Das fehlende Glied: Quantifizierung der Rolle der Mikrostruktur zur Verbesserung der mechanischen Modellierung schwacher Schneeschichten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Philipp Rosendahl
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460195514

Schnee ist porös, kompressibel, zerbrechlich, existiert nahe des Schmelzpunktes, seine Mikrostruktur ändert sich ständig und er kann schnell heilen. Die genaue Beschreibung seines mechanischen Verhaltens ist essentiell, um Schneebrettlawinen zu verstehen und vorherzusagen, die durch das Versagen einer schwachen Schicht innerhalb der Schneedecke entstehen. Obwohl die mechanischen Eigenschaften von Schnee konzeptionell gut verstanden sind, werden sie meist nur anhand der Dichte ermittelt, die als schlechter Deskriptor gilt. Das Ziel dieses Projekts ist die Verknüpfung von mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von schwachen Schneeschichten, was den Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Mechanik und letztlich zur Lawinenvorhersage darstellt.Ein großes Problem der Schneemechanik ist, dass gleichzeitige Messungen der relevanten mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften fehlen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden neue Messtechniken entwickelt, die es erlauben, die Mikrostruktur von Schnee zu charakterisieren und mechanische Messungen mit großer Genauigkeit durchzuführen. Die Bestimmung erforderlicher Daten zur Verknüpfung von Mikrostruktur und Mechanik wird somit möglich.Die Herausforderung besteht darin, Mikro-Makro-Zusammenhänge für alle Morphologien schwacher Schichten zu beschreiben, die in saisonalem Schnell vorkommen. Wir beabsichtigen, neue Experimente mit besserer Wiederholbarkeit und Übertragbarkeit in Kombination mit mikromechanischen Modellen zu entwickeln, um den gesamten Parameterraum zu untersuchen. Wir führen Feld- und Labormessungen durch, einschließlich akustischer Wellenausbreitung, digitaler Bildkorrelation und Mikrostrukturcharakterisierung mitfhilfe von Penetrometern sowie Röntgentomographie. Konkret planen wir (a) die Verknüpfung von Mechanik und Mikrostruktur durch neue Labortests und entsprechende Messreihen, (b) die Abbildung dieser Verknüpfung durch mikromechanische Modelle, (c) die Definition typischer Materialkennwerte, die im Zusammenhang mit Lawinenauslösung stehen, mithilfe von Feldversuchen und (d) die Verbesserung der Bewertung von Instabilität Lawinenvorhersagen durch Implementierung unserer Ergebnisse in ein Schneedeckenmodell, das in vielen Ländern operativ eingesetzt wird. Mithilfe eines interdisziplinären Expertenteams wollen wir ein altes Problem der Schneemechanik mithilfe moderner und neuartiger Ansätze angehen. Unsere experimentellen und Modellierungsansätze werden zur Entwicklung robuster Parametrisierungen für Schneeeigenschaften führen, die über die Lawinenvorhersage hinaus für zahlreiche Anwendungen relevant sind, von ingenieurtechnischen Aspekten der Konstruktion und des Transports auf Schnee bis zur Interpretation seismischer Wellen im Schnee. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse nicht nur im Hinblick auf die öffentliche Sicherheit, sondern auch durch die Lösung eines langjährigen wissenschaftlichen Problems zeitgemäß und relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Philipp Weißgraeber
• Kooperationspartner: Dr. Alec van Herwijnen