Modellierung und experimentelle Untersuchung von Reifen-Fahrbahn Interaktions-Phänomenen unter Berücksichtigung flexibler Befestigungsaufbauten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ALE Formulation for Tire-Pavement-Interaction. In: 4th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Dresden 2011
Wollny, I.; Kaliske, M.
- Experimental Testing and Investigation of the Stress-Dependent Material Behaviour of Asphalt via the Triaxial Test. In: XXIVth World Road Congress, Mexico, 2011
Zeißler, A.; Wellner, F.; Wollny, I.; Zopf, C.; Kaliske, M.
- Realitätsnahe numerische Analyse der Beanspruchungen von Asphaltbefestigungen durch den rollenden Reifen. In: 2. Dresdner Asphalttage, TU Dresden, Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau, 2011, 45-56
Kaliske, M.; Wollny, I.; Zopf, C.; Graf, W.
- Spannungsabhängiges Materialverhalten am Beispiel eines Splittmastixasphaltes und eines offenporigen Asphaltes. In: 2. Dresdner Asphalttage, TU Dresden, Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau, 2011
Zeißler, A.
- Deformations in Asphalt Pavement in Dependency on Truck Tires. In: ECCOMAS Thematic Conference on Design and Maintenance of Airfields, Wien, 2012
Zopf, C.; Kaliske, M.; Garcia, M. A.; Wollny, I.
- Experimental testing and investigation of the stress-dependent material behavior of asphalt via the triaxial test. In: ECCOMAS Thematic Conference on Design and Maintenance of Airfields, Wien, 2012
Zeißler, A.; Wellner, F.; Oeser, M.
- Numerical Simulation of Pavement Structures with Inelastic Material Behaviour under Rolling Tires Based on an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) Formulation. Road Materials and Pavement Design 14 (2013) 71-89
Wollny, I.; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/14680629.2012.735800) - A Continuum Mechanical Approach to Model Asphalt. International Journal of Pavement Engineering, Volume 16, 2015 - Issue 2. Pages 105-124
Zopf, C.; Garcia, M. A.; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/10298436.2014.927065) - Comparison of Approaches to Model Viscoelasticity Based on Fractional Time Derivatives. Computational Materials Science
Volume 98, 15 February 2015, Pages 287-296
Zopf, C.; Hoque, E.S.; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.11.012) - Numerical Modelling of Tyre-Pavement-Interaction Phenomena, Part 1: Constitutive Description of Asphalt Behaviour Based on Triaxial Material Tests. Road Materials and Pavement Design, Volume 16, 2015 - Issue 1, Pages 133-153
Zopf, C.; Wollny, I.; Kaliske, M.; Zeißler, A.; Wellner, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/14680629.2014.985246) - Numerical Modelling of Tyre-Pavement-Interaction Phenomena, Part 2: Coupled Structural Investigations. Road Materials and Pavement Design, Volume 17, 2016 - Issue 3, Pages 563-578
Wollny, I.; Behnke, R.; Villaret, K.; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/14680629.2015.1094399)
