Baugrund-Bauwerk Interaktion oberflächennaher Tunnel in verflüssigungsgefährdeten Böden bei Starkbeben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roberto Cudmani
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449102206

Unterirdische Strukturen, insbesondere Tunnel sind wesentliche Bestandteile nachhaltiger und effizienter Transportsysteme in schnell wachsenden Großstädten. Tunnel werden in der nahen Zukunft eine bedeutende Rolle bei der Einführung automatisierter Transportsysteme einnehmen. Die wirtschaftlichen sowie sozialen Folgen eines Versagens von Tunneln und langfristige Unterbrechungen im Betrieb sind immens und nur mit sehr geringer Eintrittswahrscheinlichkeit hinnehmbar. Neben den statischen Einwirkungen aus Untergrund und Grundwasser müssen Tunnel in Erdbebengebieten auch seismischen Einwirkungen widerstehen. Das Verhalten von Tunneln ist durch die Baugrund-Bauwerk Interaktion (BBI) geprägt. Während die BBI bei statischer Beanspruchung und moderaten seismischen Einwirkungen weitgehend verstanden ist und durch vorliegende mathematische Modelle ausreichend genau erfasst wird, ist das Verhalten von Tunneln bei Starkbeben noch Gegenstand der Forschung. Im Besonderen oberflächennahe Tunnel in verflüssigungsgefährdeten Böden stellen ein für Praxis und Forschung herausforderndes noch ungelöstes Problem dar.Das gemeinsame Forschungsvorhaben der Tongji-University (TJU) und Technischen Universität München (TUM) zielt auf die Entwicklung und Validierung robuster numerischer Modelle zur Prognose der BBI oberflächennaher Tunnel in verflüssigungsgefährdeten Böden bei Starkbeben ab. Die numerischen Modelle werden aus einzigartigen Experimenten abgeleitet und können zur Entscheidungsfindung auf Basis wissenschaftlich fundierter Risikobewertungen herangezogen werden. Damit können aufwendige Baumaßnahmen zur Reduzierung des Potentials der Bodenverflüssigung abhängig von der Tunnelstruktur sowie unter Berücksichtigung bodenspezifischer Einflüsse bemessen und optimiert werden.Die umfassende numerische Modellbildung zum komplexen Randwertproblem wird in zwei Phasen erreicht. In der ersten Phase, die Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist, werden die Bestandteile bzw. Teilprobleme der BBI (Boden, Tunnel, Boden-Tunnel-Interface) zunächst experimentell untersucht. Auf dieser Basis erfolgt die Entwicklung und Validierung der numerischen Teilmodelle. Die Experimente greifen auf teilweise neu konzipierte Elementversuche, einen multidirektionalen Rütteltisch und Versuche in einer geotechnischen Zentrifuge zurück. Die zweite Phase umfasst die Entwicklung des numerischen Modells zur Abbildung der BBI unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Teilprobleme aus der ersten Phase.Das kooperative Forschungsvorhaben ermöglicht einen umfassenden Wissensaustausch und die deutliche Erweiterung wissenschaftlicher Fähigkeiten der beiden Partner. Dies betrifft insbesondere den Einsatz der herausragenden experimentellen Einrichtungen am Structural Experimental Center der TJU. Die Möglichkeit, großmaßstäbliche multidirektionale Rütteltischversuche mit Modellversuchen in der Zentrifuge zu kombinieren, ist weltweit einzigartig und in Deutschland gerätetechnisch bei weitem nicht umsetzbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yong Yuan