Forschung

Granulatförmige Materialien sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Das gleiche körnige Material kann sich wie ein Feststoff und eine Flüssigkeit verhalten, was eine gewaltige Herausforderung für die Stoffmodelle und numerischen Methoden darstellt. Konstitutive Modelle für das feststoff- und flüssigkeitsähnliche Verhalten wurden traditionell für die jeweiligen Strömungsregime in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen entwickelt, die kaum Schnittmengen aufweisen. Ein einziges konstitutives Modell, das in der Lage ist, das transiente Verhalten bei Phasenübergängen sowohl im feststoffähnlichen als auch im flüssigkeitsähnlichen Bereich zu beschreiben, ist eine anspruchsvolle Aufgabe mit enormem Anwendungspotenzial. MOTRAN stellt sich dieser Herausforderung mit einem einfachen, aber genialen Ansatz, indem es die Spannungsrate in einen Reibungs- und einen Kollisionsanteil zerlegt. Durch die Übernahme unseres hypoplastischen Modells für den Reibungsteil und einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit für den Kollisionsteil führt dieser Ansatz zu einem unkonventionellen konstitutiven Modell mit einer Dehnungsrate 2. Ordnung ähnlich der Bewegungsbeschleunigung, das als hervorragender Klassifikator für stetige und stabile Strömungen dient. Dieses konstitutive Modell wird dann um eine Längenskala im mikropolaren Kontinuum für die Multiskalenanalyse erweitert. Basierend auf der Mischungstheorie werden die Feldgleichungen erstmals in Ratenform aufgestellt und durch ein mehrschichtiges SPH-Modell diskretisiert. Für eine polydisperse Granulatströmung mit einzelnen großen Partikeln wird das SPH-Modell mit einem eigens entwickelten Surface Mesh Represented DEM gekoppelt, um Partikel beliebiger Form zu simulieren. Es werden fortschrittliche Lösungstechniken entwickelt, die auf Multi-GPU-Beschleunigung basieren, um groß angelegte Probleme mit hoher Wiedergabetreue zu simulieren. Das konstitutive Modell wird durch Laborexperimente an natürlichen körnigen Materialien und deren transparentem Ersatz kalibriert. Das numerische Modell wird durch skalierte Modelltests unter erhöhter Beschleunigung in der Zentrifuge sowie durch reale Fälle unserer Datenbank validiert. MOTRAN ist ein spannendes Unterfangen mit dem Potenzial, ein neues Paradigma herbeizuführen, das die Art und Weise, wie transiente granulare Strömungen modelliert werden sollen, revolutionieren wird.

Das Projekt LOC3G zielt darauf ab, das Wissen über Lokalisierungsphänomene in porösen geologischen Medien auf mehreren Skalen und in mehreren physikalischen Bereichen zu erweitern, um neue Vorhersagemodelle für Geophysik, Georisiken und Geoengineering zu entwickeln. Das Konsortium vereint ein breites Spektrum an Fachwissen, darunter geologische Untersuchungen, konstitutive Modellierung und numerische Simulationen, Labortests und reale Anwendungen wie CO2-Speicherung und Nutzung von Georessourcen/Energie. Das Projekt wird innovative Forschungstechniken einbeziehen und fortschrittliche konstitutive Modelle und numerische Ansätze der nächsten Generation nutzen, um die Lokalisierung von Verformungen in geologischen Medien zu untersuchen. Ziel ist es, Spitzenwissen und interdisziplinäre Ausbildung bereitzustellen, um die Kapazitäten für Forschung und Technologie weltweit zu verbessern und Praktikern die Werkzeuge an die Hand zu geben, die sie benötigen, um relevante Probleme in ihren Bereichen anzugehen. Darüber hinaus wird erwartet, dass LOC3G einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung der durch geopolitische Probleme verursachten Energiekrise in der EU leisten wird.

Mit dem Anstieg der Digitalisierung im Bauwesen nimmt dieser Bereich auch im Spezialtiefbau immer mehr an Bedeutung zu. Neben Bereichen wie dem Building Information Modelling steht hier vor allem die Abbildung des Untergrundes und die numerische Betrachtung von geotechnischen Konstruktionen im Vordergrund. Mit ersterem besteht die Möglichkeit, eine umfassendere Darstellung des Untergrundes zu ermöglichen und in weiterer Folge das Baugrundrisiko zu reduzieren und zudem Optimierungsmöglichkeiten zu schaffen. Zweiteres bietet dabei ebenfalls das Potential Verbesserungen und Optimierungen zu generieren, und dennoch standsichere und robuste Konstruktionen zu gewährleisten. Bei Interaktion beider Methoden bietet sich die Möglichkeit hier Überschneidungsbereiche und Synergieffekte zu nutzen und somit zu einer Ressourcenschonung beizutragen. Vor allem im Bereich der Baugrundverbesserung und der Gründung von Bauwerken in Interaktion mit den konstruktiven Bauteilen besteht hier – im Vergleich zu anderen Ingenieurdisziplinen – erheblicher Aufholbedarf, was derartig interagierende Prozesse anbelangt. Das dabei durch die VÖBU – als Interessensvertretung im Spezialtiefbau – angedacht Konzept des Forschungsprojektes GaSIm bietet hier die Möglichkeit derartige Betrachtungen aus wissenschaftlicher Sicht vorzunehmen und damit vor allem für die Entstehung der zweiten Generation des Eurocodes einen wesentlichen Baustein zu schaffen. Eines der Kerngebiete unseres Instituts stellt die numerische Betrachtung von geotechnischen Konstruktionselementen und die dazu erforderliche Abbildung des Untergrundes dar. Diesen Bereich unserer Expertise sowie die Kenntnisse im Bereich der Baugrundverbesserung würden wir in das geplante Projekt, gemeinsam mit den anderen Partnern einbringen, um hier eine umfassende, zielführend und auch praxisrelevante Forschung zu ermöglichen und damit einen Beitrag zum innovationsträgen Bauwesen zu generieren.