Verdichtung mit Vibrationswalzen - Semi-analytische Modellierung des Interaktionssystems Bandage-Boden mit Berücksichtigung der veränderlichen Bandagenaufstandsbreite

Abstract

Für zahlreiche Aufgaben des Erdbaus werden Vibrationswalzen zur oberflächennahen Verdichtung von granularen Materialien genutzt. Die Bandage einer Vibrationswalze zeichnet sich durch eine Unwuchtmasse aus, die in der Achse der Bandage angeordnet ist und durch Rotation der gesamten Bandage eine kreisförmig translatorische Schwingung aufzwingt. Die schwingende Bandage der Vibrationswalze und das zu verdichtende Material stellen dabei ein dynamisches Interaktionssystem dar. Im Beitrag wird ein vergleichsweise einfaches mechanisches Modell vorgestellt, welches in der Lage ist, die dynamische Wechselwirkung zwischen Vibrationsbandage und Boden abzubilden. Die wesentlichen Nichtlinearitäten des dynamischen Interaktionssystems stellen die sich laufend ändernden Kontaktbedingungen zwischen Bandage und Boden sowie die gekrümmte Bandagengeometrie dar. Aus diesem Grund vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen den beiden Kontaktpartnern während der Belastungsphase zunehmend, was wiederum die Reaktionskräfte des Bodens beeinflusst und das Bewegungsverhalten der Bandage ändert. Im Zuge der Entlastungsphase kann es zudem zu einem Abheben der Bandage vom Boden kommen, wodurch sich die beiden Teilsysteme kurzfristig getrennt voneinander bewegen. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, sowohl diese herausfordernden Kontaktbedingungen als auch die veränderliche Bandagenaufstandsbreite in der mechanischen Modellierung zu berücksichtigen.

For numerous problem tasks, vibration is the commonly used type of excitation for dynamic rollers in the context of near surface compaction of granular materials. The eccentric mass of a vibratory drum is shafted concentrically to the drum axis, rotates around this axis with a constant frequency and thus induces a cyclic translational vibration of the drum, which results in a mainly vertical loading of the soil. The paper presents a relatively simple mechanical model, which describes the dynamic interaction between the vibrating drum and the underlying soil during compaction. The main non-linearities of the dynamic system are the continuously varying contact conditions between the drum and the subgrade as well as the curved drum geometry. For this reason, the contact surface between the two contact partners increases constantly during the loading phase, which in turn affects the resulting soil reaction force and changes the motion behaviour of the drum at the same time. Moreover, a periodic loss of contact between drum and soil during the unloading phase may occur, where the two subsystems move separately from each other for a short period of time. Options are presented to consider these challenging contact conditions as well as the variable drum contact width in a mechanical model.