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https://nap.nationalacademies.org/catalog/27432/critical-issues-in-transportation-for-2024-and-beyond

Entwicklung eines Finite Elemente Modells fuer die rechnerische Dimensionierung von Strassen gemaess RDO Beton

Development of a finite element model for analytic design of roads according to RDO Beton

Die klassische Bestimmung der Dicke des Strassenoberbaus in Deutschland ist eine auf Erfahrungswerten beruhende Kategorisierung der Verkehrswege in Strassenklassen mit standardisierten Aufbauten. Die rechnerische Dimensionierung fuer Strassen nach RDO Beton 09 erlaubt es den bekannten, durch Erfahrungswerte belegten Bereich zu erweitern, sodass insbesondere fuer hoehere Verkehrslasten und Sonderverkehrsflaechen eine fundierte Dimensionierung des Oberbaus erfolgen kann. Die Berechnung der Lastzustaende nach RDO Beton 09 basiert auf den analytischen Loesungen von Differentialgleichungen. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Berechnung der Belastungszustaende der Betonplatten. Die Berechnung ist jedoch an Bedingungen gebunden, welche fuer die Loesung der Differentialgleichungen vorausgesetzt werden muessen. Damit liefern diese Gleichungen nur fuer einen begrenzten Parameterbereich exakte Ergebnisse. Um die Dimensionierung flexibel handhaben zu koennen, ist es notwendig, verschiedene Einfluesse pauschal ueber Anpassungsfaktoren zu beruecksichtigen. Die Ergebnisse werden dadurch entsprechend unsicher. Das Berechnungsverfahren nach RDO Beton 09 erlaubt in diesem Sinne nur eine pauschale Erfassung der Querkraftuebertragung in den Fugen, der Vorverformung der Platte, der Lastverteilung im Plattenquerschnitt und des Einflusses mehrerer Radlasten. Auch bezueglich der Plattengeometrie und der detaillierten Erfassung der Einflussfaktoren sind dem Berechnungsmodell enge Grenzen gesetzt. Mit der Nutzung der Finite-Elemente-Methode ist es moeglich, diese Defizite des Berechnungsmodells zu beseitigen. Die Dimensionierung wird damit genauer und flexibler. Die FEM bietet ausserdem das Potenzial fuer eine wesentliche Weiterentwicklung des Dimensionierungsverfahrens. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Finite-Elemente-Modell definiert, welches geeignet ist, in einem Dimensionierungsprogramm nach RDO Beton 09 die Grundlage fuer die Spannungsberechnung zu bilden. Das Modell umfasst 9 aus Volumenelementen modellierte Platten, einen Volumenblock fuer den Untergrund, sowie Anker und Duebel. Fuer die Berechnung des Modells wird das Programm CalculiX aus dem Open-Source-Bereich als Solver verwendet. Mithilfe von systematischen Serienrechnungen wurde das Modell optimiert und validiert. Um die Rechenzeit zu optimieren, wurde fuer die unterschiedlichen Berechnungsfaelle geprueft, ob die Kalkulation der Spannungen an einem reduzierten Modell mit weniger Platten moeglich ist. Die Einbindung in die Dimensionierungssoftware AWDSTAKO ermoeglicht die FEM-basierte Dimensionierung nach RDO Beton 09. An ausgewaehlten Problemstellungen wurden die neuen Moeglichkeiten, welche sich durch die FEM-Berechnung ergeben, demonstriert. ABSTRACT IN ENGLISH: In Germany the classic thickness design of concrete roads is based on experienced data. A categorization of the road transport infrastructure in different road types with standardized structures was used. The design of roads based on the RDO Beton 09 allows to extend the known field of experienced data by calculating the necessary thickness so that the dimensioning of pavement especially for higher traffic loads or for special traffic areas can be achieved. The calculation of the charge states with the RDO Beton 09 is based on the analytical solution of differential equations. This approach permits an easy and fast calculation of the load cases of the concrete paving slab. However, the calculation is bound to different conditions, which had to be assumed beforehand for the solution of the differential equations. Therefore, these equations provide exact results, but only in a narrow range of parameter. To handle the process of dimensioning more flexible, it is necessary to transfer different factors into matching coefficients. Because of this the solutions become more vague. The calculation method of the RDO Beton 09 only allows an across-the-board recording of the transfere of lateral forces in the joints, the predeformation of the slab, the load distribution in the cross-section of the slab as well as the influence of diverse wheel loads. The possibilities of this method of calculation concerning the geometry of the concrete slab and a detailed recording of the different influencing variables have narrow boarders. However, it is possible to eliminate the deficiencies of this method of calculation with the use of the finite element analysis. The dimensioning gets more precise and more flexible. Furthermore, the finite element analysis provides a high potential of an essential further development for the dimensioning methods itself. In the context of the research project a finite element model was developed, which is suitable as a basis for a dimensioning programme according to the RDO Beton 09 stress analysis. The model contains with volume elements discretizised slabs, a with volume elements discretizised subgrade as well as anchors and dowels. For the calculation of the models the open source solver-software CalculiX is used. The model was optimized and validated by means of methodic series of calculations. To optimize calculating time, the different modes of calculation were tested with reduced models. The integration of this method in the dimensioning software AWDSTAKO allows the FEM-based dimensioning according to the RDO Beton 09. The new possibilities which arise from the FEM-based calculation method are demonstrated on selected problems.

Language

  • German

Media Info

Subject/Index Terms

Filing Info

  • Accession Number: 01693012
  • Record Type: Publication
  • Source Agency: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
  • ISBN: 978-3-95606-425-8
  • Files: ITRD
  • Created Date: Feb 19 2019 9:42AM