Der Lehrstuhl beschäftigt sich mit numerischer Geotechnik, insbesondere der Entwicklung von Software, konstitutiven Modellen, Kontaktmechanik und gekoppelten Finite-Elemente-Formulierungen. Im Bereich der Offshore-Geotechnik stehen Installationsprozesse sowie zyklische Belastungen durch Wind- und Welleneinwirkung im Fokus. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die numerische Modellierung von Verfahren zur Baugrundverbesserung sowie die Analyse der Standsicherheit von Böschungen unter seismischer Beanspruchung. Zudem werden zyklische Belastungen bei Infrastrukturbauwerken untersucht und Partikelmethoden zur Simulation großer Verformungen weiterentwickelt.
Aktuelle Projekte
HCA 4 PInS
HCA 4 PInS
Entwicklung einer Methode zur realistischen Simulation der Pfahlinstallation unter Verwendung des HCA Modells
Im Zuge des „Klimaschutzprogramms 2030“ soll die installierte Leistung von Offshore-Windenergieanlagen bis 2030 auf 25 GW angehoben werden. Erreicht wird dies neben der Erschließung neuer Windparks durch den geplanten Markteintritt von Windenergieanlagen mit einer Leistung von bis zu 14 MW. Die Installation der Anlagen hat unter strengen Umwelt- und Naturschutzauflagen zu erfolgen. Diesen Anforderungen kann das bisher übliche Installationsverfahren der Schlagrammung ausschließlich unter Aufwendung zusätzlicher technischer Lösungen zur Reduzierung des Rammschalls genügen. Ein alternatives Installationsverfahren stellt das vergleichsweise emissionsarme Einvibrieren des Pfahls dar. Erste Modell- und Feldversuche zeigen jedoch, dass die Tragfähigkeit von einvibrierten Pfählen im Vergleich zu gerammten Pfählen geringer ist. Gängige Bemessungsverfahren mit nichtlinearen Federkennlinien (p-y Kurven) oder der Finite Elemente Methode (FEM) werden unter Vernachlässigung des eigentlichen Herstellungsprozesses angewendet.
Ziel dieses Antrags ist es, eine geeignete numerische Rechenstrategie auf Basis der sog. „Zipper-Methode“ in Kombination mit einem hochzyklischen Akkumulationsmodell (HCA-Modell) zu entwickeln, welche eine realitätsnahe Simulation des Installationsprozesses und die anschließende Berechnung der (hoch)zyklischen lateralen Belastung aus Wind- und Wellengang ermöglicht. Die Simulation der Pfahlinstallation wird hierbei erstmals die wichtigsten Parameter der Installation sowie eine möglichst genaue Abbildung der Pfahl-Boden-Interaktion berücksichtigen. Dies beinhaltet beispielsweise die Abbildung der tatsächlichen Installationszeit und -frequenz bzw. der tatsächlichen Anzahl an Lastzyklen, Effekte der Trägheit sowie die partielle Drainage. Die entwickelte numerische Methode wird anhand von Modell- und Feldversuchen aus der Literatur validiert.
Auf Basis dieser Rechenstrategie werden analytische Ansätze abgeleitet, welche eine vereinfachte Berücksichtigung der Installationseffekte in Abhängigkeit u.a. der Installationsmethode, der Lagerungsdichte und der Drainagebedingungen in den heute üblichen wished-in-place FEM-Berechnungen ermöglichen. Der somit sichergestellte Transfer der in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse in die Praxis versetzt planende Ingenieur*innen und Behörden in die Lage, den Einfluss der Pfahlinstallation in der Vordimensionierung und der Bemessung von Monopile-Gründungen zu berücksichtigen.
Darüber hinaus erlauben die in diesem Projekt entwickelten numerischen Werkzeuge eine systematische Untersuchung der Pfahlinstallation und unterstützen somit die Entwicklung und Bewertung neuartiger Installationsmethoden.
Weiterführende Informationen zum DFG-Projekt HCA 4 PInS finden sich auf der Homepage.
Abgeschlossene Projekte
IdGranPack
IdGranPack
Identifizierung polydisperser granularer Gefüge zur Bewertung der Stabilität weitgestufter Böden bei hydraulischer Beanspruchung
Materialtransport in einem Boden bewirkt stets eine Änderung der mechanischen Eigenschaften. Dies beeinflusst die Beanspruchbarkeit und die Zuverlässigkeit von Erdbauwerken. Für die Abschätzung der Stabilität des Bodens ist die Analyse des Partikelgefüges und dessen infolge einer Einwirkung induzierten Veränderung von Bedeutung. Obwohl es in der Geotechnik eine lange Tradition der experimentellen und analytischen Untersuchungen von Transportprozessen im Boden gibt, existiert derzeitig kein Stabilitätskriterium auf der Grundlage der Analyse des vorherrschenden Gefüges.
Forschungsziel ist die Identifikation des Gefüges von granularen weitgestuften Böden im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Materialtransport. Auf der Grundlage der Identifikation des Bodengefüges, wird eine allgemeingültige Bewertung der Mobilität und der Gefügestabilität abgeleitet. Das Gefüge wird unter Verwendung von experimentellen Untersuchungen, 3D Computertomographieaufnahmen und numerischen Simulationen visualisiert, analysiert und identifiziert.
Für diese Untersuchungsmethoden wird der Boden durch granulare Packungen aus Kugeln abstrahiert. Als Bindeglied zwischen Versuch und numerischer Simulation werden 3D-Aufnahmen der experimentell erzeugten Packungen angefertigt. Mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung werden die relevanten Kennwerte der Packung ermittelt. Die erfassten Packungen dienen der Validierung und Verifizierung der numerischen Modellierungen. Im Vordergrund steht die Bewertung der lokalen Mobilitätswahrscheinlichkeit der Partikel. Auf diesen Ergebnissen aufbauend werden die bereits analysierten Packungen einer definierten hydraulischen Einwirkung ausgesetzt. Die Ergebnisse ermöglichen eine Bewertung der Stabilität und globalen Mobilitätswahrscheinlichkeit der mobilen Partikel von weitgestuften Packungen.
Im Ergebnis des Forschungsprojektes werden Methoden zur Identifikation des Gefüges granularer Packungen und Partikelumlagerungen erarbeitet. Darauf aufbauend lassen sich, in Abhängigkeit der Partikelverteilung und der Lagerungsdichte, charakteristische Matrixtypen des Gefüges identifizieren und deren Partikelmobilität prognostizieren. Mit diesen Erkenntnissen leistet das Forschungsprojekt einen grundlegenden Beitrag zur Beurteilung der Stabilität gegen Materialtransport von hydraulisch belasteten Böden als Grundlage zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Deichen und Dämmen.
Veröffentlichungen:
| Jahr | Autoren | Titel |
|---|---|
| 2017 | F. Seblany, U. Homberg, E. Vincens, P. Winkler, K.J. Witt: »Merging criteria for the definition of a local pore and the CSD computation of granular materials« Proceedings of the 25th meeting of the Working Group on Internal Erosion in em-bankment dams and their foundations, 04.-07.09.2017, Deltares (Delft, NL), ISBN: 978-90-827468-1-5, pp.150-159 |
| 2016 | P. Winkler, H. Jentsch, M.R. Salehi Sadaghiani; K.J. Witt: »Numerical Investigation of the particle Skeleton of widely graded soils prone to Suffusion« Proceedings of the 8th International Conference on Scour and Erosion (ISCE-8), 12.-15.09.2016. Oxford, UK, pp. 149-154 |
| 2016 | H. Jentsch; P. Winkler; M.R. Salehi Sadaghiani; K.J. Witt: »Experimental identification of the dominant fabric in widely graded soils« Proceeding of the 8th International Conference on Scour and Eroseion (ISCE-8), 12.-15.06.2016, Oxford, UK,pp. 439-444 |
| 2016 | P. Winkler: »Numerische Untersuchung zur Strukturänderung weitgestufter Böden« 34. Baugrundtagung, Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, Beiträge der Spezialsitzung, Bielefeld 2016; Hrsg.: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.; S. 97-104 |
| 2016 | H. Jentsch: »Identifikation weitgestufter granularer Packungen« 34. Baugrundtagung, Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, Beiträge der Spezialsitzung, Bielefeld 2016, Hrsg.: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.; S. 75-82 |
PROJEKTLAUFZEIT:
4/2017 - 3/2020
PROJEKTPARTNER:
Fakultät Bauingenieurwesen Professuren Grundbau, Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt
Bauchemie und Polymere Werkstoffe, Prof. Dr.-Ing. Andrea Osburg
FÖRDERMITTELGEBER:
DFG
Suffosionsproblematik im Rheinischen Schluff
Prüfung der Suffosionsproblematik im Rheinischen Schluff
»Experimentelle Untersuchungen zur Suffosion und Kontakterosion«
Im Rheinnischen Tagebaurevier werden großräumige Grundwasserabsenkungen betrieben. Die anstehenden Böden erfahren hierbei veränderte hydraulische Einwirkungen. Bei einer konzentriert starken Durchsickerung, z. B. bei natürlichen und anthropogenen Änderungen der geohydraulischen Einwirkung infolge Anstieg oder Absenkung von Grundwasser, kann ausgehend von Rissen oder an Kontaktflächen zu angrenzenden Böden ein suffosiver Materialtransport stattfinden. Mit den verfügbaren Kriterien, die auf empirischer Grundlage für spezielle Böden formuliert wurden, kann dieses Risiko nicht ausreichend analysiert und beantwortet werden. Hierzu ist eine differenzierte Betrachtung der hydrodynamischen Transportbedingungen unter diesen speziellen Randbedingungen und den anstehenden Böden in Form einer Analyse, experimentellen Untersuchungen und darauf aufbauend eine quantitative Bewertung der Erosionsempfindlichkeit durchzuführen.
Projektdauer: 2014-2015
Projektpartner: RWE Power AG / Gebirgs- und Bodenmechanik
GeoMeWa
GEOMEWA
GEOMEWA - FASEROPTISCHES (BOHRLOCH-) MESS- UND WARNSYSTEM VON BEWEGUNGEN IM UNTERGRUND
Rutschungen von Böschungen, aber auch Erdfälle und Geländeabsenkungen verursachen zum Teil immense wirtschaftliche Schäden und stehen im Blickpunkt der Öffentlichkeit. Eine Vermeidung solcher Schadensfälle setzt eine frühzeitige Identifizierung einsetzender Deformationen voraus. Hierzu ist insbesondere eine effiziente Verformungsmessung relevanter Erdbauwerke (Monitoring) erforderlich.
Im Rahmen dieses vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten ZIM-Kooperationsprojekts wird durch interdisziplinäre Zusammenarbeit von acht Projektpartnern aus Forschung und Wirtschaft ein einfaches, sicheres, feldtaugliches, langlebiges und wirtschaftliches Monitoringverfahren zur Identifikation von Bewegungen im Untergrund entwickelt, bei dem faseroptische Messtechnik zum Einsatz kommt, welche speziell auf die standortspezifischen Randbedingungen für den Einsatz in der Geotechnik angepasst ist.
VERÖFFENTLICHUNGEN:
| Jahr | Autoren | Titel | |
2015 | Habel W.R.; Hofmann D.; Basedau F.; Krebber K.; Jentsch H.; Senze A.: »Online-detection of Slipping Soil Areas by Embedded Fiber-Optik Sensing Rods« Third Conference on Smart Monitoring, Assessment and Rehabilation of Civil Structures (SMAR 2015), 07.-09.09.2015, Antalya, Turkey | |
2014 | Habel W.R.; Hofmann D.; Döring H.; Jentsch H.; Senze A. & Kowalle G.: »Detection of a Slipping Soil Area in an Open Coal Pit by Embedded Fibre-optic Sensing rods« Proceedings of the 5th International Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoring in Geo-engineering (5th OSMG-2014), 12.-14.10.2014, Nanjing, China | |
2013 | Jentsch, H. et al: »Detection of slipping soil areas with embedded tiny vertical sensing rods« Proceedings of the 6th International Conference on Structure Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (SHMII-6), 09.-11.12. 2013, Hong Kong, China, The Hong Kong Polytechnic University, Book of Abstracts, p. 289, CD-ROM ISBN 978-962-367-768-4. SS03-03 | |
2011 | Senze, A et.al. 2011, »Online Überwachung von Bodenbewegungen«,. Proc. of the 21st International Scientific Conference Mittweida /Germany. Univ. of Applied Science. Mittweida/G. |
PROJEKTDAUER: 2011-2014
PROJEKTPARTNER:
Hydraulischer Grundbruch in bindigen Böden
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden folgende Themen bearbeitet:
- hydraulisch bedingte Versagensformen in der Sohle von Baugruben
- Spannungszustände und Grenzbedingungen an einer Baugrubenwand in bindigem Boden
- Visualisierung des durch Strömung verursachten Bruchverhaltens in bindigen Böden
- Analyse der Rissinitiation und Einfluss der Auflagereaktion beim Hydraulischen Grundbruch
- Versuchsentwicklung - Untersuchung der hydraulischen Rissbildung im bindigen Boden
- Zugfestigkeit bindiger Böden
- Untersuchung der hydraulisch bedingten Rissinitiation in bindigem Boden - hydraulische Zugfestigkeit
- Vergleich der Grenzzustände Scherbruch und Rissversagen an Baugrubenwänden im bindigem Baugrund
Projektdauer: 2006 - 2010
Kontakt: Dr.-Ing. R.-B. Wudtke
Beurteilung der Gefährdung der Rheinseitendämme durch suffosiven Materialtransport
Studie 1 - 2007: Im Rahmen dieses Forschungsprojektes waren die bekannten geometrischen und hydraulischen Kriterien zur Beurteilung der Stabilität gegen innere Erosion bzw. potentielle Materialtransportprobleme an den Rheinseitendämmen zu bewerten (unter anderem bei einem landseitigen Einstau bzw. Polderbetrieb).
Studie 2 2008: In dieser Studienphase war aufgrund der Unzuver¬lässig¬keit der verfügbaren Suffosions- und Erosionskriterien ein Versuchsstand zu entwickeln. Unterschiedliche Versuche an Modellböden wurden exemplarisch durchgeführt. Dazu wurden Parameteranalysen an Modellböden zur Untersuchung unterschiedlicher Einflussfaktoren der Kontakterosion und zur Optimierung des Versuchsstandes ausgearbeitet.
Studie 3 2009: In dieser Studie wurden eine umfassende Parameterstudie, Suspensions-versuche, Suffossions¬versuche, Kontaktersosionsversuche mit vertikaler Durchströmung und Kolmations¬versuche an Originalböden durchgeführt.
Studie 4 - 2010: Hier wurden zwei Versuchsarten zur Überprüfung der Suffosionsstabilität der nicht bindigen Materialien und die Stabilität des Kernmaterials gegen Kontakterosion bei paralleler Durchströmung getestet. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse der experimentellen Untersuchungen müssen noch abschließend in Hinblick auf die tatsächlichen Erosionsrisiken qualitativ an den Rheinseitendämmen bewertet werden. In einem Abschlussbericht zur Bedeutung der Laborergebnisse und der geostatistischen Auswertung für die Erosionsgefährdung wurden die Ergebnisse zusammengefasst.
Studie 5 - 2011: In dieser Projektphase wurden die Versuche weiter entwickelt und an Originalboden getestet. Die Suffosionsversuche an entmischtem Boden und langzeitige Kontakterosionsversuche an Kernmaterialien wurden durchgeführt. Die Suffosionsversuche wurden aufgrund vorliegender Entmischungen an dem schichtweisen entmischten Stützkörper-material gefahren. Aufgrund der Tatsache, dass die Erodibilität des Kernmaterials ein zeitabhängiger Prozess ist, insbesondere dann, wenn in der Schichtgrenze die Feinteile an unbelasteten Flächen quellen und sich als Aggregate lösen können, in den langzeitigen Kontakterosionsversuchen wurde eine schichtparallele Durchströmung abgebildet, wobei aber längere Durchströmungs- und Stillstandzeiten als bei den bisherigen Versuchen appliziert wurden.
Studie 6 - 2012: In der aktuellen Projektphase sollten die Risikofaktoren zur Initialisierung des suffosiven Materialtransports und ihre Rangordnung benannt werden. Eine Empfehlung zur Bewertung der Suffosionsstabilität für den vorhandenen Boden an den Rheinseitendämmen soll bearbeitet werden.
Kontakt: M. Sc. M. R. Salehi Sadaghiani
Niederschlagswasserbehandlungsanlage
Behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser stammt überwiegend von Verkehrsflächen, die nach Angaben des Stat. Bundesamtes annähernd 50% der versiegelten Flächen in Deutschland ausmachen. Daher steht die Behandlung von Niederschlagswasser von Verkehrsflächen im Fokus des Projektes. Gegenstand des Kooperationsprojektes ist die Entwicklung einer dezentralen und kostengünstigen Niederschlagswasserbehandlungsanlage mit Rückhaltefunktion von Schadstoffen mittels neuem Filtermaterial. Entsprechend der Zusammensetzung einer solchen Anlage werden die Entwicklungsaufgaben im Rahmen eines Kooperationsprojektes wie folgt aufgeteilt: 1. Filtermaterial und Filtervorrichtung – Teilprojekt der Firma PVP Triptis GmbH 2. Filtergehäuse - Betonkörper zur Aufnahme der Filtervorrichtung und Vorreinigung sowie des Zu- und Ablaufs – ganzheitliche Anlage im Sinne der Bauartzulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) – Teilprojekt der Firma Lauterbach-Kießling GmbH 3. Umweltgeotechnische Untersuchungen zum Verhalten von gummielastischen Filtermaterialien zur Reinigung von Niederschlagswässern durch die Bauhaus-Universität Weimar
Gefährdung von Sedimentationsbecken durch extreme Niederschläge
- Untersuchung der Korrelation zwischen kritischer Durchsickerung und chemisch-physikalischen Stressindikatoren
- Prototypische Entwicklung und Erprobung eines neuen Messsystems zur Bestimmung der klimatisch induzierten Veränderungen von chemischen Parametern und der Gesamtmineralisation des Sickerwassers
Tragverhalten von Großbohrpfählen in den Vereinten Arabischen Emiraten
- Untersuchung des Last-Setzungsverhaltens axial belasteter Großbohrpfähle unter den standortspezifischen Baugrundbedingungen von Dubai
- Anwendung von Sensoren unterschiedlicher physikalisch Messprinzipen bei Pfahlprobebelastungen
- Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise zur wirklichkeitsnahen Simulation des Last-Verformungsverhaltens von Bohrpfählen mit numerischer Verfahren
Strukturveränderung von Böden unter hydrodynamischer bzw. transienter Beanspruchung
- Simulation von Transportvorgängen bzw. Umlagerung von Partikeln mit der Perkolationstheorie
- Porenstrukturanalyse an Partikelpackungen und MicroCT-Aufnahmen
- Entwicklung eines Versuchstandes zur Beurteilung von Transport und Umlagerung von Bodenpartikeln
- DIN gerechte Ableitung von Grenzbedingungen
Nähere Informationen unter: http://www.suffos.bam.de/de/
Kontakt: M. Sc. Mohamad Reza Salehi Sadaghiani
Klassifizierung von regionaltypischen Baulehmen in den Vereinigten Arabischen Emiraten
- Erschließung von Lagerstätten geeigneter Baulehme in den VAE im Auftrag für die Abu Dhabi Authority for Culture and Heritage (ADACH) und in Zusammenarbeit mit der JENA-GEOS Ingenieurbüro GmbH
- Charakterisierung der kartierten Baulehme mit dem Ziel, diese für moderne Lehmarchitektur entsprechend den aktuellen Richtlinien des Dachverbandes Lehm e.V. optimal einsetzen zu können
- Entwicklung von angepassten lokaltypischen Rezepturen zur Restaurierung historischer Bausubstanz, nachdem die Lehmzusammensetzung zahlreicher alter Bauwerke in den VAE und im Oman ermittelt wurde
- Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in Kooperation mit ADACH, dem Dachverband Lehm e.V. und lokalen Bildungsbehörden für umfangreiche Weiterbildungsstudien aufbereitet. In einem neu etablierten Lehmbauzentrum in Al Ain sollen arabische Architekten und Bauingenieure geschult werden.
Weitere Informationen unter:
http://www.adach.ae/en/portal/heritage/qasar.alhosnfort.aspx
http://www.dachverband-lehm.de/
Kontakt: Dr. G. U. Aselmeyer