A contact problem aplication for the local behaviour of soil pile interaction

In geotechnical engineering, the main parameter for the performance of structures such as reinforced walls or deep foundations is often the shaft bearing capacity. In numerical analysis, important advancements have been made on studying the behavior of the soil and the retaining structures separately. The performance of many geotechnical foundation systems depends on the shear behavior at the soil structure interface. For deep foundations, the main component that affects friction is the horizontal earth pressure. When a pile is getting axially loaded, the soil grain network at the interface, starts to move and rearrange. In conditions of axial cyclic loading a contractive behavior of soil can generally be observed as in [1] and [2]. This can be explained by the progressive densification and relaxation of the soil under cyclic shear at the soil pile interface, as well as the local refinement of the grain distribution by grain breakage and rearrangements. As the soil contracts and decreases in volume, the normal stress around the pile surface decreases and the soil pile friction degrades. This can lead to failure of the whole geotechnical foundation system. The purpose of the work presented in this paper is to analyze locally (at the element level) the contact behavior of a soil-pile contact problem. Therefore, a 2D shear test is modeled using the Finite Element Method. The formulation of a 4 nodded zero-thickness interface element of Beer [3] is chosen with a linear interpolation function. Four constitutive contact models adapted for contact problems have been implemented. The simple Mohr-Coulomb [4] and Clough and Duncan [5] models were chosen initially, due to the ease of implementation and few number of parameters needed. After, more complicated models in the framework of elasto-plasticity such as: Lashkari [6] and Mortara [7] were implemented for the first time into the finite element code of the shear test problem. They include other phenomena such as: relative density of soil, the stress level and sand dilatancy. From the results the relation between shear displacement and shear stress has been deduced. Finally, a discussion of the advantages and the drawbacks during computation of each model is given at the end

Numerical modeling of train-track interaction and their application to bridge transition zones

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die numerische Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung von Eisenbahnfahrwegen, die auch für Fahrwege mit einer Diskontinuität einsetzbar ist. Der Fokus wurde hier auf Fahrwege mit einem Brückenbauwerk gelegt, weil es an den Übergängen zu einer erhöhten Beanspruchung kommt. Daher wurde für den Fahrweg mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) ein dreidimensionales Modell mit einer Lösung im Zeitbereich entwickelt, das die wesentlichen Elemente des Schienenverkehrs, das Fahrzeug, den Fahrwegoberbau und den Untergrund, enthält. Aufgrund der unendlichen Ausdehnung des Untergrundes wurde für den Rand des endlichen FE-Gebiets, die sogenannte Scaled Boundary Finite Element Methode (SBFEM) verwendet, welche ein semi-analytisches Verfahren ist und die Abstrahlungsbedingung erfüllt. Da dieses Verfahren sowohl zeitlich als auch räumlich global ist, kann es mitunter für lange Simulationszeiten sehr aufwendig sein. Deshalb wurde es mittels der Methode der reduzierten Basisfunktionen und einer Linearisierung der Beschleunigungs-Einflussmatrix modifiziert, wodurch das Berechnungverfahren effizienter gestaltet werden konnte. Anhand von zwei analytischen Lösungen aus der Bodendynamik konnte das modifizierte Verfahren der SBFEM validiert werden. Für ein Gleis auf homogenem Untergrund wurden mit Hilfe des gekoppelten FE-SBFE-Modells verschiedene Ergebnisse am Oberbau, im Boden und für die Ausbreitung von Erschütterungen berechnet, die sehr gut mit Ergebnissen aus der Literatur übereinstimmen. Zudem konnte das numerische Modell mit einer Schwingungsmessung an einer Schwelle eines realen Fahrwegs validiert werden. Unter Anwendung des gekoppelten FE-SBFE-Modells wurde ein Fahrweg mit Brückenbauwerk untersucht, wobei eine Beurteilung und Optimierung des Übergangsbereichs unter Verkehrslast hinsichtlich des Langzeitverhaltens im Vordergrund stand. Anhand von einfachen Bewertungskriterien, die als Indikatoren für das Langzeitverhalten dienen können, wurden verschiedene konstruktive Optimierungsmaßnahmen für den Brückenübergangsbereich diskutiert, wie zum Beispiel die Gestaltung eines Hinterfüllungsbereiches oder der Einsatz elastischer Elemente (Zwischenlagen, Besohlungen, Unterschottermatten) im Fahrweg. Das entwickelte numerische Modell für die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung lässt sich ohne großen Aufwand auf weitere Problemstellungen von Übergangsbereichen erweitern, um spezifische konstruktive Optimierungsmaßnahmen zu untersuchen.The main objective of this thesis is a numerical approach for the train-track interaction which can also be used for tracks with a discontinuity. Close attention is paid to tracks with a bridge transition zone because such a discontinuity can amplify the loads of a passing train and severly damage the structure. The numerical model for the train-track interaction is based on a transient dynamic finite element (FE) model where the key components such as the vehicle, the superstructure of the track and the soil are included. Due to the unbounded nature of the soil the truncated boundary of the FE domain is modelled with the so-called scaled boundary finite element method (SBFEM): a semianalytical approach that satisfies the radiation condition. This method is global in time and space and therefore the computational effort can be very time consuming. To increase the computational efficiency the technique of reduced set of base function is used as well as a linearization of the unit acceleration-impulse response matrix. The modified SBFEM is validated with two analytical solutions coming from the field of soil dynamics. A track on a homogenous soil is modelled with the coupled FE-SBFE model to compute several results at the superstructure, in the soil and for the train-induced ground vibrations. These results are in good agreement with results published in literature. The numerical model is also validated with a vibration measurement at a sleeper of a ballasted track. The coupled FE-SBFE model is also used for a track with a bridge structure to assess and optimise the bridge transition zone under traffic loads with a particular focus on the long term behaviour. On the basis of different assessment criteria, which can be used as indicators for the long term behaviour, several structural optimisation measures for the bridge transition zone are discussed, such as a backfilling area or elastic elements (rail pads, under sleeper pads, under ballast mats). The developed numerical approach for the train-track interaction can be extended without great effort for other transition zone problems in order to analyse specific structural optimisation measures

Numerische Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung an Eisenbahnfahrwegen und ihre Anwendung im Brückenübergangsbereich

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die numerische Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung von Eisenbahnfahrwegen, die auch für Fahrwege mit einer Diskontinuität einsetzbar ist. Der Fokus wurde hier auf Fahrwege mit einem Brückenbauwerk gelegt, weil es an den Übergängen zu einer erhöhten Beanspruchung kommt. Daher wurde für den Fahrweg mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) ein dreidimensionales Modell mit einer Lösung im Zeitbereich entwickelt, das die wesentlichen Elemente des Schienenverkehrs, das Fahrzeug, den Fahrwegoberbau und den Untergrund, enthält. Aufgrund der unendlichen Ausdehnung des Untergrundes wurde für den Rand des endlichen FE-Gebiets, die sogenannte Scaled Boundary Finite Element Methode (SBFEM) verwendet, welche ein semi-analytisches Verfahren ist und die Abstrahlungsbedingung erfüllt. Da dieses Verfahren sowohl zeitlich als auch räumlich global ist, kann es mitunter für lange Simulationszeiten sehr aufwendig sein. Deshalb wurde es mittels der Methode der reduzierten Basisfunktionen und einer Linearisierung der Beschleunigungs-Einflussmatrix modifiziert, wodurch das Berechnungverfahren effizienter gestaltet werden konnte. Anhand von zwei analytischen Lösungen aus der Bodendynamik konnte das modifizierte Verfahren der SBFEM validiert werden. Für ein Gleis auf homogenem Untergrund wurden mit Hilfe des gekoppelten FE-SBFE-Modells verschiedene Ergebnisse am Oberbau, im Boden und für die Ausbreitung von Erschütterungen berechnet, die sehr gut mit Ergebnissen aus der Literatur übereinstimmen. Zudem konnte das numerische Modell mit einer Schwingungsmessung an einer Schwelle eines realen Fahrwegs validiert werden. Unter Anwendung des gekoppelten FE-SBFE-Modells wurde ein Fahrweg mit Brückenbauwerk untersucht, wobei eine Beurteilung und Optimierung des Übergangsbereichs unter Verkehrslast hinsichtlich des Langzeitverhaltens im Vordergrund stand. Anhand von einfachen Bewertungskriterien, die als Indikatoren für das Langzeitverhalten dienen können, wurden verschiedene konstruktive Optimierungsmaßnahmen für den Brückenübergangsbereich diskutiert, wie zum Beispiel die Gestaltung eines Hinterfüllungsbereiches oder der Einsatz elastischer Elemente (Zwischenlagen, Besohlungen, Unterschottermatten) im Fahrweg. Das entwickelte numerische Modell für die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung lässt sich ohne großen Aufwand auf weitere Problemstellungen von Übergangsbereichen erweitern, um spezifische konstruktive Optimierungsmaßnahmen zu untersuchen

A contact problem aplication for the local behaviour of soil pile interaction

In geotechnical engineering, the main parameter for the performance of structures such as reinforced walls or deep foundations is often the shaft bearing capacity. In numerical analysis, important advancements have been made on studying the behavior of the soil and the retaining structures separately. The performance of many geotechnical foundation systems depends on the shear behavior at the soil structure interface. For deep foundations, the main component that affects friction is the horizontal earth pressure. When a pile is getting axially loaded, the soil grain network at the interface, starts to move and rearrange. In conditions of axial cyclic loading a contractive behavior of soil can generally be observed as in [1] and [2]. This can be explained by the progressive densification and relaxation of the soil under cyclic shear at the soil pile interface, as well as the local refinement of the grain distribution by grain breakage and rearrangements. As the soil contracts and decreases in volume, the normal stress around the pile surface decreases and the soil pile friction degrades. This can lead to failure of the whole geotechnical foundation system. The purpose of the work presented in this paper is to analyze locally (at the element level) the contact behavior of a soil-pile contact problem. Therefore, a 2D shear test is modeled using the Finite Element Method. The formulation of a 4 nodded zero-thickness interface element of Beer [3] is chosen with a linear interpolation function. Four constitutive contact models adapted for contact problems have been implemented. The simple Mohr-Coulomb [4] and Clough and Duncan [5] models were chosen initially, due to the ease of implementation and few number of parameters needed. After, more complicated models in the framework of elasto-plasticity such as: Lashkari [6] and Mortara [7] were implemented for the first time into the finite element code of the shear test problem. They include other phenomena such as: relative density of soil, the stress level and sand dilatancy. From the results the relation between shear displacement and shear stress has been deduced. Finally, a discussion of the advantages and the drawbacks during computation of each model is given at the end