Geotechnische Herausforderungen sind allgegenwärtig, angefangen bei der Interaktion des Bodens mit dem Fundament unserer Häuser, Straßen, Böschungen, Dämme, Stützmauern und Tunnel. Ingenieure haben diese Fälle seit Jahrhunderten untersucht und im Laufe der Zeit verschiedene konventionelle Methoden entwickelt, um diese Herausforderungen zu lösen - leider sind diese Methoden nicht immer genau oder spiegeln die Realität wider.
Numerische Methoden hingegen haben sich sowohl bei einfachen als auch bei komplexen Anwendungen bewährt. Die Einführung der Finite-Elemente-Methode (FEM) in der Geotechnik ist eine der bedeutendsten Errungenschaften bei der Untersuchung der Boden-Bauwerk-Interaktion in den letzten Jahrzehnten. Heutzutage ist der Einsatz der FEM als Werkzeug in der Geotechnik äußerst nützlich für die Analyse von Versagensmechanismen und der beteiligten Faktoren. Dennoch muss die FEM-Analyse ordnungsgemäß durchgeführt werden, da menschliches Versagen sonst zu ungenauen Ergebnissen führen kann. Aus diesem Grund müssen die Anwender den theoretischen Ansatz dieser Methode verstehen.
Allgemeine Anwendungen der Geotechnik
Warum und wann die Finite-Elemente-Analyse eingesetzt werden sollte
Die FEM ermittelt die Spannungs-Dehnungs-Zustände in Bezug auf die Belastung und diskretisiert das Kontinuum in nicht überlappende Komponenten. Sie erlaubt auch die Verwendung komplexer Bodenmodelle, die es dem Benutzer ermöglichen, eine numerische Darstellung des Bodens und der Strukturen zu erstellen.
Die FEM-Analyse berücksichtigt Parameter, die mit herkömmlichen Methoden nicht analysiert werden können. Dies macht die FEM für kompliziertere geotechnische Analysen unverzichtbar, darunter
- Komplexes Bodenverhalten (Bodenverfestigung, Anisotropie, Kriechen, nichtlineare Steifigkeit)
- Komplexe hydraulische Bedingungen
- Ungewöhnliche Geometrie
- Komplexe Belastung
- Zeitliche Auswirkungen
- Rückwärtsanalyse von Feldversuchen oder überwachten Strukturen.
Diese Fähigkeiten und die sich daraus ergebende Fähigkeit der FEM, Probleme der Boden-Bauwerk-Interaktion zu lösen, machen sie zu einem Spitzenreiter für Anwendungen, bei denen das Verständnis der Verformung wichtig ist, wie zum Beispiel
Böschungen und Dämme
Tunnel
Tiefe Ausgrabungen
Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse
Im Folgenden wird am Beispiel einer elastoplastischen Analyse eines Fundamentes gezeigt, wie die Finite-Elemente-Analyse in der FEM-Software durchgeführt wird.
Step 1: Definition der Bodenschichten
Der erste Schritt besteht darin, die Bodenschicht zu erstellen und das konstitutive Modell zur Darstellung des Bodenverhaltens auszuwählen. Für eine genaue FEM-Analyse ist eine Zusammenstellung ausreichender Bodendaten (vorzugsweise aus der Bodenerkundung oder alternativ aus bekannten Korrelationen, die den Boden repräsentieren) erforderlich, um die notwendigen Informationen zur Erstellung einer repräsentativen Simulation des Bodenverhaltens zu erhalten.
Definierte Bodenstratigraphie bei der Modellierung
Step 2: Definition von Geometrie und Randbedingungen
Erzeugen Sie das Fundament und die auf das Fundament wirkende Punktlast im Modus "Strukturen".
Definition der Geometrie
Step 3: Diskretisierung der Elemente
Das Finite-Elemente-Netz wird automatisch von der FEM-Software erstellt. Überprüfen Sie die Netzqualität und passen Sie das Netz (falls erforderlich) manuell an oder verfeinern Sie es, um die Genauigkeit der Lösung zu erhöhen.
Erzeugtes Netz
Step 4: Berechnung und Ergebnisse
Nach der Berechnung zeigt das Finite-Elemente-Programm die Ergebnisse verschiedener Belastungsszenarien an, z. B. den Arbeitslastzustand und den Grenzzustand der Tragfähigkeit. Das Programm bietet verschiedene Ergebnisansichten, so dass es einfach ist, Spannungsverteilungen und Spannungsänderungen unter dem Fundament sowie Verformungsmuster unter Arbeitslastbedingungen und Versagenszonen, wenn die Belastung die Tragfähigkeit überschreitet, zu beurteilen. Unten sehen wir ein Bild eines typischen Verschiebungsprofils, während das zweite Bild einen typischen Prandtl-ähnlichen Versagensmechanismus zeigt.
Die typische Prandtl-like Fehler-Zone
Zusammenfassung
Herkömmliche Methoden haben zwar eine wichtige Rolle bei geotechnischen Analysen gespielt, sie beruhen jedoch häufig auf großen Annahmen und liefern konservative Ergebnisse. Die Finite-Elemente-Analyse ist für bestimmte Analysen erforderlich, z. B. für den Nachweis der ausreichenden Sicherheit eines geotechnischen Bauwerks gegen Versagen oder für die Vorhersage des Wasserflusses in einen Kofferdamm. Jeder dieser Fälle erfordert einen einzigartigen Ansatz, der nicht allein mit empirischen Methoden gelöst werden kann; die Finite-Elemente-Analyse liefert die notwendigen Berechnungen für ausreichend genaue Vorhersagen.
Dr. Fermín Sanchez Reyes von México Subterráneo A.C. ist bekannt für seine Arbeit im unterirdischen Bauwesen in Lateinamerika und Spanien, vor allem im Tunnelbau und Straßenbau, sowie für seine Studien zur Felsmechanik.
Engl. Original-Text by Carlos Correa, Bentley Systems, Aug 19th, 2022
