The aim of this thesis is an analysis of the construction of a trailer used for transporting concrete pillars. The main part of the thesis is focused on frame construction. For the calculation of load states a multi body system was used, whereby a simulation of transport in terrain was performed. The results from these calculations will be used as limiting conditions for strength control. The method of solution is the finite element method. All acquired results will be analysed and according to them changes will be made to the frame construction. In addition to this, the thesis contains drawings documenting the above-mentioned changes.

The proposed dissertation thesis contains an analysis of conditions on the boundary between layers having varied electromagnetic properties. The research is performed using consistent theoretical derivation of analytical formulas, and the underlying problem is considered also in view of multiple boundaries including the effect of the propagation of electromagnetic waves having different instantaneous speed. The author presents a survey and formulation of the basic characteristics of methods used for electromagnetic wave propagation analysis; in this respect, special emphasis is placed on radial models. The processing of the topic involved the designing and verification (using a set of different, layered planar materials) of algorithms to analyze the electromagnetic field components. The algorithm was assembled to enable simple evaluation of all components of the electromagnetic field in relation to the speed of the wave propagation in a heterogeneous environment. The proposed algorithms are compared by means of different numerical methods for the modelling of electromagnetic waves on the boundary between materials; moreover, electromagnetic field components in common points of the model were also subject to comparison. When in conjunction with tools facilitating the analysis of material response to the source of a continuous signal, the algorithms constitute a supplementary instrument for the design of a layered material. Such design enables the realization of, for example, recoilless plane, recoilless transition between different types of environment, and filters for both optical and radio frequencies.

Im Vertrag wird die numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens präsentiert. Schwerpunkte bilden hierbei die Bestimmung der Materialdaten und die anschließende Implementierung in das Simulationsmodell sowie die Modellierung des Prozesses. Es wird auf numerische Besonderheiten, wie die Kontaktabbildung zwischen den Blechen und der Klebstoffschicht sowie auf die Trennung der Klebstoffschicht und die damit verbundene Bildung von Klebstofftaschen, eingegangen. Weiterhin werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die Hinterschnittausbildung zwischen den Blechen zu ermöglichen und hierdurch die Handhabungsfestigkeit der Hybridverbindung zu gewährleisten. Abschließend erfolgen die experimentelle Validierung ausgewählter Verfahrensparameter sowie die Bestimmung der mechanischen Verbindungskennwerte.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines geeigneten Simulationswerkzeuges für die numerische Untersuchung der beim Rollkontakt zwischen Rad und Schiene auftretenden Phänomene. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der kontinuumsmechanischen Formulierung des mechanischen Feldproblems kontaktierender Körper sowie dessen numerischer Lösung mittels der Finite-Element-Methode. Zur Reduzierung des bei der Simulation von Rollkontakt aus der notwendigen sehr feinen Diskretisierung der Kontaktgebiete resultierenden numerischen Aufwandes wird eine relativkinematische Beschreibung herangezogen. Diese gemischte LAGRANGE-EULER-Betrachtungsweise beruht auf der Zerlegung der Bewegung in einen Starrkörperanteil und eine dazu relative Deformation. Die Herleitung der Bewegungsgleichung für das Kontaktproblem erfordert die relativkinematische Formulierung der kontinuumsmechanischen Grundgleichungen, d.h. der Bilanzgleichungen sowie der konstitutiven Beziehungen. Eine geeignete Kontaktmechanik einschließlich der Berücksichtigung des Kontakts rauer Oberflächen und veränderlicher Kontaktrandbedingungen ist ebenfalls notwendig. Die physikalische Einbindung der Körper in die Umgebung erfolgt über NEUMANNsche und DIRICHLETsche Randbedingungen. Auf dieser Basis können die Bewegungsgleichungen der Elastomechanik hergeleitet werden, welche sich jedoch einer analytischen Lösung verschließen. Somit werden sie in ihrer schwachen Form im integralen Mittel formuliert, was der Anwendung des Prinzips der virtuellen Verschiebungen als Ausgangspunkt für die numerische Lösung entspricht. Die rechentechnische Umsetzung erfordert die inkrementelle und diskrete Formulierung der Bewegungsgleichungen unter besonderer Beachtung der Trägheits-und Kontaktterme, wobei auf die Unterscheidung zwischen Haften und Gleiten beim Tangentialkontakt besonderes Augenmerk gelegt wird. Die numerische Lösung des Finite-Element-Gleichungssystems liefert den aktuellen Beanspruchungszustand zweier Körper im Rollkontakt. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Algorithmen wird abschließend anhand aussagekräftiger Beispielrechnungen zum statischen Kontakt und zum stationären Rollkontakt demonstriert, deren Ergebnisse gute Übereinstimmung mit analytischen Vergleichslösungen, soweit verfügbar, aufweisen. / Scope of this work is the preparation of a suitable simulation tool for the numerical investigation of rolling contact phenomena. The main focus lies on the continuum–mechanical formulation of the mechanical field problem of contacting bodies and its numerical solution within the framework of the Finite Element Method. For reducing the numerical effort in rolling contact simulation, induced by the necessity of a very fine discretization within the expected contact area, a relative–kinematical description is utilized. This arbitrary LAGRANGian–EULERian approach is based upon the decomposition of the total motion into a rigid body motion and a superimposed deformation. The derivation of the equation of motion for the contact problem requires the relative–kinematical formulation of the continuum–mechanical fundamental equations, i. e. the balance equations and the constitutive relations. A suitable contact model including the contact of rough surfaces and varying contact boundary conditions is also necessary. The physical embedding into the environment is accomplished by NEUMANN and DIRICHLET boundary conditions. Based upon that foundation the elastomechanics’ equations of motion are derived, which however can not be solved analytically in general. Hence, the equations of motion are transferred into their weak form by the application of the principle of virtual displacements serving for the numerical solution. The implementation of the problem demands for an incremental and discrete formulation of the equations, especially regarding the terms of inertia and the contact terms. Thereby, special attention has to be paid to the distinction between sticking and sliding within the framework of the tangential contact analysis. The numerical solution of the finite elements’ system of equations provides the state of stress, displacement and contact of two bodies in rolling contact. The reliability of the developed algorithms is finally verified by means of meaningful numerical examples for both static contact and for stationary rolling contact, whereby the numerical results coincide well with available analytical reference solutions.

Above ground steel storage tanks are used worldwide for the storage of various liquids. EN 14015:2005, which has traditionally been used to design the tanks, does not necessarily fulfil the requirements of the Swedish Building Code. This has been underlined by hand calculation models in EN 1993-1-6:2007, EN 1993-4-2:2007 and numerical analysis using Finite Element Method (FEM). Therefore, this thesis investigates the differences between these design models and, preliminarily, the use of high-strength steel in tank shells. A 10600 m3 cylindrical steel tank of diameter 26 m and height of 21 m located in Gothenburg, Sweden is studied. The study is limited to the assessment of the stress in the shell courses due to the hydrostatic pressure from the fluid action of a filled tank, and the buckling behaviour of the shell courses of an empty tank subjected to self-weight, snow and wind loads. Particularly, models of the tank shell with a yield strength of 355 MPa are investigated in detail, while the results of the 700 MPa model are considered as preliminary study, since the material is currently not used for tank shells. An analysis of the fluid action on the tank shell courses in each of the three hand calculation models, showed that the EN 14015 model utilizes thicker courses than both Eurocodes. One benefit of the Eurocode models is that they do not limit the thickness of the shell courses, but it is still necessary to have thicker courses in the upper part of the tank in order to achieve sufficient resistance against buckling. EN 14015:2005, on the other hand, limits the minimum thickness to 6 mm for the investigated tank. Furthermore, only EN 1993-1-6 is applicable to the models with a yield strength of 700 MPa as per EN 1993-1-12 and this resulted in a uniform shell thickness of 6 mm. However, an increase in yield strength has no buckling benefits whatsoever.  Buckling is the most critical aspect as observed in this study. EN 14015 has no specific buckling calculations but uses the approach of determining the number of stiffening rings which are deemed adequate against buckling. In this study, 3 secondary stiffening rings were found to be adequate. In comparison, the results of EN 1993-4-2 are very conservative and lead to a very high and uneconomical number of stiffening rings, ranging from 30 to 52 stiffening rings depending on the reliability class. EN 1993-1-6 resulted in 6-17 stiffening rings, for reliability classes 1-3 and fabrication classes A-C. Therefore, the so-called analytical models in the Eurocodes result in a much denser spacing of stiffening rings than 14015:2005.  The buckling stresses due to the design loads were found to be lower than the yield strength of the tank shells for both hand calculation and FEM models. This means that the tank shells failed in buckling before the yield strength of the material was reached. Based on the parametric study of the EN 1993-1-6 (355 MPa) model regarding reliability class 1 and fabrication class A using FEM, the spacing of the stiffening rings can be increased up to 60 % (from 3825 mm to 6120 mm) with the variable loads also increased simultaneously up to 3.8 times before the shell buckles. Therefore, the design of future tanks using numerical analysis guarantee’s more reliability than all the aforementioned standards.  The design for buckling according to EN 14015 is only valid for a design snow load and under-pressure ≤ 1.2 KN/m2. However, according to the standard itis possible to agree to use it for larger actions or use another design model for buckling.

This document is focused on the elucidation of embankment deformation nearby žst. Valašská Polanka, with subsequent proposal of remediation measures, for which the own software and commercial software Plaxis 2D were used.

TBI stands for Traumatic Brain Injury and refers to damage to the brain resulting from an external physical force, such as a blow, jolt, or penetrating injury to the head. Common causes of TBI include falls, motor vehicle accidents, sports injuries, and violence and has been linked to thousands of deaths and injuries in the US and the EU alike. This thesis was aimed to localise certain TBI to a specific part of the brain by exerting similar loading conditions on an Finite Element Method (FEM) of the rat brain as physical experiments conducted on living rats. By comparing the strain in 7 vital parts of the brain to injury diagnosis conducted in the physical experiments, an effort was made to link localised strain to injury diagnosis. The results indicate that strain in the thalamus and hypothalamus are linked with a loss of consciousness while strain in the hypothalamus coupled with the neocortex correlates greatly with activity-based behaviour changes. Lastly, injury associated with emotional changes are believed to stem from large strains in the neocortex. There is a theory suggesting that the structure of myeline, which provides support in motion and movement patterns of biological systems in humans and animals (known as biomechanical kinematics), could have an impact. However, more studies are needed to confirm and determine the exact cause. / TBI, från engelskans Traumatic Brain Injury, står för Traumatisk Hjärn Skada och syftar på en skada i hjärnan till följd av enyttre fysisk kraft, såsom ett slag, stöt eller genomträngande skada i huvudet. Vanliga orsaker till TBI inkluderar fall, motorfordonsolyckor, sportskador och våld och har kopplats till tusentals dödsfall och skadade i både USA och EU. Denna rapport syftar till att försöka lokalisera viss TBI till en specifik del av hjärnan genom att utöva liknandebelastningsförhållanden på en finit elementmetod (FEM) modell av råtthjärnan som fysiska experimentutförs på levande råttor. Genom att jämföra belastningen i 7 vitala delar av hjärnan med skadediagnos som utfördes i de fysiska experimenten gjordes en ansträngning för att koppla lokaliserad belastning till skadediagnos. Resultaten indikerar att skada i thalamus och hypotalamus är kopplade till en förlust av medvetande medan belastning i hypotalamus i kombination med neocortex korrelerar kraftigtmed aktivitetsbaserade beteendeförändringar. Slutligen är skador i samband med känslomässiga förändringartros härröra från skada i neocortex. Det finns teori som tyder på attstruktur av myelin, som ger stöd i rörelse och rörelsemönster av biologiskasystem hos människor och djur (känd som biomekanisk kinematik), kan ha en inverkan.Det behövs dock fler studier för att bekräfta och fastställa den exakta orsaken.

Tesis por compendio / [ES] Existe una extensa red de líneas ferroviarias electrificadas en todo el mundo. La mayoría de ellas utilizan líneas aéreas de contacto o catenarias para suministrar electricidad a los trenes. Las catenarias son estructuras de cables ubicadas sobre las vías ferroviarias, diseñadas para ser contactadas por los pantógrafos que se encuentran sobre la parte superior de los trenes. El correcto funcionamiento del sistema requiere un alto nivel de exigencia, especialmente a alta velocidad, cuando la continuidad del contacto se ve comprometida. La herramienta más empleada el sistema pantógrafo-catenaria es el uso de simulaciones numéricas. En particular, el Método de los Elementos Finitos (MEF) es la técnica más extendida para modelar y simular la interacción dinámica del pantógrafo con la catenaria. Después de la etapa de simulación, el pantógrafo y la catenaria tienen que ser testados mediante ensayos experimentales en vía. Sin embargo, existe una alternativa que puede reemplazar esos ensayos con una reducción significativa de costes. Dicha alternativa, llamada Hardware In the Loop (HIL), permite testar pantógrafos en el laboratorio mediante un banco de ensayos que emula la interacción con una catenaria virtual. Diferentes grupos de investigación han implementado HIL; sin embargo, en todos los intentos se han adoptado soluciones de compromiso, lo que demuestra el reto que supone la aplicación de HIL. Esta Tesis pretende avanzar en el campo de ensayos HIL, impulsando las capacidades de la técnica y solventando algunas de las limitaciones encontradas en la literatura. Para ello se proponen dos tipos diferentes de modelos de catenaria para su uso en ensayos HIL. El primero es un modelo analítico basado en un cable tensado con perfil geométrico periódico que proporciona la solución estacionaria del sistema. Este enfoque reduce la complejidad de la catenaria, pero mantiene las principales características que intervienen en la dinámica. El modelo ha demostrado ser útil para explicar el comportamiento fundamental de la catenaria, ayudando a comprender el fenómeno de interferencia entre dos pantógrafos. Este modelo analítico es adecuado para HIL debido a su bajo coste computacional. En el presente trabajo se propone un algoritmo iterativo para utilizar el modelo analítico en HIL. El hecho de que el modelo sea periódico permite la aplicación de una estrategia específica para compensar el retraso del lazo de control. Esta estrategia tiene un excelente rendimiento y precisión, validados al comparar ensayos HIL con simulaciones. La validación se realiza con un peso en el lugar del pantógrafo para eliminar las potenciales diferencias en el modelo. Si bien la precisión alcanzada es buena, el modelo analítico de catenaria carece de fidelidad, lo que ha motivado el desarrollo del siguiente modelo. El segundo modelo de catenaria para ensayos HIL es el Modelo Periódico de Elementos Finitos (MPEF), discretizado con el MEF para evitar adicionales simplificaciones topológicas y estructurales. En la formulación se incluye la condición de periodicidad y la dinámica se resuelve mediante análisis en frecuencia. Además, las no linealidades de la catenaria se consideran en la formulación. Un algoritmo iterativo, similar al utilizado para los ensayos HIL con catenaria analítica, es usado para realizar ensayos HIL con catenarias MPEF. La estrategia anterior de utilización de un peso se emplea para validar el sistema de ensayos, resultando tener una gran precisión. Los resultados son gratificantes debido a la sofisticación del modelo de catenaria, la precisión de los ensayos y la cancelación del retraso. Los ensayos realizados simulan la respuesta de catenarias realistas con la hipótesis simplificativa de periodicidad. Son adecuados para la dinámica de catenarias de vanos iguales en la zona central de cada cantón, sin embargo es necesario seguir realizando esfuerzos para eliminar la condición de periodicidad sin comprometer la precisión de los resultados. / [CA] Existeix una extensa xarxa de línies ferroviàries electrificades a tot el món. La majoria d'elles utilitzen Línies Aèries de Contacte o catenàries per a subministrar electricitat als trens. Les catenàries són estructures de cables situades sobre les vies ferroviàries, dissenyades per a ser contactades pels pantògrafs que es troben sobre la part superior de la locomotora. El correcte funcionament del sistema requereix un alt nivell d'exigència, especialment a alta velocitat, quan la continuïtat del contacte es veu compromesa. L'eina majoritària per el sistema pantògraf-catenària és l'ús de simulacions numèriques. En particular, el Mètode dels Elements Finits (MEF) és la tècnica més usada per a modelar i simular la interacció dinàmica del pantògraf amb la catenària. Aquest mètode permet modelar catenàries. Després de l'etapa de simulació, el pantògraf i les catenàries han de ser testats en assajos experimentals en via. No obstant això, existeix una alternativa que pot reemplaçar eixos assajos amb una reducció significativa de costos. Aquesta alternativa, anomenada Hardware in the Loop (HIL), permet testar pantògrafs en el laboratori amb un banc d'assajos que emula la interacció amb una catenària virtual. Diferents grups d'investigació han implementat HIL; no obstant això, en tots els intents s'han adoptat solucions de compromís, la qual cosa demostra el repte que suposa l'aplicació de HIL. Aquesta Tesi pretén avançar en el camp dels assajos HIL, impulsant les capacitats de la tècnica i solucionant algunes de les limitacions trobades en la literatura. Aquesta Tesi proposa dos tipus diferents de models de catenària per al seu ús en assajos HIL. El primer és un model analític basat en un cable tens amb perfil geomètric periòdic que proporciona la solució estacionària del sistema. Aquest model redueix la complexitat de la catenària, però manté les principals característiques que intervenen en la dinàmica. El model ha demostrat ser útil per a explicar la dinàmica fonamental de la catenària, ajudant a comprendre el fenomen d'interferència entre dos pantògrafs. Aquest model analític és adequat per a realitzar assajos HIL a causa del seu baix cost computacional. Aquest treball proposa un algoritme iteratiu per a utilitzar el model analític en assajos HIL de pantògrafs. El fet que el model siga periòdic permet l'aplicació d'una estratègia específica per a compensar el retard del llaç de control. Aquesta estratègia té un excel·lent rendiment i precisió, validats en comparar assajos HIL amb simulacions numèriques. La validació es realitza amb una massa en el lloc del pantògraf per a eliminar les potencials diferències en el model. Si bé la precisió aconseguida és bona, el model analític de catenària manca de fidelitat, la qual cosa ha motivat el desenvolupament d'un model periòdic més avançat. El segon model de catenària per a assajos HIL és el Model Periòdic d'Elements Finits MPEF, discretitzat amb el MEF per a evitar simplificacions topològiques i estructurals addicionals. El model inclou la condició de periodicitat i la dinàmica es resol mitjançant anàlisi en freqüència. A més, les no linealitats de la catenària es consideren en la formulació. Un algoritme iteratiu, similar a l'utilitzat per als assajos HIL amb catenària analítica, és usat per a realitzar assajos HIL amb catenàries MPEF. L'estratègia anterior d'utilització d'una massa s'empra per a validar el sistema d'assajos, resultant tindre una gran precisió. Els resultats són gratificants a causa de la sofisticació del model de catenària, la precisió dels assajos i la cancel·lació del retard. Els assajos realitzats simulen la resposta de catenàries realistes amb la hipòtesi simplificativa de periodicitat. Són adequats per a la dinàmica de catenàries de vans iguals en la zona central dels seccionaments, no obstant això és necessari continuar fent esforços per a eliminar la condició de periodicitat sense comprometre la precisió dels res / [EN] There is an extensive network of electrified railway lines over the world. Most of them use overhead contact lines or catenaries to provide the trains with electrical power. Catenaries consist of electrified wires placed over the rail track, designed to contact the pantograph placed on the roof of the train. The proper operation of the system is very demanding, especially at high speed, when the continuity of the contact is compromised. The most predominant tool for studying and designing the pantograph-catenary system is the use of numerical simulations. Notably, the Finite Element Method (FEM) is the most popular technique for modelling and simulating the dynamic interaction of the pantograph and the catenary. This method allows modelling catenaries with outstanding fidelity and without any loss of generality. After the simulation stage, the pantograph and the catenaries have to be assessed by in-line experimental tests. However, there is an alternative that can replace those tests with a significant reduction in costs. The alternative method, called Hardware In the Loop (HIL), allows testing pantographs in the laboratory with a test rig that emulates the interaction with a virtual catenary. Different research groups have implemented HIL; however, in every attempt, a compromise solution has been adopted, demonstrating the challenging nature of HIL. This Thesis aims to advance in the field of HIL tests, pushing forward the capabilities of the technique and solving some of the limitations found in the literature. This Thesis proposes two different kinds of catenary models for their use in HIL tests. The first is an analytical model based on a string of periodic geometric profile that accounts for the steady state. It reduces the complexity of the catenary but keeps the main features involved in the dynamic. The model has proven useful in explaining the fundamental dynamics of the catenary, helping understand the interference between two pantographs. This analytical model is suitable for HIL because of its low computational cost. An iterative algorithm is proposed to use the analytical model in HIL. The fact that the model is periodic permits a specific strategy to compensate the control loop delay. This strategy has excellent performance and accuracy, validated by comparing HIL tests with numerical simulations and getting an agreement. This agreement will not be possible if the pantograph model of the simulations is inaccurate. Therefore, the validation is carried out with a weight or mass model in place of the pantograph to eliminate potential differences. Even though the precision achieved is good, the analytical catenary model lacks fidelity, which has motivated the development of a more advanced periodic model. The second catenary model for HIL tests is the Periodic Finite Element Model (PFEM), discretised with FEM to avoid further topological and structural simplifications. The model includes the periodicity condition, and the dynamics are solved by frequency analysis. Furthermore, the catenary non-linearities are considered in the formulation. An iterative algorithm, similar to the one used for the HIL tests with the analytical catenary, is used to realise HIL tests with PFEM catenaries. The previous strategy with a mass model is used to validate the test, confirming great precision. The results are gratifying due to the sophistication of the model, the accuracy of the tests and the cancellation of the delay. The tests simulate the response of realistic catenaries with the simplifying periodicity hypothesis. They are adequate for the dynamic of equal-span catenary at the central zone of every section, but future efforts have to be made to get rid of the periodicity condition while keeping the accuracy of the results. / The authors would like to acknowledge the financial support received from the State Research Agency of the Spanish Science and Innovation Ministry (PID2020- 113458RB-I00) and from the Valencian Regional Government (PROMETEO/2021/046) (PROMETEO/2016/007) and the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (TRA2017-84736-R), also the funds received jointly from the Regional Government of Valencia and the Euro- pean Social Fund, under Grant APOSTD/2019/205 / Gil Romero, J. (2022). Pantograph-Catenary Dynamic Models and their Implementation in Hardware-in-the-Loop Tests [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191501 / Compendio

Straßenaufbauten sind stetig sich ändernden Randbedingungen wie Verkehrsstärke, Achslasten, Achs- und Bereifungskombinationen sowie Klimarandbedingungen ausgesetzt. Um einen Straßenaufbau belastungs- und materialgerecht zu dimensionieren, reichen empirische Verfahren oftmals nicht aus und rechnerische Verfahren werden erforderlich. Hierbei entsteht eine Vielzahl von straßenbautechnischen Fragestellungen, insbesondere die Frage nach der Vali-dierung der Rechenverfahren. Für die im Rahmen der Dimensionierung erforderliche Berechnung der mechanischen Beanspruchungen eines Asphaltstraßenaufbaus stehen die Mehrschichtentheorie, die Finite Elemente Methode (FEM) sowie Hybridverfahren unter Anwendung der FEM und der Fourier Transformation zur Verfügung (SAFEM). Zudem ist nach den Richtlinien zur Dimensionierung eine Vielzahl von Berechnungsschritten durchzuführen, wobei es gilt, die Gesamtberechnungszeit in praxisgerechten Maßen zu halten. Dies kann mit einfachen Modellen und Annahmen wie z.B. statische Belastung und linear-elastisches Materialverhalten erreicht werden. Mit der sensorinstrumentierten Modellstraße in Asphaltbauweise im Maßstab 1:1 bei der Bundesanstalt für Straßenwesen steht eine Versuchsinfrastruktur zur Verfügung, mit der eine Reihe von straßenbautechnischen Fragestellungen beantwortet werden kann und die Lücke zwischen Laborversuch und Beobachtung von Straßen in situ geschlossen werden kann. In einem umfangreichen Versuchsprogramm mit Überfahrten verschiedener Lkw-Konfigurationen bei Variation der Achslasten, der Achs- und Bereifungskombination sowie der Geschwindigkeit als auch Belastung mit dem Falling Weight Deflectometer wurden die Biegedehnungen im Asphalt, die Druckspannungen auf den Schichten ohne Bindemittel, die Oberflächendeflektionen sowie die Asphalttemperaturen gemessen und ausgewertet. Hierbei wurde z.B. das linear-elastische Verhalten zwischen Vertikallast und erzeugter mechanischer Bean-spruchung und somit auch impliziert das linear-elastische Materialverhalten im Rahmen der vorherrschenden Randbedingungen bestätigt. Eine wichtige Komponente ist die Bestimmung der E-Moduli der Asphalte basierend auf den aus den Messsignalen abgeleiteten Belastungsimpulsfrequenzen. Unter Berücksichtigung der adäquaten E-Moduli wurden verschiedene Varianten berechnet und den gemessenen Dehnungen im Asphalt und den Spannungen auf den Schichten ohne Bindemittel gegenübergestellt. Der Vergleich weist eine gute adäquate Annäherung der berechneten an die gemessenen Asphaltdehnungen auf. Somit kann für die Biegedehnungen im Asphalt eine Validierung des „einfachen“, linear-elastischen und statischen Berechnungsmodells mithilfe der SAFEM-Software bestätigt werden.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 10 1.1 Hintergrund und Motivation 10 1.2 Problemstellung und Ziel 12 1.3 Zentrale These 14 1.4 Untersuchungsmethodik 15 2 Theoretische Grundlagen 17 2.1 Allgemeines 17 2.2 Mehrschichtentheorie 20 2.3 Finite Elemente Methode 24 2.4 Stoffmodelle 27 2.4.1 Asphalt 27 2.4.2 Tragschichten bzw. Schichten ohne Bindemittel 29 2.4.3 Hydraulisch gebundene Schichten 30 2.4.4 Untergrund/Unterbau 30 2.5 Schichtenverbund 30 2.6 Elastizitätsmodul, Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 34 2.7 Grundlagen der Dimensionierung von Verkehrsflächenbefestigungen 40 2.7.1 Standardisierte Dimensionierung 40 2.7.2 Rechnerische Dimensionierung 40 2.7.3 Nachweis der Asphalttragschicht 43 2.7.4 Nachweis der Schichten ohne Bindemittel 44 2.7.5 Nachweis der Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln 45 2.8 Computerprogramm SAFEM 46 2.9 Computerprogramm BISAR 48 3 Stand der Wissenschaft und Technik - Literaturanalyse 49 3.1 Großversuche an instrumentierten Versuchsstraßen 49 3.2 Messung von Deflektionen, Dehnungen im Asphalt und Druckspannungen in den ungebundenen Schichten in Straßenaufbauten von Großversuchsanlagen 50 3.3 Fahrzeuggeschwindigkeiten, Belastungsimpulslängen und Belastungsimpulsfrequenzen in Asphaltstraßenaufbauten 57 4 Versuchsaufbau, Sensorik und Versuchsdurchführung 76 4.1 Aufbau der Modellstraße in Asphaltbauweise 76 4.2 Planum (sogenanntes „fiktives“ Planum) 79 4.3 Frostschutzschicht/Schicht aus frostunempfindlichem Material 79 4.4 Tragschicht ohne Bindemittel: Kies- und Schottertragschichten 80 4.5 Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel: Hydraulisch Gebundene Tragschicht und Verfestigung 82 4.6 Asphaltschichten 82 4.7 Gegenüberstellung RStO 01 und RStO 12 84 4.8 Schichtdicken und Schichtenverbund 85 4.8.1 Schichtdickenbestimmung anhand von Bohrkernen 85 4.8.2 Schichtdickenbestimmung mit dem Georadar 88 4.8.3 Schichtenverbund an Bohrkernen 90 4.8.4 Schichtenverbund an Ausbauquerschnitten des Feldes 4 91 4.9 Einbau, Anordnung und Funktionsweise der Sensorik der Modellstraße 93 4.9.1 Allgemeines 93 4.9.2 Dehnungssensoren 93 4.9.3 Drucksensoren 95 4.9.4 Thermoelemente 96 4.9.5 Anordnung und Einbau der Sensorik in den Straßenaufbau 97 4.9.6 Datenerfassung und Aufbereitung 99 4.9.7 Nachträgliche Entnahme von Bohrkernen mit Sensoren 101 4.9.8 Sensorik oberhalb des Straßenaufbaus 101 4.10 Versuchsdurchführung der Lkw-Überfahrten 103 4.11 Fahrzeugkonfigurationen für die Belastungsversuche 103 4.12 Beladen und Verwiegen der Fahrzeuge 105 4.13 Versuchsdurchführung der Überfahrten und Versuchsmatrix 112 4.14 Zeitstrahl der Aktivitäten an der Modellstraße 115 5 Interaktion Reifen-Fahrbahn 116 5.1 Lasteintrag und Spannungsverteilung in der Kontaktfläche 116 5.2 Messung der Druckspannungsverteilung in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn an verschiedenen Lkw-Reifen auf der Modellstraße 117 5.3 Kontaktflächengeometrie und Druckspannungen als Eingangsgrößen für die analytischen Berechnungen 126 6 Bestimmung der Materialparameter für analytische Berechnungen 130 6.1 Allgemeines, Grundlagen 130 6.2 Schichten ohne Bindemittel 130 6.3 Hydraulisch gebundene Schichten 135 6.4 Asphaltschichten 137 6.4.1 Bindemittelkennwerte 137 6.4.2 Rechnerische Bestimmung der Steifigkeitsmoduli der Asphalte nach dem Verfahren von Francken und Verstraeten 139 6.4.3 Versuchstechnische Bestimmung der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 148 6.4.4 Gegenüberstellung der berechneten und versuchstechnisch ermittelten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 158 6.4.5 Querdehnzahl 160 6.4.6 Ermüdungsfunktion 161 7 FWD-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 162 7.1 Allgemeines, Grundlagen 162 7.2 FWD-Belastung der Straßenaufbauten der Modellstraße 167 7.3 FWD-Belastung an den Positionen ausgewählter Sensoren der Modellstraße 173 7.4 Grundlagen für die Berechnung der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen in den Straßenaufbauten der Modellstraße infolge FWD-Belastung 176 7.5 Berechnungen der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen mit den Programmen SAFEM und BISAR 183 7.6 Ausgewählte Ergebnisse der Berechnung mit SAFEM 202 8 Lkw-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 205 8.1 Allgemeines, Grundlagen 205 8.1.1 Temperaturen im Straßenaufbau 205 8.1.2 Auswahl Messinstrumente 206 8.1.3 Lastposition und Exzentrizität Last - Messinstrument 207 8.2 Darstellung ausgewählter Messergebnisse 210 8.3 Analyse der Biegefigur des Asphaltpaketes 213 8.4 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Radlast 214 8.5 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Geschwindigkeit 223 8.6 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Asphaltschichtdicke 228 8.7 Analyse der Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 232 8.7.1 Allgemeines und Vorgehensweise 232 8.7.2 Vereinfachte Vorgehensweise bei der Frequenzanalyse 234 8.8 Analytische Vorgehensweise mittels FFT bei der Frequenzbestimmung 245 8.9 Gegenüberstellung der Frequenzen aus manueller und analytischer Bestimmung 257 8.10 Ergebnisse der SAFEM-Berechnungen 260 8.11 Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Beanspruchungen 270 8.12 Abhängigkeit Frequenz - Geschwindigkeit 285 9 Weitere abschließende Überlegungen zur Beanspruchung von Asphaltstraßenaufbauten 292 9.1 Differenzierung zwischen der mechanischen Beanspruchung aus Einzel- und Zwillingsbereifung 292 9.2 Einfluss benachbarter Räder und Achsen auf die mechanische Beanspruchung 292 9.3 Schädigungspotenziale pro Fahrzeugkombination auf Basis der Ermüdungsfunktionen der Asphalttragschicht 292 9.4 Überlegungen zur Dauerfestigkeit von Asphalt 292 10 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 293 10.1 Zusammenfassung 293 10.2 Schlussfolgerungen 299 10.3 Ausblick und weiterer Forschungsbedarf 300 11 Literaturverzeichnis 303 12 Abbildungsverzeichnis 311 13 Tabellenverzeichnis 328 14 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 333 15 Anhang 335 / Road pavement structures are exposed to constantly changing boundary conditions such as traffic volume, axle loads, axle and tire combinations as well as climatic boundary conditions. Empirical design methods are often not sufficient to design a road pavement structure in accordance with load, structure and material, so computational methods are required. This gives rise to a large number of pavement engineering issues and in particular the validation of the computation methods. The linear-elastic-multi-layer theory, the Finite Element Method (FEM) and hybrid methods using a combination of FEM and Fourier Transformation (SAFEM-software) are available for the computation of the internal stresses and strains of an asphalt pavement structure within the scope of design. In addition, according to the regulations such as the RDO Asphalt 09 for design calculations, a large number of computation steps must be carried out so it is important to keep the total computation time within practical limits. This can usually be achieved with simplified models and assumptions such as static loading and linear-elastic material behavior. With the sensor-instrumented full-scale asphalt pavement test track at the Federal Highway Research Institute BASt, a test infrastructure is available with which a number of asphalt road pavement questions can be answered and the gap between laboratory tests and monitoring of road pavements in situ can be bridged. In an extensive test program with loading of different truck configurations with variations of axle loads, axle and tire configurations as well as vehicle speed and loading with the Falling Weight Deflectometer, the horizontal flexural strains in the asphalt, the vertical compressive stresses on the granular layers, the surface deflections and the asphalt temperatures are measured and evaluated. Here, for example, the linear-elastic behavior between vertical load and generated mechanical strains, stresses and surface deflections which implies linear-elastic material behavior was confirmed for the prevailing boundary conditions. An important component of the work was the determination of the adequate stiffness moduli for the viscous asphalt based on the load pulse frequencies derived from the measurement signals. Taking into account the appropriate E-Moduli, different variations were calculated and compared to the measured peak values of the asphalt strains and the stresses on the granular layer. The comparison shows a good adequate approximation of the measured asphalt strains to the calculated strains. Thus, for the flexural asphalt strains, a validation of the 'simple', linear-elastic and static calculation model can be confirmed using the SAFEM-software.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 10 1.1 Hintergrund und Motivation 10 1.2 Problemstellung und Ziel 12 1.3 Zentrale These 14 1.4 Untersuchungsmethodik 15 2 Theoretische Grundlagen 17 2.1 Allgemeines 17 2.2 Mehrschichtentheorie 20 2.3 Finite Elemente Methode 24 2.4 Stoffmodelle 27 2.4.1 Asphalt 27 2.4.2 Tragschichten bzw. Schichten ohne Bindemittel 29 2.4.3 Hydraulisch gebundene Schichten 30 2.4.4 Untergrund/Unterbau 30 2.5 Schichtenverbund 30 2.6 Elastizitätsmodul, Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 34 2.7 Grundlagen der Dimensionierung von Verkehrsflächenbefestigungen 40 2.7.1 Standardisierte Dimensionierung 40 2.7.2 Rechnerische Dimensionierung 40 2.7.3 Nachweis der Asphalttragschicht 43 2.7.4 Nachweis der Schichten ohne Bindemittel 44 2.7.5 Nachweis der Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln 45 2.8 Computerprogramm SAFEM 46 2.9 Computerprogramm BISAR 48 3 Stand der Wissenschaft und Technik - Literaturanalyse 49 3.1 Großversuche an instrumentierten Versuchsstraßen 49 3.2 Messung von Deflektionen, Dehnungen im Asphalt und Druckspannungen in den ungebundenen Schichten in Straßenaufbauten von Großversuchsanlagen 50 3.3 Fahrzeuggeschwindigkeiten, Belastungsimpulslängen und Belastungsimpulsfrequenzen in Asphaltstraßenaufbauten 57 4 Versuchsaufbau, Sensorik und Versuchsdurchführung 76 4.1 Aufbau der Modellstraße in Asphaltbauweise 76 4.2 Planum (sogenanntes „fiktives“ Planum) 79 4.3 Frostschutzschicht/Schicht aus frostunempfindlichem Material 79 4.4 Tragschicht ohne Bindemittel: Kies- und Schottertragschichten 80 4.5 Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel: Hydraulisch Gebundene Tragschicht und Verfestigung 82 4.6 Asphaltschichten 82 4.7 Gegenüberstellung RStO 01 und RStO 12 84 4.8 Schichtdicken und Schichtenverbund 85 4.8.1 Schichtdickenbestimmung anhand von Bohrkernen 85 4.8.2 Schichtdickenbestimmung mit dem Georadar 88 4.8.3 Schichtenverbund an Bohrkernen 90 4.8.4 Schichtenverbund an Ausbauquerschnitten des Feldes 4 91 4.9 Einbau, Anordnung und Funktionsweise der Sensorik der Modellstraße 93 4.9.1 Allgemeines 93 4.9.2 Dehnungssensoren 93 4.9.3 Drucksensoren 95 4.9.4 Thermoelemente 96 4.9.5 Anordnung und Einbau der Sensorik in den Straßenaufbau 97 4.9.6 Datenerfassung und Aufbereitung 99 4.9.7 Nachträgliche Entnahme von Bohrkernen mit Sensoren 101 4.9.8 Sensorik oberhalb des Straßenaufbaus 101 4.10 Versuchsdurchführung der Lkw-Überfahrten 103 4.11 Fahrzeugkonfigurationen für die Belastungsversuche 103 4.12 Beladen und Verwiegen der Fahrzeuge 105 4.13 Versuchsdurchführung der Überfahrten und Versuchsmatrix 112 4.14 Zeitstrahl der Aktivitäten an der Modellstraße 115 5 Interaktion Reifen-Fahrbahn 116 5.1 Lasteintrag und Spannungsverteilung in der Kontaktfläche 116 5.2 Messung der Druckspannungsverteilung in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn an verschiedenen Lkw-Reifen auf der Modellstraße 117 5.3 Kontaktflächengeometrie und Druckspannungen als Eingangsgrößen für die analytischen Berechnungen 126 6 Bestimmung der Materialparameter für analytische Berechnungen 130 6.1 Allgemeines, Grundlagen 130 6.2 Schichten ohne Bindemittel 130 6.3 Hydraulisch gebundene Schichten 135 6.4 Asphaltschichten 137 6.4.1 Bindemittelkennwerte 137 6.4.2 Rechnerische Bestimmung der Steifigkeitsmoduli der Asphalte nach dem Verfahren von Francken und Verstraeten 139 6.4.3 Versuchstechnische Bestimmung der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 148 6.4.4 Gegenüberstellung der berechneten und versuchstechnisch ermittelten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 158 6.4.5 Querdehnzahl 160 6.4.6 Ermüdungsfunktion 161 7 FWD-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 162 7.1 Allgemeines, Grundlagen 162 7.2 FWD-Belastung der Straßenaufbauten der Modellstraße 167 7.3 FWD-Belastung an den Positionen ausgewählter Sensoren der Modellstraße 173 7.4 Grundlagen für die Berechnung der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen in den Straßenaufbauten der Modellstraße infolge FWD-Belastung 176 7.5 Berechnungen der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen mit den Programmen SAFEM und BISAR 183 7.6 Ausgewählte Ergebnisse der Berechnung mit SAFEM 202 8 Lkw-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 205 8.1 Allgemeines, Grundlagen 205 8.1.1 Temperaturen im Straßenaufbau 205 8.1.2 Auswahl Messinstrumente 206 8.1.3 Lastposition und Exzentrizität Last - Messinstrument 207 8.2 Darstellung ausgewählter Messergebnisse 210 8.3 Analyse der Biegefigur des Asphaltpaketes 213 8.4 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Radlast 214 8.5 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Geschwindigkeit 223 8.6 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Asphaltschichtdicke 228 8.7 Analyse der Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 232 8.7.1 Allgemeines und Vorgehensweise 232 8.7.2 Vereinfachte Vorgehensweise bei der Frequenzanalyse 234 8.8 Analytische Vorgehensweise mittels FFT bei der Frequenzbestimmung 245 8.9 Gegenüberstellung der Frequenzen aus manueller und analytischer Bestimmung 257 8.10 Ergebnisse der SAFEM-Berechnungen 260 8.11 Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Beanspruchungen 270 8.12 Abhängigkeit Frequenz - Geschwindigkeit 285 9 Weitere abschließende Überlegungen zur Beanspruchung von Asphaltstraßenaufbauten 292 9.1 Differenzierung zwischen der mechanischen Beanspruchung aus Einzel- und Zwillingsbereifung 292 9.2 Einfluss benachbarter Räder und Achsen auf die mechanische Beanspruchung 292 9.3 Schädigungspotenziale pro Fahrzeugkombination auf Basis der Ermüdungsfunktionen der Asphalttragschicht 292 9.4 Überlegungen zur Dauerfestigkeit von Asphalt 292 10 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 293 10.1 Zusammenfassung 293 10.2 Schlussfolgerungen 299 10.3 Ausblick und weiterer Forschungsbedarf 300 11 Literaturverzeichnis 303 12 Abbildungsverzeichnis 311 13 Tabellenverzeichnis 328 14 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 333 15 Anhang 335

Für die Trassierung von Straßenverkehrsanlagen hat sich neben anderen Methoden die Verwendung von Biegelinealen als vorteilhaft erwiesen und vor über 50 Jahren etabliert. Inzwischen hat der Einsatz moderner Entwurfssoftware in den Straßenbauverwaltungen und Planungsbüros das Biegelineal trotz seiner Vorteile aus der Praxis verdrängt. Keines der Entwurfsprogramme legt das strukturmechanische Prinzip des Biegelineals zugrunde, da die Verformungen des zu Trassierungszwecken ausgelegten Biegelineals nicht exakt berechnet werden können. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an, sie umgeht das Problem auf numerischem Wege unter Anwendung der Finiten Elemente Methode (FEM). So lassen sich über Strukturanalysen die Verformungen einer um seine Hauptträgheitsachsen punktuell ausgelenkten, prismatischen Balkenstruktur mit doppeltsymmetrischem Querschnitt berechnen. Mit der Analyseantwort ergeben sich insbesondere die dreidimensionalen Koordinaten einer Punktfolge, welche die Biegelinie quasiexakt repräsentiert. Die dreidimensionale Biegelinie setzt sich aus einer Achse und einer Gradiente zusammen und ist im Rahmen der Vorplanung geeignet, eine richtliniengerechte Straßenverkehrsanlage zu erzeugen. Das Untersuchungsergebnis stellt eine neuartige Grundlage für ein dreidimensionales Trassierungsverfahren dar, bei dem ein mathematisch modelliertes Biegelineal im Digitalen Geländemodell (DGM) verformt wird.