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Employment of a multi-material ALE approach using nonlinear soil models to simulate large deformation geotechnical problems

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[Quelle: https://d-nb.info]

Die numerische Simulation von geotechnischen Installationsproblemen, beispielsweise von Offshore-Pfählen, ist mit mehreren Herausforderungen verbunden, darunter die Behandlung großer Verformungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), die Erfassung des nichtlinearen Verhaltens des Bodens und die Berücksichtigung des Vorhandenseins von Porenwasser im Boden. In den letzten Jahren wurden einige Anstrengungen unternommen, um diese Fragestellungen bei der Simulation von Pfahlinstallationsproblemen in geeigneter Weise zu behandeln. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz zur Modellierung großer Verformungsprobleme entwickelt, der die zuvor genannten Punkte berücksichtigt. Als Grundlage wird eine Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian (MMALE) Methode verwendet, um die großen Verformungen bei der Pfahlinstallation numerisch zu simulieren. Das Verfahren besteht aus drei Teilschritten - einem Lagrange-Schritt, einem Remeshing-Schritt und einem Remapping-Schritt, die aufgrund des Operator-Split-Schemas nacheinander durchgeführt werden. Der Vorteil der MMALE Methode mit besonderem Fokus auf den Remeshing-Schritt wird anhand verschiedener Benchmarks diskutiert. Neben einer robusten Elementformulierung ist eine nichtlineare Stoffgesetzgleichung erforderlich, um das Bodenverhalten bei großen Verformungen realitätsnah zu erfassen. Das mechanische Verhalten von körnigen Materialien wie Sand ist vor allem aufgrund des Vorhandenseins seiner inharenten von den Körnern gebildeten Struktur stark nichtlinear. Die Festigkeit und die Steifigkeit eines Sandbodens sind im Allgemeinen eine Funktion des Spannungs und Dichtezustands und der Belastungsgeschichte. Es wird eine auf der Hypoplastizität basierende Konstitutivgleichung gewählt, die Evolutionsgleichungen fur die effektive Spannung, die Porenzahl und den sogenannten intergranularen Dehnungstensor, der zur Simulation von zyklischen Belastungen geeignet ist, enthält. Über Schnittstellen wird dieses Stoffgesetz in zwei FE-Programme implementiert. Darüber hinaus wird eine vereinfachte gekoppelte Formulierung zur Simulation von Porenwasserdruckentwicklung in den Code implementiert. Die Modellansätze werden durch verschiedene analytische und experimentelle geotechnische Benchmarks verifiziert und validiert. Das entwickelte numerische Modell wird schließlich verwendet, um das Verhalten eines offenen Stahlrohrpfahls während der Einbringung unter verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen.

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Forschungsberichte

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Christos Vrettos, Oliver Kornadt, Andreas Becker, Leila Nagel, Elisabeth Seibel, Albert Vogel, Marc Oliver Rosenquist
Prognose des strukturinduzierten sekundären Luftschalls aus dem Schienenverkehr. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3089
2018, 100 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Entwicklung eines Prognoseverfahrens für den sekundären Luftschall, der durch den Körperschall der Bauteile eines Gebäudes generiert wird, steht im Fokus dieses Projektes. Als Quelle wird in diesem Fall der schienengebundene Verkehr untersucht, der durch den Untergrund in den angrenzenden Gebäuden über die Schwingungen der Bauteile als sekundärer Luftschall wahrgenommen wird. Mit diesem Vorhaben wird die Erweiterung des bestehenden Modells auf inhomogene Bodenverhältnisse mit Pfahlgründungen und eine fundierte Verifizierung des Modelles angestrebt. Dabei werden verschiedene Bodentypen, z.B. geschichtete Böden und gebäudeseitig die induzierten Schwingungen in den unterschiedlichen raumbegrenzenden Flächen untersucht. Methodisch sollen sowohl numerische Berechnungen als auch messtechnische Untersuchungen durchgeführt werden und ein praxistaugliches Verfahren entwickelt werden.

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Benjamin Aulbach, Martin Ziegler, Sarah Horsten, Nils Peter Huber
Sicherheitsnachweise für den Hydraulischen Grundbruch - Erweiterung für den räumlichen Fall und für geschichteten sowie anisotropen Boden. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3274
2012, 137 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Berechnungen zur Ermittlung der für die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe für den ebenen und begrenzt für den räumlichen Fall durchgeführt. Als Ergebnis wurden dimensionslose Bemessungsdiagramme zur einfachen Ermittlung der erforderlichen Einbindetiefe erhalten, welche die Geometrie und im räumlichen Fall die veränderten Anströmungsverhältnisse berücksichtigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung von Näherungsverfahren, welche weder die geometrischen Verhältnisse noch die räumliche Anströmung berücksichtigen, zu Einbindetiefen führen, welche oftmals auf der unsicheren Seite liegen. Im ebenen Fall wurden sowohl günstiger als auch ungünstiger Baugrund und verschiedene Wichten untersucht. Die Untersuchungen im räumlichen Fall beschränkten sich hingegen bisher auf günstigen Baugrund mit einer Wichte unter Auftrieb von 11 kN/m hoch 3. Bisher noch überhaupt nicht betrachtet wurden geschichteter und hinsichtlich der Durchlässigkeit anisotroper Boden. Aus diesem Grund sollten die bisherigen Untersuchungen fortgesetzt und die Bemessungsdiagramme um die noch fehlenden Fälle ergänzt werden. Ziel des neuen Forschungsvorhabens war es, auch im räumlichen Fall für ungünstigen Baugrund und für verschiedene Wichten Untersuchungen anzustellen und die bisher bestehenden Bemessungshilfen dahingehend zu ergänzen. Weiterhin sollten Untersuchungen zu geschichtetem Baugrund sowie zu anisotropen Verhältnissen angestellt werden, so dass für nahezu alle geometrischen und hydraulischen Verhältnisse und für komplizierte Baugrundsituationen einfach zu handhabende Bemessungsdiagramme bzw. Empfehlungen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sollten auch Untersuchungen zu Verbauwänden mit abgetreppten Verbauwänden angestellt werden. Damit umfangreiche Untersuchungen im räumlichen Fall innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens möglich wurden, wurde zunächst ein lnterFaceManager-Modul entwickelt. Mit diesem wurde ein Teil der Model

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M. Goldscheider
Vergleichende Versuche mit einem konventionellen und einem parallel geführten Rahmenschergerät als Grundlage für DIN 18137-3. Schlussbericht
2003, 72 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das konventionelle Rahmenschergerät nach Casagrande weist aufgrund seiner Konstruktion Imperfektionen auf, durch welche der Scherwiderstand des Probekörpers verfälscht werden kann. Daher wurden Konstruktionen mit Parallelführungen vorgeschlagen, von denen sich eine noch nach Aufnahme in E DIN 18137-3 als fallweise grob fehlerhaft erwies. Daraufhin wurde in DIN 18137-3 neben dem konventionellen Gerät eine Konstruktion mit senkrechten und unabhängigen Parallelführungen des oberen Rahmens und der Belastungsplatte aufgenommen. Mit dieser besser durchdachten Bauweise lagen allerdings erst wenige Erfahrungen vor. In dieser Forschungsarbeit wurde durch vergleichende Versuche mit verschiedenen Böden untersucht, ob in den Versuchsergebnissen aus dem konventionellen und dem verbesserten Gerät wesentliche Unterschiede bestehen oder beide Geräte als geeignet zu beurteilen sind und welches Gerät gegebenenfalls vorzuziehen ist. Dabei wurde folgendes festgestellt: Beim Gerät mit unabhängigen senkrechten Parallelführungen gab es keine Anzeichen für systematische Verfälschungen. Die Drehung der Kopfplatte beim konventionellen Gerät während des Abscherens hat keinen merklichen Einfluss auf den resultierenden Scherwiderstand des Probekörpers, sondern wirkt sich nur auf die Schubsteifigkeit und die Verformungen aus. Dagegen kann die Scherfestigkeit bei diesem Gerät erheblich durch die senkrechte Reibungskraft zwischen oberem Rahmen und Belastungsplatte verfälscht werden. Diese Reibungskraft tritt dann auf, wenn die Höhe des Probekörpers durch das Abscheren bis zum Grenzzustand durch Kontraktanz abnimmt; es entsteht aber kein Fehler, wenn die Höhe des Probekörpers durch Dilatanz zunimmt oder konstant bleibt. Daher ist das konventionelle Gerät für Sand und Schluff, die sich meist dilatant verhalten, geeignet und ausreichend genau. Beim untersuchten Ton dagegen wurde der Reibungswinkel durch diesen Effekt um 4 Grad bis 5 Grad nach oben verfälscht. Der Fehler ist nicht an inneren Widersprüchen innerhalb einer Versuchsserie zu erkennen.

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Michael Ulrich
Korrelationen zwischen Korngrößenverteilung und Proctordichte. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2987
2002, 60 S., Abb., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Forschungsbeitrag analysiert mittels statistischer Methoden die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kennwerten der Korngrößenverteilung und der Proctordichte grobkörniger Böden. Er formuliert Rechenansätze, die es gestatten, die zu erwartende Proctordichte auf Basis der Korngrößenverteilung überschläglich zu ermitteln und stellt damit eine leicht zu handhabende Methode der Plausibilitätskontrolle für Proctorversuche zur Verfügung, welche die Qualitätssicherung bei Verdichtungsarbeiten unterstützt. Für die statistische Auswertung wurden ca. 5000 Versuche an Proben aus natürlichen Sanden, Kiesen und gemischten Böden (Recycling-Material) aus dem Berliner Raum durchgeführt und die Abhängigkeit der Proctordichte vom optimalen Wassergehalt und anderen Parametern der Korngrößenverteilung untersucht.

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D. König, O. Syllwasschy
Beanspruchung von tiefen Schächten in Deponien. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2722
1995, 110 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Schächte in Deponien sind gleich- und ungleichförmigen Radialspannungen, vertikalen Beanspruchungen durch negative Mantelreibung sowie Schrägstellungen und Krümmungen infolge Verformungen im Abfall ausgesetzt. Als Folge hiervon treten Schäden an den Schächten bis hin zum totalen Funktionsverlust auf. Ziel war es, Aussagen über die Größe der mechanischen Beanspruchung von Schachtbauwerken in Deponien in Abhängigkeit der grundsätzlichen Eigenschaften der Schachtkonstruktion und der Abfalleigenschaften zu erarbeiten. Es sollen die Grundlagen für ein bisher fehlendes Bemessungsverfahren geschaffen werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Versuche mit der geotechnischen Großzentrifuge der Ruhr-Universität Bochum. Die Anordnung eines Kiesmantels um den Schachtausbau hat zusammen mit einer radialsymmetrischen Belastung einen ungünstigen Einfluß auf die negative Mantelreibung in Zusammenspiel mit einem steifen Ausbau. Die lastverteilende Funktion des Kiesmantels bei asymmetrischen Belastungen wird durch die Versuche bestätigt. Voraussetzung ist hier, daß der Kiesmantel ausreichend dick ist.

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Zeitschriftenartikel

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Jäger, Stefan; Ibuk, Hursit; Beckhaus, Karsten
Gebäude mit nachhaltigem Energiesystem durch geothermische Aktivierung von Bodenmischwänden
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2023

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Hofmann, Robert; Berger, Simon Matthias; Kolymbas, Dimitrios; Wimmer, Lukas
Wasserdruck auf Konsolidierungssperren - Messungen in situ
Bauingenieur, 2022

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Stallhofer, Andreas; Reitmeier, Wolfgang
Baugrundverbesserung mit CSV-Säulen am Beispiel der Therme Lindau. Verbesserte Setzungsprognose durch Berücksichtigung eines spannungs- und dehnungsabhängigen Steifemoduls E tief S (?,?)
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2021

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Melsbach, Manuel; Birle, Emanuel; Henken-Mellies, Wolf-Ulrich; Heyer, Dirk
Langzeitwirksamkeit von gemischtkörnigen mineralischen Abdichtungen und geosynthetischen Tondichtungsbahnen in Deponieoberflächenabdichtungen
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2021

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Wolffersdorff, Peter-Andreas von; Henke, Sascha
Möglichkeiten und Grenzen numerischer Methoden in der Geotechnik
Bautechnik, 2021

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