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Optimierung der Anwendbarkeit der Probabilistik in der Dimensionierung und Substanzbewertung von Betonstraßen

BASt-Bericht S 182

Johannes Neumann, Chenwen Liu, ISAC GmbH, Aachen
Anita Blasl, Uwe Reinhardt, GWT-TUD GmbH, Dresden
125 Seiten
Erscheinungsjahr: 2023
Projektnummer: 04.0313
Preis: 0,00 €

Dieser Bericht steht ausschließlich kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird das Programm ConCalc entwickelt, welches die RDO Beton 09 um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Hierzu wird erstens die Deterministik auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt, damit aktuell vorhandene Einschränkungen überwunden werden können. Zweitens wird eine Probabilistik implementiert, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können.

In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton 09 mit FE präzise nachgebildet, so dass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Eine Parameterstudie stellte unter anderem heraus, dass das den RDO Beton 09 zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Verkehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Daher sind zur Weiterentwicklung der RDO Beton 09 weitere Untersuchungen nötig.

Die Modellierungsmöglichkeiten von ConCalc gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus und umfassen unter anderem:

  • Die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels

    • Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder
    • zugfreier Winklerbettung.
  • Die Berücksichtigung von Dübeln und Ankern als Festkörper in Mehrplattenmodellen zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich, sowie
  • die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe.

Neben den genannten Erweiterungen, bestehen mit der FEM nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Weiterentwicklung.

Zur Durchführung von Berechnungen unter Anwendung der probabilistischen Verfahrensweise werden bestehende Formulierungen zu probabilistischen Bewertungsansätzen implementiert. Unter Berücksichtigung variierender Eingangsgrößen, können somit Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet werden.

Da das Programm vornehmlich Forschungszwecken dienen soll, müssen Erweiterungen beziehungsweise Änderungen einfach möglich sein. Daher ist ConCalc modular gestaltet und wird in vier Haupt- und mehrere untergeordnete Module unterteilt, die sich einzeln ersetzen lassen. Die Module kommunizieren nur über menschenlesbare Dateiformate, was die Wartbarkeit und Fehlersuche vereinfacht. Soweit möglich wird auf quelloffene und etablierte Softwarelösungen zurückgegriffen, um die zukünftige Anwendbarkeit und Updates zu gewährleisten. Diese Punkte sind für unkomplizierte und zukunftsfähige Weiterentwicklungen essentiell.

Die nachfolgend beschriebenen Hauptmodule sind komplett skriptbar.

Um der Erweiterbarkeit Rechnung zu tragen wird die Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Berechnung flexibel und anwenderfreundlich mit eingebundenen Drop-Down-Menüs und ausgewählten Eingabefeldern in Excel gestaltet.

Die grafische Oberfläche exportiert eine übersichtlich formatierte Eingabedatei für ConCalc im verbreiteten JSON-Format. Damit ist es ebenfalls möglich bei Bedarf die grafische Oberfläche zu umgehen und die Eingabedateien manuell oder geskriptet zu erstellen.

Der in Matlab geschriebene Präprozessor erstellt Eingabedateien zur Geometrie- und Netzerstellung mittels GMSH. Die von GMSH exportierten Netzdaten werden anschließend vom Präprozessor unter anderem um Randbedingungen und Materialdaten ergänzt um lauffähige Eingabedateien im Abaqus-Format zu erhalten.

Der ebenfalls in Matlab geschriebene FE-Rechenkern liest die Eingabedaten, führt die Berechnung aus und schreibt Ergebnisdateien für den Postprozessor. Die implementierten Algorithmen wurden gründlich anhand analytischer und numerischer Referenzlösungen verifiziert.

Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Reduzierung der Rechenzeit von ConCalc. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Sensitivitätsanalysen sowie die Anbindung der probabilistischen Verfahrensweise erforderlich. Zur Beschleunigung wurde ein Verfahren zur projektionsbasierten Modellreduktion implementiert. Neben der Optimierung der Rechenzeit für die Einzelrechnung besteht außerdem die Möglichkeit, verschiedene Berechnungen, voneinander gänzlich unabhängig, zu parallelisieren. Das Maß der Parallelisierbarkeit und der Reduzierung des Rechenaufwandes ist dabei von der verfügbaren Hardware und dem Bedarf an Genauigkeit abhängig.

Die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt Paraview, wofür Dateien im Visualization-Toolkit-Format geschrieben werden. Zur Dimensionierung und Bewertung wird die maximale Zugspannung identifiziert.

Mit ConCalc steht ein Code zur Verfügung, der alle notwendigen Voraussetzungen für die Umstellung der RDO Beton auf ein FEM-basiertes Verfahren erfüllt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner numerischen Effizienz ist ConCalc für die Weiterentwicklung der RDO Beton und für Forschungszwecke geeignet. Darüber hinaus bietet ConCalc einen Code, mit dem erstmals FEM-Berechnungen mit der probabilistischen Methode durchgeführt werden können.

Optimisation of the applicability of probabilistics in design and condition assessment of concrete roads

Within the scope of this research project, the programme ConCalc is developed, which extends the RDO Beton 09 by simulation-based methods. Firstly, the deterministic method is converted to the finite element method (FEM) for this purpose, so that currently existing limitations can be overcome. Secondly, the probabilistic method is implemented in order to be able to calculate failure probabilities.

First and foremost, the load cases of the RDO Beton 09 are precisely simulated with FE, so that an alternative to the classical calculation with analytical solutions is provided. A parameter study showed, among other things, that the principle of superposition of traffic and temperature load underlying the RDO Beton 09, does not apply. Therefore, additional investigations are necessary for the further development of the RDO Beton 09.

The modelling options of ConCalc go far beyond those of the RDO Beton 09 and include:

  • The interaction of the concrete slab with the base using

    • contact mechanics with solid base or
    • tension-free Winkler bedding.
  • The consideration of dowels and anchors as solids in multi-slab models for the analysis of the interaction in the joint area, as well as
  • the representation of non-linear temperature distributions.

In addition to the extensions mentioned, there are almost unlimited possibilities for further development with the FEM.

In order to carry out calculations using the probabilistic method, existing formulations are implemented into probabilistic design approaches. Taking into account varying input variables, failure probabilities can thus be calculated.

Since the programme is primarily intended for research purposes, extensions or modifications must be easily possible. Therefore, ConCalc has a modular design and is divided into four main modules and several subordinate modules that can be replaced individually. The modules communicate only via human-readable file formats, which simplifies maintainability and debugging. As far as possible, open source and established software solutions are used to ensure future applicability and updates. These issue are essential for uncomplicated and future-proof further developments. The main modules described below are completely scriptable.

In order to take the extendability into account, the user interface for configuring the calculation is designed to be flexible and user-friendly with integrated drop-down menus and selected input fields in Excel. The graphical user interface exports a clearly formatted input file for ConCalc in the widely used JSON format. This also makes it possible to bypass the graphical interface if necessary and create the input files manually or scripted.

The preprocessor written in Matlab creates input files for geometry and mesh generation using GMSH. The mesh data exported by GMSH is then supplemented by the preprocessor with, among other things, boundary conditions and material data to obtain executable input files in Abaqus format.

The FE calculation kernel, also written in Matlab, reads the input data, performs the calculation and writes result files for the postprocessor. The implemented algorithms were thoroughly verified using analytical and numerical reference solutions. An essential aspect of ConCalc is runtime reduction. This is particularly necessary with regard to sensitivity analyses and the integration of the probabilistic method. For speedup, a procedure for projection-based model order reduction is implemented. In addition to optimising the calculation time for a single computation, it is also possible to parallelise completely independent computations. The degree of parallelisability and the reduction of the computational effort depends on the available hardware resources and the need for accuracy.

The visualisation of results is performed by Paraview, for which files are written in Visualization Toolkit format. The maximum tensile stress is identified for dimensioning and evaluation.

ConCalc provides a code that fulfils all the necessary requirements for the conversion of the RDO Beton to an FEM-based method. Due to its modular structure and numerical efficiency, ConCalc is suited for the further development of the RDO Beton and for research purposes. Additionally, ConCalc provides a code which allows to carry out FEM calculations using the probabilistic method for the first time.

  • Kontakt

    Bundesanstalt für Straßenwesen
    Brüderstraße 53
    51427 Bergisch Gladbach
    Info-Service
    Telefon: 02204 43-9101
    Fax: 02204 43-2550
    info@bast.de

  • Zu beziehen über

    Carl Ed. Schünemann KG
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    28195 Bremen
    Telefon: 0421 36903-53
    Fax: 0421 36903-48
    buchverlag@schuenemann-verlag.de
    www.schuenemann-verlag.de

  • Berichte zum Download

    Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen stehen ab dem Jahrgang 2003 zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.