Detailseite
Projekt
Numerische Modellierung der Herstellung von Rüttelinjektionspfählen
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Stavros A. Savidis
Fachliche Zuordnung
Geotechnik, Wasserbau
Förderung
Förderung von 2009 bis 2016
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 76838227
Das Projekt beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung der Herstellung von Rüttelinjektions-pfählen in wassergesättigtem Sand und der Bereitstellung eines geeigneten Rechenverfahrens auf der Grundlage der Finite Elemente Methode (FEM). Rüttelinjektionspfähle (RI-Pfähle) werden zur Rück-verankerung der Sohle innerstädtischer Trogbaugruben eingesetzt. Ihre Herstellung wird charakterisiert durch Multi-Materialflüsse mit großen Materialverformungen, durch zeitabhängige Kontaktflächen sowie durch das komplexe gekoppelte Verhalten von Sand und Porenwasser. Die numerische Simula-tion derartiger Probleme ist mit den klassischen Lagrange und Euler Formulierungen der FEM nicht umsetzbar. Aus diesem Grund wird in dem Forschungsprojekt eine sog. Multi-Materielle Allgemeine Lagrange-Euler (MMALE) Methode für Finite Elemente entwickelt, implementiert und anhand von Mo-dellversuchen validiert. Die MMALE Methode beschreibt die Bewegung des Elementnetzes unabhän-gig von der Materialbewegung. Materialränder können sich durch das Netz hindurch bewegen, so dass potentiell zwei oder mehr Materialien innerhalb eines finiten Elements auftreten. Als Basis für die Eigenentwicklungen dienen das Zweigleichungsmodell für poröse Medien (u-p Formulierung) und das durch eine bubble-Funktion stabilisierte lineare gemischte Dreieckselement. Jeder globale Berech-nungsschritt ist in einen Lagrange Schritt und einen Euler Schritt unterteilt. Im Lagrange Schritt folgt das Netz den Materialverformungen, und es werden die Evolutionsgleichungen der einzelnen Materia-lien und ihrer Volumenfraktionen im Element über den Zeitschritt integriert. Um das mechanische Ver-halten von Sand abzubilden, werden hochentwickelte Stoffgesetze eingebunden. Im Euler Schritt wer-den das Netz regularisiert und die Lösungsvariablen aus dem Lagrange Schritt mit Algorithmen aus der numerischen Strömungsmechanik durch das regularisierte Netz transportiert. Außerdem werden die Kontaktflächen der Materialien rekonstruiert, um die zu transportierenden Materialvolumina genau bestimmen zu können und die Darstellung von Materialrändern im Elementnetz zu ermöglichen. Zur Validierung der MMALE Methode werden ergänzend zum Zentralprojekt kleinmaßstäbliche Modellver-suche zur RI-Pfahlherstellung in einem Versuchskasten mit Glasscheibe durchgeführt. Der Einrüttel- und Verpressvorgang wird mit digitalen Filmaufnahmen dokumentiert, die mit einer Software für Bild-korrelation hinsichtlich der Bodenverformungen und Merkmale der multi-materiellen Strömung (Aus-breitungsfronten, Geschwindigkeits- und Dehnungsfelder) ausgewertet werden. Mit dem so entwickel-ten und verifizierten Rechenverfahren können erstens die Spannungs- und Dichtezustandsänderungen im Boden im Nahbereich des Pfahls und somit die Auswirkungen des Herstellungsvorgangs auf benachbarte Strukturen prognostiziert und zweitens das Trag- und Verformungsverhalten des fertig gestellten Pfahles realitätsnah erfasst werden.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
Beteiligte Person
Professor Dr.-Ing. Frank Rackwitz
