3–7 døgns herdevarmesimuleringer gir dette svært god nøyaktighet med betydelig raskere beregningstid.
- 1D Randbetingelse mot grunn fremfor 2D jord-/fundamentkloss: I V1 (én-boks-modus) modelleres kontakt mot fjell eller eksisterende betong som en randkonduktans $h_{\text{ground}}$ og fjærstivhet $(k_x, k_y)$. Full 2D varmeledning ned i tilstøtende fundament støttes når fler-boks etappestøp aktiveres i neste fase.
1. Overview & Quick-Start Guide
TL;DR: MBP (Mathias Betong Program) is a 2D Finite Element (FEM) simulation tool for early-age concrete hydration heat, maturity, restraint stress, and crack-risk assessment according to EN 1992-1-1 (Eurocode 2) and Freiesleben Hansen & Pedersen.
- Draw a Box or Custom Polygon: Use Draw Box or enter exact $W \times H$ dimensions in $\text{mm}$, or click Draw Custom Shape to draw arbitrary 2D cross-sections (L-walls, sloped walls, foundations).
- Alter Corners & Sides: Drag corner handles (
C1, C2, ...) directly on the canvas, use Move Entire Side to push/pull any wall, or click + Add Corner on Side to split a wall at its midpoint.
- Configure Each Wall Independently: Click any wall of the cross-section to assign its thermal boundary (plywood, insulated formwork, steel formwork, open air, rock/existing concrete), formwork stripping time ($t_{\text{strip}}$), wind speed ($v$), and mechanical restraint (free, fixed, roller, or elastic spring stiffness).
2. Concrete Maturity & Arrhenius Equivalent Age ($t_e$)
TL;DR: Concrete hydrates faster when warm and slower when cold. Each real time step $\Delta t$ at nodal temperature $T$ ($^\circ\text{C}$) is converted into an equivalent age $t_e$ at $20^\circ\text{C}$ using the Arrhenius law with temperature-dependent activation energy.
Mathematical Formulation (Freiesleben Hansen & Pedersen, 1977)
The activation energy $E_a(T)$ $[\text{J/mol}]$ is constant at temperatures $\ge 20^\circ\text{C}$ and increases linearly below $20^\circ\text{C}$ down to $-10^\circ\text{C}$:
E_a(T) = E_{a,20} (for T ≥ 20 °C)
E_a(T) = E_{a,20} + k_{Ea} · (20 - T) (for -10 °C < T < 20 °C)
Arrhenius affinity rate factor $H(T)$ relative to $20^\circ\text{C}$ ($293.15\text{ K}$) and equivalent age increment $\Delta t_e$ $[\text{hours}]$:
H(T) = exp( [E_a(T) / R] · [ 1 / 293.15 - 1 / (T + 273.15) ] )
t_e^(n+1) = t_e^(n) + H(T) · (Δt / 3600)
where $R = 8.31446\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$ is the universal gas constant and $k_{Ea} \approx 1470\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$.
3. Hydration Heat Generation & 2D Transient Heat Conduction
TL;DR: Cement hydration releases exothermic heat $Q(t_e)$ as a function of equivalent age $t_e$. The solver integrates the 2D transient heat diffusion equation over 3-node linear triangles (T3) using unconditionally stable Implicit Backward Euler time integration.
Degree of Hydration $\alpha(t_e)$ and Volumetric Heat Rate $\dot{q}_{\text{hyd}}$
α(t_e) = exp( - (τ / t_e)^β )
Q(t_e) = Q_pot · α(t_e) [J / kg concrete]
q̇_hyd = ρ · Q_pot · (Δα / Δt) [W / m³]
where $\tau$ $[\text{hours}]$ is the hydration time constant, $\beta$ $[-]$ is the shape parameter, and $Q_{\text{pot}}$ $[\text{J/kg}]$ is the potential heat per kg of concrete.
Transient 2D FEM Heat Equation
ρ · c_p · (∂T / ∂t) = ∇ · (k ∇T) + q̇_hyd
( (1 / Δt) · C + K_th(t) ) · T^(n+1) = (1 / Δt) · C · T^(n) + f_hyd^(n+1) + f_conv(t)
4. Per-Wall Thermal & Mechanical Boundaries (Formwork, Stripping & Subbase)
TL;DR: Each wall's effective heat transfer coefficient $h_{\text{eq}}(t)$ is computed from the series thermal resistance of formwork layers, insulation, and wind convection. At $t \ge t_{\text{strip}}$ (formwork stripping), the surface switches to exposed open air and formwork mechanical restraint is released.
Effective Heat Transfer Coefficient $h_{\text{eq}}(t)$ $[\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}]$
h_air(v) = 5.6 + 4.0 · v (for v ≤ 5 m/s), 7.15 · v^0.78 (for v > 5 m/s)
Before stripping (t < t_strip): h_eq = 1 / [ (1 / h_air(v)) + Σ (d_i / λ_i) ]
After stripping (t ≥ t_strip): h_eq = h_air(v)
Standard Formwork & Subbase Presets
| Preset Name |
Thermal Model |
Mechanical Stiffness ($k_x, k_y$) |
Releases on Strip ($t \ge t_{\text{strip}}$) |
| Plywood Formwork (18mm) |
$d=18\text{ mm}, \lambda=0.14\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 5.4$) |
Flexible bending: $k_x=12, k_y=2\text{ MN/m}^3$ |
Yes (becomes Free at $t \ge t_{\text{strip}}$) |
| Insulated Plywood (+50mm Wool) |
$d=68\text{ mm}, \lambda_{\text{eff}}=0.048\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 0.68$) |
Flexible bending: $k_x=12, k_y=2\text{ MN/m}^3$ |
Yes |
| Steel Formwork (6mm) |
$d=6\text{ mm}, \lambda=50\text{ W/mK}$ ($h_{\text{eq}}\approx 13.6$) |
Stiff panels + walers: $k_x=250, k_y=25\text{ MN/m}^3$ |
Yes |
| Compacted Gravel / Stone |
Ground contact ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}$) |
Permanent spring: $k_x=60, k_y=150\text{ MN/m}^3$ |
No (Permanent) |
| Stiff Moraine / Weathered Rock |
Ground contact ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}$) |
Permanent spring: $k_x=350, k_y=800\text{ MN/m}^3$ |
No (Permanent) |
| Sound Bedrock / Old Concrete |
Ground contact ($h=8.0\text{ W/m}^2\text{K}, T=10^\circ\text{C}$) |
Fully Fixed ($u_x = 0, u_y = 0$) |
No (Permanent) |
5. Stiffness, Tensile Strength, Creep & Crack Risk (EN 1992-1-1 / Eurocode 2)
TL;DR: Elastic modulus $E_{cm}(t_e)$, tensile strength $f_{ctm}(t_e)$, and autogenous shrinkage $\varepsilon_{ca}(t_e)$ evolve according to Eurocode 2 Clause 3.1. Stresses are accumulated incrementally using the Age-Adjusted Effective Modulus (AAEM) for creep relaxation, and crack risk is evaluated as $u = \sigma_1 / f_{ctm}(t_e)$.
Property Evolution per Eurocode 2 ($t_d = t_e / 24\text{ days}$)
β_cc(t_d) = exp( s · [ 1 - √(28 / t_d) ] )
E_cm(t_d) = [ β_cc(t_d) ]^0.3 · E_cm,28
f_ctm(t_d) = [ β_cc(t_d) ]^α · f_ctm,28 (α = 1.0 for t_d < 28 days, 2/3 for t_d ≥ 28 days)
ε_ca(t_d) = - [ 1 - exp(-0.2 · √t_d) ] · ε_ca,∞
Creep Relaxation (Trost-Bažant AAEM) & Incremental Stress Analysis
E_eff(t_d) = E_cm(t_d) / ( 1 + χ · φ_eff )
Δε_free^(s) = α_T · (T^(s) - T^(s-1)) + (ε_ca^(s) - ε_ca^(s-1))
σ^(s) = σ^(s-1) + D(E_eff^(s)) · ( B · Δu^(s) - Δε_free^(s) )
Crack Risk Utilization: u(x,y,t) = max(0, σ₁) / f_ctm(t_e)
- $u < 0.70$ (Green): Safe (low crack risk).
- $0.70 \le u < 1.00$ (Yellow): Elevated crack risk warning.
- $u \ge 1.00$ (Red): Tensile stress exceeds tensile strength ($\sigma_1 \ge f_{ctm}$) — cracking expected.
6. Known Engineering Simplifications & Modeling Assumptions in V1
Engineering Transparency Note: While all hydration, maturity, heat transfer, and Eurocode 2 property evolution formulas are exact, V1 uses three standard engineering simplifications:
- Linear-Elastic Pre-Cracking Stress ($u = \sigma_1 / f_{ctm}$): The utilization ratio $u = \sigma_1 / f_{ctm}(t_e)$ identifies when and where tensile strength is exceeded ($u \ge 1.0$). Once $u > 1.0$, the solver reports the uncracked linear-elastic utilization ratio rather than softening element stiffness or computing discrete crack opening widths ($w_k$).
- Incremental AAEM Creep vs. Full Kelvin-Maxwell Chain: Early-age viscoelastic relaxation is modeled via the incremental Age-Adjusted Effective Modulus ($E_{\text{eff}}$), plastic setting threshold ($\alpha_0 = 0.12$), and early heating relaxation rather than a multi-unit Kelvin chain memory integral. For standard 3–7 day thermal assessments, this achieves close agreement with much faster solve times.
- 1D Boundary Ground Contact vs. Full 2D Soil/Base Block: In V1 single-box mode, contact with ground or existing concrete is represented via boundary conductance $h_{\text{ground}}$ and spring stiffness $(k_x, k_y)$. Full 2D heat diffusion into an underlying foundation slab will be modeled directly once Multi-Box Staged Casting is enabled in Phase 2.