Experimentelle Untersuchung und Entwicklung eines theoretischen Modells der Vibrofluidisierung trockener granularer Materialien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Rackwitz
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461480840

Ziel des beantragten Forschungsprojektes ist die auf den Ergebnissen bodenmechanischer Laborversuche basierende Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung der Vorgänge bei der Vibrofluidisierung trockener granularer Materialien wie Sand. Dieses soll dann in ein Stoffgesetz überführt werden, welches für die Implementierung in ein Finite-Elemente-Programm geeignet ist, um später komplexe geotechnische Randwertprobleme lösen zu können. Als Vibrofluidisierung wird in diesem Zusammenhang das Phänomen verstanden, bei dem granulare Materialien unter Vibrationsanregung mit großen Beschleunigungen flüssigkeitsähnliche Eigenschaften wie eine reduzierte oder fehlende Scherfestigkeit, viskose Spannungsanteile sowie hydrostatische Spannungszustände aufweisen und es im Material zu Konvektionsströmungen kommen kann. Obwohl dieses Phänomen auch in der geotechnischen Forschung länger bekannt ist, existieren bislang nur wenige Untersuchungen und unvollständige Erklärungsansätze dazu. Neuere Forschungen legen allerdings die Bedeutung der Vibrofluidisierung für Bauverfahren wie das Einvibrieren von Pfählen sowie die Funktionsweise der Rütteldruckverdichtung nahe, weshalb an dieser Stelle ein großer Forschungsbedarf besteht. Im Fokus des Forschungsprojektes soll das Verformungsverhalten sowie die Reduktion der Scherfestigkeit des Materials stehen, während es Vibrationen ausgesetzt ist. Die Scherfestigkeitsreduktion ist dabei mutmaßlich auf den Aufbau eines Kollisionsdruckes durch oszillierende Körner, die Reduktion der effektiven Spannungen durch Trägheitskräfte und eine Verringerung des mobilisierten Reibungswinkels durch ständige Kornbewegungen zurückzuführen. In den experimentellen Arbeiten sollen neben Ödometerversuchen zur Untersuchung des Verdichtungsverhaltens auch Triaxialversuche zur Untersuchung der Scherfestigkeit während der Vibrationen zum Einsatz kommen. Dafür sind herkömmliche Zellen auf Rütteltischen zu montieren und derart umzubauen, dass die Belastung pneumatisch erfolgen kann. Weiterhin sollen 1g-Modellversuche zum Setzungsverhalten eines Fundaments auf Sand unter Vibrationseinwirkung als Validierungsbeispiele für das Stoffgesetz durchgeführt werden. In der theoretischen Arbeit ist ein Modell und Stoffgesetz zu entwickeln, das auf dem Zusammenhang zwischen dem Vibroverdichtungsverhalten und der Scherfestigkeitsreduktion beruht. Zuletzt ist dieses Stoffgesetz dann in ein Finite-Elemente-Programm zu implementieren und anhand der durchgeführten Laborarbeiten zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen