Mikrostrukturell begründetes Materialmodell für das Verformungsverhalten von Asphalt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die Planung, Bemessung und Erhaltung von Asphaltstraßen sind Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise sowie Lebensdaueranalysen erforderlich. Die Dimensionierung von Straßenquerschnitten erfolgt zur Zeit vorwiegend auf Grundlage empirischer Ansätze sowie mit Erfahrungswerten aus Experiment, Bau und Nutzung von Verkehrsflächenbefestigungen. Empirische Ansätze für die Lebensdauerprognose können jedoch nur einen relativ kleinen Zeitraum prognostizieren, sodass die für die langfristige Erhaltung von Straßen erforderlichen Informationen und Daten mit einem Bauwerksmonitoring erzeugt werden müssen. Die Untersuchung und die Prognose des Trag- und Verformungsverhaltens ist mit modernen numerischen Verfahren möglich, wenn Materialmodelle für das thermomechanische Verhalten von Asphalt vorliegen und für Strukturberechnungen einsetzbar sind. Hierfür sind physikalisch begründete Modelle geeignet, die das Deformationsverhalten des Verbundwerkstoffes Asphalt sowie den Schichtaufbau unter realen Bedingungen simulieren können. Prognosemodelle, die das komplexe Verhalten des Verbundwerkstoffs beschreiben können, können im Rahmen der Kontinuumsmechanik entwickelt werden, da hiermit die vielschichtigen Phänomene auf den unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen realitätsnah beschreibbar sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Verifikation von Prognosemodellen zur computergestützten Dimensionierung realer Straßenquerschnitte. Die Modelle sollen das Materialverhalten der Deck- und Tragschichten sowie die Einwirkungen aus Verkehrslasten und Temperatur berücksichtigen. Grundlage des entwickelten Mehrkomponentenmodells für Asphalt sind die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie, welche im Rahmen der um das Konzept der Volumenanteile erweiterten Mischungstheorie formuliert sind. Die für das Modell notwendigen konstitutiven Gleichungen für die Spannungen der Einzelkomponenten Bindemittel und Mineralstoff sind kontinuumsmechanisch begründet formuliert. Die Modellparameter werden auf Basis eines eigens entwickelten Versuchsprogramms bestimmt. Für das Zusammenwirken der Komponenten im Verbundwerkstoff werden eigene Ansätze entwickelt. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt mit der Finite-Elemente-Methode. Die Erprobung des Gesamtmodells erfolgt an Asphalt-Straßenquerschnitten für praktisch relevante Wärmeeinwirkungen und Verkehrslasten. Das Verformungsverhalten von Asphaltwerkstoffen bei unterschiedlichen Temperaturen und für unterschiedliche Mischungsverhältnisse wird einheitlich mit einem Verbundmodell auf Basis der Mischungstheorie beschrieben. Das hypoplastische Modell für die Mineralstoffkomponente wird für alternierende Beanspruchungen erweitert, das Modell für die Bindemittelkomponente wird auf einen fraktionalen Maxwell-Körper vereinfacht. Nach der systematischen Aufbereitung der experimentellen Daten in einer neu konzipierten Datenbank erfolgt die Ermittlung der Modellparameter in Abhängigkeit von Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit. Für die richtige Beschreibung des Verbundverhaltens der Komponenten und die daraus folgende erhöhte Tragfähigkeit des Werkstoffs ist eine Modifikation des Standardverbundmodells erforderlich. Mit einer FEM-Analyse der thermomechanischen Beanspruchungszustände in Straßenkörpern kann die Spurrinnenbildung beschrieben werden. Die experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Verbundwerkstoff Asphalt wesentlich andere Eigenschaften aufweist als die einzelnen Komponenten und die Summe der Komponenten. Die Modellbildung des Verhaltens im Rahmen der Mischungstheorie erfordert daher gänzlich neue Ansätze, die das unterschiedliche Verhalten der Komponenten Bitumen und Mineralstoff im Verbundwerkstoff berücksichtigen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Deformation Behaviour of Two-component Continua with Independent Displacement Fields. 2nd GACM Colloquium on Computational Mechanics 2007, München
B. Brodersen, U. Kowalsky, and D. Dinkler
- Material Model Describing Inelastic Behaviour of Asphalt Mixtures Using Multi-component Continuum Mechanics. IX International Conference on Computational Plasticity (COMPLAS) 2007, Barcelona, Spanien
B. Brodersen and D. Dinkler
- 4th Biot Conference on Poromechanics 2009, New York, USA (Proceedings) A Continuum Mechanical Multi-Component Model for Asphalt Mixtures - Part I: Experiments for Parameter Identification and Model Verification
K. Mollenhauer, K. Metzker, H. Lorenzl, M. Wistuba
- 4th Biot Conference on Poromechanics 2009, New York, USA (Proceedings) A Continuum Mechanical Multi-Component Model for Asphalt Mixtures - Part II: Parameter Identification and Simulation
B. Brodersen, U. Kowalsky, D. Dinkler
