Mit dem Ziel der Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung von sandigen Böden beschäftigt sich diese Arbeit mit aktuellen Methoden zur Bestimmung der Stoffparameter für das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen. Mit seiner Dissertation zu dem Thema „Hypoplastizität und Granulometrie einfacher Korngerüste“ etablierte HERLE (1997) eine bis heute weitestgehend übernommene Methode zur Ermittlung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells aus bodenmechanischen Standardversuchen. In den letzten Jahren wurden weitere Ansätze entwickelt, die auf den Überlegungen von HERLE beruhen [...]. Mit dem Minimalistic Experimental Programme von MAŠÍN (2019) und dem Online-Kalibrierungs-Tool ExCalibre des SOILMODELS-Projekts stehen allen Anwender*innen des Stoffgesetzes zwei Methoden einer solchen vereinfachten Vorgehensweise zur Verfügung. Zudem entspricht die Kalibrierung der Stoffparameter durch Anpassung der Simulationskurven an Messkurven in Element-Test-Simulationen dem Stand der Technik. Eine vergleichende Prüfung der genannten Methoden auf Grundlage der gleichen Versuchsdaten erfolgte bisher nicht. Die unterschiedlichen Parametrisierungsansätze werden in dieser Arbeit am gut dokumentierten und vielfach verwendeten Karlsruhe-Sand getestet. Es werden insgesamt acht Parametersätze ermittelt und dessen Simulationsergebnisse miteinander verglichen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Vorschlag einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells gemacht [...]. Über die Parametrisierung der zusätzlichen fünf Stoffparameter der Erweiterung der intergranularen Dehnungen wird ein aktueller Überblick erarbeitet, da die Durchführung der speziellen erforderlichen bodenmechanischen Laborversuche im Rahmen der Arbeit nicht möglich war.:1 EINFÜHRUNG 2 DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ FÜR NICHTBINDIGE BÖDEN 2.1 MECHANISCHES VERHALTEN VON NICHTBINDIGEN BÖDEN 2.2 HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZE 2.2.1 Allgemeine Formulierung des hypoplastischen Stoffgesetzes nach VON WOLFFERSDORFF 2.2.2 Small Strain Stiffness - Intergranulare Dehnungen nach NIEMUNIS UND HERLE 3 ZUR PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER MIT INTERGRANULAREN DEHNUNGEN 3.1 PARAMETERBESTIMMUNG ANHAND VON LABORVERSUCHEN 3.1.1 Versuche und Methoden zur Parametrisierung der Stoffparameter 3.1.2 Vorschlag eines Prüfprogramms zur Parametrisierung der hypoplastischen Stoffparameter 3.2 PARAMETERKALIBRIERUNG MIT EXCALIBRE 4 BESCHREIBUNG DES NICHTBINDIGEN BODENS UND LABORVERSUCHE 4.1 BESCHREIBUNG DES BODENMATERIALS 4.2 ERLÄUTERUNG DER ERFORDERLICHEN LABORVERSUCHE 4.2.1 Schüttkegelversuch 4.2.2 Ödometerversuch 4.2.3 Triaxialversuch 4.3 LABORVERSUCHE AM KARLSRUHE-SAND 4.3.1 Schüttkegelversuche 4.3.2 Ödometerversuche 4.3.3 Triaxialversuche 5 PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER 5.1 PARAMETRISIERUNG NACH HERLE 5.2 PARAMETRISIERUNG ANHAND VON ELEMENT-TEST-SIMULATIONEN 5.3 PARAMETRISIERUNG MIT EXCALIBRE 5.4 ZUSAMMENFASSUNG DER KALIBRIERTEN PARAMETERSÄTZE 6 VALIDIERUNG DER STOFFPARAMETER 6.1 REFERENZVERSUCHE ZUR VALIDIERUNG DER PARAMETERSÄTZE 6.2 SIMULATIONEN DER REFERENZVERSUCHE 6.3 AUSWERTUNG UND VERGLEICH DER SIMULATIONS- UND MESSKURVEN 6.4 ZUSAMMENFASSUNG DER VALIDIERUNGSERGEBNISSE 7 ENTWICKLUNG DER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG VON SANDIGEN BÖDEN FÜR DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ 7.1 BEURTEILUNG DER UNTERSUCHTEN PARAMETRISIERUNGSANSÄTZE 7.2 VORSCHLAG EINER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG 7.3 FEHLERQUELLEN UND WEITERE UNTERSUCHUNGEN ZUR VALIDIERUNG DES VORSCHLAGS 7.4 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS

The prediction of settlements in infrastructural design puts high demands on the numerical analysis of the subsoil and the associated constitutive model: complex installation processes and the repetitive character of live loads pose considerable challenges. Although in this context the main focus is on the analytical requirements of a geotechnical problem in order to realistically capture soil behaviour, the needs of engineering practice should not be neglected in constitutive modelling. Along these lines, a new soil model for non-cohesive soils has been developed in the theoretical framework of elastoplasticity. Based on the concept of bounding surface plasticity according to Manzari and Dafalias (1997), soil properties such as strength, stiffness and dilatancy depend on the distance between the current stress state and a corresponding model surface in stress space. This way the multi surface model correctly reproduces elementary behavioural patterns of soil, including for example shear related phenomena such as hardening/softening, contraction/dilation and attainment of critical state (constant volume shear strength). Moreover, the model captures the state dependence of soil behaviour (barotropy and pycnotropy). Thus, with only one set of material parameters, the mechanical behaviour of a wide range of initial soil states with respect to stress and void ratio can be simulated (unified modelling). The kinematic hardening mechanism of the conical yield surface contributes to a realistic stiffness evolution in un- and reloading and is hence essential for stress or strain accumulation due to load reversals. Since the chosen modelling framework is suitable for further development, the original formulation has been extended to adapt the model to the defined needs. In order to adequately simulate geotechnically relevant stress paths of low and higher complexity, first of all, a cap shaped yield surface was added to allow for plastic straining not only in shear, but also in constant stress ratio loading (e. g. isotropic or oedometric compression). When it comes to stress paths of unconventional orientation, to load reversals or composed stress paths with changes in loading direction, a supplementary stiffness increase at small strains and its subsequent strain dependent degradation have proven valuable. Furthermore, an additional mechanism accounts for a regressive accumulation of stresses or strains with increasing number of load cycles (in terms of dissipated energy). In view of its suitability for practical use, all model extensions are structured in a modular fashion, so that the complexity of the model (and hence the amount of parameters) can be adapted to the complexity of the geotechnical problem by activating or deactivating certain features. Most model parameters can be determined by conventional laboratory testing. An internal routine optionally facilitates the parameter choice by calibrating certain bounding surface related parameters from an alternative user input, which is more oriented towards experimental outcome. Since a good understanding of a material model is crucial for its reasonable and responsible use, the present thesis aims at offering a sound documentation. Thus, the first part gives an outline of the underlying bounding surface concept and describes the innovations on the constitutive level with reference to theoretical considerations. It is followed by a detailed analysis of capabilities and limitations of the extended model. The next part is dedicated to the numerical implementation of the soil model and its calibration procedure on the basis of laboratory test results. Moreover, the embedded calibration routine including the applied optimisation algorithm is presented. The subsequent section serves model validation: by means of element test simulations, generation of response envelopes as well as the reproduction of more general (e. g. composed) stress paths the performance of the extended bounding surface model is demonstrated. Finally, the last chapter draws conclusions and discloses potential future perspectives.:1 Introduction 1.1 General aspects on constitutive modelling 1.2 Motivation and outline of the thesis 1.3 Basic assumptions and terminology 2 Literature review 2.1 From elastoplasticity to bounding surface plasticity 2.1.1 Bounding surface model according to Manzari and Dafalias (1997) 2.2 Further development of the original model 2.2.1 Papadimitriou and Bouckovalas (2002) 2.2.2 Taiebat and Dafalias (2008) 2.3 Small strain stiffness 2.3.1 Observations 2.3.2 Micromechanical considerations 2.3.3 Very small strain shear modulus G0 2.3.4 Constitutive modelling approaches 2.4 Dilatancy 3 The extended bounding surface model 3.1 Fundamental capabilities of the bounding surface concept 3.1.1 Elastic region 3.1.2 Critical state 3.1.3 Shear strength 3.1.4 Shear stiffness (monotonic) 3.1.5 Contractancy and dilatancy 3.1.6 Barotropy and pycnotropy 3.1.7 Compressive stiffness 3.1.8 Shear stiffness in reversed loading 3.1.9 Additional features 3.2 New features of the extended bounding surface model 3.2.1 Minor modifications 3.2.2 Dilatancy formulation 3.2.3 Cap yield surface 3.2.4 Small strain stiffness mechanism 3.2.5 Cyclic loading mechanism 3.2.6 Summary 3.3 Limitations of the bounding surface model 3.3.1 Intrinsic insuffciencies of the bounding surface concept 3.3.2 Remaining shortcomings of the advanced model version 3.3.3 Newly introduced deficiencies 4 The numerical model and its calibration procedure 4.1 Octave implementation of an element test programme 4.2 Calibration procedure 4.2.1 Sands for calibration 4.2.2 Calibration of basic parameters 4.2.3 Calibration of extended model parameters 4.3 User friendly calibration routine 4.3.1 Conceptual background 4.3.2 Optimisation algorithm 5 Performance of the extended bounding surface model 5.1 Model performance in element tests 5.1.1 Monotonic drained triaxial compression test 5.1.2 Monotonic undrained triaxial compression test 5.1.3 Monotonic eta-constant tests 5.2 Model performance in non-standard triaxial testing 5.2.1 Concept of response envelopes 5.2.2 Simulation of response envelopes 5.3 Model performance on general stress paths 5.3.1 Triaxial compression at small strains 5.3.2 Cyclic triaxial loading 6 Conclusions and perspectives 6.1 Conclusions 6.2 Future perspectives Bibliography Appendices A Mathematical background A.1 Fundamental equations of elastoplasticity A.2 Compilation of major constitutive equations (multiaxial formulation) A.3 Elastoplastic stiffness matrix for singular yield surfaces A.4 Coefficient matrices S and E for loading constraints A.5 Derivation of Mcap and Hcap A.6 Intergranular strain adjustment A.7 Intergranular strain correlation B Details on particle swarm optimisation C Compilation of simulation results C.1 Monotonic triaxial loading C.1.1 Toyoura sand C.1.2 Sacramento River sand C.1.3 Hostun sand C.2 Monotonic eta-constant loading C.2.1 Sacramento River sand C.2.2 Hostun sand C.3 Cyclic triaxial loading / Die Prognose von Setzungen für die Bemessung von Infrastrukturbauwerken stellt hohe Anforderungen an die numerische Untersuchung des Baugrunds und das damit verbundene Stoffgesetz: komplexe Herstellungsprozesse und zyklisch wiederkehrende Verkehrslasten stellen beachtliche Herausforderungen dar. Während das Hauptaugenmerk zumeist auf der realitätsnahen Abbildung des Bodenverhaltens liegt und damit die analytischen Anforderungen des geotechnischen Problems im Fokus stehen, sollten die Bedürfnisse der Ingenieurspraxis in der Stoffgesetzmodellierung nicht außer Acht gelassen werden. In diesem Sinne wurde im Rahmen der Elastoplastizität ein neues Materialmodell für nichtbindige Böden entwickelt. Auf dem Konzept der Bounding Surface Plastizität nach Manzari und Dafalias (1997) beruhend, sind Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Dilatanz Funktion des Abstands zwischen aktuellem Spannungszustand und einer zugeordneten Modellfläche im Spannungsraum. Auf diese Weise bildet das Mehrflächenmodell fundamentale Verhaltensmuster von Boden korrekt ab, einschließlich beispielsweise scherbezogener Phänomene wie Ver- und Entfestigung, Kontraktanz und Dilatanz oder das Erreichen des kritischen Zustands (Scherfestigkeit bei konstantem Volumen). Des Weiteren erfasst das Modell die Zustandsabhängigkeit des Bodenverhaltens (Barotropie und Pyknotropie). So kann mit nur einem Parametersatz das mechanische Verhalten einer großen Spannweite unterschiedlicher Anfangszustände hinsichtlich Spannung und Lagerungsdichte simuliert werden. Der kinematische Verfestigungsmechanismus der konusförmigen Fließfläche trägt bei Ent- und Wiederbelastungen zu einer realistischeren Steifigkeitsentwicklung bei und ist damit von essenzieller Bedeutung für die Akkumulation von Spannungen oder Verformungen infolge von Lastwechseln. Da sich der gewählte konstitutive Rahmen für Weiterentwicklungen eignet, wurde die ursprüngliche Formulierung des Stoffgesetzes erweitert, um das Modell an die definierten Anforderungen anzupassen. Um geotechnisch relevante Spannungspfade niedriger und höherer Komplexität adäquat reproduzieren zu können, wurde zunächst eine kappenförmige Fließfläche ergänzt. So können irreversible Verformungen nicht nur bei Scherung, sondern auch bei Belastungen ohne Änderung des Spannungsverhältnisses, wie z. B. bei isotroper oder ödometrischer Kompression, auftreten. Bei Spannungspfaden ungewöhnlicher Orientierung, bei Lastwechseln oder zusammengesetzten Spannungspfaden mit Änderung der Belastungsrichtung hat sich eine erhöhte Steifigkeit bei kleinen Dehnungen mit anschließendem dehnungsabhängigen Abfall als nützlich erwiesen. Darüber hinaus berücksichtigt ein zusätzlicher Mechanismus die rückläufige Akkumulation von Spannung oder Verformung mit zunehmender Zyklenanzahl (mittels dissipierter Energie). Im Hinblick auf die Eignung des Stoffgesetzes für die Praxis ist das Modell modular aufgebaut. So kann die Komplexität des Modells (und damit die Anzahl der Parameter) durch Ein- und Ausschalten bestimmter Erweiterungen an die Komplexität des geotechnischen Problems angepasst werden. Die Mehrzahl der Modellparameter wird mit Hilfe konventioneller Laborversuche bestimmt. Eine interne Routine erleichtert durch die Kalibrierung bestimmter Bounding Surface bezogener Größen anhand eines alternativen, stärker an Versuchsergebnissen orientierten User-Inputs bei Bedarf die Parameterwahl. Da die Kenntnis eines Stoffgesetzes entscheidend ist für dessen vernünftigen und verantwortungsvollen Einsatz, soll die vorliegende Arbeit eine fundierte und umfassende Dokumentation bieten. Der erste Teil vermittelt daher zunächst einen Überblick über das zugrunde liegende Bounding Surface Konzept und beschreibt die Neuerungen auf konstitutiver Ebene mit Bezug auf theoretische Hintergründe. Er wird gefolgt von einer detaillierten Darlegung von Potenzialen und Einschränkungen für die Nutzung des erweiterten Modells. Der nächste Abschnitt widmet sich der numerischen Implementierung des Stoffgesetzes und seiner Kalibrierung auf Basis von Versuchsergebnissen. Des Weiteren wird die Kalibrierungsroutine einschließlich des verwendeten Optimierungsalgorithmus präsentiert. Der nachfolgende Teil dient der Modellvalidierung: durch die Simulation von Elementversuchen, die Erzeugung von Antwortellipsen sowie die Abbildung allgemeinerer (beispielsweise zusammengesetzter) Spannungspfade wird die Leistungsfähigkeit des erweiterten Bounding Surface Modells demonstriert. Abschließend werden Schlussfolgerungen gezogen und potenzielle Perspektiven aufgezeigt.:1 Introduction 1.1 General aspects on constitutive modelling 1.2 Motivation and outline of the thesis 1.3 Basic assumptions and terminology 2 Literature review 2.1 From elastoplasticity to bounding surface plasticity 2.1.1 Bounding surface model according to Manzari and Dafalias (1997) 2.2 Further development of the original model 2.2.1 Papadimitriou and Bouckovalas (2002) 2.2.2 Taiebat and Dafalias (2008) 2.3 Small strain stiffness 2.3.1 Observations 2.3.2 Micromechanical considerations 2.3.3 Very small strain shear modulus G0 2.3.4 Constitutive modelling approaches 2.4 Dilatancy 3 The extended bounding surface model 3.1 Fundamental capabilities of the bounding surface concept 3.1.1 Elastic region 3.1.2 Critical state 3.1.3 Shear strength 3.1.4 Shear stiffness (monotonic) 3.1.5 Contractancy and dilatancy 3.1.6 Barotropy and pycnotropy 3.1.7 Compressive stiffness 3.1.8 Shear stiffness in reversed loading 3.1.9 Additional features 3.2 New features of the extended bounding surface model 3.2.1 Minor modifications 3.2.2 Dilatancy formulation 3.2.3 Cap yield surface 3.2.4 Small strain stiffness mechanism 3.2.5 Cyclic loading mechanism 3.2.6 Summary 3.3 Limitations of the bounding surface model 3.3.1 Intrinsic insuffciencies of the bounding surface concept 3.3.2 Remaining shortcomings of the advanced model version 3.3.3 Newly introduced deficiencies 4 The numerical model and its calibration procedure 4.1 Octave implementation of an element test programme 4.2 Calibration procedure 4.2.1 Sands for calibration 4.2.2 Calibration of basic parameters 4.2.3 Calibration of extended model parameters 4.3 User friendly calibration routine 4.3.1 Conceptual background 4.3.2 Optimisation algorithm 5 Performance of the extended bounding surface model 5.1 Model performance in element tests 5.1.1 Monotonic drained triaxial compression test 5.1.2 Monotonic undrained triaxial compression test 5.1.3 Monotonic eta-constant tests 5.2 Model performance in non-standard triaxial testing 5.2.1 Concept of response envelopes 5.2.2 Simulation of response envelopes 5.3 Model performance on general stress paths 5.3.1 Triaxial compression at small strains 5.3.2 Cyclic triaxial loading 6 Conclusions and perspectives 6.1 Conclusions 6.2 Future perspectives Bibliography Appendices A Mathematical background A.1 Fundamental equations of elastoplasticity A.2 Compilation of major constitutive equations (multiaxial formulation) A.3 Elastoplastic stiffness matrix for singular yield surfaces A.4 Coefficient matrices S and E for loading constraints A.5 Derivation of Mcap and Hcap A.6 Intergranular strain adjustment A.7 Intergranular strain correlation B Details on particle swarm optimisation C Compilation of simulation results C.1 Monotonic triaxial loading C.1.1 Toyoura sand C.1.2 Sacramento River sand C.1.3 Hostun sand C.2 Monotonic eta-constant loading C.2.1 Sacramento River sand C.2.2 Hostun sand C.3 Cyclic triaxial loading

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind. / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.

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In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie

Der Vortrag beschreibt die Grundlagen der Elasto-Plastizität sowie die softwaretechnische Anwendung mit dem FEM-Programm Creo Simulate bzw. Pro/MECHANICA von PTC. Der erste Teil des Vortrages beschreibt die Charakteristika plastischen Verhaltens, unterschiedliche plastische Materialgesetze, Fließkriterien bei mehrachsiger Beanspruchung und unterschiedliche Verfestigungsmodelle. Im zweiten Vortragsteil werden Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung elasto-plastischer Probleme mit der Software dargestellt sowie Anwendungstipps gegeben. Im dritten Vortragsteil schließlich werden verschiedene Beispiele vorgestellt, davon besonders ausführlich das Verhalten einer einachsigen elasto-plastischen Zugprobe vor und nach dem Eintreten der Einschnürdehnung. / This presentation describes the basics of elasto-plasticity and its application with the finite element software Creo Simulate (formerly Pro/MECHANICA) from PTC. The first part describes the characteristics of plastic behavior, different plastic material laws, yield criteria for multiaxial stress states and different hardening models. In the second part, the opportunities and limitations of analyzing elasto-plastic problems with the FEM-code are described and user information is provided. The last part finally presents different examples. Deeply treated is the behavior of a uniaxial tensile test specimen before and after elongation with necking appears.

Der Vortrag beschreibt die Grundlagen der Elasto-Plastizität sowie die softwaretechnische Anwendung mit dem FEM-Programm Creo Simulate bzw. Pro/MECHANICA von PTC. Der erste Teil des Vortrages beschreibt die Charakteristika plastischen Verhaltens, unterschiedliche plastische Materialgesetze, Fließkriterien bei mehrachsiger Beanspruchung und unterschiedliche Verfestigungsmodelle. Im zweiten Vortragsteil werden Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung elasto-plastischer Probleme mit der Software dargestellt sowie Anwendungstipps gegeben. Im dritten Vortragsteil schließlich werden verschiedene Beispiele vorgestellt, davon besonders ausführlich das Verhalten einer einachsigen elasto-plastischen Zugprobe vor und nach dem Eintreten der Einschnürdehnung. / This presentation describes the basics of elasto-plasticity and its application with the finite element software Creo Simulate (formerly Pro/MECHANICA) from PTC. The first part describes the characteristics of plastic behavior, different plastic material laws, yield criteria for multiaxial stress states and different hardening models. In the second part, the opportunities and limitations of analyzing elasto-plastic problems with the FEM-code are described and user information is provided. The last part finally presents different examples. Deeply treated is the behavior of a uniaxial tensile test specimen before and after elongation with necking appears.

Der Vortrag beschreibt wie sich mittels der unterschiedlichen Berechnungsverfahren zur Lösung dynamischer Strukturpobleme der Einschlag eines idealisierten Bruchstücks in eine Schutzwand berechnen lässt. Dies wird mittels zweier kommerzieller FEM-Programme beschrieben: a.) Creo Simulate nutzt zur Lösung die Methode der modalen Superposition, d.h., es können nur lineare dynamische Systeme mit rein modaler Dämpfung berechnet werden. Kontakt zwischen zwei Bauteilen lässt sich damit nicht erfassen. Die unbekannte Kraft-Zeit-Funktion des Einschlagvorganges muss also geeignet abgeschätzt und als äußere Last auf die Schutzwand aufgebracht werden. Je dynamischer der Einschlagvorgang, desto eher wird der Gültigkeitsbereich des zugrunde liegenden linearen Modells verlassen. b.) Abaqus/Explicit nutzt ein direktes Zeitintegrationsverfahren zur schrittweisen Lösung der zugrunde liegenden Differentialgleichung, die keine tangentiale Steifigkeitsmatrix benötigt. Damit können sowohl Materialnichtlinearitäten als auch Kontakt geeignet erfasst und damit die Kraft-Zeit-Funktion des Einschlages ermittelt werden. Auch bei extrem hochdynamischen Vorgängen liefert diese Methode ein gutes Ergebnis. Es müssen dafür jedoch weit mehr Werkstoffdaten bekannt sein, um das nichtlineare elasto-plastische Materialverhalten mit Schädigungseffekten korrekt zu beschreiben. Die Schwierigkeiten der Werkstoffdatenbestimmung werden in den Grundlagen erläutert. / The presentation describes how to analyze the impact of an idealized fragment into a stell protective panel with different dynamic analysis methods. Two different commercial Finite Element codes are used for this: a.) Creo Simulate: This code uses the method of modal superposition for analyzing the dynamic response of linear dynamic systems. Therefore, only modal damping and no contact can be used. The unknown force-vs.-time curve of the impact event cannot be computed, but must be assumed and applied as external force to the steel protective panel. As more dynamic the impact, as sooner the range of validity of the underlying linear model is left. b.) Abaqus/Explicit: This code uses a direct integration method for an incremental (step by step) solution of the underlying differential equation, which does not need a tangential stiffness matrix. In this way, matieral nonlinearities as well as contact can be obtained as one result of the FEM analysis. Even for extremely high-dynamic impacts, good results can be obtained. But, the nonlinear elasto-plastic material behavior with damage initiation and damage evolution must be characterized with a lot of effort. The principal difficulties of the material characterization are described.

Der Vortrag beschreibt wie sich mittels der unterschiedlichen Berechnungsverfahren zur Lösung dynamischer Strukturpobleme der Einschlag eines idealisierten Bruchstücks in eine Schutzwand berechnen lässt. Dies wird mittels zweier kommerzieller FEM-Programme beschrieben: a.) Creo Simulate nutzt zur Lösung die Methode der modalen Superposition, d.h., es können nur lineare dynamische Systeme mit rein modaler Dämpfung berechnet werden. Kontakt zwischen zwei Bauteilen lässt sich damit nicht erfassen. Die unbekannte Kraft-Zeit-Funktion des Einschlagvorganges muss also geeignet abgeschätzt und als äußere Last auf die Schutzwand aufgebracht werden. Je dynamischer der Einschlagvorgang, desto eher wird der Gültigkeitsbereich des zugrunde liegenden linearen Modells verlassen. b.) Abaqus/Explicit nutzt ein direktes Zeitintegrationsverfahren zur schrittweisen Lösung der zugrunde liegenden Differentialgleichung, die keine tangentiale Steifigkeitsmatrix benötigt. Damit können sowohl Materialnichtlinearitäten als auch Kontakt geeignet erfasst und damit die Kraft-Zeit-Funktion des Einschlages ermittelt werden. Auch bei extrem hochdynamischen Vorgängen liefert diese Methode ein gutes Ergebnis. Es müssen dafür jedoch weit mehr Werkstoffdaten bekannt sein, um das nichtlineare elasto-plastische Materialverhalten mit Schädigungseffekten korrekt zu beschreiben. Die Schwierigkeiten der Werkstoffdatenbestimmung werden in den Grundlagen erläutert. / The presentation describes how to analyze the impact of an idealized fragment into a stell protective panel with different dynamic analysis methods. Two different commercial Finite Element codes are used for this: a.) Creo Simulate: This code uses the method of modal superposition for analyzing the dynamic response of linear dynamic systems. Therefore, only modal damping and no contact can be used. The unknown force-vs.-time curve of the impact event cannot be computed, but must be assumed and applied as external force to the steel protective panel. As more dynamic the impact, as sooner the range of validity of the underlying linear model is left. b.) Abaqus/Explicit: This code uses a direct integration method for an incremental (step by step) solution of the underlying differential equation, which does not need a tangential stiffness matrix. In this way, matieral nonlinearities as well as contact can be obtained as one result of the FEM analysis. Even for extremely high-dynamic impacts, good results can be obtained. But, the nonlinear elasto-plastic material behavior with damage initiation and damage evolution must be characterized with a lot of effort. The principal difficulties of the material characterization are described.