Numerische Simulationen und Laborversuche zur Ausbreitung von Frischbeton in Bohrpfählen

Nachträglich freigelegte Bohrpfähle zeigen nicht selten sichtbare Mängel an ihrer Pfahlintegrität. Die Entstehung dieser Mängel ist vorrangig auf ein unzureichendes Ausbreitverhalten des Frischbetons zurückzuführen. Daher bedarf es einer grundlegenden Untersuchung der physikalischen Strömungsprozesse. Dafür fehlte es jedoch bisher noch an einer geeigneten Untersuchungsmethode. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Methode der numerischen Simulation (CFD), auf diesen Anwendungsfall zu übertragen, um damit die Strömungsprozesse in Bohrpfählen untersuchen zu können. Im Rahmen der numerischen Simulationen (OpenFOAM) wurde der Frischbeton als homogenes Bingham-Fluid abgebildet. Die Kalibrierung der Bingham-Parameter erfolgte anhand physikalischer Laborversuche in einem Setzfließmaßversuchsstand und dessen numerischer Simulation. Für den Nachweis, dass mit der gewählten numerischen Methode die Strömungsvorgänge von Frischbetonen zutreffend simuliert werden können, wurden Validierungsversuche im Labormaßstab in einem Versuchskasten und in Modellpfählen durchgeführt.
Dass die gewählte numerische Methode auch auf praxisrelevante Fragestellungen im Maßstab der Großausführung angewendet werden kann, wurde mit einem Vergleich der Ergebnisse der numerischen Simulation mit physikalischen Ergebnissen, die auf großmaßstäblichen Versuchen in suspensionsgestützten Großbohrpfählen basieren, nachgewiesen. Abschließend wurde eine Parameterstudie an dem numerischen Modell der Großausführung durchgeführt und die wesentlichen Einflussparameter auf die Strömungsprozesse identifiziert. Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Arbeit ein von der bisherigen Vorstellung abweichendes Strömungsverhalten des Frischbetons nachgewiesen und die wesentlichen Einflussparameter identifiziert werden.