Ivan PAULMICHL

Numerische Modellierungsansätze für das Interaktionssystem aus Oszillationswalze und Boden

Die Bodenverdichtung stellt bei der Herstellung verschiedenster Ingenieurbauwerke eine entscheidende und gleichzeitig kritische Bauphase dar. Denn die Qualität von Auffüllungen im Zuge von Gründungsarbeiten im Hallen- und Industriebau sowie bei der Herstellung von Bodenauswechslungen, Dämmen und Tragschichten im Straßen-, Eisenbahn- und Flughafenbau hängt vom Verfüllmaterial und insbesondere vom Einbauvorgang ab. Dynamische Walzen sind mittlerweile zum bevorzugten Gerät für die oberflächennahe Verdichtung geworden, um zukünftige Schäden an Bauwerken, die mit einem lageweisen hergestellten Erdbauwerk verbunden bzw. darauf gegründet sind, steigende Instandhaltungskosten und eine geringere Lebensdauer des jeweiligen Bauwerks zu vermeiden. Während die Verdichtungswirkung einer statischen Walze im Wesentlichen vom Eigengewicht der Maschine und gegebenenfalls von der Bandagengeometrie und -oberfläche bestimmt wird, lässt sich bei dynamischen Walzen die Effizienz der Untergrundverdichtung durch die dynamische Anregung der Bandage erhöhen.

In Abhängigkeit von der Art der Bandagenanregung lassen sich grundsätzlich zwei Typen von dynamischen Walzen unterscheiden, nämlich Vibrations- und Oszillationswalzen. In einer Vibrationsbandage erzeugt eine Unwuchtmasse, die in der Bandagenachse angeordnet und mit einer festgelegten Frequenz um die Achse rotiert, eine schnell wechselnde Aufwärts-Abwärts-Bewegung. Der Untergrund wird durch die von der Bandage ausgeübten, vorwiegend vertikal gerichteten Schläge verdichtet. In einer Oszillationsbandage, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, sind zwei Unwuchtmassen mit derselben Größe und Exzentrizität punktsymmetrisch zur Bandagenachse angeordnet, die synchron in die gleiche Richtung drehen. Die daraus resultierende wechselnde hochfrequente Vorwärts-Rückwärts-Rotation der Bandage (rotatorische Schwingung) wird der Fahrbewegung (rollende Bandage unter der statischen Achslast) überlagert. Infolge Reibung in der Kontaktfläche zwischen Bandage und Untergrund werden hauptsächlich dynamische Schubkräfte in den Boden übertragen, wodurch die Untergrundsteifigkeit erhöht wird.

Das Fehlen von Echtzeit-Informationen über den Verdichtungszustand kann sowohl zu einer Unter- als auch zu einer Überverdichtung und darüber hinaus zu einem erhöhten Verschleiß der Bandage von Oszillationswalzen führen. Daher ist eine sofortige Kontrolle der erzielten Verdichtung von besonderer Bedeutung. Ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem erfordert eine kontinuierliche Kontrolle der Verdichtungsqualität im gesamten verdichteten Bereich, die nur durch arbeitsintegrierte Verfahren erreicht werden kann. Die Überwachung der Bandagenschwingung wird seit über 40 Jahren bei der Walzenverdichtung eingesetzt, um eine sogenannte Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (FDVK) zu realisieren. Die FDVK ist mittlerweile zur Standardtechnologie für die arbeitsintegrierte und kontinuierliche Beurteilung der mittels Vibrationswalzen erzielten Verdichtung geworden. Für Oszillationswalzen gab es jedoch bis vor kurzem kein ausgereiftes FDVK-System, obwohl bereits vor fast vier Jahrzehnten erste diesbezügliche Entwicklungsansätze erfolgten. Das vor wenigen Jahren vorwiegend auf Basis von Feldversuchen vorgeschlagene FDVK-System wurde weder durch analytische noch durch numerische Untersuchungen verifiziert. Die vorliegende Dissertation zielt daher darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, wobei zwei Modellierungsstrategien verfolgt werden, nämlich mechanische Modellierung und Finite-Elemente-Modellierung.

Das mechanische Modell des dynamischen Interaktionssystems Oszillationswalze-Untergrund ermöglicht die Simulation der Schwingungsantwort einer Oszillationsbandage mit geringem numerischen Aufwand. Der Verdichtungsprozess selbst wird nicht modelliert, es werden aber unterschiedliche Verdichtungsgrade durch Variation der Bodensteifigkeit berücksichtigt. Die Walze wird durch die Oszillationsbandage und ihre viskoelastische Verbindung zum Rahmen (Gummipuffer) repräsentiert. In der gewählten Modellierungsstrategie wird die Krümmung der Bodenoberfläche unterhalb der Bandage vorgegeben. Auf diese Weise kann auch die vertikale Bandagenschwingung simuliert werden. Das diskrete viskoelastische Untergrundmodell besteht aus einem vertikalen und einem horizontalen Kelvin-Voigt Element. Der Kontakt zwischen Bandage und Untergrund wird mittels \emph{Coulomb}'schen Reibungsgesetz beschrieben. Somit kann die Haftgleitbewegung der Bandage simuliert werden. Die hochgradig nichtlinearen Bewegungsgleichungen dieses Drei-Freiheitsgrade-Modells werden getrennt für die Haftphase und die Gleitphase der Bewegung hergeleitet. Die detaillierte Untersuchung des Bewegungsverhaltens für einen ausgewählten Walzentyp zeigt, dass das vorgeschlagene Modell die in Feldversuchen gemessene Antwortcharakteristik einer mit dem Untergrund interagierenden Oszillationsbandage grundsätzlich widerspiegelt. Die Ergebnisse einer umfassenden Parameterstudie mit vier verschiedenen Oszillationswalzen bestätigen im Wesentlichen den Verdichtungsindikator für die betrachteten Oszillationswalzen in einer weiten Bandbreite der Bodensteifigkeit. Die ermittelten Anwendungsgrenzen dieses Wertes werden von den Geräteparametern und der Betriebsfrequenz deutlich beeinflusst. 

Das vorgeschlagene Finite-Elemente-Modell ermöglicht erstmals die gleichzeitige numerische Berechnung des Bewegungsverhaltens und der Verdichtungswirkung einer Oszillationswalze im Zuge der oberflächennahen Verdichtung von nichtbindigen Böden. Im entwickelten zweidimensionalen Modell erfasst das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das nichtlineare Verhalten des Bodens unterhalb der Bandage. Auf die freie Bodenoberfläche wird eine „Schutzfolie“ aufgebracht, um die numerische Stabilität der mittels der Finite-Elemente-Software ABAQUS/Standard durchgeführten Simulationen zu gewährleisten. Die berechneten Spannungen, Dehnungen und Änderungen der Porenziffer im potentiellen Verdichtungsbereich, die repräsentativ für die Verdichtungswirkung ist, sowie das Bewegungsverhalten der Bandage werden im Detail analysiert. Darüber hinaus werden berechnete dynamische Spannungskomponenten im Boden und Beschleunigungen im Bandagenzentrum mit Daten aus Feldversuchen verglichen. Es wird gezeigt, dass das entwickelte Finite-Elemente-Modell qualitativ und teilweise auch quantitativ die grundlegenden, in Feldversuchen beobachteten Antwortcharakteristika des Interaktionssystems Oszillationswalze-Untergrund vorhersagt. Die Ergebnisse einer umfassenden Sensitivitätsstudie bestätigen, dass die aus dem Bewegungsverhalten der Bandage abgeleiteten Größen grundsätzlich als Indikatoren für die FDVK mit Oszillationswalzen geeignet sind. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse eindrucksvoll, dass die Fahrgeschwindigkeit der Walze sowohl das Bewegungsverhalten der Bandage als auch die erzielbare Bodenverdichtung signifikant beeinflusst.

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