Alexander DUMMER

Numerische Modellierung und experimentelle Untersuchung des Materialverhaltens von jungem Spritzbeton mit Anwendung für den Brenner Basistunnel
2019

 

 

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei wesentliche Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit der numerischen Rückrechnung eines Tunnelvortriebs, der zweite Teil beinhaltet experimentelle Untersuchungen des Materialverhaltens von jungem Spritzbeton.

Numerische Rückrechnung eines Tunnelvortriebs
Ein konventioneller Tunnelvortrieb, welcher Bestandteil des Bauvorhabens Brenner Basistunnel (BBT) ist, wird mithilfe von einem 2D Finite-Elemente-Modell simuliert. Dabei wird ein komplexes Materialmodell für die Spritzbetonschale verwendet, um das nichtlineare und zeitabhängige Materialverhalten des Werkstoffs zu berücksichtigen. Zur Kalibrierung des numerischen Modells stehen auf einem Abschnitt von ca. 100m umfangreiche Konvergenzmessungen zur Verfügung. Es wird gezeigt, dass der gemessene Verschiebungszustand gut mit den im Modell prognostizierten Verformungen übereinstimmt. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist eine Prognose der Spannungen und der Auslastung der Spritzbetonschale, während und nach dem Tunnelvortrieb. Aufgrund der hohen Belastung durch den Gebirgsdruck direkt nach dem Einbringen der Sicherungsmaßnahmen sind vor allem die ersten Stunden und Tage von besonderem Interesse.

Untersuchungen des Materialverhaltens von Spritzbeton
Im Rahmen von Voruntersuchungen für ein Spritzbetonversuchsprogramm wird eine experimentelle Methode zur Bestimmung der spezifischen Mode-I Bruchenergie entwickelt. Die spezifische Mode-I Bruchenergie dient in Materialmodellen für Spritzbeton zur Regularisierung des entfestigenden Materialverhaltens, sodass näherungsweise netzunabhängige Ergebnisse in Finite-Elemente-Simulationen erzielt werden können. Bei der Modellierung von Spritzbeton in Tunnelsimulationen ist eine realitätsnahe Abbildung des Materialverhaltens von jungem Spritzbeton wichtig, weshalb auch die hydratationsabhängige Entwicklung der spezifischen Mode-I Bruchenergie benötigt wird. Die spezifische Mode-I Bruchenergie ist ein bis dato für Spritzbeton unbestimmter Materialparameter, weshalb auch keine Informationen für einen geeigneten Versuchsaufbau zur Ermittlung dieses Parameters in der Literatur zu finden sind. Aus diesem Grund wird ein Versuchsaufbau zur Bestimmung der spezifischen Mode-I Bruchenergie entwickelt und anschließend an Probekörpern aus jungem Normal- und Spritzbeton angewandt. Es wird gezeigt, dass die spezifische Mode-I Bruchenergie bereits für ein junges Betonalter erfolgreich bestimmt werden kann.

 

Abstract

The present thesis consists of two main parts. Part one deals with a back analysis of a tunnel advance, which is part of the Brenner Base Tunnel (BBT) project, while the second part deals with experimental investigations on the material behavior of young shotcrete.

Back analysis of a tunnel advance
A drill and blast tunnel advance, which is part of the Brenner Base Tunnel (BBT) project, is simulated by means of a 2D finite element model. Therein, an advanced shotcrete model is used to represent the nonlinear, time-dependent material behavior of the shotcrete lining. Comprehensive geodetic measurement data on the convergences along a distance of 100m is used for the calibration of the numerical model. The numerical results obtained by the calibrated model indicate a good agreement of the measured and predicted deformations. The outcome of the numerical study is a prediction of the arising stresses and the utilization of the shotcrete lining during and after tunnel advance. Due to high loads caused by deformations of the surrounding rock mass immediatly after installation of the securing measures, the first hours and days after placement of the shotcrete lining are of great importance.

Experimental investigations on the material behavior of shotcrete
During preliminary investigations for a currently planned experimental program on shotcrete a method to determine the specific mode I fracture energy is developed. The specific mode I fracture energy is an important material parameter for regularization of the softening behavior in material models in order to obtain nearly mesh-independent results in finite element simulations. Since for numerical simulations of tunnel advance a realistic representation of the material behavior of young shotcrete is of great importance, knowledge on the hydration dependent evolution of the specific mode I fracture energy is required additionally. However, for shotcrete experimental results on this material parameter have not been presented so far, and no information on a proper test setup for determining this parameter is available in the literature. For this reason, a test setup to determine the specific mode I fracture energy of young shotcrete is developed and assessed by means of experimental tests on young concrete and shotcrete specimens. It is shown that by employing the developed procedure the specific mode I fracture energy of shotcrete can be determined successfully already at a young material age.


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