Forschung

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.

Unsere vorgeschlagene Forschungsinitiative zielt darauf ab, maschinelles Lernen an die Spitze des geotechnischen Ingenieurwesens zu bringen, mit der Vision, entscheidende Herausforderungen anzugehen und das Feld zum Wohle der Gesellschaft zu revolutionieren. Die übergeordneten Ziele unseres Projekts stehen im Einklang mit der Notwendigkeit, Unsicherheiten zu bewältigen, den Klimawandel durch Strategien mit null Kohlenstoffemissionen zu bekämpfen, die Heterogenität der Bodenparameter anzugehen, Finite-Elemente-Berechnungen zu beschleunigen, z.B. für Zuverlässigkeitsanalysen, und die Designeffizienz zu erhöhen, um den Materialverbrauch zu reduzieren, insbesondere im Kontext von Beton. Durch diesen multidimensionalen Ansatz strebt unsere Forschung nicht nur an, maschinelles Lernen im geotechnischen Ingenieurwesen anzuwenden, sondern das Feld grundlegend zu transformieren und eine neue Ära der Effizienz, Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit einzuläuten. Durch Zusammenarbeit und Innovation streben wir danach, maschinelles Lernen zu einem integralen und unverzichtbaren Werkzeug zu machen, um die komplexen Herausforderungen zu bewältigen, mit denen geotechnische Fachleute im 21. Jahrhundert konfrontiert sind.

Georisiken wie Steinlawinen, Erdrutsche und Murgänge werden gemeinhin als langsam bis schnell ablaufende, von der Schwerkraft angetriebene Prozesse bezeichnet, die typischerweise in Gebirgsregionen wie den Alpen in Europa, dem Himalaya in Asien, den Rocky Mountains in Nordamerika und den Snowy Mountains in Australien auftreten und potenzielle Gefahren für die Gesellschaft mit sich bringen. Mit dem Fortschritt der Informatik sind numerische Simulationen von Georisiken in der modernen Geomechanik und im geotechnischen Ingenieurwesen von entscheidender Bedeutung. Die Aufsplitterung der derzeitigen Forschung in lokale nationale Projekte führt häufig zu einem unzureichenden Verständnis der Entstehungsmechanismen. Diese Lücke führt zu einer Grauzone bei den modernen numerischen Methoden für High-Fidelity-Simulationen, was den Zugang sowohl für wissenschaftliche Forscher als auch für Ingenieurpraktiker einschränkt. MONUGEO bringt die sich ergänzenden Fachkenntnisse unserer Konsortiumsmitglieder zusammen, um ein besseres Verständnis der Prozesse der Auslösung, des Auslaufens und der Ablagerung (und/oder der Interaktion mit schützenden Hindernissen) zu entwickeln und im Gegenzug die bahnbrechenden numerischen Werkzeuge für die High-Fidelity-Vorhersagen zu erstellen. Unser internationales und interdisziplinäres Konsortium wird außerdem einen integrierten Forschungsansatz bevorzugen, der Laborexperimente, physikalische Modellversuche im Maßstab der Zentrifuge und Anwendung auf regionaler Ebene mit geologischen Untersuchungen. Diese integrierte Methodik wird dazu dienen, die von uns entwickelten Rechenparadigmen und numerischen Werkzeuge zu validieren und sie auf realistische Szenarien anzuwenden.