Titelaufnahme

Titel
Development and application of numerical simulation tools for the prediction of the structural behaviour of paving block pavements / von Herwig Leopold Hengl
Weitere Titel
Entwicklung und Anwendung von numerischen Simulationstools für die Vorhersage des Strukturverhaltens von Pflasterbefestigungen
VerfasserHengl, Herwig Leopold
Begutachter / BegutachterinEberhardsteiner, Josef ; Füssl, Josef ; Blab, Ronald
ErschienenWien, 2017
Umfangvi, 110 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Simulationstools / Pflasterbefestigungen
Schlagwörter (EN)simulation tools / paving block pavements
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-101526 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Development and application of numerical simulation tools for the prediction of the structural behaviour of paving block pavements [76.61 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Pflasterbefestigungen sind eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle und zudem visuell ansprechende Art von Straßenbefestigung. Aus diesem Grund steigt auch die Nachfrage nach ihnen kontinuierlich an. Dennoch führen unzureichende Bemessungskonzepte oft zu einer unerwartet schlechten Performance, welche das Vertrauen in diese Konstruktionen stark verringert. Speziell das mechanische Verhalten der vertikalen Fugen zwischen Pflastersteinen sowie das Interaktionsverhalten mit den darunterliegenden Tragschichten werden oft nicht realistisch modelliert. Dies motivierte die Entwicklung der in dieser Arbeit vorgestellten numerischen Simulationstools, welche das komplexe nichtlineare Verhalten zwischen Strukturelementen realistisch berücksichtigen können. Zahlreiche Identifikationsexperimente wurden durchgeführt, um die Material- und Interaktionseigenschaften von Pflastersteinaufbauten zu bestimmen.^ ^Daraus wurden Materialmodelle und Parameter abgeleitet, die als Input in numerische Modelle dienten. Die entwickelten numerischen Simulationstools wurden durch Großfeldversuche teilweise validiert. Der erste Teil dieser Arbeit (Publikationen A bis C) widmet sich Pflasterbefestigungen mit sandgefüllten vertikalen Fugen. Es werden drei verschiedene Identifikationsexperimente zur Ableitung von Materialmodellen für das Interaktionsverhalten zwischen Pflastersteinen vorgestellt. Das entwickelte Simulationstool wurde anhand von Großfeldversuchen auf zwei Versuchsaufbauten validiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von überhöhten Querprofilen von Pflasterbefestigungen auf ihre Tragfähigkeit mittels umfangreicher Parameterstudien untersucht. Dabei konnten zwei wesentliche strukturelle Versagensmechanismen identifiziert werden und anhand der numerischen Ergebnisse eine Empfehlung für eine optimale Größe der Bombierung gegeben werden.^ Das Strukturverhalten zufolge horizontaler Belastungen, welches sehr oft vernachlässigt wird aber für die Performance von Pflasterbefestigungen wesentlich ist, wurde mit einem weiteren numerischen Modell untersucht. Ein realistisches Reibungsverhalten zwischen verschiedenen Arten von Pflastersteinen konnte aus Identifikationsversuchen gewonnen und in numerischen Simulationen umgesetzt werden. Die daraus resultierenden 3DVerformungsfelder von mehreren Verbandsarten und Typen von Pflastersteinen zeigten interessante Einblicke in horizontale Lastübertragungsmechanismen. Eine vollautomatische numerische Modellgenerierung ermöglichte eine umfassende Performancebewertung in Bezug auf den horizontalen Verschiebewiderstand unterschiedlicher Pflasterverbände.^ Der zweite Teil dieser Arbeit (Publikationen D und E) befasst sich mit dem mechanischen Verhalten von Pflasterbefestigungen mit mörtelgefüllten vertikalen Fugen, wobei der Schwerpunkt auf der Vorhersage von Rissmechanismen unter thermischer Beanspruchung liegt. Mit dem vorgestellten Simulationstool konnten grundlegende strukturelle Versagensmechanismen zufolge unterschiedlicher Temperaturereignisse identifiziert und Beziehungen zwischen Rissbreiten und unterschiedlichen Haftverbindungen zwischen Pflastersteinen untereinander sowie zum Mörtelbett ermittelt werden. Darüber hinaus war es möglich, Schätzwerte für notwendige Haftverbindungen zwischen Pflastersteinen und Mörtelbett zur Vermeidung großer (sichtbarer) Risse aufgrund von Temperaturbelastungen anzugeben.^ Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch geeignete Berücksichtigung des Interaktionsverhaltens zwischen Strukturelementen dieser Aufbauten eine realistische Beschreibung des komplexen Strukturverhaltens möglich wird. Anspruchsvolle numerische Simulationstools sind also in der Lage neue Einblicke in das mechanische Verhalten von Pflasterbefestigungen zu geben und haben das Potential, Vorhersagen über deren Performance deutlich zu verbessern. Speziell in Kombination mit darauf abgestimmten Identifikationsexperimenten und einer möglichst umfangreichen Validierung.

Zusammenfassung (Englisch)

Paving block pavements are an ecological, economical, and space forming valuable type of road surface, and therefore, the demand is continuously increasing. Nevertheless, immature design concepts often lead to unexpected performance, which reduces confidence in these types of constructions. Especially the mechanical performance of the vertical joints between paving blocks as well as the interaction behavior to the underlying base courses is often not depicted realistically enough. This motivated the development of the numerical simulation tools for paving block structures presented within this thesis, which are able to take into account the complex non-linear behavior between structural elements of this type of pavement constructions more reliable. Numerous identification experiments were carried out to determine material and interaction properties of paving block superstructures. Therefrom, material models and parameters were obtained and implemented into numerical models.^ ^The resulting simulation tools have been partially validated by means of accelerated pavements tests and full scale experiments. The first part of this thesis (Publications A to C) is devoted to paving block structures with sand-filled vertical joints. Three different identification experiments to derive material models for the interaction behavior between paving blocks are proposed. The developed structural simulation tool was validated by means of accelerated pavement tests, on two full scale test sections. Furthermore, the influence of superelevated cross-profiles of paving block structures on their load bearing capacity was investigated by means of comprehensive parameter studies. Thereby, two main structural failure mechanisms could be identified, and based on the numerical results a recommendation for an optimum size of superelevation could be given.^ The structural response due to horizontal loadings, a very often neglected but for the performance of paving block structures essential load condition, was investigated using a further numerical model. Realistic frictional behavior between different types of paving blocks could be assessed from identification experiments and implemented into numerical simulations. The resulting 3D deformation fields of several laying patterns and types of paving block superstructures revealed improved insights into horizontal load transfer mechanisms. A fully automated numerical model generation allowed for a comprehensive performance evaluation with respect to the horizontal shifting resistance of different superstructure. The second part of this thesis (Publications D and E) focuses on the mechanical behavior of paving block pavements with mortar-filled vertical joints, mainly addressing the prediction of cracking mechanisms under thermal loading.^ By means of the proposed simulation tool, basic structural failure mechanisms, due to different temperature events, could be identified and relationships between crack widths and different bonding strengths as well as installation temperatures were obtained. Moreover, estimates for necessary bonding strengths between paving blocks and mortar bed to prevent large (visible) cracks due to temperature loads could be given. Finally, it can be concluded that by taking the interaction behavior between structural elements of such type of pavements appropriately into account, a more reliable description of complex structural response mechanisms becomes possible. Thus, sophisticated numerical simulation tools are able to deliver new insights into the mechanical behavior of paving block pavements and have the potential to significantly enhance performance predictions, especially in combination with appropriate identification and validation experiments.