Rechnerische Dimensionierung von Asphaltbefestigungen über ein Finite Elemente Modell

BASt Heft 1125: Rechnerische Dimensionierung von Asphaltbefestigungen über ein Finite Elemente Modell – Verbesserung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit

M. Oeser, D. Wang, P. Liu, F. Wellner, U. Reinhardt

100 S., 116 Abb., 57 Tab., ISBN 978-3-95606-278-0, 2017, EUR 18,50

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden zwei FE-Methoden entwickelt: Die semi-analytische Finite-Elemente-Methode SAFEM und die achsensymmetrische Finite-Elemente-Methode AXSFEM.

Die entwickelten FE-Rechenkerne wurden zuerst mit einer Parameterstudie kalibriert und optimiert. Durch eine anschließende Validierung wurden die Fahrbahn-Reaktionen, welche mit den Rechenkern ermittelt wurden, mit den Ergebnissen von kommerziellen Referenzprogrammen (ABAQUS und BISAR) verglichen. Ferner wurde das FE-Programm SAFEM auf die Genauigkeit anhand von experimentellen Ergebnissen aus der Versuchsstrecke der BASt geprüft.

Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass die beiden Rechenmodelle bereits bestimmte nutzungsrechtliche Voraussetzungen (wie die Gewährleistung eines hohen Maßes an Genauigkeit der Rechenergebnisse, einer numerisch effizienten Arbeitsweise sowie einer ingenieurgerechten/anwenderfreundlichen Bedienung etc.) erfüllt haben, so dass eine dauerhafte und möglichst kostenneutrale Verwendung als FE-Rechenkern in Dimensionierungsprogrammen für Asphaltbefestigungen gegeben ist.

Weiterer Forschungsbedarf besteht vor allem darin, die bisher nicht ausreichend berücksichtigten, für die Prognose der Restlebensdauer von Asphaltbefestigungen jedoch sehr wichtigen Sachverhalte durch die FE-Methode zu modellieren. Dazu zählt beispielsweise die dynamischen Radlasten, die rheologischen Eigenschaften von Asphalt, Verbesserte Annahmen für den Schichtenverbund etc. Auf diese Weise können die schädigungsrelevanten Beanspruchungszustände wirklichkeitsnah ermittelt werden, die als Eingangsparameter für eine zuverlässige Oberbaubemessung und eine exakte Prognose der Restnutzungsdauer verwendet werden.

As part of this research project two FE methods were developed: the semi-analytical finite element method SAFEM and the axisymmetric finite element method AXSFEM.

The developed FE-computational cores were first calibrated and optimized with a parametric study. The pavement responses which were determined by the computational cores were compared with the results of commercial refer-ence programs (ABAQUS and BISAR) through a subsequent validation. Furthermore, the FE-program SAFEM was verified for accuracy based on experimental results from the test track of the Federal Highway Research Institute (BASt).
Basically it can be said that the two computational cores have already met certain utilization requirements (such as a high level of accuracy of the calculation results, a numerically efficient work function and an engineer-suitable / user-friendly operation, etc.), so that a durable and possible cost-neutral application as the FE-solver in design programme for asphalt pavements is initially achieved.

Further research is needed mainly on the issues which are not satisfied until now in the cores but very important for predicting the remaining service life of asphalt pavements in the FE method. This includes, for example, the dynamic wheel loads, the rheological properties of asphalt and the improvement of assumptions for the bond condition between layers, etc. In this way, the damage-relevant stress conditions can be determined more realistically, which are used as input parameters for a reliable pavement design and an accurate prediction of remaining service life.