Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Muren & Hangabgänge werden kalkulierbar

09.05.2016

ERDRUTSCHARTIGER ERFOLG:

Muren & Hangabgänge dank neuem Modell besser berechenbar


Muren und Hangabgänge können künftig besser vorhergesagt werden.

Quelle: Shutterstock/Arnon Polin

Die drohende Instabilität von Böschungen kann zukünftig besser berechnet werden. In einem Projekt des Wissenschaftsfonds FWF gelang die Entwicklung eines neuen numerischen Modells. Dank diesem ist es erstmals möglich, wichtige physikalische Faktoren der Hangstabilität zu kalkulieren, die wegen ihrer Komplexität bisher nicht berechenbar waren.

Erdrutsche und Murenabgänge sind immer für eine Überraschung gut – denn trotz intensivster Studien und Forschungen sind sie noch immer nicht vorhersehbar. Im Rahmen eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF gelang es nun aber erstmals, grundlegende physikalische Vorgänge, die eine Böschungsstabilität stark beeinflussen, numerisch zu erfassen und somit in Simulationen und Modellberechnungen zu berücksichtigen. Ein Meilenstein auf dem Weg, Erdrutsche und Murenabgänge zukünftig sicher vorherzusagen.

WASSERKRAFT

Die physikalischen Vorgänge, derer sich das Team um den Projektleiter Wei Wu vom Institut für Geotechnik der Universität für Bodenkultur Wien annahm, stehen dabei im engen Zusammenhang mit dem Wassergehalt eines Hangbodens. Dazu erläutert Wu: "Mit zunehmender Wassersättigung eines Bodens steigt der Wasserdruck in dessen Poren. Gleichzeitig nehmen dabei die sogenannten Kapillarkräfte ab, die über die Oberflächenspannung des Wassers den Boden stabilisieren." Doch, obwohl alle Alarmglocken schrillen, wenn in einer Böschung der Druck steigt und die Stabilität abnimmt, konnten diese Vorgänge bisher nicht berechnet oder modelliert werden. Dazu Wu: "Es handelt sich dabei um hoch komplizierte Prozesse, die durch die Struktur eines Bodens noch komplexer werden. Denn ein Boden ist ein Drei-Phasen-System aus Bodenkörnern, Luft und Wasser und für jede Phase gelten andere Berechnungsgrundlagen. Bisherige Modelle scheiterten an dieser Komplexität."

AUS KALIFORNIEN NACH WIEN

Wu gelang es nun, dank seiner internationalen Vernetzung, einen speziellen Computer-Code zu erhalten, der an der Stanford University in Kalifornien, USA, entwickelt wurde. Dieser Code erlaubte es dem Team, gemeinsam mit dem Projektpartner Ronaldo I. Borja, Department of Civil and Environmental Engineering der Stanford University, die wesentlichen Kriterien der komplexen Vorgänge erstmals einer numerischen Simulation zugänglich zu machen. Dazu wurde der Code für die Anwendung auf ungesättigte poröse Böden weiterentwickelt. So gelang es zu berechnen, wie sich räumlich voneinander getrennte Bereiche unterschiedlicher Wassersättigung auf das Entstehen einer Bruchkante in Böschungen auswirken können.

MODELL IM PRAXISTEST

"Den Berechnungen", so Wu, "folgten dann umfassende experimentelle Modellversuche. Diese belegten, dass unsere theoretischen Modellrechnungen die realen Vorgänge sehr gut beschreiben. Tatsächlich wurden für diese Bestätigung unseres Modells zahlreiche verschiedene Bedingungen durchgetestet. Ganz wichtig war dabei die Wirkung der Niederschlagsintensität auf die Böschungsstabilität", erläutert Wu die Testreihen weiter. "Denn zahlreiche Böschungsrutschungen werden durch Regen überhaupt erst verursacht." Für die Modellversuche griff Wus Team dabei auf eine spezielle Zentrifugentechnologie in einer Klimakammer zurück. Dort wurde ein Miniaturmodell einer Böschung aufgebaut und mit Messinstrumenten versehen, die eine Untersuchung der tatsächlichen Untergrundverhältnisse ermöglichten.

BRUCHTEST

Dank dieser aufwendigen Modellversuche war der Erkenntnisgewinn für das Team auch sehr umfangreich, wie Wu erläutert: "Wir lernten sehr viel über den Mechanismus, der zum eigentlichen Bruch im Hanggefüge führt. Es gelang uns, die dabei mobilisierte Energie zu berechnen und somit auch das Entstehen und Wachstum von instabilen Gleitfugen. Dies sind Bereiche, in denen der Reibungswiderstand des Bodengefüges geringer ist als in der Umgebung." Ein wesentliches Ergebnis der Arbeit war dabei auch, dass bereits kleine Änderungen der sogenannten Wasserspannung einen signifikanten Einfluss auf die Stabilität des Bodens haben können.

Das als Teil eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF entstandene Modell kann so also zukünftig helfen, potenziell gefährliche Böschungen zu identifizieren und diese dann effizienter zu überwachen. Weiters kann es als eine Software dienen, mit der die Stabilität von Böschungen zuverlässig berechnet werden kann.

Zur Person

Wei Wu (https://forschung.boku.ac.at/fis/suchen.person_uebersicht?sprache_in=de&menue_id_in=101&id_in=5624) ist Leiter des Instituts für Geotechnik (http://www.baunat.boku.ac.at/igt/) an der Universität für Bodenkultur Wien (http://www.boku.ac.at). Er gilt als internationaler Experte für numerische Modelle von geotechnischen Vorgängen sowie für Labortests und Modellierung von granulären Materialien.

Publikationen:

"Mathematical framework for unsaturated flow in the finite deformation range", Song, X., Borja, R.I., Int. J. Num. Meth. Eng., 14 (9), pp. 658–682, 2014.

http://web.stanford.edu/~borja/pub/ijnme2014(1).pdf

"Finite deformation and fluid flow in unsaturated soils with random heterogeneity", Song, X., Borja, R.I., Vadose Zone Journal, 13 (5), 2014.

http://web.stanford.edu/~borja/pub/vzj2014(1).pdf

"Critical state plasticity. Part VII: Triggering a shear band in variably saturated porous media", Borja, R.I., Song, X., Wu, W., Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 261-262 , pp. 66–82, 2013.

http://web.stanford.edu/~borja/pub/cmame2013(1).pdf

"Shear band in sand with spatially varying density", Borja, R.I., Song, X., Rechenmacher, A.L., Abedi, S., Wu, W., Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 61 (1) , pp. 219–234, 2013.

http://web.stanford.edu/~borja/pub/jmps2013(1).pdf

"Factor of safety in a partially saturated slope inferred from hydro-mechanical continuum modeling", Borja, R.I., White, J.A., Liu, X., Wu, W., Int. J. Num. Anal. Methods Geomech., 36 (2), 236–248, 2012.

http://web.stanford.edu/~borja/pub/ijnamg2012(1).pdf

Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Wei Wu
Universität für Bodenkultur
Institut für Geotechnik
Feistmantelstraße 4
1180 Wien
T +43 / 1 / 47654 - 5551
E wei.wu@boku.ac.at
W http://www.boku.ac.at
Der Wissenschaftsfonds FWF:
Marc Seumenicht
Haus der Forschung
Sensengasse 1
1090 Wien
T +43 / 1 / 505 67 40 - 8111
E marc.seumenicht@fwf.ac.at
W http://www.fwf.ac.at
Redaktion & Aussendung:
PR&D – Public Relations für Forschung & Bildung Mariannengasse 8
1090 Wien
T +43 / 1 / 505 70 44
E contact@prd.at
W http://www.prd.at

Marc Seumenicht | PR&D – Public Relations für Forschung & Bildung
Weitere Informationen:
https://scilog.fwf.ac.at/natur-technik/4074/muren-dank-neuem-modell-besser-vorhersehbar

Weitere Berichte zu: Erdrutsche FWF Geotechnik Hangabgänge Muren Wasserspannung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen
26.04.2017 | Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.

nachricht Flechten aus dem Bernsteinwald
25.04.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie