Hypoplastic Models for Soil-Structure Interfaces - Modelling and Implementation

Stutz, Hans Henning

The consideration of interfaces is an important issue when modelling the holistic global structural behaviour of geotechnical engineering structures. The most prominent example is the shaft friction of axial loaded piles and anchors. In this thesis, a stochastic assessment scheme was proposed and applied. This scheme was modified to take into account the special considerations for the assessment of interface models. Based on the assessment and a state-of-the-art review, theoretical considerations were used and a novel scheme was developed. This scheme uses reformulated mathematical operators as well as reduced stress and strain rate tensors, based on existing constitutive equations, to model interfaces. Shear stress mobilization and the volumetric behaviour are predicted more accurately, and the bearing behaviour of frictional contacts can be modelled in a better way. By using the novel scheme, an older hypoplastic interface model for granular interfaces was enhanced, and three different hypoplastic clay interface models were proposed. In addition to the theoretical constitutive model formulation, an implementation method was developed. This allowed a user-friendly implementation of advanced constitutive models as interface models using the capabilities of a commercial finite element software package. This concept was exemplary applied to various 3D boundary value problems and the benefits of such advanced hypoplastic interface model are discussed.

Das Kontaktverhalten von geotechnischen Strukturen ist wichtig zur Berechnung des ganzheitlichen Strukturverhaltens bei der Berücksichtigung von Boden-Bauwerks-Interaktion. Bekannte Beispiele dafüur sind axial belastete Pfähle und Anker. In dieser Arbeit wurden verschiedene existierende Modelle zur Modellierung von Boden-Bauwerks-Kontakten mit Hilfe eines stochastischen Ansatzes untersucht und bewertet. Anhand dieser Bewertung und dem Stand der Forschung wurde basierend auf theoretischen Überlegungen ein Methode entwickelt. Diese erlaubt es, die Kontaktflächen mittels modifizierter mathematischen Operatoren und reduzierten Spannungs und Dehnungstensoren, basierend auf existierenden Kontinuums-Modelle zu berechnen. Dies führt zu verbesserten Modellierung der Scherspannungs-Mobilisierung und des volumentrischen Verhaltens der Kontaktzone. Basierend auf dem neuen Konzept wurde ein existierendes, hypoplastisches Modell für granulare Kontaktreibung verbessert und drei unterschiedliche hypoplastische Modelle für das Kontaktverhalten von feinkörnigen Böden entwickelt. Alle Modelle wurden verifiziert und mit experimentellen Daten validiert. Zusätzlich zur Formulierung der theoretischen Modelle wurde ein Konzept erarbeitet, mit dem die entwickelten Modelle in eine Finite-Elemente Software implementiert werden konnten. Hierzu werden existierende Boden-Kontinuumsmodelle benutzt. Die Implementierung dieser Modelle wurde mittels unterschiedlicher Randwertprobleme erfolgreich validiert und die Vorteile der Modelle sowie des Implementierungskonzeptes diskutiert. Die theoretischen Überlegungen und das benutzerfreundliche Implementierungsschema wird die Zugänglichkeit dieser zukunftsweisenden Modelle für Ingenieure verbessern. Hierdurch können die Ergebnisse der Modellierungen und die experimentelle Beobachtungen angeglichen werden, was die Aussagefähigkeit von Finite-Elemente Analysen weiter verbessern wird.

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Stutz, Hans Henning: Hypoplastic Models for Soil-Structure Interfaces - Modelling and Implementation.

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