Nonlinear Behavior of Concrete and Zero-Stress Temperature

Due to the exothermic reaction of the cement with the mixing water, hydration 

temperature  of  the  young  concrete  and  the  elastic  modulus  increases.  At  first, 

compressive  stresses  developed  due  to  the  potential  of  volume  increase  with 

restrained  deformation,  with  a  partial  initial  relaxation  caused  by  the  low  initial 

modulus of elasticity. After the maximum temperature is exceeded, a small decrease 

in  temperature  will  be  sufficient  to  compensate  the  compressive  stresses  due  to 

relatively higher modulus of elasticity. The temperature leading to a stage of no stress 

is  called  zero  stress  temperature  (Aufleger  et  al.,  2002;  see Figure 5).  A  further 

decrease  in  temperature  generates  tensile  stresses  that  when  exceeding  the  tensile 

strength in concrete, will lead to thermal cracks. The higher the concrete’s zero stress 

temperature  and  the  faster  the  temperature  decreases  to  an  average  ambient 

temperature,  the  higher  will  be  the  resulting  potential  of  thermal-induced  cracking. 

The cracks have to be divided into surface cracks and transversal cracks. Transversal 

cracks  are  related  to  the  whole  cross  section  and  require  a  relatively  long  period  of 

time  because  after  increasing  relatively  rapidly  the  hydration  heat  flows  off  very 

slowly.  In  general  thermal  induced  stresses  in  concrete  are  caused  by  temperature 

gradients  and  by  temperature  differences  between  the  current  concrete  temperature 

and  the  zero  stress  temperature.  Depending  on  the  spatial  distribution  and  the 

temporal  development  of  the  zero  stress  temperature  and  the  actual  concrete 

temperature,  thermal  induced  stresses  can  be  strongly  variable  over  the  dam  body. 

Vertical zero stress temperature gradients, specifically caused by breaks, are as likely 

as  horizontal  zero  stress  temperature  gradients  usually  caused  by  the  interaction 

between  concrete  and  ambient  temperatures.  In  consequence,  the  zero  stress 

temperature will vary significantly over the dam body.