Modellierung und experimentelle Untersuchung von Reifen-Fahrbahn Interaktions-Phänomenen unter Berücksichtigung flexibler Befestigungsaufbauten
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung eines realitätsnahen 3D Reifen-Fahrbahn-Interaktionsmodells bei dem weder die Fahrbahn noch der Reifen stark vereinfacht sind um eine realitätsnahe Untersuchung der relevanten Einflussgrößen beider Teilsysteme durchführen zu können. Dadurch sollte ein fundiertes Verständnis der mechanischen Zusammenhänge des gekoppelten Systems entwickelt werden. Das Forschungsprojekt wurde dazu in zwei Projektfelder unterteilt. Die numerische Entwicklung des Reifen-Fahrbahn-Interaktionsmodells erfolgte am Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke (ISD), während die experimentelle Untersuchung des komplexen Materialverhaltens von Asphalt am Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau (ISS) durchgeführt wurde. Um eine numerisch effiziente Berechnung der Reifen-Fahrbahn-Interaktion zu ermöglichen, wurde im Rahmen der finiten Elemente Methode (FEM) eine so genannte „Arbitrary Lagrangian Eulerian“ (ALE)-Formulierung angewendet, so dass der für einen ortsfesten Betrachter zeitabhängige Prozess der Überrollung einer Fahrbahn durch einen stationär rollenden Reifen durch den eingeführten bewegten Betrachter als zeitunabhängig beschrieben werden kann. Diese für einen Reifen übliche Betrachtungsweise wurde im Rahmen des Forschungsprojekts für die Fahrbahn eingeführt, wobei der wissenschaftliche Fortschritt insbesondere in einer neuen Formulierung zur Berücksichtigung inelastischer Materialmodelle im Rahmen dieser ALE-Formulierung der Fahrbahn liegt. Um eine gekoppelte Reifen-Fahrbahn-ALE- Berechnung durchführen zu können, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts eine Programmschnittstelle entwickelt, die das vorhandene elastische ALE-Reifen-Modell mit dem neu entwickelten inelastischen ALE-Fahrbahn-Modell verbindet und die iterative Lösung des Gesamtmodells steuert. Eine realitätsnahe numerische Berechnung von Fahrbahnstrukturen erfordert zudem eine geeignete numerische Beschreibung des inelastischen Materialverhaltens von Asphalt. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde dafür ein neues fraktionales Materialmodell entwickelt, das neben elastischen und viskoelastischen auch plastische Deformationen beschreiben kann und für große Verzerrungen formuliert ist. Die Identifizierung von Materialparametern erfolgte auf Basis der am ISS durchgeführten Materialversuche. Neben der numerischen Formulierung der Reifen-Fahrbahn-Interaktion war die experimentelle Untersuchung des Materialverhaltens von Asphalt, um Materialparameter des entwickelten Materialmodells identifizieren zu können, aber vor allem auch um tiefere Kenntnisse über das komplexe Verhalten des Kompositwerkstoffes Asphalt zu erlangen, ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsprojekts. Dafür wurden zum Einen zyklische triaxiale Versuche mit wenigen Lastwechseln an einem Splittmastixasphalt (SMA) und einem offenporigen Asphalt (PA) durchgeführt und das kurzzeitige Verhalten des Elastizitätsmodul und der Querdehnzahl für beide Asphalte in Abhängigkeit der volumetrischen und deviatorischen Spannungen beschrieben. Hierbei wurden wesentliche Unterschiede des Materialverhaltens der beiden untersuchten Asphalte identifiziert. Ein weiterer wichtiger wissenschaftlicher Fortschritt ist durch die Untersuchung des durch die Art der Verdichtung induzierten anisotropen Verhaltens von Asphalt erzielt worden. Es traten wesentliche anisotrope Effekte unabhängig von der Kornform, der Ausprägung der Mörtelphase und der Mischgutkonzeption bei beiden untersuchten Asphalten auf. Desweiteren wurde das Langzeitverhalten beider Asphalte an triaxialen Versuchen mit einer großen Zahl von Lastwechseln und regelmäßigen Lastpausen zur Relaxation untersucht. Dabei wurde eine Veränderung des elastischen, viskoelastischen und plastischen Materialverhaltens in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl festgestellt. Überraschend waren dabei u.a. die langen Relaxationszeiten, so dass um ein tieferes Verständnis des Materialverhaltens von Asphalt erlangen zu können, das Materialgemisch und insbesondere die einzelnen Komponenten (Bitumen, Füller, Gesteinskörnung, …) und deren Zusammenspiel weiter erforscht werden müssen. Die im Rahmen des Forschungsprojekts erlangten Fortschritte bei der numerischen Modellierung und der experimentellen Untersuchung von Reifen-Fahrbahn-Interaktionsphänomenen sind wichtige Grundlagen für ein tieferes Verständnis der Struktur, um zukünftig ein verbessertes Design von Fahrbahnkonstruktionen zu ermöglichen.
Publications
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