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FEM als zukunftsweisende Alternative bei der Dimensionierung von Betonstraßen

Die bislang zur Dimensionierung von Betonstraßen angewendete Plattentheorie wird nicht mehr als zeitgemäß eingestuft; als Alternative bietet sich die Finite-Elemente-Methode (FEM) an. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde nun ein Verfahren entwickelt, das die FEM-basierte Dimensionierung von Verkehrsflächen mit Betondecke unter Berücksichtigung der Probabilistik gestattet. Eines der Ziele war, die benötigte Rechenzeit gering zu halten.

Grafische Darstellung der Vernetzung im Bereich der Anker Darstellung der Vernetzung im Bereich der Anker (Bild: GWT-TUD GmbH)

Aufgabenstellung

In der Vergangenheit wurde den „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen” (RDO Beton) die Theorie der Kirchhoff-Love-Platte auf Federlagerung zugrunde gelegt. Mittlerweile gilt diese Vorgehensweise als überholt. Sie ist kein passendes Werkzeug für die Weiterentwicklung der Bauweise. Sachgemäß angewendet bietet sich dagegen die Methode der finiten Elemente (FEM) als ein geeignetes Berechnungsverfahren an. Bezüglich der Modellierung treten dabei nahezu keine Einschränkungen auf. Die BASt beauftragte die ISAC GmbH in Aachen mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die FEM-basierte Dimensionierung von Verkehrsflächen mit Betondecke unter Berücksichtigung der Probabilistik ermöglicht wird. In diesem Rahmen sollte insbesondere die Rechenzeit der FEM eine drastische Reduzierung erfahren.

Untersuchungsmethode

Als Grundlage wurde der Stand der Technik erfasst sowie ein Überblick zu analytischen Verfahren der Dimensionierung von Betonverkehrsflächen und zu aktuellen FEM ermittelt. Daraufhin erfolgte eine Anpassung eines bereits existierenden FEM-Programms auf die Besonderheiten von Betonverkehrsflächen. Im Vordergrund stand dabei die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe sowie eine realistische Platte-Verbinder-Modellierung. Als Lieferant von Eingangsgrößen wurde die existierende Probabilistik integriert, wobei bereits hier eine ressourceneffiziente Umsetzung berücksichtigt wurde.

Als Werkzeug zur weiteren Rechenzeitreduktion kam eine projektionsbasierte Modellreduktion zur Anwendung. Der Raum der vollen FEM-Lösung wurde dabei auf einen niedrigdimensionalen Unterraum abgebildet.

Ergebnisse

Im Rahmen der Untersuchung wurde eine Methode entwickelt, welche die RDO Beton um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Zur Überwindung aktuell bestehender Einschränkungen wurde die Deterministik auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt. Darüber hinaus fand die Implementierung der Probabilistik statt, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können. Für die Anwendung in Forschung und Entwicklung wurde ein vollständig modularer Softwarecode erarbeitet, um eine zukunftssichere Weiterentwicklung und Implementierung sicherzustellen. Eine marktübliche, leistungsstarke Hardware vorausgesetzt, ermöglicht die Leistung des Rechenkerns Berechnungen mit probabilistischer Verfahrensweise mit einem angemessenen zeitlichen Aufwand. Die tatsächliche Dauer ist maßgeblich davon abhängig, ob Berechnungen parallelisiert vorgenommen werden.

Eine Übertragbarkeit auf die RDO Beton ist gegeben. In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton mit FEM präzise nachgebildet, sodass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Als Ergebnis der durchgeführten Parameterstudie zeigte sich, dass das den RDO Beton zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Verkehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Zur Weiterentwicklung der RDO Beton sind daher weitere Untersuchungen erforderlich.

Die Modellierungsmöglichkeiten gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus. Sie umfassen unter anderem die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder zugfreier Winklerbettung. Weiterhin werden zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich sowie der Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe Dübel und Anker als Festkörper in Mehrplattenmodellen berücksichtigt. Darüber hinaus bestehen mit der FEM eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten zur Weiterentwicklung.

Folgerungen

Die Forschungsergebnisse schaffen eine weitere Grundlage zur Weiterentwicklung der RDO Beton hinsichtlich der Anwendung von FEM und Probabilisik. Für die Fortschreibung der Regelwerke steht nun ein anwendbarer Softwarecode zur Verfügung.

  • Kontakt

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

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