Maximilian SCHMITTER

Numerische und (semi)-analytische Modellierung der Rütteldruckverdichtung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Abbildung der Rütteldruckverdichtung, mit welcher kohäsionslose granulare Böden tiefenverdichtet werden. Im Rüttler befindet sich eine exzentrisch bezüglich der (vertikalen) Symmetrieachse gelagerte Unwuchtmasse, die durch Rotation die (Zentrifugal-) Kraft in den Boden einleitet. Der Rüttler, der über Aufsatzrohre mit einem Trägergerät verbunden ist, wird in die gewünschte Tiefe in den Boden eingebracht. Anschließend wird durch die wirkende Zentrifugalkraft des Rüttlers und unter Einsatz der Wasserspülung der Boden abschnittsweise von unten nach oben verdichtet. Die online Kontrolle der Verdichtung erfolgt über den Stromverbrauch des Unwuchtmotors. Bis jetzt ist jedoch kein kausaler Zusammenhang zwischen dem Stromverbrauch und der Bodenverdichtung nachgewiesen. Vielmehr ist die Effektivität der Bodenverdichtung vom Maschinenführer abhängig. Ziel dieser Arbeit ist die numerische Abbildung der Rütteldruckverdichtung und in weiterer Folge ein vereinfachtes mechanisches Modell der Rütteldruckverdichtung zu entwickeln.

Die numerische Abbildung der Rütteldruckverdichtung mit sämtlichen nicht linearen Eigenschaften des Bodens und der Rüttler-Boden-Interaktion ist komplex. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine Auswahl physikalischer Eigenschaften dieser Aufgabenstellung untersucht. Grundlage dieser numerischen Untersuchungen bilden unterschiedliche numerische Diskretisierungsstrategien und Variationen der Erregerfrequenz der Unwuchtrotation. Es werden der Kontaktzustand zwischen Rüttler und Boden und der Einfluss von Verdichtungszuständen während der Bodenverdichtung auf die Systemantwort studiert. Der Boden wird im Sinne einer Zustandssimulation als linear elastisch, mit angepassten Materialparametern, angenommen. Dabei wurde das Kontaktverhalten des Bodens mit diesen numerischen Studien als nicht sensitive Eigenschaft identifiziert. Mit dem starren Verbund von Rüttler und Boden können Methoden der linearen Algebra benutzt werden, um das Rüttler-Boden-Interaktionssystem zu beschreiben. Es werden für die Rüttleranregung die dominierenden Eigenformen bestimmt, die hauptsächlich Scherdeformationen im Boden beschreiben. Zugleich kann durch die modale Analyse die Anzahl der Freiheitsgrade reduziert werden ohne nennenswerten Verlust an Genauigkeit der Ergebnisse. Die progressive Bodenverdichtung wurde durch a priori definierte Verdichtungsabschnitte definiert, um deren Einfluss auf die Rüttleramplituden aufzuzeigen. Um ein Maß für die Verdichtung des Bodens anzugeben, werden auf Grundlage der Bewegungsgleichungen eines vereinfachten mechanischen Modells des Rüttler-Boden-Interaktionssystems die Bodenparameter freigestellt. Diese werden durch numerisch generierten Daten aus der Erregerfrequenzvariation berechnet und die daraus bestimmten Bodenparametern mit den Eingabegrößen des numerischen Modells verifiziert. Mit diesem Verfahren konnte der bei den numerischen Simulationen bestimmte Wert des Elastizitätsmoduls bis auf einen konstanten Offset aus der Invertierung des vereinfachten mechanischen Modells identifiziert werden.

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