14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 171 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik Marijn De Volder, M. Sc. Strabag AG, Zentrale Technik, Wien, Österreich Dr. nat. techn. Jia Lin Strabag AG, Zentrale Technik, Wien, Österreich Dipl.-Ing. Thomas Wieser Strabag AG, Zentrale Technik, Wien, Österreich Zusammenfassung Im Zeitalter des digitalen Fortschritts und der zunehmenden Notwendigkeit nachhaltigen Bauens, erweisen sich Prozessoptimierungen und Automatisierungen von Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) in der Geotechnik als essenziell. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer BIM-to-FEM Schnittstelle zur Effizienzsteigerung und Genauigkeit geotechnischer Berechnungen, realisiert durch die Integration von „ProVI“, eine Verkehrsinfrastruktur Planungssoftware, „Plaxis 2D“, einem etablierten FE-Programm, und Python. 1. Einführung Die Finite-Elemente-Methode ist ein unverzichtbares Werkzeug in der geotechnischen Planung und Analyse geworden, welches die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Konstruktionen untersucht. Die traditionelle Handhabung dieser Methode ist jedoch zeit- und ressourcenintensiv, insbesondere für große Projekte wie Tunnel- oder Dammbauten, bei denen mehrere Querschnitte berechnet werden müssen. Deshalb ist die Notwendigkeit einer Automatisierung zur Prozessoptimierung unterstreicht. Mit der hier vorgestellten Python-Programmierung kann die FEM-Software Plaxis mit der CAD-Software ProVI verbunden werden. Mehrere Querschnitte können automatisch gelesen, berechnet und nachbearbeitet werden. Durch die Kombination mit dem Trassierungsplan können die Ergebnisse jeder Bauphase ausgegeben werden. 2. Porzessoptimierung 2.1 Software PLAXIS 2D ist eine führende Finite-Elemente-Software für 2D-Geotechnik- und Felsmechanikanalysen, die sich durch Leistungsfähigkeit und Benutzerfreundlichkeit auszeichnet. Sie wird global von Ingenieurbüros und bausowie geotechnischen Institutionen für Projekte wie Aushubarbeiten, Böschungen, Fundamente, Tunnelbau, Bergbau und mehr genutzt. Mit PLAXIS 2D können grundlegende Verformungs- und Stabilitätsanalysen in Boden und Gestein effizient durchgeführt werden. Plaxis bietet eine API-Schnittstelle, mit der Python- Skripte zur Steuerung der Plaxis-Modellierung verwendet werden können. Alle Funktionen für die Ein- und Ausgabe von Plaxis können mit Python-Skripten gesteuert werden, ohne dass manuelle Eingaben erforderlich sind. ProVI ist eine führende BIM-Software für die Planung von Verkehrsinfrastrukturen. Sie ermöglicht eine durchgängige digitale Planung. ProVI bietet fortgeschrittene CAD- und BIM-Funktionen für 3D, 4D und 5D-Planungen und steigert durch ein zentrales Datenmodell die Planungseffizienz. Diese Planungssoftware hat Zugang zu geotechnisch relevanten Informationen im gesamten Bauareal eines Straßenbauprojekts. Für einen beliebigen Querschnitt des Dammes umfasst diese Information Folgendes: • Geometrie des Damms • Geometrie des ursprünglichen Geländes und der Grenzen der Untergrundschichten • Zuordnung von Materialien (definiert durch Namen und Farben) zu diesen Bodenschichten 2.2 Methodik Die in dieser Arbeit entwickelte Python-basierte Schnittstelle ermöglicht eine direkte Kommunikation zwischen „ProVI“ und „Plaxis 2D“, wodurch geometrische Daten und Bodenkennwerte für die FEA automatisiert übertragen werden. Zunächst werden alle Bodenschichtinformationen im ProVI-Modell in eine .csv-Datei übertragen. Anschließend wird die .csv-Datei von den Python-Skripten gelesen und die Bohrprofile samt Bodenkennwerten in Plaxis generiert. 172 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik Abb. 1: Bodenschichtmodell in ProVI Ohne Python-Skripte müssten wir alle ProVI-Modelle manuell in Plaxis eingeben. Diese manuelle Eingaben können zu Übertragungsfehlern führen. Durch die Verwendung automatisierter Prozesse, die durch Python- Skripte definiert werden, können wiederholbare Aufgaben automatisiert und Fehler vermieden werden. Abb. 2: Bodenschichtmodell in Plaxis 2D Mehr spezifisch, erfolgt die Erstellung von Querschnittzeichnungen in ProVI durch die Erzeugung einer „QP- Datei“. Diese textbasierte Datei enthält je nach den benutzerdefinierten Einstellungen - Querschnitte in beliebigen Intervallen entlang der Kilometrierung der Trasse. Für jeden Querschnitt listet die Datei dann alle Linien auf, aus denen er besteht, nämlich die Geländeoberkante inklusiv Damm und Bodenschichten. Diese Linien werden wiederum über Punkte definiert, die in einem lokalen, querschnittspezifischen x-, y-Koordinatensystem angegeben sind. Plaxis verwendet Bodenpolygone zur Modellerstellung. Diese werden durch den Befehl „Polygon“ erstellt, wobei die Reihenfolge der Punktangaben entscheidend ist. Nur eine korrekte Anordnung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn führt zu richtigen Ergebnissen. Das Skript ordnet automatisch die Daten neu, um die korrekte Reihenfolge sicherzustellen und somit einen genauen Polygon-Auf bau zu gewährleisten. Ein Beispiel des Geometrie-Eingabeabschnitts in Plaxis könnte, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, aussehen. Abb. 3: Beispiel der Dammgeometrie Um die Bodenkennwerte aus ProVI zu extrahieren, wird die „BAUGRUND-Datei“ verwendet. Das ist eine Datei vom Typ CSV. Jeder Eintrag ist durch ein Nummernzeichen (#) vom nächsten getrennt. Diese strukturierte Anordnung erleichtert die nachfolgende Extraktion der Daten im Python-Skript erheblich. Der obere Abschnitt von Abbildung 4 veranschaulicht eine repräsentative „BAUGRUND-Datei“, wie sie mit einem Standard-Text- 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 173 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik editor aus dem Arbeitsverzeichnis betrachtet wird. Von besonderem Interesse in dieser Datei sind der Materialname (in Rot markiert) und die Materialfarbe (definiert im R/ G/ B-Format und in Grün markiert). Die Material- ID, die in Hellblau dargestellt ist, dient als Schlüsselreferenz für die nachfolgende Zuweisung von Materialien zu den Bodenpolygonen. Abb. 4: Beispiel „Baugrund-Datei“ Um den Materialzuweisungsprozess zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie in ProVI die Dicken der Bodenschichten in den Querschnitten generiert werden. Pro- VI berechnet die Schichtdicken in Querschnitten durch lineare Interpolation der Schichtdicken in den Bohrungen vor und nach dem Querschnitt in Längsrichtung, wie in Abbildung 5 skizziert. BH_left steht für die Bohrung links vom Querschnitt, BH_right steht für die Bohrung rechts vom Querschnitt. Abb. 5: Beispiel Schichtdicken in ProVI Beim Studium des Längsschnitts in Abbildung 5 können drei mögliche Optionen festgestellt werden, wie jede Schicht eines Querschnitts definiert werden kann: • Option A: Das Schichtmaterial tritt nur in der Bohrung links vom Querschnitt auf. • Option B: Das Schichtmaterial tritt nur in der Bohrung rechts vom Querschnitt auf. • Option C: Das Schichtmaterial tritt in beiden Bohrungen auf. Da der Algorithmus, mit dem ProVI das Schichtenmodell aus den Bohrdaten auf baut, nicht bekannt ist, wurde das Skript entworfen, um alle drei dieser Möglichkeiten zu untersuchen und zu entscheiden, welches Material zu welcher Schicht gehört. In der „Baugrund Datei“ sind Bodenkennwerte für das Mohr-Coulomb Stoffgesetz definiert. Wenn abweichend davon andere Stoffgesetze verwendet werden, müssen diese über die Plaxis-GUI ergänzt werden. In die Python-Skripte können auch verschiedene Baumethoden integriert werden, die auf entsprechende Querschnitte angewendet werden. Zu den Baumethoden gehören Bodenaustausch, Bodenverdrängung, Schottersäulen, geokunststoffummantelte Sandsäulen, Pfähle, Entwässerungen von bindigen Böden durch Vertikaldrains, Vorbelastungen durch Bodenüberschüttungen, Reibungsfundament usw. Das Skript entscheidet anhand der Querschnittsnummer, welche Baumethode angewendet werden soll, und fügt diese in das FEM-Modell ein. Der Austausch nicht tragfähigen Bodens unter dem Straßendamm ist eine geotechnische Maßnahme, die darauf abzielt, die Stabilität zu erhöhen. Sie findet Anwendung in Gebieten mit weichen Böden, die zu hohen Verformungen im Bereich des Dammes führen würden. Daher werden Böden mit nachteiligen Eigenschaften entfernt und durch ein Material ersetzt, das eine erhöhte Stabilität bietet. Die Tiefe des Bodenaustauschs kann von einigen Dezimetern bis zu mehreren Metern reichen. Für die Zwecke dieses Skripts erfolgt der Austausch immer über die gesamte Breite des Damms. Abb. 6: Randbedingungen für einen Bodenaustausch Ähnlich wie beim Bodenaustausch haben Reibungsfüße zum Ziel, eine stabile Grundlage für den Damm zu schaffen. Während der Bodenaustausch normalerweise über die gesamte Breite des Damms durchgeführt wird, handelt es sich bei Reibungsfüße nur um eine lokale Maßnahme an den Fußpunkten des Damms. Das Arbeitsprinzip besteht darin, die Scherstabilität im Bereich um den Fußpunkt des Damms zu erhöhen. Dies wird durch den Austausch des Untergrunds mit Materialien mit höheren Scherwiderständen wie Schotter oder scharfkantiges Geröll oder Steinen erreicht. 174 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik Abb. 7: Randbedienungen Reibungsfüße Während der Bodenaustausch und die Reibungslager darauf abzielen, auftretende Verformungen zu reduzieren, zielt die Entwässerung eher darauf ab, die auftretenden Verformungen zu beschleunigen. Auf diese Weise wird der Endzustand der Verschiebungen schneller erreicht, was vorteilhaft ist, um die Bauzeiten zu verkürzen. Das Arbeitsprinzip dieser Maßnahme besteht darin, die vertikale Durchlässigkeit des Untergrunds zu erhöhen. Dadurch können überschüssige Porenwasserdrücke, die durch den Dammbau verursacht werden, schneller reduziert werden. Auf diese Weise werden die Auswirkungen der Konsolidierung beschleunigt, und nachfolgende Baumaßnahmen, die auf bereits eingetretene Verformungen angewiesen sind, früher beginnen. Diese Maßnahme wird in Böden mit geringer natürlicher Durchlässigkeit wie beispielsweise Tonen eingesetzt. Hier hat der Einbau vertikaler Entwässerungen eine große Wirkung auf die Erhöhung der Durchlässigkeit. Abhängig von den Durchlässigkeitseigenschaften des Dammschüttmaterials kann das Entwässerungssystem entweder mit oder ohne eine separate Drainageschicht am Boden des Damms konstruiert werden. Abb. 8: Randbedienungen Drainage Die Konstruktion einer temporären Überschüttung über der geplanten Dammkrone ist eine Maßnahme, die ebenfalls darauf abzielt, das Auftreten von Verformungen zu beschleunigen. Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Last, die höher ist als die Belastung des Damms am Ende des Bauprozesses bzw. während seiner Verwendung, benötigen Setzungen und Konsolidierungseffekte weniger Zeit, um ihren Endzustand zu erreichen. Ähnlich wie bei der Entwässerung kann dies nützlich sein, um insgesamt Bauzeit zu sparen. Abb. 9: Randbedingungen Überschüttung Das Skript kann Berechnungsphasen in Plaxis entsprechend einem realen Bauplan unter Berücksichtigung der Bauzeit und Konsolidierungszeit einrichten. Abb. 10: Bauablauf und Plaxis-Berechnungsphasen Wenn ein Berechnungsmodell generiert wird, wird es automatisch vernetzt und berechnet. Die Ausgabeergebnisse werden gespeichert und nachbearbeitet. Die Setzung in jeder Berechnungsphase kann als Punktwolkendatei im .txt- und .scr-Format ausgegeben werden, die von einer CAD-Software zur Nachbearbeitung gelesen werden kann. Um eine Schätzung des überschüssigen Materials für den Dammbau zu berechnen, wird das Volumen zwischen dem unberührten Gelände ohne Verformungen und dem Gelände nach Verformungen berechnet. Abb. 11: Damm ohne Setzungen Abb. 12: Damm mit Setzungen 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 175 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik 2.3 Umgang mit komplexem Bodenmodell Die größten Probleme liegen in der Komplexität der Bodenschichtmodelle. Die Bodenschichten verlaufen nicht immer parallel, manchmal verschwinden sie oder sind sie durcheinander. Es können auch Gräben an der Oberfläche vorhanden sein, die sich über mehrere Bodenschichten erstrecken. All dies führt zu numerischen Problemen, wenn das ProVI-Modell in Plaxis importiert wird. Das Problem kann auf zwei Arten behoben werden. Variante 1: Anstatt Polygone zu verwenden, ist es besser, die Bohrprofile in Plaxis zur Definition von Bodenschichten heranzuziehen. Mit der Bohrprofil-methode ist es möglich, nicht durchgängige Bodenschichten zu modellieren. Die von uns in Plaxis definierten Bohrprofile können den realen Bohrprofilen in der geotechnischen Untersuchung entsprechen, müssen es aber nicht. Zur Modellierung komplizierter Bodenschichten können virtuelle Bohrprofile definiert und hinzugefügt werden. Variante 2: Es kann auch eine Datenbereinigung für die ProVI-Modell-Eingabedateien durchgeführt werden. Punkte im ProVI-Modell können hinzugefügt oder gelöscht werden, um die Form der Bodenschichten einfacher und leichter modellierbar zu machen. Da die Datenbereinigung geringfügig ist, hat sie keinen Einfluss auf die Ergebnisse der FEM-Modellierung. Bei dem nachfolgend gezeigten Beispielprojekt ABS-Sande, gab es 43 Damm-Querschnitte im ProVI-Modell. Als die Bodenschichten mit Polygonen modelliert wurden, konnten nur 17 % der Querschnitte erfolgreich in Plaxis importiert werden. Durch die Verwendung von Bohrprofilen oder virtuellen Bohrprofilen konnten 83 % der Querschnitte importiert werden, ohne die Originaldaten zu verändern. Durch eine gewisse Datenbereinigung konnte die Erfolgsquote auf etwa 100 % gesteigert werden. 2.4 Nachhaltigkeit im Bauprozess Die Notwendigkeit einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Bauweise zwingt zur Betrachtung verschiedener Varianten in der Planungsphase von Infrastrukturprojekten. Durch die Automatisierung der Berechnungen können eine große Anzahl an Alternativen untersucht werden, um so den umweltschonendsden Dammquerschnitt effizient zu evaluieren, was schlussendlich zu einer ressourcenschonenden Umsetzung führt. Anders als bei der herkömmlichen Modellierung, bei der nur die letzte Bauphase ausgewertet werden kann, kann mit der neuen Methode die Modelländerung zu jedem benötigten Zeitpunkt ausgegeben werden. 2.5 Anwendungsbereiche und Vorteile der Automatisierung Die Automatisierung mittels Python ermöglicht: • Durchführung von Parameterstudien für eine umfassende Planung. • Optimierungen von Infrastruktur-Bauwerken hinsichtlich Ressourcen und Kosten. • Ermittlung von Versagensmechanismen des Gesamtsystems zur Risikominimierung. • Verbesserte Auswertung von Messkonzepten und schnellerer Modellauf bau. • Eine akademisch anspruchsvollere Ergebnisdarstellung gegenüber herkömmlichen Methoden wie Excel. 3. Beispielprojekt Die oben beschriebene Methode wurde beim Projekt ABS-Sande erstmalig erfolgreich verwendet, bei dem zwei Dämme mit einer Länge von 4.200 m bzw. 600 m gebaut wurden. Für den ersten Teil wurden 36 Querschnitte modelliert, für den zweiten Teil 7 Querschnitte. Der Untergrund besteht aus 9 Bodenschichten mit unterschiedlichsten Materialparametern. Abb. 13: Bodenmaterialen für das Projekt ABS-Sande Die Setzungen wurden in jedem Berechnungsquerschnitt ausgewertet um das Volumen zwischen dem unberührten Gelände ohne Verformungen und dem Gelände nach den Verformungen zu bestimmen. Die Messdaten vor Ort wurden mit den Berechnungsprognosen verglichen und zeigten eine große Übereinstimmung. Abb. 14: Vergleich der berechneten Ergebnisse mit Messungen vor Ort 4. Schlussfolgerung Die Anwendung des Python-Tools führt zu einer klaren Zeitersparnis und Qualitätssteigerung bei FE-Berechnungen im Dammbau. Durch die automatisierte Übernahme von Profilen und Bodenkennwerten aus der Software Pro- VI und der automatisierten Berechnung der Querschnitte können eine Unzahl von Berechnungen durchgeführt werden, um so den wirtschaftlichsten und nachhaltigsten Querschnitt zu ermitteln. Aufgrund der erstellten Berichte und grafischen Darstellungen in der Dokumentation werden verbesserte Plausibilitätsprüfungen und Visualisierungen von Bauzuständen ermöglicht. Mit einigen 176 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Prozessoptimierung und Automatisierung von FE-Berechnungen in der Geotechnik Anpassungen kann diese Methode auch erfolgreich für Tunnelbauprojekte eingesetzt werden, indem mehrere Querschnitte in Plaxis 2D automatisch berechnet werden. Die Automatisierung und Optimierung von FEM-Berechnungen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der geotechnischen Modellierung dar. Diese Methode fördert eine nachhaltige, effiziente und präzise Arbeitsweise und stellt damit eine wertvolle Ergänzung in der digitalen Transformation der Baubranche dar. 5. Ausblick Weitere Forschungen könnten sich der Integration von 3D-Modellierungen und der Anwendung künstlicher Intelligenz zur noch präziseren Vorhersage von geotechnischen Verhaltensmustern widmen. Wir werden unsere Kraft derzeit in die Verbesserung der vorhandenen Tools für den Dammbau und die Weiterentwicklung derselben für linienhafte Bauwerke wie z. B. Tunnel einsetzen. Literatur [1] Christian Lederhilger, BIM in Geotechnics - Application to Road and Railway Construction, Master Thesis, Technische Universität Graz, October 2018 [2] Michael Giangiulio, BIM-to-FEM: Development of a Software Tool to Increase the Operational Efficiency of Dam Construction Projects, Master Thesis, Technische Universität Graz, November 2021