Numerische Rechenmodelle sind nur so gut wie die “Stoffgesetze” des Bodens. Es geht also darum, die mechanischen Zusammenhänge zwischen Spannungen und Dehnungen in jedem einzelnen Bodenelement möglichst realistisch zu beschreiben. Seit mehreren Jahrzehnten ist das IBF Vorreiter in der Entwicklung solcher Beschreibungen.
Hypoplastizität und Viskoplastizität
Die “Hypoplastizität” beschreibt rollige Erdstoffe, die “Viskoplastizität” bindige Böden unter monotoner Be- und Entlastung. Im Unterschied zu vielen einfacheren Modellen sind dabei Scherfestigkeit, Volumenänderung (Dilatanz) und Kompressibilität keine Materialkonstanten, sondern abhängig von Zustandsgrößen und Vorgeschichte (Dichte, Spannungen, Überkonsolidierung). Erforderliche Materialparameter lassen sich vergleichsweise einfach aus bodenmechanischen Standardversuchen bestimmen.
Steifigkeit bei kleinen Dehnungen
Unter kleinsten zyklischen und dynamischen Verformungen wird ein Lockergesteinsskelett fast elastisch deformiert, ohne dass nennenswerte Kornumlagerungen erfolgen: die Steifigkeit ist gegenüber großen monotonen Verformungen erhöht. Für diesen Verformungsbereich verfügt das IBF über eine spezielle Stoffgesetzformulierung (“Intergranulare Dehnung”) und entwickelt derzeit ein noch realistscheres Modell (“Paraelastizität”).
Hochzyklisches Akkumulationsmodell
Mit den genannten numerischen Rechenmodellen erfolgen i.A. “implizite” Berechnungen, d.h. jeder neue Belastungszyklus wird in keinen Teilschritten aufgebracht und ein neuer Gleichgewichtszustand gesucht. Untersuchungen vieler tausend Lastzyklen würden jedoch an der Häufung numerischer Fehler scheitern. Das IBF hat deshalb ein “explizites” Rechenmodell entwickelt, das die pro Zyklus auftretenden Zusatzverschiebungen extrapoliert. Die Zyklenzahl ist unbegrenzt. Erforderliche Parameter werden mit zyklischen Triaxialversuchen bestimmt. Für verschiedene Bodenarten wird zur Zeit eine umfangreiche Datenbasis aufgebaut.
- „Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund“, TP „Nachgiebigkeit des Schottergleis-Oberbaus“ (DFG-SPP 1015, 1996-2002)
- „Starkbeben: Von geowissenschaftlichen Grundlagen zu Ingenieurmaßnahmen“, TP „Nichtlineare Wellenphänomene in feinst- und weichkörnigen Lockergesteinen“ (DFG-SFB 461, 1996-2007)
- „Einfluß der Strukturveränderungen im Boden auf die Lebensdauer von Bauwerken“, TP „Gleichgewichtsverlust gesättigter und trockener granularer Körper“ (DFG-SFB 398, 1999-2007)
- „Entwicklung von Methoden zur Bemessung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit duktiler geotechnischer Tragwerke bei Beanspruchung durch starke Erdbeben“ (DFG, 2003-2010)
- „Evolution und Auswirkung von Grenzschichten an Wänden und Säulen in körnigen Böden“ (DFG, 2003-2008)
- „Einfluss der Ungleichförmigkeit der Kornverteilungskurve und des Feinkornanteils auf die dynamischen Kenngrößen nichtbindiger Böden“ (DFG, 2005-2009)
- “Bodenverformungen an Stützwänden infolge von Erschütterungen“ (DFG, 2005-2011)
- „Einfluss der Korngrößenverteilungskurve auf die dynamischen Kenngrößen nichtbindiger Böden“ (DFG, 2010-2015)
- „Verbesserung eines Akkumulationsmodells für hochzyklische Belastungen“ (DFG, seit 2010)
- „Modellierung der induzierten und inhärenten Anisotropie von Sand“ (DFG, seit 2014)
- „Entwicklung und Implementierung eines hydro-mechanischen Modells für teilgesättigte Sande“ (DFG, seit 2015)