Numerische und experimentelle Entwicklung eines “Accelerated Repeated Rolling Wheel Load Simulator” (ARROWS)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske; Professor Dr.-Ing. Markus Oeser
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414936990

In der rechnerischen Dimensionierung von flexiblen Verkehrswegebefestigungen hinsichtlich bewegter Lasten wird besonderes Augenmerk auf eine realitätsnahe Beschreibung von Ermüdungserscheinungen in Asphaltschichten infolge von Zugspannungen gelegt. Überschreitet die resultierende äußere Beanspruchung die Ermüdungsbeständigkeit des Asphalts, entstehen Ermüdungsrisse. Die Mikro- und Makro-Rissinitiierung ist temperatur- und spannungsabhängig. Derzeitige experimentelle Versuche weisen allerdings Spannungszustände und Mechanismen der Rissfortschreitung auf, die von den Zuständen in realen Befestigungen stark abweichen. Numerische Ansätze beschränken sich auf Teilphänomene oder weisen Entwicklungspotenzial hinsichtlich der Rissabbildung auf. Aus diesen Gründen wird in dem vorgeschlagenen Forschungsprojekt ein numerisch-experimenteller Ansatz zur Untersuchung und wirklichkeitsnahen Nachbildung der Belastung von Asphaltschichten unter bewegten Lasten angestrebt. Die numerische und experimentelle Entwicklung eines “Accelerated Repeated Rolling Wheel Load Simulator” (ARROWS) bildet den Kern des Forschungsvorhabens, um zutreffende Aussagen zur Lebensdauer und zur Ermüdungsanfälligkeit von Straßenaufbauten mit Asphaltschichten zu erzielen. Hierbei wird insbesondere auf die möglichst realitätsnahe Abbildung der Rissentstehung und der Rissfortpflanzung unter realer Lastgröße, Lastgeschwindigkeit und Lastfolge fokussiert.In der ersten Phase des gemeinsamen Forschungsprojekts soll der numerische Nachweis (Simulation des Belastungszustands aus stationärem Rollvorgang / Simulation der transienten Belastung durch die zu entwickelnde ARROWS Versuchsgerät) erbracht und die Belastungszustände miteinander verglichen werden. Gleichzeitig findet die numerische Konzeption des Versuchsgerätes (Ausführungsdetails, Betriebsfestigkeit) statt. Darüber hinaus wird an der experimentellen Konzeption des Gerätes gearbeitet. Forschungsschwerpunkt ist die experimentelle Charakterisierung und die numerische Erfassung der Schädigungs- und Heilungsphänomene von Asphaltgemischen in Fahrbahnaufbauten unter bewegter Belastung. Darauf aufbauend soll eine numerische Methode zur Langzeitvorhersage mit großer Anzahl an Lastwechseln und langer Versuchszeit bereitgestellt werden. Für die Identifikation von Modellparametern werden Versuche zur Beschreibung des Kurz- und Langzeitverhaltens von Asphalt (Material und Struktur) ausgeführt. Erste Strukturversuche erlauben die Beurteilung der Vorhersagequalität des Simulationsansatzes für Langzeitverhalten durch Echtzeit- und beschleunigte Untersuchungen anhand des Baus eines maßstäblichen ARROWS Laborgerätes. Aufbauend auf den erhaltenen Erkenntnissen wird die Überprüfung der Übertragbarkeit der Annahmen auf das ARROWS Gerät im Realmaßstab ausgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen