3D-Finite-Element-Berechnungen im Tunnelbau

Die Berechnung von Tunnelbauwerken zur Lösung eines komplizierten Falles der Bauwerks-Bodeninteraktion stellt ein noch nicht gänzlich gelöstes Problem des Bauingenieurwesens dar. Zur Zeit werden die Verformungen, die sich während eines Tunnelausbruchs einstellen, in den meisten Fällen nicht berechnet (im Sinne einer Prognose), sondern lediglich in Verbindung mit begleitenden Meßbeobachtungen verfolgt. In dieser Arbeit wird zunächst auf die Mechanik des Tunnelbaues eingegangen. Nach einer Beschreibung der wesentlichen Einflussparameter werden die zur Zeit angewandten Berechnungsverfahren sowie der Stand der Technik bei der Modellierung des Materialverhaltens in der Tunnelberechnung dargestellt. Das mechanische Verhalten des Bodens wird unter anderem mit dem hypoplastischen Stoffgesetz beschrieben. Deshalb wird auf die Anwendung dieses relativ neuen Stoffgesetzes in der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingegangen. Für das Stoffverhalten des Spritzbetons wird die zeitliche Verfestigung berücksichtigt. Im weiteren wird eine dreidimensionale Tunnelberechnung mittels der FE-Methode am Beispiel des Tunnelbauprojektes Tunnel Melk dargestellt. Die Berechnungen werden mit linear-elastischem Stoffverhalten, mit Hypoplastizität und mit einem elasto-plastischen Stoffgesetz mit der Fließbedingung von MOHR-COULOMB durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeiten der verwendeten Stoffgesetze sowie der dreidimensionalen FE-Berechnung im Tunnelbau. Dazu wird auch ein Vergleich mit Verformungsmessungen angestellt. Weiters werden einige Grundsätze der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise überprüft, um so in Zukunft dreidimensionale FE-Berechnungen als Basis für eine realitätsnahe Vorhersage bei der Errichtung eines Tunnelbauwerkes nach der NÖT einsetzen zu können. Im Anschluß wird eine im Zusammenhang mit der NÖT geführte Diskussion um den sogenannten ansteigenden Ast der Gebirgskennlinie untersucht. Dazu werden mit einfachen mechanischen Modellen Grenzwerte für den Verlauf der Gebirgskennlinie berechnet und in Ergänzung dazu realistischere und deshalb kompliziertere Verhältnisse numerisch simuliert.