Validierung von Stoffmodellen für Ton für mehrdimensionale zyklische Beanspruchungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Henning Stutz; Professorin Dr.-Ing. Merita Tafili; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 582004673

Eine hochzyklische Belastung, gekennzeichnet durch eine große Zyklenanzahl und kleine Dehnungsamplituden, kann zu einer Akkumulation bleibender Verformungen im Boden führen und damit die Gebrauchstauglichkeit von Gründungen oder anderen geotechnischen Konstruktionen gefährden. In vielen Fällen sind die durch die hochzyklische Beanspruchung verursachten Spannungs- und Dehnungspfade im Boden mehrdimensional, beispielsweise bei Verkehrsbeanspruchungen infolge der ortsvariablen Lastquelle oder bei Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen infolge von Unterschieden in Richtung und Phase der Wind- und Welleneinwirkungen. Aus Versuchen an Sand ist bekannt, dass eine mehrdimensionale Beanspruchung zu einer größeren Verformungsakkumulation führt als eine eindimensionale Beanspruchung. Dennoch wurden die meisten Element- und Modellversuche in der Literatur nur mit einer eindimensionalen zyklischen Beanspruchung durchgeführt. Die überwiegende Anzahl der Modellansätze zur Prognose von Langzeitverformungen ist ebenfalls nur für eindimensionale hochzyklische Beanspruchungen konzipiert. Im Gegensatz dazu enthält das in Bochum und Karlsruhe entwickelte hochzyklische Akkumulationsmodell für Sand eine spezielle Definition einer mehrdimensionalen Dehnungsamplitude, mit der auch mehrdimensionale Dehnungspfade erfasst werden können. Diese Definition wurde für Sand bereits für ein- bis vierdimensionale Dehnungspfade experimentell validiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Akkumulationsmodell mit dieser Definition der Dehnungsamplitude die Akkumulationsraten auch bei einer mehrdimensionalen hochzyklischen Beanspruchung zutreffend beschreibt. Die Amplitudendefinition wurde kürzlich in das neu vorgeschlagene Akkumulationsmodell für Ton übernommen, wobei eine entsprechende Validierung noch aussteht. Das primäre Ziel des beantragten Forschungsprojektes ist daher die experimentelle Validierung des Akkumulationsmodells für Ton, insbesondere seiner Definition der Dehnungsamplitude, für mehrdimensionale hochzyklische Beanspruchungen. Das Versuchsprogramm sieht hierzu zyklische Triaxialversuche, Einfachscherversuche und Hohlzylindertriaxialversuche mit ein- bis vierdimensionalen Spannungs- bzw. Dehnungspfaden vor, womit eine große Bandbreite an unterschiedlichen Pfaden abgedeckt und die Validierung auf eine breite Basis gestellt wird. Die gewonnenen Versuchsdaten werden weiterhin verwendet, um die aus Elementtestsimulationen erhaltene Prognose ausgewählter impliziter Stoffmodelle für Ton für mehrdimensionale zyklische Beanspruchungen zu überprüfen und die konstitutiven Gleichungen zweier Modelle entsprechend weiterzuentwickeln. Diese Stoffmodelle werden in einer numerischen Berechnung mit dem Akkumulationsmodell für die impliziten Berechnungsabschnitte benötigt, in denen die Dehnungspfade aufgezeichnet werden, aus denen anschließend die Dehnungsamplitude als wichtiger Eingangsparameter des Akkumulationsmodells ermittelt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen