Forschung

Im Mittelpunkt dieses Projekts stehen die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher numerischer Methoden zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Verdichtungsbändern in Geomaterialien. Konkret wird die hypoplastische Konstitutionsmodellierung mit einem Phasenfeldansatz gekoppelt, um einen robusten und thermodynamisch konsistenten Rahmen für die Simulation von Dehnungslokalisierungsphänomenen zu schaffen. Verdichtungszonen, bei denen es sich um lokal begrenzte Bereiche intensiver volumetrischer Verformung handelt, spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des mechanischen Verhaltens und der Durchlässigkeit poröser Materialien wie Gestein und Boden. Herkömmliche numerische Methoden haben aufgrund ihrer Gitterabhängigkeit und der Schwierigkeiten bei der Verfolgung von Diskontinuitäten oft Schwierigkeiten, deren Entstehung und Ausbreitung zu erfassen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, nutzt die vorgeschlagene Studie eine Phasenfeldformulierung, die Diskontinuitäten regularisiert und die nahtlose Simulation sich entwickelnder Lokalisierungsmuster ermöglicht.

Superscher-Erdbeben stellen eine der gefährlichsten Bruchformen dar, da Bruchgeschwindigkeiten, die die Scherwellengeschwindigkeit überschreiten, die Bodenbewegung durch eine Mach-Kegel-ähnliche Wellenfokussierung stark verstärken können. Die hochgeladene Arbeit entwickelt ein zweidimensionales hybrides FEM/Peridynamik-Framework zur Untersuchung des Übergangs von sub-Rayleigh- zu Superscher-Bruchausbreitung sowohl in trockenen als auch in fluidgesättigten Medien. In diesem Framework wird die Peridynamik zur Modellierung der Festkörperdeformation, der Schädigung und der Bruchausbreitung eingesetzt, während die FEM zur Lösung der Porendruckdiffusion und der Fluidströmung in gesättigten porösen Medien verwendet wird. Das Modell wird anhand von Homalite-Aufprallexperimenten und PMMA-Experimenten an Reibungsgrenzflächen validiert und anschließend auf trockene und gesättigte störungsähnliche Medien angewendet. Ein zentrales Ergebnis ist, dass trockene Medien entweder einen direkten Übergang zur Superscher-Bruchausbreitung oder den Burridge-Andrews-Mutter-Tochter-Rissmechanismus zeigen können, während fluidgesättigte Medien aufgrund poroelastischer Effekte nahe der Bruchfront einen direkten Superscher-Übergang begünstigen. Die Studie zeigt außerdem, dass Porendruckstörungen die Bruchausbreitung beschleunigen und es der Bruchgeschwindigkeit ermöglichen können, sich in gesättigten Medien der schnellen Kompressionswellengeschwindigkeit anzunähern. Dennoch bestehen weiterhin mehrere wichtige Einschränkungen. Die aktuellen Simulationen behandeln Gesteine überwiegend als linear-elastische Materialien und verwenden ein lineares Slip-Weakening-Reibungsgesetz. Natürliche Störungszonen hingegen umfassen plastisches Fließen, permanente Schädigung, raten- und temperaturabhängige Reibung, heterogene Permeabilität, sich entwickelnden Porendruck sowie komplexe Geometrien der Störungszone. Diese Prozesse können die Bruchbeschleunigung, den Superscher-Übergang, die Schädigung außerhalb der Störung und die seismische Energieabstrahlung maßgeblich beeinflussen. Das vorgeschlagene Projekt wird daher das bestehende FEM/PD-Framework zu einem realistischeren poro-elasto-plastischen und thermo-hydro-mechanischen Modell für dynamische Erdbebenbruchprozesse in ausgereiften fluidgesättigten Störungszonen erweitern.

Granuläre Materialien zeigen Regimeübergänge zwischen feststoffartigem, flüssigkeitsartigem und gasartigem Verhalten, die durch Faktoren wie Belastungsbedingungen, Korngrößenverteilung, Dichte und Materialfestigkeit beeinflusst werden. Der Übergang zwischen feststoffartigem und flüssigkeitsartigem Zustand ist dabei besonders bedeutend, da er grundlegende Phänomene wie Erdrutsche, Küstenerosion und Sedimenttransport bedingt. Er ist zudem essenziell für die Optimierung industrieller Prozesse und die Konstruktion von Rovern für die Raumfahrt. Trotz intensiver Forschung sind die fundamentalen Mechanismen, die diese Übergänge steuern, noch weitgehend unverstanden. Diese Wissenslücke schränkt unsere Fähigkeit ein, geologische Ereignisse zuverlässig vorherzusagen und ingenieur- sowie fertigungstechnische Prozesse zu optimieren. Dieses Projekt zielt darauf ab, unser Verständnis der Regimeübergänge in granularen Materialien mittels neuartiger mikromechanischer Labortests, gekoppelter Modellierung der Feststoff-Flüssigkeits-Interaktion, konstitutiver Modellierung und Analyse großer Deformationen voranzutreiben. Unser Konsortium vereint Fachkompetenzen aus verschiedensten Disziplinen – darunter fortgeschrittene experimentelle Prüfverfahren, numerische und physikalische Modellierung, Geo­ingenieurwesen, Robotik und Softwareentwicklung. Alle beteiligten Organisationen werden durch Leitung von Arbeitspaketen, Personalentsendungen und/oder technische sowie infrastrukturelle Unterstützung aktiv zu den Forschungsaktivitäten beitragen. Parallel zur Forschung fördert das Projekt den Personalaustausch durch Personalentsendungen und Networking und bildet NachwuchswissenschaftlerInnen in fachlichen und überfachlichen Kompetenzen über Schulungsprogramme aus. Diese Maßnahmen sollen dauerhafte internationale Kooperationen etablieren und die nächste Generation von Forschenden und IngenieurInnen ausbilden, die technologische Fortschritte in Wissenschaft und Industrie vorantreiben. Darüber hinaus stärkt das Projekt den Wissensaustausch zwischen Universitäten und der Wirtschaft, um die praktische Anwendung neuer Erkenntnisse in der Entwicklung von Software und Prüfgeräten zu ermöglichen und neue Spin-off-Unternehmen zu gründen, die Dienstleistungen in den Bereichen fortgeschrittene Experimente und numerische Modellierung anbieten.