Institut für Geotechnik und Baubetrieb

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Forschung ... Projekte

Stand: 07.10.2024

Inhalt

  1. Laufende Forschungsprojekte in chronologischer Reihenfolge mit Links zu den Kurzbeschreibungen
  2. Abgeschlossene Forschungsprojekte in chronologischer Reihenfolge mit Links zu den Kurzbeschreibungen
  3. Alle Forschungsprojekte thematisch sortiert mit Links zu den Kurzbeschreibungen
  4. Kurzbeschreibung der laufenden und abgeschlossenen Forschungsprojekte (erreichbar über die Links in 1. bis 3.)

Laufende Forschungsprojekte in chronologischer Reihenfolge

Die folgenden laufenden Projekte sind nach dem jeweiligen Projektbeginn sortiert.

2024

  • Ertüchtigung und Optimierung von Kaimauern
    Methodik: Numerische Simulation und Modellversuche
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH); Promotionsförderungsstelle
    Laufzeit: 01.10.2024 bis 31.03.2028 (42 Monate)
    Sachbearbeiter: Daniel Tetla
    Status: Laufendes Projekt
  • Virtual Soil Laboratory
    Methodik: Numerische Simulation
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH); Poolstelle
    Laufzeit: 01.02.2024 bis 31.01.2028 (48 Monate)
    Sachbearbeiter: Mohamed Abdennadher
    Status: Laufendes Projekt
  • Numerische Modellierung teilzementierter Böden im Stagnationsbereich
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Verbundprojekt GR 1024/41-2 und DU 405/17-2
    Methodik: Experimente, numerische Simulation (FEM, FCM)
    Laufzeit: 01.01.2024 bis 31.08.2025 (20 Monate)
    Sachbearbeiter: Elnaz Hadjiloo
    Status: Laufendes Projekt

2023

2022

  • Zum Kontaktverlust zwischen Rammgut und Boden beim Vibrationsrammen von Pfählen in den gesättigten Boden (KORA)
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/49-1
    Methodik: Modellversuche, Numerische Simulation
    Laufzeit: 15.11.2022 bis 14.11.2024 (24 Monate)
    Sachbearbeiterin: Stefanie Knutz (15.11.2022 bis 31.12.2023), Mechthild Cramer (01.04.2024 bis 15.02.2025)
    Status: Laufendes Projekt (Pause bis 31.03.2024)
  • Holistic approach for the design of single piles and pile groups
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Verbundprojekt GR 1024/37-2 und WI 3810/5-2
    Methodik: Bodenmechanische Laborversuche, Modellversuche in der Zentrifuge, Entwicklung Subgrade Reaction Model, numerische Simulation (FEM)
    Laufzeit: 01.09.2022 bis 31.08.2025
    Sachbearbeiterin: Anne Stark
    Status: Laufendes Projekt
  • Zukunft der Tideelbe im Klimawandel - Klimawandel und Hochwasserschut
    Mittelgeber: Umweltbundesamt (UBA)
    Projektpartner: Fröhle/Institut für Wasserbau (Projektleiter); Grabe/Institut für Geotechnik und Baubetrieb; Shokri/Institut für Geo-Hydroinformatik (TUHH); Schröder-Esselbau/Institut für Geoökologie (TUBS), Hirschfeld/Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW)
    Projektlaufzeit: 15.11.2021-14.11.2024 (36 Monate), Laufzeit Sachbearbeiter: 01.04.2022 bis 14.11.2024
    Sachbearbeiter: Kacper Cerek
    Status: Laufendes Projekt

2021

Abgeschlossene Forschungsprojekte in chronologischer Reihenfolge

Die folgenden abgeschlossenen Forschungsprojekte sind nach dem jeweiligen Projektbeginn sortiert.

2022

2021

2020

2019

2018

2016

  • Vibroflotation as liquefaction mitigation measure
    Förderung: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
    Methodik: Modellversuche, Feldversuche, numerische Simulation (FEM)
    Laufzeit: 01.10.2016 bis 30.09.2020
    Sachbearbeiterin: Spasha Nagula Sinduri
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2021 (Heft 50)
  • Numerische Prozessoptimierung
    Kategorie: Optimierung
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2016-2020
    Sachbearbeiter: Jan Onne Backhaus
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2021 (Heft 49)

2015

2014

  • Optimierung von Baumaschinen und Bauverfahren
    Kategorie: Optimierung
    Mittelgeber: Werner-Möbius-Stiftung
    Laufzeit: 2014-2018
    Sachbearbeiter: Dominik, Zobel Marius Milatz
    Status: Abgeschlossenes Projekt, interne Zwischenberichte
  • Untersuchungen zum herstellungsbedingten Schlossversagen bei kombinierten Stahlspundwänden
    Kategorie: Stahlspundwände
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/18-1
    Laufzeit: 2014-2017 (36 Monate)
    Sachbearbeiter: David Osthoff
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation 2018 (Heft 43)
  • Stabilität von künstlichen Unterwasserböschungen in sandigen Böden
    Kategorie: Marine Geotechnik
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/20-1
    Laufzeit: 2014-2017
    Sachbearbeiter: Julian Bubel
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation 2022 (Heft 51)
  • Hydraulisches Lösen des Bodens
    Kategorien: Bodenverbesserrung, Düsenstrahlverfahren
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/21-1
    Laufzeit: 2014-2016
    Sachbearbeiterin: Bozhana Kocak
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation 2017 (Heft 39)

2013

  • Bodenerosion an Gewässersohlen
    Kategorie: Grenzfläche Wasser/Boden
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2013-2018
    Sachbearbeiterin: Dessiree Plenker
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2021 (Heft 46)
  • Ausbildung von Dichtungsanschlüssen im Streckenbereich von Wasserstraßen
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2013-2015
    Sachbearbeiterin: Hatice Kaya
    Status:     Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2016 (Heft 37)
  • Finite Elemente basierte multikriterielle numerische Optimierung geotechnischer Tragsysteme für den Gebrauchszustand (FEMNOG)
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/9-3
    Laufzeit: 2013-2015 (24 Monate)
    Sachbearbeiterin: Karlotta Seitz
    Status:     Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht
  • Kapillareinfluss auf das mechanische Verhalten von nichtbindigen Böden unter dynamisch hochbeanspruchten Logistikflächen
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/11-2
    Laufzeit: 2013-2015 (24 Monate)
    Sachbearbeiter: Marius Milatz
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation 2016 (Heft 36)
  • Wissenschaftliche Begleitung von Deicherhöhungen
    Auftraggeber: Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz, Schleswig-Holstein (LKNM-SH)
    Laufzeit: 2013-2015
    Sachbearbeiterin: Hatice Kaya
    Status: Abgeschlossenes Projekt, interner Bericht

  • Machbarkeitsstudie für die Errichtung eines Versuchsdeichs als Voruntersuchung für das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „Bestimmung der Widerstandsfähigkeit von Deichen“
    Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau, in Kooperation mit dem Institut für Wasserbau der TUHH (federführend) und der WSV
    Laufzeit: 2013 (3 Monate)
    Sachbearbeiterin: Désirée Plenker
    Status: Abgeschlossenes Projekt, interner Bericht

2012

2011

  • Hydraulischen Lösen des Bodens
    Kategorie: Grenzschicht Wasser/Boden
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2011-2014
    Sachbearbeiterin: Bozhana Kocak
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Folgeprojekt
  • Untersuchungen im Rahmen der Grundsatzaufgabe "Ausbildung von Dichtungsanschlüssen im Streckenbereich von Wasserstraßen"
    Kategorie: Stahlspundwände
    Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
    Laufzeit: 2011-2013
    Sachbearbeiterin: Hatice Kaya
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2016 (Heft 37)
  • Entwicklung eines Stoffmodells für den Übergang Boden zu Beton für die FE-basierte multikriterielle numerische Optimierung geotechnischer Prozesse
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2011-2013
    Sachbearbeiter: Tim Pucker
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2013 (Heft 28)
  • Tertiäre Kompression weicher mariner Sedimente
    Mittelgeber: Freie Hansestadt Hamburg (FHH), Postdoc-Stipendium
    Laufzeit: 2011-2012
    Sachbearbeiterin: Marta Boso
    Status: Abgebrochen

2010

2009

2008

2006

2005

  • Verformungsverhalten von Pfählen unter zyklischer Belastung
    Kategorie: Pfahlgründungen
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2005-2007
    Sachbearbeiter: Jan Dührkop
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2010 (Heft 20)
  • Herstellungseinflüsse aus Pfahlrammung im Kaimauerbau
    Kategorien: Pfahlgründungen, Marine Geotechnik
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, Graduiertenkolleg GRK 1096 "Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen",  1. Kohorte
    Laufzeit: 2005-2008
    Sachbearbeiter: Sascha Henke
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2008 (Heft 18), DFG-Abschlussbericht 2014
  • Tertäre Kompression weicher mariner Sedimente
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2005-2009
    Sachbearbeiter: Olaf Möller
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2010 (Heft 21)
  • Optimierung in der Geotechnik
    Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Laufzeit: 2005-2009
    Sachbearbeiter: Steffen Kinzler
    Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation 2011 (Heft 23)
  • Anwachsen von Verdrängungspfählen
    Kategorie: Pfahlgründungen
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt GR 1024/2-1
    Laufzeit: 2005-2007
    Sachbearbeiter: Florian König
    Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation 2008 (Heft 17)

2003

2002

2001

1999

Alle Forschungsprojekte thematisch sortiert

Nachfolgend sind die abgeschlossenen und laufenden Forschungsprojekte des Instituts thematiasch zusammengefasst.  

Bodenmechanik und Bodendynamik

Geotechnik (Grundbau und Spezialtiefbau)

Marine Geotechnik

Optimierung in Geotechnik und Baubetrieb

Nutzung oberflächennaher Geothermie

Miszellaneen

Eine Kurzbeschreibung der Forschungsprojekte ist über die Links bei den laufenden und abgeschlossenen Forschungsprojekten zugänglich

Numerische Simulation der Bodenverdichtung mit Vibrationswalzen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 1999-2003
  • Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Kelm

Projektbeschreibung

Numerische Modellierung der Oberflächenverdichtung des Bodens mit Vibrationswalzen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM). Simulation der Überfahrt von Vibrationswalzen und der damit einhergehenden Verdichtung des Bodens mit dynamischen Verformungsanalysen bei expliziter direkter Zeitintegration und Verwendung von hypoplastischen Stoffmodellen für den Boden.

Publikationen

  • Kelm M. (2004): Numerische Simulation der Verdichtung rolliger Böden mittels Vibrationswalzen. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 6
  • Kelm M. und Grabe J. (2004): Numerical simulation of the compaction of granular soils with vibratory rolers. In: Proceedings of the International Conference on Cyclic Behaviour of Soils and Liquefaction Phenomena, Bochum, Germany, 661-664, edited by T. Triantafyllidis, Balkema, Rotterdam
  • Grabe J., Kelm M. und Mahutka K.-P. (2003): Zur Modellierung der Verdichtung rolliger Böden.In:  Veröffentlichungen des Arbeitsbereiches Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 5, 83-107
  • Kelm M. and Grabe J. (2003): FE-simulation of soil compaction. In: Proceedings of XIIIth European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering in Prag 2003, Czech Geotechnical Society
  • Kelm M. (2002): Anelastische Wellenausbreitung bei der Bodenverdichtung. In: Tagungsband zur 27. Baugrundtagung 2002 in Mainz - Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', S. 51-51, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik

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Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Düsenstrahlverhalten

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 1999 bis 2001
  • Sachbearbeiter: Jürgen Stein
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Experimentelle Untersuchungen (Modellversuche) und numerische Untersuchungen basierend auf der Finite-Volumen-Methode (FVM)  zur Erosion nichtbindiger Böden beim Auftreffen eines Hochdruck-Wasserstrahls (Düsenstrahlverfahren).

Projektrelevante Publikationen

  • Stein J. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),  Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 8
  • Grabe J. und Stein J. (2003): Abschlussbericht zum DFG-Forschungsprojekt GR1024/1-1 "Grundsatzversuche zum Düsenstrahlverfahren". Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Arbeitsbereich Geotechnik und Baubetrieb
  • Stein J. and Grabe J. (2003): Jet grouting model tests and simulation. In: Proceedings of XIIIth European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering in Prag 2003, Czech Geotechnical Society
  • Stein J. (2002): Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren in einem Halbzylinder. In: Tagungsband zur 27. Baugrundtagung 2002 in Mainz - Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', 28-28, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik
  • Stein J. und Quillfeld M. (2000): HDI-Halbsäulen zur Abdichtung einer aufgelösten Bohrpfahlwand. In: Beiträge zum 15. Christian Veder Kolloquium der TU Graz, Heft 7
  • Stein J. (1999): Bohrabweichungsmessungen bei der Herstellung einer Düsenstrahlsohle. In: Messen in der Geotechnik, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 62, 209-222

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Grundsatzversuche zum Düsenstrahlverfahren

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/1-1
  • Laufzeit: 2001 bis 2003 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter: Jürgen Stein
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Das Düsenstrahlverfahren wird zur Unterfangung von Bauwerken und zur Herstellung von wasserundurchlässigen Sohlen und Wänden eingesetzt. Ein energiereicher Hochdruckstrahl erodiert den Boden und vermischt ihn mit Zementsuspension. Die Wirkungsweise des Verfahrens ist durch die maschinentechnischen Herstellparameter und den Baugrund bestimmt. An der TUHH wurden mit Technikumsversuchen der Erosionsprozess nachgebildet. Während des Düsvorgangs wurde mit einem umfangreichen Messprogramm die Strahlausbreitung gemessen. Aus den Ergebnissen wurde ein hydrodynamisch- mechanisches Modell entwickelt, um welches das FVM-Strömungsprogramm COMET erweitert wurde. Im Vordergrund dieser Untersuchungen standen die Beeinflussung des Verfahrens durch die geometrischen Randbedingungen im Baugrund im Sinne der Düsschattenproblematik oder der Anbindung an bestehende Bauwerke.

Projektrelevante Publikationen

  • Stein J. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren. Dissertation, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 8
  • Grabe J. und Stein J. (2003): Abschlussbericht zum DFG-Forschungsprojekt GR1024/1-1 "Grundsatzversuche zum Düsenstrahlverfahren", Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Arbeitsbereich Geotechnik und Baubetrieb
  • Stein J. and Grabe J. (2003): Jet grouting model tests and simulation. In: Proceedings of XIIIth European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering in Prag 2003, Czech Geotechnical Society
  • Stein J. (2002): Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren in einem Halbzylinder. In: Tagungsband zur 27. Baugrundtagung 2002 in Mainz - Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', 28-28, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik
  • Stein J. und Quillfeld M. (2000): HDI-Halbsäulen zur Abdichtung einer aufgelösten Bohrpfahlwand. In: Beiträge zum 15. Christian Veder Kolloquium der Technischen Universität Graz, Heft 7
  • Stein J. (1999): Bohrabweichungsmessungen bei der Herstellung einer Düsenstrahlsohle. In: Messen in der Geotechnik, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 62, 209-222

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Last-Verformungsverhalten von Kaikonstruktionen im Gebrauchszustand

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Hamburg Port Authority (HPA)
  • Laufzeit: 2001-2003 (TUHH), 2003-2004 (HPA)
  • Sachbearbeiter: Björn Mardfeldt
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Zur wirtschaftlichen und sicheren Dimensionierung von Kaianlagen ist die Berücksichtigung der Interaktion zwischen Bauwerk und Boden erforderlich. Kaianlagen bestehen in der Regel aus einer massiven Betonkonstruktion, die auf Pfählen gegründet ist und durch Schräganker gesichert ist. Bedingt durch tideabhängige Wasserstände hängt die Wasser- und Erddruckverteilung auf die Kaimauer von der Zeit ab. Im Rahmen des Projektes werden folgende Untersuchungen durchgeführt: (1) Modellversuche zur Untersuchung des tideabhängigen Erd- und Wasserdruckes, (2) zweidimensionale mechanisch-hydraulisch gekoppelte Analysen mit der FEM zur Untersuchung der instationären Sickerströmung im Nahfeld von Kaianlagen, (3) dreidimensionale Verformungsanalysen mit der FEM zur Prognose des Last-Verformungs-Verhaltens der Kaianlage CTA unter Beachtung herstellungsbedingter Einwirkungen.

Bild 1: 3D-Modell des Kaimauer des Container Terminal Altenwerder (CTA) in Hamburg Bild2: Detail des 3D-Modells

Projektrelevante Publikationen

  • Mardfeldt B. (2006): Zum Tragverhalten von Kaikonstruktionen im Gebrauchszustand. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 11
  • Grabe J., Mardfeldt B. und Mahutka K.-P. (2006): Zur Lastabtragung von Pfahlkonstruktionen im Hafenbau. In: HANSA, 143(2):42-51
  • Mardfeldt B. und Grabe J. (2005): Nichtlineare Finite-Elemente-Analyse zum Tragverhalten einer Kaimauer im Gebrauchszustand. In: Bauingenieur, 80(9):402-412
  • Hügel H.M. und Mardfeldt B. (2005): Räumliche FE-Analysen für Kaianlagen. In: Bericht der wissenschaftlichen Projekte auf dem HLRN-System 2003-2005, Seite 111-112, Norddeutscher Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (online unter www.hlrn.de/pr/veroeffentlichungen/HLRN-Report-2005.pdf)
  • Mardfeldt B. (2005): Analyse des Tragverhaltens der Kaimauer Containerterminal Altenwerder. Tagungsband zum Workshop 'FEM in der Geotechnik - Qualität, Prüfung, Fallbeispiele' 2005 in Hamburg, Veröffentlichungen des Arbeitsbereiches Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 9, 121-146
  • Mardfeldt B. (2004): Zur Bemessung von Kaimauern tidebeeinflusster Hafenanlagen. Tagungsband zur Baugrundtagung 2004 in Leipzig - Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', 53-53, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT)
  • Grabe J. und Mardfeldt B. (2004): Schrägpfahlbeanspruchung durch Aushubentlastung. HANSA, 141(5):64-67
  • Mardfeldt B. und Grabe J. (2004): 3D FE-Analyse zum Container Terminal Altenwerder mit Vergleich. Tagungsband zum gemeinsamen Kaimauersprechtag der Hafenbautechnischen Gesellschaft Hamburg und der TUHH, Veröffentlichungen des Arbeitsbereiches Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 7, 151-177
  • Grabe J. and Mardfeldt B. (2003): Tide influenced water and earth pressure distribution on quay walls. Proceedings of XIIIth European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering in Prag 2003, 693-698, Czech Geotechnical Society
  • Grabe J. and Mardfeldt B. (2003): Tide influenced water and earth pressure distribution on quay walls. Proceedings of 13th International Harbour Congress in Antwerpen, Belgium, 207-214, Technologisch Instituut VZW

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Verkehrsbedingte Erschütterungen im Untergrund - Feldmessungen, theoretische und numerische Untersuchungen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
  • Laufzeit: 2002 bis 2006 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Thorsten Bierer
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Das Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg plante den Bau des Linearbeschleunigers TESLA. Im Rahmen dieses Projektes wurde untersucht, welche Bewegungen der geplante Tunnel infolge von Mikroseismik und verkehrsbedingten Erschütterungen erfährt. Im Bereich der Trasse des Linearbeschleunigers wurden von der DESY seismische Untersuchungen zur Messung von Bodenbewegungen durchgeführt.

Projektrelevante Publikationen

  • Bierer T. (2007): Bodenschwingungen aus Straßenverkehr auf unebener Fahrbahn im Zeitbereich - experimentelle und theoretische Untersuchungen. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),  Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 13
  • Bierer T. and Bode C. (2007): A semi-analytical model in time domain for moving loads. In: Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 27:1073-1081
  • Grabe J. und T. Bierer (2006): DESY-Abschlussbericht. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Bierer T. und Grabe J. (2006): Bodenschwingungen aus Straßenverkehr auf unebener Fahrbahn am Beispiel des Standortes DESY. In: Tagungsband zur VDI-Fachtagung Baudynamik, Kassel, VDI-Berichte Nr. 1941, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 569-583
  • Grabe, J. and T. Bierer (2005): Measurements and numerical analysis of ground vibrations at DESY-Hamburg. In: Proceedings of Eurodyn 2005 'Structural Dynamics', Editors Soize, C. and G. Schueller, Millpress, Rotterdam, Vol. 1, pp. 635-64

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Verdichtung rolliger Böden infolge dynamischer Pfahleinbringung und durch Oberflächenrüttler

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2003 bis 2007 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Klaus-Peter Mahutka
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Schwerpunkt des Projekts war die Untersuchung der gewollten und ungewollten Verdichtung von Böden bei zyklischer und dynamischer Beanspruchung auf der Grundlage numerischer Modellierung. Zu diesem Zweck wurden plastodynamische FE-Analysen mit direkter expliziter Zeitintegration durchgeführt. Die numerischen Untersuchungen umfassten folgende Randwertprobleme: (1) Verdichtung von Böden mit Vibrationswalzen: Der Verdichtungserfolg hängt von den Maschinenparametern, den Bodenparametern und deren Homogenität ab.(2) Verdichtung von Böden mit neuartigen Verdichtungsgeräten: Optimierung der Verdichtungswirkung durch konstruktive Maßnahmen. (3) Einrammen oder Einrütteln von Bauteilen in den Boden - Beurteilung der Eindringgeschwindigkeit und der Erschütterungsausbreitung in Abhängigkeit der Maschinenparameter und der Untergrundverhältnisse.

Bild: Rotationssymmetrisches FE-Modell zur Simulation der Pfahlrammung in den Boden

Projektrelevante Publikationen

  • Grabe J., Henke S. und Mahutka K.-P. (2009): Numerische Untersuchungen zur Wirkung von Rammarbeiten. VDI-Berichte Nr. 2063 (Baudynamik), S. 593-611
  • Grabe J., Henke S. und Mahutka K.-P. (2009): Numerische Untersuchungen zur Wirkung von Rammarbeiten. VDI-Berichte Nr. 2063 (Baudynamik), S. 593-611
  • Mahutka K.-P. und Henke S. (2009): Numerische Untersuchungen zur herstellungsbedingten Tragfähigkeit von Pfählen. Tagungsband zum Pfahlsymposium 2009, Veröffentlichungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 88, S. 471-492
  • Mahutka K.-P. (2008): Zur Verdichtung von rolligen Böden infolge dynamischer Pfahleinbringung und durch Oberflächenrüttler. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 15
  • Grabe J. und Mahutka K.-P. (2007): Übertragung von nichtlinearen Schwingungen an der Kotaktfläche zwischen Struktur und Boden. VDI-Berichte Nr. 2022, S. 87-97
  • Henke S., Mahutka K.-P. und Hügel H.M. (2006): Simulation der Pfahleindringung in den Boden. HLRN Nachrichten Nr. 2, S. 3-4
  • Mahutka K.-P. and Grabe J. (2006): Numerical prediction of settlements and vibrations due to vibratory pile driving using a continuum model. Proceedings of International Symposium on Vibratory Pile Driving and Deep Soil Vibratory Compaction, TRANSVIB 2006 in Paris, edited by Gonin, Holyman and Rocher-Lacoste, Laboratoire Central des Ponts et Chaussees, Paris, pp. 243-252
  • Mahutka K.P. und Grabe J. (2006): Zur Abschätzung von Erschütterung und Sackungen in der Umgebung von Rammarbeiten. VDI-Fachtagung Baudynamik, Kassel, VDI-Berichte Nr. 1941, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 71-84
  • Mahutka K.-P., König F. und Grabe J. (2006): Numerical modeling of pile jacking, driving and vibro driving. Proceedings of International Conference on Numerical Simulation of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Enviroment (NSC06), Bochum, ed. by T. Triantafyllidis, Balkema, Rotterdam, pp. 235-246
  • Grabe J. and Mahutka K.-P. (2005): Long-term evenness of pavements with respect to soil deformations. Published in electronic proceedings of 7th International Conference on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields 2005, Trondheim (BCRA '05)
  • Grabe J. und Mahutka K.-P. (2005): Finite-Elemente-Analyse zur Vibrationsrammung von Pfählen. Bautechnik, 82(9):632-640
  • Mahutka K.-P. und Grabe J. (2005): Numerical investigations of soil compaction and vibration propagations due to strong dynamic excitation. Electronic Proceedings of Joint ASCE/ACME/SES Conference on Mechanics of Materials - McMat 2005, Baton Rouge (USA)
  • Mahutka K.-P. und Grabe J. (2005): Erschütterungs- und Sackungsprognose im Nahfeld von Rammarbeiten. Tagungsband zum Pfahlsymposium 2005 an der TU Braunschweig, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 80, 97-113
  • Mahutka K.-P. (2004): Anwendung der FEM zur Simulation der Verdichtung rolliger Böden. Tagungsband zur Baugrundtagung 2004 in Leipzig - Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', 16-16, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT)
  • Grabe J., Kelm M. und Mahutka K.-P. (2003): Zur Modellierung der Verdichtung rolliger Böden. Veröffentlichungen des Arbeitsbereiches Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 5, 83-107

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Anwachsen von Verdrängungspfählen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (2005-2007), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen DFG: GR 1024/2-1 und 2-3
  • Laufzeit: 2003-2005 (TUHH), 2005-2007 (DFG), 2007-2009 (DFG)
  • Sachbearbeiter: Florian König (2003-2007), Philipp Busch (2007-2009)
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Die äußere Tragfähigkeit von Verdrängungspfählen wird im Allgemeinen aus Erfahrungswerten oder aus statischen bzw. dynamischen Probebelastungen kurze Zeit nach der Pfahlherstellung gewonnen. Die hierbei ermittelte Tragfähigkeit wird dem Pfahl als über die Zeit konstante Größe zugeordnet. Unberücksichtigt bleibt dabei, dass sich die Tragfähigkeit eines Pfahls nach der Herstellung noch über einen Zeitraum von einigen Wochen bis hin zu mehreren Jahren ändern kann. Häufig wird eine Steigerung der Tragfähigkeit über die Zeit beobachtet, welche im Allgemeinen als Anwachsen bezeichnet wird. Eine Berücksichtigung dieses Effektes ist von Interesse für neu hergestellte Pfähle, bei denen die Tragfähigkeit nach der Herstellung über den weiteren Baufortschritt hinweg bis zur vollen Nutzung erheblich ansteigen kann. Des Weiteren ist der Aspekt der Traglaststeigerung von Bedeutung für alte Pfahlgründungen, die durch eine Umnutzung, Erweiterung oder Wiederverwendung der aufgehenden Tragstruktur eine Laststeigerung erfahren sollen.

Durch die Auswertung von Pfahlprobebelastungen nach unterschiedlichen Standzeiten sowie eigene Langzeit-Feldversuche mit Drucksonden wurde zunächst der Effekt der Traglaststeigerung empirisch nachgewiesen sowie Charakteristika und Größenordnung des Effekts in Abhängigkeit von den maßgebenden Rahmenparametern herausgestellt. In einem weiteren Schritt wurden die Ursachen des Anwachsens anhand von Laborversuchen und numerischen Simulationen der Pfahlherstellung untersucht, um letztendlich ein Modell für die maßgebenden Mechanismen und Grundlagen für eine Prognose des Effektes zu erhalten.

Projektrelevante Publikationen

  • Busch P. (2010): Forschungsprojekt zum zeitabhängigen Tragverhalten von Verdrängungspfählen. In: Tagungsband zur 31. Baugrundtagung 2010 in München, S. 187-191
  • König F. (2008): Zur zeitlichen Traglastentwicklung von Pfählen und der nachträglichen Erweiterung bestehender Pfahlgründungen. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 17
  • Grabe J., König F. und Putzier D. (2008): Wiederverwendung von vorhandenen Gründungen am Beispiel der Elbphilharmonie und die juristische Lösung der damit verbundenen Risiken. In: Jahrbuch Baurecht 2008, Werner Verlag, S. 189-223
  • König F. (2007): Anwachsphänomene bei Pfählen am Beispiel der Elbphilharmonie. In: Tagungsband der 74. Tagung der norddeutschen Geologen 2007 in Hamburg, S. 61-62
  • König F. and Grabe J. (2006): Time-dependent increase of the bearing capacity of displacement piles. In: Proceedings of 10th International Conference on Piling and Deep Foundations 2006 in Amsterdam, pp. 709-717
  • König F., Grabe J., Franke J. and Woldt J. (2006): Load bearing behaviour of an existing pile foundation and its changes with time. In: Proceedings of International Conference on Reuse of Foundations for Urban Sites, Watford, UK, pp. 199-21
  • König F. (2006): Je älter, desto besser - Pfahlgründungen werden mit der Zeit stabiler. In: TUHH Spektrum, Ausgabe Mai 2006, S. 10-11
  • Grabe J. und König F. (2006): Zeitabhängige Traglaststeigerung von Verdrängungspfählen. In: Tagungsband zur 29. Baugrundtagung in Bremen 2006, S. 291-298, Hrsg. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V., Deutscher Verkehrs-Verlag, Hamburg

  • Grabe J. und König F. (2006): Zeitabhängige Traglaststeigerung von Pfählen am Beispiel der Elbphilharmonie. In: Bautechnik, 83(3):167-175

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Optimierung geotechnischer Konstruktionen und Verfahren

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2005 bis 2009 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Steffen Kinzler
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Die Schwierigkeit in der Bemessung und Konstruktion geotechnischer Bauwerke liegt in den vielfältigen Versagensmechanismen und deren Kopplungen untereinander. Zudem hängen vielerlei Einflussgrößen auf die Berechnung von der gewählten Konstruktion ab. Das Erreichen eines Ausnutzungsgrades von nahezu 100 % für alle Bauteile ist nur in Einzelfällen möglich. Die Optimierung von Entwurf, Sicherheitsniveau, Bemessung, Bauablauf und Baukosten liegt im Interesse aller Beteiligten und bildet in der Baupraxis die Grundlage einer aussichtsreichen Marktposition. Im Rahmen des Projektes wurde ein interdisziplinärer Ansatz zur Optimieung entwickelt und mit zeitgemäßen Methoden effektive Lösungswege auf der Grundlage der multikriteriellen numerischen Optimierung gefunden. Insbesondere zielführende adaptive Verfahren wurden hinsichtlich ihrer Wirkungsweise geprüft und speziell auf geotechnische Fragestellungen angepasst.

Projektrelevante Publikationen

  • Kinzler S. (2011): Zur Parameteridentifikation, Entwurfs- und Strukturoptimierung in der Geotechnik mittels numerischer Verfahren. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 23
  • Grabe J., Kinzler S., Pucker T. und Mardfeldt B. (2010): Untersuchung des Tragverhaltens und der Anwendbarkeit numerischer Optimierungsverfahren für Kaikonstruktionen. In: Tagungsband der 31. Baugrundtagung 2010 in München, S. 123-129
  • Grabe J. and Kinzler S. (2010): Application of numerical optimization in geotechnics. In:  Proceedings of 4th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation in Cape Town (South Africa), short version pp. 288, long version electronically published, CRC Press
  • Kinzler S. and Grabe J. (2009): Numerical optimisation of geotechnical construction. In: Proceedings of International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (ICSMFE)
  • Kinzler S. und Grabe J. (2009): Application of multi-criteria numerical optimisation in geotechnical engineering. In: Proceedings of 18th Int. Conf. on the Application of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering, Weimar (Germany)
  • Kinzler S. und Grabe J. (2009): Entwurf geotechnischer Konstruktionen unter Anwendung der multikriteriellen Optimierungt. In: Tagungsband zum 3. Workshop des Arbeitskreises AK1 1.6 der DGGT an der BAW Karlsruhe zum Thema "Aktuelle Entwicklungen bei der Anwendung numerischer Verfahren in der Geotechnik", S. 31-46
  • Kinzler S., König F. und Grabe J. (2007): Entwurf einer Pfahlgründung unter Anwendung der Mehrkriterien-Optimierung. In: Bauingenieur, 82(9):367-379
  • Kinzler S. und Grabe J. (2006): Wirtschaftliche Optimierung rückverankerter Spundwandkonstruktionen. In: Tagungsband zum Workshop Optiminierung in der Geotechnik - Strategien und Fallbeispiele in Hamburg 2006, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 12, S. 61-86

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Tertiäre Kompression mariner Sedimente

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (2005-2009), Freie Hansestadt Hamburg, Postdoc-Stipendium (2011-2012)
  • Laufzeit: 2005-2009, 2011-2012
  • Sachbearbeiter: Olaf Möller (2005-2009), Marta Boso (2011-2012)
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Langzeitkriechversuche im Ödometergerät hatten gezeigt, dass marine organische Sedimente ein von der Norm abweichendes Kriechverhalten aufweisen: Die Rate der Kriechdehnung nahm nicht wie üblich monoton ab, sondern es trat wiederholt eine temporäre Zunahme der Kriechrate auf. Dieses Phänomen wird in der Literatur als "tertiäre Kompression" bezeichnet. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden verschiedene Hypothesen zu den physikalischen Ursachen (mechanisch und thermisch), chemischen und biologischen Ursachen für die tertiäre Kompression experimentell mit Hilfe von Kriechversuchen untersucht.

Projektrelevante Publikationen

  • Boso M. and Grabe J. (2012): Long term compression behaviour of soft organic sediments.In: Proceeding of ISSMGE TC-101 Workshop on Multiphysical Testing of Soils and Shales 2012 in Lausanne/Switzerland, Springer Series in Geomechanics and Geoengineering, pp. 249-254
  • Möller O. (2010): Zum Langzeit-Kompressionsverhalten weicher organischer Sedimente. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik, Heft 21
  • Möller O. (2007): Kriechen von marinen Böden. In: Tagungsband der 74. Tagung der norddeutschen Geologen 2007 in Hamburg, S. 56
  • Möller O. (2008): Langzeit-Ödometerversuche an weichen organischen Böden. In:  Tagungsband zur Spezialsitzung "Forum für junge Geotechniker" der 30. Baugrundtagung in Dortmund, S. 16-19, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik

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Herstellungseinflüsse aus Pfahlrammung im Kaimauerbau

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: Graduiertenkolleg GRK 1096/1 "Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen"
  • Laufzeit: 2005-2008 (36 Monate, Kohorte 1)
  • Sachbearbeiter: Sascha Henke
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Bei der Herstellung von Kaianlagen spielt insbesondere die Herstellung von Pfählen eine bedeutende Rolle. So ist die Kaianlage in der Regel auf einem Trägerrost gegründet. Derartige Trägerroste zeichnen sich dadurch aus, dass sich hierin eine Vielzahl kreuzender Pfähle befinden. Diese Pfähle beeinflussen sich hierbei nicht nur in ihrem Tragverhalten, sondern bereits bei der Herstellung der Pfähle kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Pfähle, die beispielsweise zu einer herstellbedingten Zusatzverformung der Pfähle führen kann. Obwohl die Pfahlgründung seit langer Zeit eine beliebte Gründungsvariante darstellt, ist es bis heute nur unzureichend möglich, diese zusätzlichen Beanspruchungen vorherzusagen.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs wurde mit Hilfe numerischer Untersuchungen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) und durch vergleichende Messungen an realen Bauwerken untersucht, wie stark die gegenseitige Beeinflussung der Trägerrostpfähle aufgrund des Herstellvorganges ist. Hierbei wurde in räumlichen FE-Simulationen beispielsweise die zusätzliche Verformung, die ein Schrägpfahl infolge der Rammung eines kreuzenden Pfahles erfährt, berechnet.

Um derartige Berechnungen durchführen zu können, muss es möglich sein, die Herstellung von Pfählen im dreidimensionalen Kontinuum numerisch zu simulieren. Dies ermöglicht einen weiteren Forschungsaspekt, da mit derartigen Modellen auch die herstellbedingten Veränderungen der Bodeneigenschaften im Nahfeld eines Pfahles aufgrund des Herstellprozesses untersucht werden können. Somit wurde in diesem Projekt zudem untersucht, wie sich das Nahfeld um den herzustellenden Pfahl bei Verwendung unterschiedlicher Herstellverfahren (Eindrücken, Rammen, Rütteln) verändert.

Bild: Rotationssymmetrisches FE-Modell zur Simulation der Pfahlrammung in den Boden

Projektrelevante Publikationen

  • Henke S. (2008): Herstellungeinflüsse aus Pfahlrammung im Kaimauerbau. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),  Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 18
  • Henke S. (2008): Numerical Simulation of Pile Penetration Processes Using Abaqus. Presentation on  Abaqus Homepage 
  • Henke S. und Grabe J. (2008): Numerische Untersuchungen zur Propfenbildung in offenen Profilen in Abhängigkeit des Einbringverfahrens. In: Bautechnik, 85(8):521-529
  • Henke S. and Grabe J. (2008): Numerical Investigation of the Interaction Between Inclined Piles and Newly Driven Piles in Pile Grallages. Proc. of 11th Baltic Sea Geotechnical Conference in Gdansk, pp. 707-714, ed. by Z. Mlynarek, Z. Sikora and E. Dembicki, Polish Committee on Geotechnics & Gdansk University of Technology
  • Henke S. and Grabe J. (2008): Numerical Investigation of Soil Plugging Inside Open-ended Piles With Respect to the Installation Method. Acta Geotechnica, 3(3):215-223
  • Hügel H.M., Henke S. and Kinzler S. (2008): High Performance Abaqus Simulations in Soil Mechanics. Proc. of Abaqus Users Conference 2008 in Rhode Island (USA), pp. 192-205
  • Henke S. (2008): Numerische und messtechnische Untersuchungen zur Pfahlrammung. Tagungsband zum Workshop Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen in Hamburh 2008, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 16, S. 133-172
  • Henke S. und Grabe J. (2007): Simulation of Pile Installation by Three-Dimensional Finite Element Analysis. Proceedings of 14th Darmstadt Geotechnical Conference 2007, Series Darmstadt Geotechnics, No. 15, pp. 179-192
  • Henke S., Grabe J. und Schümann B. (2007): Berücksichtigung herstellungsbedingter Einflüsse. Tagungsband Bemessung mit Finite-Elemente-Methoden, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 14, S. 107-132
  • Henke S. und Grabe J. (2007): Messtechnische Untersuchungen zur Pfahlherstellung während der Rammarbeiten am Container-Terminal CT4 Bremerhaven. Tagungsband zum HTG-Kongress 2007 in Dresden, Hrsg. Hafenbautechnische Gesellschaft, S. 221-231
  • Henke S. und Hügel H.M. (2007): Räumliche Analysen zur quasi-statischen und dynamischen Penetration von Bauteilen in den Untergrund. Tagungsband zur 19. deutschsprachigen Abaqus-Benutzerkonferenz 2007 in Baden-Baden, Abschnitt 2.13
  • Grabe J., Henke S. und Schümann B. (2007): Numerische Simulation von Rammarbeiten im Erdwiderstandsbereich von Baugrubenwänden. Bautechnik, 84(8):519-524
  • Henke S. und Grabe J. (2007): Simulation der Pfahleindringung mittels dreidimensionaler Finite-Elemente Analysen. Vorträge zum 14. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Mitteilungen des Instituts und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 76, S. 155-166
  • Henke S., Mahutka K.-P. und Hügel H.M. (2006): Simulation der Pfahleindringung in den Boden. HLRN Nachrichten Nr. 2, S. 3-4
  • Henke S. and Grabe J. (2006): Simulation of pile driving by 3-dimensional Finite-Element analysis. Proceedings od 17th European Young Geotechnical Engineers' Conference, Zagreb, Crotia, ed. by V. Szavits-Nossan, CroatianGeotechnical Society, pp. 215-233

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Verformungsverhalten von Monopiles unter zyklischer Belastung

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2005 bis 2007
  • Sachbearbeiter: Jan Dührkop
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

In einem eigens geplanten und gebauten Modellversuchsstand wurde das Verformungsverhalten von Monopiles im kohäsionslosen Meeresgrund unter zyklischer Belastung untersucht. Der Modellversuchsstand enthält eine zweiaxiale Lasteinrichtung, d. h. die Belastung kann in zwei horizontalen Richtungen unabhängig voneinander aufgebracht werden.  

Projektrelevante Publikationen

  • Dührkop J. (2009): Zum Einfluss von Aufweitungen und zyklischen Lasten auf das Verformungsverhalten lateral beanspruchter Pfähle in Sand. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 20

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Einfluss von Aufweitungen auf überwiegend horizontal beanspruchte Pfähle

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/6-1 und 6-2
  • Laufzeit: 2006 bis 2009 (36 Monate)
  • Sachbearbeiter: Jan Dührkop
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Pfähle werden im Grundbau in erster Linie zum Abtrag von Vertikallasten eingesetzt. Die Horizontallasten und Momentenbeanspruchungen sind dabei vergleichsweise gering. Die horizontale Pfahl-Boden-Interaktion wird näherungsweise durch das Bettungsmodulverfahren beschrieben. Der in die Rechnung eingehende Bettungsmodul wird vereinfachend aus dem Steifemodul abgeleitet. Pfähle von Lärmschutzwänden, Windenergieanlagen und Dalben werden dagegen überwiegend horizontal belastet. Da diese Gründungssysteme in der Regel statisch bestimmt sind, ist die zutreffende Erfassung der Pfahl-Boden-Interaktion im Gebrauchs- und Grenzzustand von wesentlicher Bedeutung. Eine Verbesserung des Tragverhaltens lässt sich durch eine Aufweitung des Pfahles am Pfahlkopf erreichen. Diese Querschnittaufweitung vergrößert die aufnehmbare Bettungskraft. Hierdurch kann die Pfahllänge reduziert bzw. die Traglast erhöht werden. Modellversuche konnten die Funktionalität mit einer Traglaststeigerung von etwa 30 % bestätigen. Ziel des Forschungsprojekts war es, das Tragverhalten von überwiegend horizontal belasteten Pfählen ohne und mit Aufweitung besser zu verstehen, um daraus zutreffendere Bemessungsverfahren abzuleiten. Methoden sind in erster Linie Modellversuche, ein Großversuch sowie Computersimulationen basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM).

Projektrelevante Publikationen

  • Dührkop J. (2010): Zum Einfluss von Aufweitungen und zyklischen Lasten auf das Verformungsverhalten lateral beanspruchter Pfähle in Sand. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 20
  • Dührkop J., Grabe J., Bienen B., White D.J. and Randolph M. (2010): Centrifuge experiments on laterally loaded piles with wings. In: Proceedings of International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) in Zürich/Switzerland, Vol. 2, pp. 919-924, CRC Pressührkop J. und Grabe J. (2009): Zum Tragverhalten von horizontal belasteten Flügelpfählen. In: Bautechnik, 86(12):756-764
  • Grabe J. und J. Dührkop (2009): DFG-Abschlussbericht. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Dührkop J. und Grabe J. (2009): Zum Tragverhalten von horizontal belasteten Flügelpfählen. In: Bautechnik, 86(12):756-764
  • Dührkop J. and Grabe J. (2009): Design of Laterally Loaded Piles with Bulge. In: Proc. of International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in Honolulu (USA), ASCE, electronically published under No. OMAE2009-79087
  • Grabe J. und J. Dührkop (2008): DFG-Zwischenbericht und Fortsetzungsantrag. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Dührkop J. und Grabe J. (2008): Laterally Loaded Piles With Bulge. In: Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering, electronically published under Link, DOI: 10.1115/1.2904589
  • Grabe J. und Dührkop J. (2008): Zum Tragverhalten von überwiegend horizontal belasteten Pfählen. In: Tagungsband zur 30. Baugrundtagung in Dortmund, S. 143-150, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik
  • Dührkop J. and Grabe J. (2008): Improving the Lateral Bearing Capacity of Monopiles by Welded Wings. In: Proceedings of 2nd British Geotechn. Ass. Int. Conf. on Foundations ICOF 2008 in Dundee (UK), pp. 849-860, IHS BRE Press
  • Grabe J. und Dührkop J. (2007): Laterally loaded piles with bulge. In: Proceedings of 26th International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering 2007 in San Diego, USA, ASME (available on CD-ROM, No. OMAE2007-29046)
  • Grabe J., Dührkop J., Henke S., Kinzler S. und König F. (2007): Pfähle mit veränderlichem Querschnitt - konische Pfähle, Fertigteilpfähle mit Fußaufweitung und Flügelpfähle. In: Tagungsband zum Pfahl-Symposium 2007, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 84, S. 131-155

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Verkehrsbedingte Erschütterungen im Untergrund - Teilprojekt Dispersionswellenmessungen

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsches Elektronen-Sychrotron (DESY)
  • Laufzeit: 2006 bis 2007
  • Sachbearbeiter: Stephan Wendt
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen ist frequenzabhängig, da die Eindringtiefe mit der Wellenlänge zunimmt und der Boden spannungs- und damit tiefenabhängig steifer ist und somit die Geschwindigkeit mit größerer Wellenlänge zunimmt. Dieses Phänomen wird bei den sogenannten Dispersionswellenmessungen ausgenutzt. Dabei wird mit Hilfe eines vertikal schwingenden Erregers (Shaker) an der Oberfläche des Untergrundes ein harmonisches (stationäres) konzentriertes Wellenfeld konstanter Frequenz f erzeugt. Entlang eines Radius werden Amplitude und Phase der Oberflächenschwingung mittels Schwingungsaufnehmern (Geophone) gemessen. Die Phasenlage erhält man durch Vergleich der am jeweiligen Messpunkt erfassten Schwingungen. Daraus lässt sich die Länge der Rayleigh-Welle λ und mit c = fλ die entsprechende Wellengeschwindigkeit ermitteln. Ziel des Projektes war die Erarbeitung einer Methode zur inversen Identifikation von Bodenkennwerten aus Dispersionswellenmessungen und eine daraus abgeleitete Schätzung der Lagerungsdichte.

Bild: Einsatz des Shakers für Dispersionswellenmessungen im Feld

Projektrelevante Publikationen

  • Grabe J., Henke  S., Kinzler S. and Pucker T. (2010): Inverse determination of soil density and stress state using dispersion wave measurements and cone penetration tests in a non-layered soil. In: Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 30(6):481-489
  • Grabe J. and Vrettos C. (1989): Dispersion measurements to estimate compaction effect on granular soils. In: Proceedings of 4th International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Mexico City

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Numerische Simulation teilgesättigter Böden basierend auf einer Mischungstheorie

Stand: 25.10.2023
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Daten

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2008 bis 2011 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Björn Schühmann
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Das Spannungs-Dehnungs- und das Durchlässigkeitsverhalten des teilgesättigten Bodens sind durch Kapillareffekte gekennzeichnet. Im Fokus des Projekts steht die numerische Simulation des teilgesättigten Bodens basierend auf Mischungstheorie inklusive einem dynamischen Dreiphasenmodell. Im Rahmen des Projektes wurde für die Software Abaqus/Standard ein Userelement (UEL) für das dynamisches Dreiphasenmodell auf der Grundlage der Arbeiten von Öttl (2003) und Holler (2006) entwickelt. Das Userelement besitzt Verschiebungs-, Porenwasserdruck- und Porenluftdruckfreiheitsgrade und basiert auf der u-p-p-Formulierung der Feldgleichungen der Mischungstheorie. Die Userroutine enthält die kinematischen Gleichungen, Bilanzgleichungen und Stoffgleichungen, sodass Abaqus/Standard nur noch die Assemblierung der Elementmatrizen und der Elementlastvektoren sowie die Lösung des Gleichungssystems übernimmt.

Publikationen

  • Schümann B. (2010): Dynamisches Dreiphasenmodell auf Basis der FEM. In: Tagungsband der 31. Baugrundtagung 2010 in München, S. 45-52
  • Schümann B. (2010): Modeling of soils as multi-phase materials with Abaqus. In: Proceedings of SIMULIA Customer Conference 2010 at Providence/USA, pp. 384-399
  • Schümann B. (2015): Beitrag zum dynamischen Dreiphasenmodell für Boden auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 35

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Numerische Modellierung geotechnischer Prozesse mit großen Bodenverformungen auf der Grundlage der FEM mit dem gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatz (CEL)

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: Graduiertenkolleg GRK 1096/2 Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen
  • Laufzeit: 2009-2011 (36 Monate, 2. Kohorte)
  • Sachbearbeiter: Gang Qiu
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Bei extremen Belastungssituationen wie beispielsweise dem Versagen einer Kaje infolge Pollerzug in Kombination mit extremen Wasserständen, dem axialen Versagen des Schrägpfahls, dem Pflügen der Pfähle durch den Boden oder einer Grundberührung von Schiffen werden große Verformungen im Boden und in der Struktur verursacht. Gleiches gilt für das Einbringen von Profilen in den Untergrund. Zur numerischen Modellierung derartiger Vorgänge ist die Finite-Elemente-Methode mit Lagrangescher Beschreibung der kinematischen Größen  nicht oder nur bedingt geeignet. Im Rahmen des Projektes wurde vor allem die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit dem gekopplten Euler-Lagrange-Ansatz (CEL)  angewendet, um Randwertprobleme mit großen Bodenverformungen zu lösen. 

Projektrelevante Publikationen

  •  Gang Q. (2012): Coupled Eulerian Lagrangian Simulations of Selected Soil-Structure Problems. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 24

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Finite Elemente basierte multikriterielle numerische Optimierung geotechnischer Tragsysteme für den Gebrauchszustand (FEMNOG)

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/9-1 und 9-3
  • Laufzeit: 2009-2011 (9-1) und 2013-2015 (9-3)
  • Sachbearbeiter: Tim Pucker (9-1) und Karlotta Seitz (9-3)
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Pucker, Dissertation Seitz

Projektbeschreibung

Der Entwurf geotechnischer Tragsysteme ist ein äußerst komplexer Vorgang, da eine Vielzahl von Kriterien, u.a. hinsichtlich Tragfähigkeit im Grenz- und Gebrauchszustand, technischer Ausführbarkeit sowie Kostengesichtspunkte zu berücksichtigen sind.  Der geotechnische Entwurf beruht daher bislang weitestgehend auf der Erfahrung und Variantenstudium. Im Rahmen des Projekts wurden Verfahren der multikriteriellen Optimierung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) kombiniert, um das Verformungsverhalten geotechnischer Tragsysteme bei einer Entwurfsoptimierung zu berücksichtigen. Weiterhin wurden die Einsatzmöglichkeiten einer automatisierten Entwurfsfindung in der Geotechnik überprüft.

Projektrelevante Publikationen

  • Seitz K. (2020): Zur Topologieoptimierung von geotechnischen Strukturen und zur Tragfähigkeitssteigerung des Baugrunds durch Scherfugenverfestigung. Dissertation. Technische Universität Hamburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 45
  • Grabe J. und K. Seitz (2015): DFG-Abschlussbericht. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Pucker T. (2013): Stoffmodell zur Modellierung von stetigen Materialübergängen im Rahmen der Optimierung geotechnischer Strukturen. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 28
  • Pucker T. (2012): Zur Topologieoptimierung in der Geotechnik. In: Tagungsband zur 32. Baugrundtagung 2012 in Mainz, Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', S. 67-73
  • Grabe J., Pucker T. and Busch P. (2012): Non-linear numerical model for the design process of deep foundations with regard to effects of pile installation. In:  Proceedings of 9th International Conference on Testing and Design Methods for Deep Foundations 2012 in Kanazawa/Japan,edited by T. Matsumoto, pp. 55-64, Kanazawa e-Publishing
  • Grabe J. und T. Pucker: DFG-Zwischenbericht und Fortsetzungsantrag. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Grabe J. und Pucker T. (2011): Beitrag zum Entwurf und zur Ausführung von kombinierten Pfahl-Plattengründungen. In: Bautechnik 88(12):828-835
  • Pucker T. and Grabe J. (2011): Structural optimization in geotechnical engineering - basics and application. In: Acta Geotechnica 6:41-49, DOI: 10.1007/s11440-011-0134-7
  • Grabe J., Pucker T. und Busch P. (2011): Optimierung einer Kombinierten Pfahl-Plattengründung mit einem nichtlinearen Berechnungsmodell mit Berücksichtigung von Pfahlherstellungseinflüssen. In: Tagungsbeiträge zur 8. Österreichischen Geotechniktagung in Wien, Österreichischer Ingenieur- und Architekten-Verein, S. 171-183
  • Grabe J., Kinzler S., Pucker T. und Mardfeldt B. (2010): Untersuchung des Tragverhaltens und der Anwendbarkeit numerischer Optimierungsverfahren für Kaikonstruktionen. In: Tagungsband der 31. Baugrundtagung 2010 in München, S. 123-129
  • Pucker T. und Grabe J. (2010): Traglasterhöhung von Fundamenten durch gezielte Bodenverbesserung. In: Baugrundverbesserung in der Geotechnik, Tagungsband zum Symposium Baugrundverbesserung in der Geotechnik, Dietmar Adam und Richard Herrmann (Hrsg.), Institut für Geotechnik der Universität Siegen, S. 261-275

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Geothermisch- und sorptionsgestützte Klimatisierung (GSGK)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Verbundprojekt mit dem Institut für Thermofluiddynamik der TUHH (Prof. Gerhard Schmitz)
  • Laufzeit: 2009-2011 (36 Monate)
  • Sachbearbeiter: Xiaolong Ma
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht, Dissertation M

Projektbeschreibung

Die sorptionsgestützte Klimatisierung ist eine Weiterentwicklung der Verdunstungskühlung. Im Unterschied zur konventionellen Klimatisierung wird die Aufgabe der Entfeuchtung von der Abkühlung getrennt. Dazu wird die feuchte Luft mit Hilfe eines hygroskopischen Mittels getrocknet. Der Wasserdampf aus der Luft wird an der Oberfläche des Sorptionsmittels angelagert (Adsorption) oder in diesem gelöst (Absorption). Durch die Vortrocknung muss die Luft nicht unter den Taupunkt abgekühlt werden. Daher kann hier eine Wärmesenke mit einem höheren Temperaturniveau, wie z. B. das Erdreich direkt eingesetzt werden. Die Idee der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage (GSGK) kombiniert die Sorptionstechnik und die oberflächennahe Geothermie.

Im Rahmen des Verbundprojektes wurde eine Pilotanlage geplant, gebaut und in der HafenCity Hamburg installiert und für die Dauer von zwei Jahren betrieben. Die Geothermieanlage bestand aus drei Erdwärmesonden mit einer Länge von 75 m und fünf Energiepfählen mit einer Länge von 14 m. Während des Betriebes wurde in Anlage unter verschiedenen Bedingungen gefahren. Im Rahmen des Teilprojektes unseres Instituts wurden zudem numerische Untersuchungen zum Wärmetransport im Boden bzw. zur Wärmeentzugsleistung für die Erdwärmesonden und die Energiepfähle auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt.

Bild: Foto der Geothermieanlage in der HafenCity Hamburg

Projektrelevante Publikationen

  • Ma X. (2013): Nutzung der oberflächennahen Geothermie mittels Energiepfählen und Erdwärmesonden. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 25
  • Ma X. und J. Grabe (2011): Ökologische Klimatisierung: Pilotanlage zur geothermisch- und sorptionsgestützten Klimatisierung in der HafenCity Hamburg. In: Tagungsunterlagen zum Geothermie-Kongress 2011 in Bochum, veröffentlicht auf CD-ROM
  • Ma X., Qiu G. und J. Grabe (2011): Zur thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelten Simulation eines Energiepfahls. In: Geotechnik 34(4):264–275, DOI: 10.1002/gete.201100008
  • Ma X. und J. Grabe (2011): Steigerung der Effizienz von Erdwärmesonden durch Luftinjektion ohne Grundwasserströmung. In: Geotechnik 34(1):42–50
  • Wrobel J., Ma X., Schmitz G. und J. Grabe (2010): A dessicant assisted air conditioning system with use of geothermal energy. In: Proceedings of World Geothermal Congress 2010 at Bali/Indonesia, paper No. 2934, electronically published
  • Ma X. and J. Grabe (2010): Efficiency increase of soil heat exchangers due to groundwater flow and air injection wells. In: Proceedings of World Geothermal Congress 2010 at Bali/Indonesia, paper No. 3221, electronically published
  • Ma X. and J. Grabe (2010): Field test of a geothermal system in HafenCity Hamburg. In: Proceedings of GEOSHANGHAI 2010, ASCE, Geotechnical Special Publication No. 204 – Geoenvironmental and Geotechnics, pp. 159–166
  • Ma X. und J. Grabe (2010): Kombination von Grundwasser-Zirkulations-Verfahren und Erdwärmeanlagen. In: Vorträge zum 17. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Mitteilungen des Instituts für Geotechnik der TU Darmstadt, Heft 86, S. 13–25
  • Ma X. und J. Wrobel (2009): Pilotanlage geothermisch- und sorptionsgestützte Klimatisierung in der HafenCity Hamburg. In: Geotechnik 86(11):A9–A11, Technischer Bericht
  • Ma X. und J. Grabe (2009): Modeling of usage of air injection well in a geothermal system. In: Proceedings of COMSOL Conference 2009 at Milano/Italy, electonically published on CD-ROM
  • Ma X. und J. Grabe (2007): Nutzung der oberflächennahen Geothermie in der HafenCity. In: Tagungsband zur 74. Tagung der norddeutschen Geologen 2007 in Hamburg, S. 59-60

Patent

  • Kombination von Grundwasser-Zirkulations-Verfahren und Erdwärmeanlagen, Deutsches Üatent "Erdwärmeanlage" DE 10 2008 008 762.7, Europäisches Patent 09401001.4-2301

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Entwicklung von effizienten Dimensionierungsgrundlagen für die Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Forschungsvereinigung: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)
  • Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V. (AiF)
  • Förderkennzeichen: FOSTA P 813, AiF IGF 16493N
  • Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann (Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart)
  • Laufzeit: 2010-2012
  • Sachbearbeiter TUHH: Christoph Schallück
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Die anhaltenden hohen Zuwachsraten in der Containerschifffahrt führen zu immer größeren Abmessungen der Schiffe. Ein größerer Tiefgang der Schiffe fordert größere Geländesprünge der Kaikonstruktionen, breitere Schiffe benötigen größere Containerbrücken. Die hieraus resultierenden Belastungen erfordern ein deutlich besseres Verständnis vom Tragverhalten einer Kaikonstruktion. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden folgende Fragestellungen behandelt:

  1. Die größeren Geländesprünge verursachen größere Knicklängen der Spundwandkonstruktionen. Größere Krananlagen verursachen erhöhte Lasten an den Kaikanten. Nach EC 3 sind stets Biegedrillknicknachweise zu führen. Ziel ist es, die bestehenden Bemessungsregeln zu verbessern, indem die stützende Wirkung des umgebenden Bodens durch eine Drehbettung sowie die Halterung durch die Zwischenbohlen auf der Widerstandsseite als stabilisierendes Element angesetzt werden können.
  2. Die Zwischenbohlen einer kombinierten Spundwand werden durch Erd- und Wasserdruck beansprucht. Sie leiten diese Lasten an die Tragbohlen weiter. Bisher wird bei der Bemessung auf Erfahrungswerte zurückgegriffen. Ziel ist es, anhand von Versuchen und numerischen Berechnungen die genaue u Beanspruchung und Tragfähigkeit der Zwischenbohlen zu ermitteln.
  3. Die unterschiedlichen Regelwerke - namentlich die EAU, die EAB, die DIN 1054 und die Regelungen der HPA - beschreiben zum Teil stark unterschiedliche Berechnungsansätze für den Nachweis gegen Versinken der Wand. Ziel ist es, auf Grundlage von theoretischen Überlegungen sowie numerischen Berechnungen einfache und einheitliche Bemessungskonzepte zu entwickeln.

Bild: Feldversuch zur Ermittlung der Drehbettung einer Tragbohle

Projektrelevante Publikationen

  • Kuhlmann U., Grabe J., Froschmeier B. und C. Schallück (2012): AiF-Abschlussbericht. Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart und Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Kuhlmann U., Grabe J., Froschmeier B. und Schallück C. (2012): Untersuchungen von Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände unter Stabilitätsbeanspruchung. Veröffentlichung des Stahl-Informations-Zentrums Düsseldorf "Stahlspundwände (10) – Planung und Anwendung", S. 1–10
  • Schallück C. and Grabe J. (2011): Rotational bedding of open-ended steel profiles in soil. In: Tagungsband zum Workshop Ports for Container Ships of Future Generations, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 22, S. 329–344
  • Kuhlmann U., Grabe J., Froschmeier B., Pavlovicic L., Schümann B. und Schallück C. (2009): Biegedrillknicken von Hauptträgern. In: Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 19, S. 167–190

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Kapillareinfluss auf das mechanische Verhalten nichtbindiger Böden unter dynamisch hoch beanspruchten Logistikflächen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/11-1 und 11-2
  • Laufzeit: 2010-2014 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Marius Milatz
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Milatz

Projektbeschreibung

Im Verkehrswegebau ist die Langzeitbeständigkeit von Fahrbahndecken ein wichtiger Aspekt, insbesondere bei hoch belasteten Logistikflächen wie z. B. Containerumschlagsplätzen. Entsprechende Fahrbahnen werden beim Containerumschlag rund um die Uhr während ihrer Lebenszeit durch viele Millionen Lastwechsel beansprucht. Bei der Bemessung solcher Fahrbahnen besteht aus bodenmechanischer Sicht das Problem der umfassenden Prognose der Akkumulation von Bodenverformungen, speziell bei Berücksichtigung von Kapillareffekten. 

Im Rahmen des Projektes wurde das mechanisch-hydraulische Verhalten des Bodens bei einzelnen und wiederholten Überfahrten von schweren Fahrzeugen (Van-Carrier oder Automated Guided Vehicle) experimentell, theoretisch und numerisch untersucht. Die Experimente umfassten Feldmessungen an der Fahrbahn eines Containerumschlagplatzes in Hamburg, 1g-Modellversuche, bodenmechanische Laborversuche mit einem neuartigen Einfachschergerät für teilgesättigte Bodenproben. Die numerischen Untersuchungen basierten auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) unter Verwendung dynamischen Dreiphasenmodells für den teilgesättigten Boden basierend auf einer Mischungstheorie.

Projektrelevante Publikationen

  • Milatz M. (2015): Untersuchungen zum Einfluss der Kapillarität auf das hydraulisch-mechanische Verhalten von granularen Tragschichten für Verkehrswege. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 36
  • Milatz, M. (2015): An experimental method to study the drying-wetting behaviour of a sand. In: Proc. of 6th Asia-Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT 2015), Guilin, China. Hrsg. von Z. Chen, C. Wei, D. Sun und X. Xu, S. 211–216
  • Renken L., Oeser M., Milatz M. und J. Grabe (2015): Measurement of hydraulic properties of unsaturated permeable polyurethane bound asphalt materials. In: Proceedings of 6th Asia Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT) 2015 in Guilin/China, CRC Press
  • Milatz M. und Grabe J. (2015): Zum Einfluss der Teilsättigung auf den Plattendruckversuch. In: Geotechnik 38(1):28–35
  • Milatz M. und Grabe J. (2015): A new simple shear apparatus and testing method for unsaturated sands. In: Geotechnical Testing Journal 38(1), pp. 9–22
  • Grabe J. und Milatz M. (2014): Kapillareinfluss auf das mechanische Verhalten nichtbindiger Böden unter dynamisch hochbeanspruchten Logistikflächen. DFG-Abschlussbericht, Technische Universtät Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Milatz M. und Grabe J. (2014): Triaxial and simple shear tests on unsaturated sand with negative pore water pressures. Proceedings of 6th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT) in Sydney/Australia, pp. 1631–1637
  • Grabe J. und Milatz M. (2014): The change of matric suction due to heavy vehicle crossing. Proceedings of 6th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT) in Sydney/Australia, pp. 1431–1437
  • Milatz M. (2014): Experimentelle Untersuchung der Kapillarität bei Sand unter monotoner und zyklischer Belastung. Tagungsband zum Ohde-Kolloquium 2014 - Aktuelle Themen der Geotechnik, Mitteilungen des Instituts für Geotechnik der TU Dresden, Heft 19, S. 1–13 
  • Milatz M. (2014): Numerische Modellierung der Belastung aus Schwerlastverkehr in Offshore Basishäfen. Tagungsband zum gleichlautenden Workshop an der TU Hamburg-Harburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 31, Seite 161–176
  • Milatz M. (2013): On the control of low negative water pressures in laboratory tests on unsaturated sand. Proc. of 5th International Young Geotechnical Engineer's Conference (YGEC) 2013 in Paris/France, pp. 55–58
  • Milatz M. und Grabe J. (2012): Der Einfluss bewegter Radlasten auf das dynamische System des Untergrundes. Proc. der 4. VDI-Fachtagung Baudynamik 2012, VDI-Berichte 2160, S. 187–196
  • Milatz M. und Grabe J. (2012): Der Einfluss bewegter Radlasten auf das dynamische System des Untergrundes. In: Tagungsband zur 4. VDI-Fachtagung Baudynamik 2012, VDI-Berichte 2160, S. 187–196

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Grundsatzuntersuchungen zur Drift von Pfählen unter zyklischer Horizontallast bei zeitlich veränderlicher Lastrichtung und zur Reduzierung der Pfahldrift

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/12-1
  • Dauer: 2010-2011 und 2013-2014 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Christina Rudolph
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Rudolph

Projektbeschreibung

Pfähle zeigen bei zyklischer Horizontalbelastung mit konstanter Lastrichtung eine Verformungsakkumulation mit zunehmender Zyklenzahl. Voruntersuchungen zeigen, dass Pfähle bei Einwirkung einer zyklischen Horizontallast bei zeitlich veränderlicher Lastrichtung aus der Hauptlastrichtung driften und dabei deutlich vergrößerte Verformungsraten aufweisen. Dieses Phänomen wird als Pfahldrift bezeichnet. Veränderliche Lastrichtungen liegen etwa bei Wind- und Wellenlasten vor, die z. B. auf Monopilegründungen im Offshore-Bereich einwirken. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde das Phänomen der Drift von Pfählen unter zyklischer Horizontallast mit veränderlicher Lastrichtung grundlegend untersucht. Dies umfasst experimentelle Untersuchungen (1g-Modellversuche und ng-Modellversuche in einer Zentrifuge) sowie Computersimulationen auf der Grundlage von Kontinuumsmodellen (Finite-Elemente-Methode) und Partikelmodellen (Diskrete-Elemente-Methode). Ziel des Projektes war die Beschreibung und Modellierung des Phänomens der Pfahldrift sowie die Entwicklung technischer Maßnahmen zur Reduktion der Pfahldrift.

Bild: Durchführung von ng-Modellversuchen in der Zentrifuge am Centre for Offshore Foundation Systems (COFS) an der University of Western Australia

Projektrelevante Publikationen

  • Rudolph C. (2015): Untersuchungen zur Drift von Pfählen unter zyklischer, lateraler Last aus veränderlicher Richtung. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 32
  • Rudolph C. und Grabe J. (2013): Untersuchungen zu zyklisch horizontal belasteten Pfählen bei veränderlicher Lastrichtung. In: Geotechnik 36(2):90–95
  • Rudolph C., Grabe J. and Bienen B. (2013): Deformation behaviour of piles subjected to cyclic lateral loading from a varying direction. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2013 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Heft 26, pp. 147–161
  • Rudolph C. (2012): Modellversuche zur Drift zyklisch horizontal belasteter Pfähle bei veränderlicher Lastrichtung. In: Tagungsband zur 32. Baugrundtagung 2012 in Mainz, Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', S. 119–123

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Tragverhalten von Teilverdrängerbohrpfählen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Auftraggeber: Bauer Spezialtiefbau GmbH
  • Laufzeit: 2010
  • Sachbearbeiter: Philipp Busch

Projektbeschreibung

Durchführung vergleichender Feldversuche zum Tragverhalten von Teilverdrängerbohrpfählen am Standort "Hohe Schaar" in Hamburg.

Projektrelevantes Dokument

  • Interner Bericht

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Untersuchungen zum Einsatz von METHA-Material als Baustoff

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Auftraggeber: Hamburg Port Authority (HPA)
  • Laufzeit: 2009-2012
  • Sachbearbeiterin: Kathinka Beyer
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht (intern)

Projektbeschreibung

An der deutschen Nordseeküste und an den unteren Elbufern wird als bindige, gering wasserdurchlässige Deichdichtung traditionell Klei genutzt. Im Rahmen zukünftiger Anpassungen der Hochwasserschutzanlagen war davon auszugehen, dass erheblicher Bedarf an derartigem Baumaterial bestehen wird. Da Klei als natürliche Ressource nur in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, wurden Substitute erprobt und nach Möglichkeit eingesetzt. Ein
Vergleichsbaustoff und mögliches kosten- und ressourcenschonendes Substitut ist ein Produkt der Sedimentbehandlungsanlage METHA (Mechanische Trennung und Entwässerung von Hafensedimenten). Da sich die Schadstoffbelastung von Baggergut besonders in den letzten 10 Jahren stark verringert hat, eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Verwertung des METHA-Materials. Seit 2008 wurde METHA-Material z. B. als nach LAGA eignungsgeprüfter Dichtungsbaustoff im Deponiebau eingesetzt (LAGA 2008).

Beurteilungskriterien für den Einsatz von METHA-Material im Deichbau gab es 2009 nicht. Es war zu prüfen, ob geltende Richtlinien und Empfehlungen für den Einsatz von Klei auch auf METHA-Material anwendbar sind. Hier waren insbesondere die Empfehlungen und Richtlinien nach Baubehörde Hamburg, Amt für Wasserwirtschaft (1988), Empfehlungen des Ausschusses für Küstenschutzwerke (EAK 2007) und Weißmann (2003) zu nennen. Festlegungen in der EAK 2002 (2007) mit Bezug auf den Einbau von Schlick waren ebenfalls nicht direkt übertragbar, da METHA-Material herstellungsbedingt typischerweise von Schlick abweichende Eigenschaften aufweist.

Zur Untersuchung der Anwendungskriterien für die Verwendung von Baggergut im Deichbau wurden im Vorlauf des Projektes mehrere Probefelder eingerichtet. Beispielsweise wurde ein Probefeld am Ellerholzkanal in Hamburg unter Verwendung des in Hamburg aufbereiteten Baggerguts METHA-Material eingerichtet. Ein Probefeld am Drewer Hauptdeich, bei dem es zum Einsatz von METHA-Material kam, wurde im Vergleich zu den Kleideichen Bostelbeker Hauptdeich und Neß Hauptdeich untersucht. Des Weiteren wurde ein Probefeld am Maadesiel unter Verwendung von Bremer und Hamburger Baggergut angelegt.

An der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) wurden im Rahmen des Forschungsprojektes weitere wissenschaftliche Untersuchungen zur Eignungsfeststellung von METHA-Material als Deichbaumaterial durchgeführt. Dazu zählten das Sichten vorhandener Unterlagen, vergleichende Untersuchungen zum echanisch-hydraulischen Verhalten, Untersuchungen zur Rissbildung und (Selbst)heilung von Rissen sowie Untersuchungen zur Verbesserung der Eigenschaften von METHA-Material. Da METHA-Material typischerweise einen im Vergleich zu seiner Schrumpfgrenze sehr hohen Wassergehalt aufweist und produktionsbedingt keine Primärschrumpfung und andere bodenbildende Prozesse erfährt, wurden zur Einschätzung der Risssicherheit des Materials als Deichdeckschicht detaillierte experimentelle Untersuchungen vorgenommen. Hierbei standen das Schrumpfverhalten, die Entstehung und Ausbreitung von Rissen und der Wasserhaushalt in Deichdeckschichten unter Verwendung von METHA-Material im Vordergrund.

Projektrelevante Publikationen

  • Grabe J. und K. Beyer (2012): Einsatz von METHA-Material als Baustoff. Interner Bericht, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Beyer K., Grabe J., Kaschel G. and Timmers V. (2012): Development of a large-scale environmental chamber to investigate the dessication behaviour of flood embankment profiles. In: Proceedings of 12th Baltic Sea Geotechnical Conference 2012 in Rostock/Germany, pp. 244–250, electronically published

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Mechanismen der Pfropfenbildung in offenen Querschnitten in Abhängigkeit des Einbringverfahrens

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: HE 5445/1-1
  • Laufzeit: 2010-2012 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter: Sascha Henke
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Habilitation Henke

Projektbeschreibung

Bei der Penetration offener Profile in den Boden durch Eindrücken, Schlagrammung oder Vibrationsrammung kann sich die Radialspannung im Bereich des Bauteilfußes erhöhen. Dieses Phänomen wird als Pfropfenbildung bezeichnet. Die Pfropfenbildung hat einen Einfluss auf die Rammbarkeit und die vertikale Tragfähigkeit dieser offenen Profile, sodass es von Bedeutung ist, die Neigung zur Bildung eines Bodenpfropfens bereits im Vorfeld der Rammarbeiten abschätzen zu können. Die Profile, die zu einer Pfropfenbildung neigen können, sind vielfältig. Es handelt sich hierbei um offene Stahlrohre, Doppel-T-Profile, aber auch Spundwände und Kastenprofile können unter gewissen Randbedingungen einen festen Bodenpfropfen in ihrem Innern ausbilden. Die Ausbildung eines Bodenpfropfens im Profilinnern hängt u. a. vom Einbringverfahren, von den Bodenverhältnissen und von der Pfahlgeometrie ab. Bisher ist es schwierig, die Neigung zur Pfropfenbildung vorherzusagen. Klassisch werden viele wesentliche Einflussgrößen nicht berücksichtigt. Insbesondere der Einfluss des Einbringverfahrens kann bislang ausschließlich infolge messtechnischer Untersuchungen erfasst werden. So sagt Jardine et al. (2005) zum Beispiel für offene Rohre, die eingedrückt werden aus, dass diese bei entsprechend kleinem Durchmesser zur Pfropfenbildung neigen. Für schlaggerammte Rohre sagt Randolph (2003) hingegen voraus, dass diese aufgrund der Trägheit des Bodenkörpers im Rohr nicht zu einem Pfropfen neigen. Für die Vibrationsrammung sind bislang keine Aussagen zu finden. 

Im Rahmen des Projektes wurden Ursachen und Wirkungen zum Phänomen der Pfropfenbildung grundlegend untersucht. Dies umfasste experimentelle Untersuchungen (1g-Modellversuche und ng-Modellversuche in einer Zentrifuge), theoretische Untersuchungen sowie numerische Untersuchungen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Simulation der Bauteilpenetration im Rahmen der FEM basierte auf dem gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatz (CEL). Im Rahmen der Modellversuche wurden die wesentlichen Einflussgrößen variiert. Die Computersimulationen wurden anhand der Ergebnisse der Modellversuche validiert, darüber hinaus wurden Ereignisse untersucht, die experimentell nicht abgedeckt wurden. Ziel war die Erarbeitung von Bemessungsgrundlagen zur Berücksichtigung der Pfopfenbildung.

Projektrelevante Publikationen

  • Henke S. (2013): Untersuchungen zur Pfropfenbildung infolge der Installation offener Profile in granularen Böden. Habilitation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik, Heft 29
  • Grabe J., Henke S., Pucker T., Hamann T. (2013): CEL Simulations for soil plugging, screwed pile installation and deep vibration compaction. In: Proceedings of International Conference on Installation Effects in Geotechnical Engineering 2013 in Rotterdam/Netherlands, pp. 118-127, Taylor & Francis Group, London
  • Grabe J. and Henke S. (2012): Field measurements regarding the influence of the installation method on soil plugging in tubular piles. In: Acta Geotechnica, DOI: 10.1007/s11440-012-0191-2
  • Henke S. (2012): Zuschrift zur Publikation 'Untersuchungen der Pfropfenbildung an offenen Verdrängungspfählen'. In: Bautechnik 89(10):727-730
  • Fischer J., Henke S. und Höhmann S. (2012): Stress development inside large diameter pipe piles using a soil plug forcing system. In: Proceedings of ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2012) in Rio de Janeiro/Brazil, electronically published under OMAE2012-83401
  • Henke S. (2012): Large deformation numerical simulations regarding soil plugging behaviour inside open-ended piles. In: Proceedings of ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2012) in Rio de Janeiro/Brazil, electronically published under OMAE2012-830389
  • Henke S. (2012): Full-scale site investigation on soil-plugging inside tubular piles. In: Proceedings of ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2012) in Rio de Janeiro/Brazil, electronically published under OMAE2012-83038
  • Henke S. (2012): Vertical bearing capacity of open-ended piles with respect to soil plugging. In: Proceedings of 12th Baltic Sea Geotechnical Conference 2012 in Rostock/Germany, pp. 71-78, electronically published
  • Henke S. (2011): Numerical and experimental investigations of soil plugging in open-ended piles. In: Tagungsband zum Workshop Ports for Container Ships of Future Generations, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 22, S. 97-122
  • Henke S. (2010): The influence of the installation method on soil plugging in open-ended piles. In: Proceedings of 4th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation in Cape Town (South Africa), short version pp. 343, long version electronically published, CRC Press
  • Grabe J. and Henke S. (2010): High-performance Finite Element and Coupled Eulerian-Lagrangian simulations of pile installation proceses. In: Proceedings of 4th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation in Cape Town (South Africa), short version pp. 63, long version published electronically, CRC Press
  • Henke S. (2009): Simulation der Einbringung offener Profile - Untersuchungen zur Propfenbildung. In: Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Bauebtrieb der TU Hamburg, Harburg, Heft 19, S. 57-79

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Stabilität von Unterwasserbaugruben

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2010-2013
  • Sachbearbeiter: Julian Bubel
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Zur Herstellung von Schwergewichtsgründungen von Offshore-Windenergieanlagen muss am Meeresboden ein Planum hergestellt werden. In diesem Zusammenhang treten verschiedene geotechnische Fragen auf: 

  1. Mit welcher Technik ist die Unterwasserbaugrube herzustellen, so dass möglichst steile und damit flächenschonende Unterwasserböschungen hergestellt werden können?
  2. Wie steil können Unterwasserböschungen temporär und dauerhaft sein?
  3. Welchen Einfluss hat dabei die Einflüsse aus Strömung, Wellen und sonstige Störungen?
  4. Wielange können Unterwasserbaugruben unter Berücksichtigung der Fracht von Bodenpartikeln am Meeresboden betrieben werden?

Zur Klärung dieser Fragen wurden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt.

Projektrelevante Publikationen

  • Bubel J., Grabe J. (2015): Unterwasserböschungen in kohäsionslosen Böden unter Wellenbeanspruchung. In: Aktuelle Forschung in der Bodenmechanik 2015 – Tagungsband zur 2. Deutschen Bodenmechanik Tagung in Bochum, T. Schanz, A. Hettler (Ed.), Springer, S. 225–241
  • Bubel J., Pick M.-A., Grabe J. (2015): Stability of artificial subaqueous slopes in sandy soils under wave loads. In: Proceedings of 34th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering 2015 in St. John's (Canada), electronically published under paper No. OMAE2015-41827
  • Bubel J. und Grabe J. (2014): Unterwasserböschungen in sandigen Böden. In: Binnenschifffahrt 2014(12):48–53
  • Bubel J. and Grabe J. (2013): Wave-induced bottom pressure on submarine slopes. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2013 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Heft 26, pp. 211–227
  • Bubel J. and Grabe J. (2012): Stability of submarine foundations pits. In: Proceedings of 7th International Conference on Offshore Site Investigation and Geotechnics 2012 in London/UK, pp. 347–354, published by Society for Underwater Technology
  • Bubel J. und Grabe J. (2012): Stability of submarine foundation pits under wave loads. In: Proceedings of 31th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in 2012 in Rio de Janeiro/Brazil, electronically published under OMAE2012-83027

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Entwicklung eines Stoffmodells zur Modellierung von stetigen Materialübergängen im Rahmen der Optimierung geotechnischer Strukturen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2011–2013
  • Sachbearbeiter: Tim Pucker
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation Pucker

Projektbeschreibung

Im Rahmen der numerischem multikriteriellen Optimierung geotechnischer Strukturen findet ein Übergang von Boden zu Beton statt. Um diesen Übergang graduell simulieren zu können, wurde ein entsprechendes Stoffmodell, basierend auf der Hypoplastizität entwickelt. 

Projektrelevante Publikation

  • Pucker T. (2013): Stoffmodell zur Modellierung von stetigen Materialübergängen im Rahmen der Optimierung geotechnischer Strukturen. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 28

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Untersuchungen im Rahmen der Grundsatzaufgabe 'Ausbildung von Dichtungsanschlüssen im Streckenbereich von Wasserstraßen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
  • Laufzeit: 2011-2013 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Hatice Kaya
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, BAW-Abschlussbericht, Dissertation Kaya

Projektbeschreibung

Experimentelle Untersuchungen (1g-Modellversuche) und numerische Untersuchungen (FE-Analysen) zur Ausbildung von Dichtungsanschlüssen im Streckenbereich von Wasserstraßen, insbesondere bei der Durchörterung von Spundwänden durch abdichtende Bodenschichten.

Projektrelevante Publikationen

  • Kaya H. (2016): Bodenverschleppung und Spaltbildung infolge der Einbringung von Profilen in Dichtungsschichten aus Ton. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 37
  • Kaya H. und J. Grabe (2015): Numerische Untersuchungen zur Bodenverschleppung und Spaltbildung infolge Spundwandeinbringung in Dichtungsschichten. In: Numerische Methoden in der Geotechnik, Bundesanstalt für Wasserbau (Hrsg.), BAWMitteilungen Nr. 98, S. 47–58
  • Kaya H. und Grabe J. (2015): Untersuchungen zur Spaltbildung bei der Herstellung von Dichtungsanschlüssen im Streckenbereich von Wasserstraßen. In: Vorträge zum 22. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium 2015, Mitteilungen des Instituts und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 94, S. 107–127
  • Kaya H. (2013): Investigation of sheet pile penetration in surface seals by using the Coupled Eulerian-Lagrangian Method. In: Proceedings of 5th International Young Geotechnical Engineer's Conference (YGEC) 2013 in Paris/France, pp. 551–554

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Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Teilverdrängungspfählen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2012-2013
  • Sachbearbeiter: Philipp Busch
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Entwicklung eines Modellversuchsstands zur Untersuchung von Teilverdrängungsbohrpfählen. Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Herstellparameter auf den Bohrvorgang bei Teilverdrängungsbohrpfählen in 1g-Modellversuchen (Druckkammer). Dabei Variation des Bohrwerkzeugs und der Herstellungsparameter (Vorschubgeschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit des schraubartigen Bohrwerkzeugs).

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Effizienzsteigerung der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage (Eff-GSGK)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)
  • Förderkennzeichen: AZ 03ET1065A
  • Forschungspartner: Institut für Thermofluiddynamik der TUHH (Prof. Dr.-Ing. Gehard Schmitz)
  • Laufzeit: 2012-2014 (36 Monate)
  • Sachbearbeiter B-5: Frauke Wenzel, Matthias Schuck
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, BMWi-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Im vorangegangenen Projekt wurde die Kombination einer sorptionsgestützten Klimaanlage und einer Geothermieanlage in einer Pilotanlage in der HafenCity Hamburg untersucht. Im Rahmen des hier vorliegenden Verbundprojektes sollen die Effizienz der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimatisierung weiter gesteigert werden. Unser Institut verfolgt dabei folgende Ziele:

  1. Steigerung der Kälteentzugsleistung von Wärmetauschern im Boden (Erdwärmesonden und Energiepfähle) durch Kombination mit einem Luftinjektionsbrunnen (Erzeugung eines künstlichen konvektiven Wärmetransports, insbesondere an Standorten mit geringer Grundwasserströmung). Hierzu werden Feldversuche an der Pilotanlage sowie Computersimulationen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt.
  2. Optimierung des mechanisch-hydraulisch-thermischen Verhaltens des Verfüllmaterials von Erdwärmesonden. Das Verfüllmaterial muss eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Durchlässigkeit, eine hohe Duktilität bei mechanischer Beanspruchung und Widerstand gegen Bruch bei Frost-Tau-Wechsel aufweisen. Hierzu werden Laborversuche in einem neuartigen Triaxialgerät unter realen Spannungs- und Temperaturbedingungen mit verschiedenen Verfüllmaterialien durchgeführt.
  3. Erarbeitung von Bemessungsgrundlagen für Erdwärmetauscher.

Projektrelevante Publikationen

  • Schmitz G., Grabe J. und M. Schuck (2014): Effizientsteugerung der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage. BMWi-Abschlussbericht, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Thermofluiddynamik
  • Anbergen H., Frank J., Albrecht I., Dittrich H. (2011): Prüfzelle zur Bestimmung des Frost-Tau-Wechsel-Widerstands von Verpressmaterial für EWS. In: bbr Fachzeitschrift für Brunnenbau, 10/2Keine Kopfzellen011, S. 38–43
  • Albrecht I. und Frank J. (2010): Vorversuche an Verpressmaterialien für Erdwärmesonden zum mechanisch-hydraulischen Verhalten bei Frost/Tau-Wechseln. In: bbr Fachzeitschrift für Brunnenbau, 61(5):28–33

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Hydraulisches Lösen des Bodens

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  •  Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2011-2014
  • Sachbearbeiterin: Bozhana Kocak
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, nachfolgendes DFG-Projekt

Projektbeschreibung

Zur numerischen Simulation physikalischer Prozesse im Boden, die durch sehr große Bodenverformungen gekennzeichnet sind, wurde ein Simulationsmodell auf der Grundlage folgender Theorien und Methoden entwickelt:

  • Zweiphasenmodell für den gesättigten Boden basierend auf der Mischungstheorie
  • Anwendung der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (SPH) zur numerischen Lösung der Modellgleichungen
  • Implementierung im SPH-Solver GADGET-H2O und Erzeugung von GADGET-Soil

Anwendung der Methode zur Simulation einer Reihe bodenmechanischer Prozesse, u. a. das Düsenstrahlverfahren.

Projektrelevante Publikationen

  • Stefanova B. und Grabe J. (2012): Erste Untersuchungen zur Simulation des Düsenstrahlverfahrens mittels Smoothed Particle Hydrodynamics. In: Tagungsband zum Symposium Baugrundverbesserung in Wien 2012, pp. 133–145
  • Stefanova B., Bubel J. and Grabe J. (2012): Application of SPH to erosion and excavation problems on the examples of jet grouting and offshore engineering. In: Proceedings of 7th International SPHERIC SPH-Workshop 2012 in Prato/Italy, pp. 38–42

Anmerkung: Die Arbeiten wurden im Rahmen eines DFG-Projektes fortgesetzt. Dort sind weitere Publikationen zum Thema zu finden.

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Neuartige Gründungspfähle für Offshore-Windenergieanlagen

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
  • Förderkennzeichen: AZ 0325240
  • Forschungspartner: TAGU / Ludwig Freytag
  • Laufzeit: 2011-2013 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Christina Rudolph
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, BMU-Abschlussbericht, Dissertation Rudolph

Projektbeschreibung

Die Einwirkung einer Horizontallast auf ein vertikales Gründungselement ruft eine komplexe Reaktion des Systems Pfahl-Boden hervor. Der Boden kann sich in Abhängigkeit von der Größe der Last und seinem Ausgangszustand verdichten, auflockern, verfestigen oder geschwächt werden. Diese Reaktionen können in unterschiedlichen Tiefen auch gleichzeitig eintreten. Beispielsweise kann der Boden im Pfahlkopfbereich abscheren, während er sich im Pfahlfußbereich verfestigt. Die Reaktion der Pfahls hängt nicht allein vom Boden ab, sondern vielmehr vom Gesamtsystem, welches wiederum vom Boden, dem Pfahldurchmesser, der Pfahlbiegesteifigkeit, dem Ausgangsspannungszustand, der Belastung, der Belastungsgeschichte (Zyklik) und der Belastungsgeschwindigkeit (Dynamik) beeinflusst wird. Hinsichtlich der Abtragung der Lasten von Offshore Windenergieanlagen wird an die Gründung im Allgemeinen ein Verformungskriterium gestellt, welches die Gebrauchstauglichkeit der Windenergieanlagen gewährleisten soll. Um dieses einzuhalten, ist es bei Monopiles häufig erforderlich, wesentlich größere Einbindelängen oder Durchmesser zu wählen, als es aus rein statischer Sicht erforderlich wäre.

Im Rahmen des Projektes wurde ein am Institut entwickelter neuartiger Flügelpfahl untersucht. Er bestand aus einem herkömmlichen Rohrquerschnitt aus Stahl, der in Höhe des Meeresbodens durch zusätzliche Stahlplatten aufgeweitet wurde. Hierdurch kann die wirksame laterale Bettung des Pfahls in diesem eigentlich wenig tragfähigen Bereich deutlich erhöht werden. Dies führt zu Einsparungen beim Materialeinsatz. Zudem wird die Rammdauer vermindert, da die erforderliche Einbindelänge im Vergleich zum herkömmlichen Monopile deutlich reduziert werden kann. Das Projekt umfasste experimentelle Untersuchungen (Feldversuch im Prototypmaßstab und bodenmechanische Laborversuche mit einem Einfachschergerät für veränderliche Schubspannungsrichtung) sowie numerische Untersuchungen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM). 

Bild: Foto des Feldversuches in Bremerhaven mit zwei Pfählen und den Belastungseinrichtungen

Projektrelevante Publikationen

  • Rudolph C. (2015): Untersuchungen zur Drift von Pfählen unter zyklischer, lateraler Last bei veränderlicher Richtung. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 32
  • Rudolph C., Bienen B. und J. Grabe (2014): Effect of variation of the loading direction on the displacement accumulation of large-diameter piles under cyclic lateral loading in sand. In: Canadian Geotechnical Journal, 51, S. 1196–1206
  • Rudolph C., Grabe J. und Bienen B. (2014): Drift of piles subjected to cyclic lateral loading from a varying direction: system vs. soil element behaviour. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in San Francisco/USA, electronically published under OMAE2014-23212
  • Rudolph C., Grabe J. and Bienen B. (2014): Response of monopiles under cyclic lateral loading with a varying loading direction. In: Proceedings of International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) 2014 in Perth/Australia, Vol. 1, pp. 453–458
  • Grabe J. und C. Rudolph (2013): Neuartige Gründungspfähle für Offshore-Windenergieanlagen - Bau und Betrieb eines Testfeldes. BMU-Abschlussbericht, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Rudolph C. und Grabe J. (2013): Untersuchungen zu zyklisch horizontal belasteten Pfählen bei veränderlicher Lastrichtung. Geotechnik, 36(2):90–95
  • Rudolph C. and Grabe J. (2013): Laterally loaded piles with wings - in situ testing with cyclic loading from varying directions. In: Proceedings of 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2013 in Nantes/France, paper No. OMAE2013-10026
  • Rudolph C., Grabe J. and Bienen B. (2013): Deformation behaviour of piles subjected to cyclic lateral loading from a varying direction. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2013 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Heft 26, pp. 147–161

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Dynamische Analysen mit direkter expliziter Zeitintegration auf der Grundlage eines Zweiphasenmodells für den wassergesättigten Boden

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: Graduiertenkolleg GRK 1096/3 Seehäfen für Schiffe zukünftiger Generationen
  • Laufzeit: 2011-2013 (36 Monate, Kohorte 3)
  • Sachbearbeiter: Thorben Hamann
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Hamann

Projektbeschreibung

Im Rahmen der Software Abaqus/Explicit wurde eine Userroutine vom Typ VUMAT entwickelt, die dynamische Konsolidierungsanalysen basierend auf der u-p-Formulierung der Biot-Gleichungen in Abaqus/Explicit ermöglicht. Der Lösungsansatz basiert auf der Analogie

der laminaren und beschleunigungsfreien Grundwasserströmung und des transienten Wärmetransports.

Publikationen

  • Heins E., Hamann T., Grabe J. und Hannot S. (2016): Numerical investigation of the influence of the driving frequency during pile installation of tubular piles. In: Geotechnik 39(2):98-109，DOI: 10.1002/gete.201600014
  • Heins E., Grabe J., Hamann T. (2015): Numerische Simulation einer Bodenverbesserungsmaßnahme infolge Rütteldruckverdichtung. In: Numerische Methoden in der Geotechnik, Bundesanstalt für Wasserbau (Hrsg.), BAWMitteilungen Nr. 98, S. 59-68
  • Hamann T. (2015): Zur Modellierung wassergesättigter Böden unter dynamischer Belastung bei großen Bodenverformungen am Beispiel der Pfahleinbringung. Dissertation. Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 34
  • Bubel J. und Hamann T. (2015): Limitations and examples of coupled water-soil FE-analyses. In: Morphodynamics 2015 - Workshop on Numerical Methods of Water-Soil Boundary Layers under Currents and Waves, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 33, S. 37-58
  • Grabe J., Heins E. und Hamann T. (2015): Simulation of ground improvement using deep vibration compaction. In: Proceedings of 6th International Geotechnical Symposium on Disaster Mitigation in Special Geoenvironmental Conditions 2015 in Chennai (India), pp. 281-284
  • Hamann T., Qiu G. und Grabe J. (2014): Application of a Coupled Eulerian-Lagrangian approach on pile installation problems under partially drained conditions. Computers and Geotechnics, 63:279-290
  • Grabe J., Pucker T., Hamann T. und Heins E. (2014): Zur axialen Tragfähigkeit von offenen Profilen in Sand. Tagungsband zur 33. Baugrundtagung 2014 in Berlin, S. 211-218
  • Grabe J., Hamann T. und Chmelnizkij A. (2014): Numerical simulation of wave propagation in fully saturated soil modelled as a two-phase material. Proceedings of 9th International Conference on Structural Dynamics (Eurodyn) 2014 in Porto/Portugal, pp.631-637
  • Grabe J., Pucker T. und Hamann T. (2014): Numerical simulation of pile installation processes in dry and saturated granular soils. In: Proceedings of 8th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) 2014 in Delft/Netherlands
  • Kreuzer E., Solowjow E., Qiu G., Hamann T. und Grabe J. (2014): Leg-seabed interactions of jack-up vessels due to motions in irregular waves. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in San Francisco/USA, electronically published under OMAE2014-24303
  • Grabe J., Busch P. und Hamann T. (2014): On the set-up of piles. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in San Francisco/USA, electronically published under OMAE2014-24433
  • Hamann T. (2014): Numerical simulation of pile installation in water saturated soil. Tagungsband zur gleichnamigen Internationalen Konferenz 2014 in Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 30, S. 171-182
  • Grabe J., Hamann T. and Milatz M. (2013): Numerical simulation of inelastic wave propagation in soil modelled as one- and two-phase medium. Proc. of Vienna Congress on Recent Advances in Earthquake Engineering and Structural Dynamics (VEESD) 2013 in Vienna/Austria, Paper No. 168
  • Hamann T. and Grabe J. (2013): A simple dynamic approach for the numerical modelling of soil as a two-phase material. Geotechnik, 36(3):180-191
  • Hamann T. and Grabe J. (2013): Numerical investigations on vibratory sheet piling in embankments using a multi-phase material. Proc. of 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering 2013 in Paris/France, pp. 719-722
  • Bahr M., Bauer M., Großeholz G., Hamann T. und Leonardi M., Pichler T., Qiu G. und Radisch C. (2013): Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen - Forschungsprojekte der Stipendiaten der dritten Generation. HANSA International Maritime Journal, 150(7):93-97
  • Hamann T., Pichler T. and Grabe J. (2013): Numerical simulation of ship collision with gravity base foundations of offshore wind turbines. Proc. of 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2013 in Nantes/France, paper No. OMAE2013-11627
  • Qiu G., Hamann T., Grabe J., Hein C. and Howe R. (2013): A case study: construction of bucket foundations for jacpup ships. Proc. of 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2013 in Nantes/France, paper No. OMAE2013-10009
  • Grabe J., Hamann T. und Qiu G. (2013): Osterbergprobebelastung - Zur Interpretation der Messung von Spitzendruck und Mantelreibung. Beiträge zum 28. Christian Veder Kolloquium 2013 in Graz, Veröffentlichungen der Gruppe Geotechnik an der TU Graz, Heft 49, S. 145-162
  • Grabe J., Henke S., Pucker T., Hamann T. (2013): CEL Simulations for soil plugging, screwed pile installation and deep vibration compaction. Proc. of International Conference on Installation Effects in Geotechnical Engineering 2013 in Rotterdam/Netherlands, pp. 118-127, Taylor & Francis Group, London
  • Hamann T. und Grabe J. (2012): Numerical investigations on vibratory sheet piling in embankments. Proceedings of Baltic Piling Days 2012 in Tallinn (Estonia), electronically published
  • Hamann T. und Grabe J. (2012): Numerische Untersuchungen zur Rammung von Profilen in Böschungen. Proceedings der 4. VDI-Fachtagung Baudynamik 2012, VDI-Berichte 2160, S. 625-640
  • Hamann T. (2012): Numerische Untersuchungen zum Einfluss von Rammführungen auf das Verformungsverhalten von Spundbohlen während der Vibrationsrammung in einer Böschung. Tagungsband zur 32. Baugrundtagung 2012 in Mainz, Spezialsitzung 'Forum für junge Geotechnik-Ingenieure', S. 185-193
  • Henke S., Hamann T. und Grabe J. (2012): Numerische Untersuchungen zur Bodenverdichtung mittels Rütteldruckverfahren. Proc. des 2. Symposiums Baugrundverbesserung in der Geotechnik in 2012 Wien, herausgeg. von D. Adam und R.A. Herrmann, S. 209-228
  • Pichler T., Pucker T., Hamann T., Henke S. and Qiu G. (2012): High-Performance Abaqus simulations in soil mechanics reloaded - chances and frontiers. Proc. of International Simulia Community Conference in Providense, Rhode Island/USA, pp. 237-266
  • Pucker T., Hamann T. und Henke S. (2011): Numerische Lösung von Fragestellungen mit großen Deformationen in der marinen Geotechnik. Tagungsband der Deutschen SIMULIA-Konferenz 2011 in Bamberg
  • Henke S., Hamann T. and Grabe J. (2011): Coupled Eulerian-Lagrangian simulation of the deep vibration compaction process as a plastodynamic problem. Proc. of 8th International Conference on Structural Dynamics EURODYN 2011, pp. 482-489
  • Grabe J., Henke S., Hamann T., Mardfeldt B. und Kapusta J. (2011): Zum Einfluss der Herstellung der Widerlagerbaugruben der neuen Rethebrücke in Hamburg auf die bestehende Hubbrücke. Beiträge zum 26. Christian Veder Kolloquium - Tiefe Baugruben unter schwierigen Bedingungen, Mitteilungshefte der Gruppe Geotechnik Graz, Heft 40, S. 75-95
  • Pucker T., Hamann T. und Henke S. (2011): Numerische Untersuchung zur gesteuerten Einbringung von Pfählen. Tagungsband zum Pfahlsymposium 2011, Veröffentlichungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 94, S. 205-220
  • Grabe J., Henke S. und Hamann T. (2011): Zur numerischen Modellierung von Bodenverbesserungsmaßnahmen: Vibrationswalze, Impulsverdichter, Rüttelbohle und Rütteldruckverdichtung. Tagungsbeiträge zur 8. Österreichischen Geotechniktagung in Wien, Österreichischer Ingenieur- und Architekten-Verein, S. 259-270
  • Hamann T., Henke S. und Grabe J. (2010): Numerische Modellierung der Verdichtung rolliger Böden mittels Impulsverdichter, Rütteldruckverfahren und Rüttelbohle. In 'Baugrundverbesserung in der Geotechnik', Dietmar Adam und Richard Herrmann (Hrsg.), Institut für Geotechnik der Universität Siegen, S. 161-176
  • Kinzler S., Hamann T. und Grabe J. (2009): Numerische Untersuchungen zum geregelten Einbringen von Profilen. Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Bauebtrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 19, S. 99-125

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Marine Safety Aspects Regarding Installation and Maintanance of Offshore Wind Turbines - Work Package 3: Collision of Ships With Gravity Foundations of Offshore Wind Turbines

Stand: 25.10.2023
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General information

  • Funding: Freie Hansestadt Hamburg (FHH, Cassirer-Stiftung)
  • Joint project (partners, see Projekt-Homepage)
  • Duration: 2012-2014 (36 months)
  • Staff B-5: David Osthoff
  • State: completed project, final report

Project description

Background and objectives 

This research project is concerned with ship and offshore plant safety, and focuses on problems that can arise in the context of offshore wind turbines (OWT) in the Baltic and North Seas. Safety problems in connection with ships can occur during the installation, operation, maintenance and decomposition phases of offshore plants. While these safety problems may involve various scenarios, the physical reasons will have a high level of similarity. A deep understanding of the physical phenomena and the interdisciplinary development of the simulation models in the numerical methods is crucial in generating efficient technical solutions for safety issues without disproportionally increasing project costs or time. The aim of this research project is to support the wind energy industry as well as national and international organizations by providing numerical methods in an effort to increase ship and offshore plant safety, to reduce the risks for humans, and to decrease the danger for environmental damage. The research project focuses on computational strategies devoted to the prognosis of accident event sequences and possible consequences of resulting damages. A database for capsizing and sinking accidents with ships will be developed in order to provide test cases for other research projects and to validate numerical methods currently under development. These methods can be applied to analyse accident scenarios and to improve the safety performance of new ships and offshore plant designs. The evaluation of numerical results can also be used to define various categories of preventive and operational measures that can decrease the likelihood of accidents as well as damages and their consequences. Preventive measures would change the design characteristics in such a way that a particular problem would not arise and/or would have less serious consequences. Operational measures would reduce the consequences of an accident. These measures can be implemented during an accident in order to decrease its magnitude and to minimize the consequences; for example, the development of evacuation plans depending on the extent of the damage incurred. A special feature of the planned numerical investigations is the simultaneous consideration of complex interaction between different phenomena. Examples included refer to the change in hydrostatic behaviour of offshore plants during installation, ship collision, global failure of ship structure due to local failure, and flooding simulation in rough seas under the influence of limited manoeuvring capabilities caused by damages of control devices in heavy weather conditions.

Six work packages on numerical simulation of dynamic ship and OWT behaviour in critical safety situations are included in the research program. A short summary of the 3rd work packages is given below:

Work package 3: Collision of ships with gravity foundations of offshore wind turbines (Grabe)

Gravity foundations are being developed in Germany as the preferred OWT foundation and will be used in the Baltic and North Seas in the near future. One of the necessary requirements for permission to operate a German OWT is an analysis of ship collisions with wind turbines in order to estimate both the risk of ship and wind turbine damage. The numerical modelling of the collision of a ship with an OWT is highly non-linear. FEM models will be developed considering inelastic modelling of ship structures, inelastic modelling of wind turbine structure including gravity foundation, inelastic and two-phase modelling of soil, modelling of ship movement due to surface waves, surface-based contact between ship and gravity foundation as well as gravity foundation and soil including the possibility of relative normal and tangential movements. The objectives of this work package are:

  1. Study of designs of gravity foundations and alternative foundation concepts for offshore wind turbines, especially with respect to risks caused by ship collision
  2. Analysis of risk of ship and foundation damage due to collision based on FEM analyses
  3. Design optimization of existing gravity foundations to minimize the risk of ship and foundation damage based on FEM analyses

Project relevant publications

  • Abdel-Maksoud M. u.a. (2014): Maritime Sefaty Aspects Regarding Installation and Maintanance of Offshore Wind Turbines. FHH-Abschlussbericht, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie (federführend)

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Berechnung von Offshore-Rammschall (BORA) - Teilprojekt Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Schallquelle und zur Übertragung des Körperschalls

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
  • Förderkennzeichen: AZ 0325421A)
  • Forschungspartner: Institut für Modellierung und Berechnung (TUHH, federführend), Institut für Statik und Dynamik (Uni Hannover), Institut für Geowissenschaften (Uni Kiel)
  • Laufzeit: 2012-2015 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter B-5: Katja Reimann, Matthias Schwarz, Alexander Chmelnizkij, Evelyn Heins

Projektbeschreibung

Bei der Schlag- und Vibrationsrammung von Pfählen für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen breiten sich Luftschall, Wasserschall und Körperschall im Meeresboden aus. Insbesondere der Hydroschall kann sich auf Meerersbewohner schädigend auswirken. In Deutschland ist deshalb in einem bestimmten Abstand zu Offshore-Rammarbeiten ein Grenzwert für den Hydroschallpegel vorgegeben. Um diesen einhalten zu können, werden momentan verschiedene technische Maßnahmen zur Schallreduktion untersucht. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Erstellung eines Modells zur Prognose des Hydroschalls. Dazu werden in der Nordsee Felduntersuchungen durchgeführt und verschiedene Simulationsmodelle für die Ausbreituntg von Hydroschall und Körperschall erarbeitet.

Bild: Foto eines Blasenschleiers um einen Monopile bei einem Feldversuch in der Nordsee

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Projektrelevante Publikationen

  • Siegl K. (2017): Zur Pfahldynamik von gerammten Großrohrpfählen und der daraus resultierenden Wellenausbreitung in Wasser und im Meeresboden. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 40
  • Siegl K., Kanitz M., Grabe J. (2016): Entwicklung und Einsatz eines Messgerätes zur Erfassung der Bodenschallübertragung am Meeresgrund bei Offshore-Rammarbeiten. In: Tagungsband zum Fachseminar Messen in der Geotechnik 2016 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Braunschweig, Band 101, S. 217–234
  • Reimann K., Grabe J. (2015): Dependency of wave fields in soil and water due to offshore pile driving on the approach of material behaviour. In: Proceedings of 3rd International Conference and Exhibition on Underwater Acoustics 2015 in Crete/Greece, pp. 501–506
  • Reimann K., Grabe J. (2015): Validation of sound source simulation due to offshore pile driving. In: Proceedings of 34th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering 2015 in St. John's (Canada), electronically published under paper No. OMAE2015-41164
  • Reimann K. und Grabe J. (2015): Zur Modellbildung der Schallquellquarakteristik von Offshore-Pfahlrammungen. In: Tagungsband zum Pfahl-Symposium 2015 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft Nr. 99, S. 227–247
  • Reimann K. und Grabe J. (2014): Soil vibration due to offshore pile driving and induced underwater noise. Proceedings of 2nd International Conference and Exhibition on Underwater Acoustics 2014 in Rhodes/Greece, pp. 279–286
  • Grabe J., Chmelnizkij A. und Reimann K. (2014): Zur Reduktion von Unterwasserrammschall. HTG-Kongress in Berlin, S. 215-223
  • Reimann H. und J. Grabe (2014): Bodenbewegungen am Meeresboden beo Offshore-Rammarbeiten. In "Messen in der Geotechnik", Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 98, S. 141–160
  • Reimann K., Schwarz M. and Grabe J. (2013): Acoustic emissions due to offshore piling - field measurements at an offshore wind energy construction site. Proceedings of 23. International Ocean and Polar Engineering Conference (ISOPE) 2013 in Anchorage/USA, Vol. 1, pp. 150–156
  • Reimann K. and Grabe J. (2013): Field measurements of hydro sound emissions due to offshore piling at the construction site BARD Offshore 1. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2013 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Heft 26, pp. 345–359
  • von Estorff O., Heitmann K., Lippert S., Reimann K., Ruhnau M., Schwarz M. (2013): Unterwasser-Rammschall: Eine Herausforderung bei der Errichtung von Offshore-Windparks und für die numerische Simulation. In: Lärmbekämpfung – Zeitschrift für Akustik, Schallschutz und Schwingungstechnik, 8(2):61–71
  • Lippert T., Lippert S., von Estorff O. von, Milatz M. and Reimann K. (2012): Prediction of underwater sound due to pile driving for offshore wind frams – a challenge for numerical simulation. In: Proceedings of 41st International Congress and Exposition on Noise Control Engineering InterNoise 2012 in New York/USA
  • Lippert T., Lippert S., von Estorff O. von, Milatz M. and Reimann K. (2012): Prediction of pile driving induced underwater noise. In: Proceedings of 19th International Congress on Sound and Vibration ICSV19 in Vilnius/Lithunia
  • Milatz M., Reimann K. and Grabe J. (2012): Numerical simulations of hydro emissions due to offshore pile driving. Proceedings of 7th International Conference on Offshore Site Investigation and Geotechnics 2012 in London/UK, pp. 161–167, published by Society for Underwater Technology
  • Reimann K. und Grabe J. (2012): Modellierung von ramminduzierter Schallausbreitung in Wasser und Boden. In: Tagungsband zur 38. Jahrestagung für Akustik (DAGA) 2012 in Darmstadt
  • Henke S., Milatz M. und Grabe J. (2011): Numerical simulations of acoustic emissions due to offshore-pile installation. In: Proceedings Appl. Math. Mech., 11:629–630

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Nutzung der oberflächennahen Geothermie im Hafen Hamburg

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Auftraggeber: Hamburg Port Authority (HPA)
  • Laufzeit: 2012 (6 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Frauke Menzel
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht intern

Projektbeschreibung

Machbarkeitsstudie zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie am Central Terminal Steinwerder im Hafen Hamburg. Untersuchungen zur Installation von Wärmetauschern im Zuge der Verfüllung von Hafenbecken und zur Klimatisierung der Verkehrsflächen mittels Geothermie.

Projektrelevante Publikationen

  • Menzel F., Grabe J. und Kroggel N. (2012): Machbarkeitsstudie: Oberflächennahe Geothermie für Logistikflächen im Hamburger Hafen. In: Fachzeitschrift bbr – Sonderheft Geothermie, 63:14–21

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Machbarkeitsstudie für die Errichtung eines Versuchsdeichs als Voruntersuchung für das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 'Bestimmung der Widerstandsfähigkeit von Deichen

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Daten

  • Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
  • Partner: Institut für Wasserbau der TU Hamburg-Harburg, Kooperation mit WSV
  • Laufzeit: 2013 (3 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Désirée Plenker
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht intern

Projektbeschreibung

Für die wissenschaftliche Beurteilung der Widerstandsfähigkeit von Deichdeckschichtmaterialien, in Abhängigkeit von Bodenstrukturveränderungen infolge Alterung, saisonalen Witterungseinflüssen und Bioturbation, ist die Errichtung eines Versuchsdeichs geplant. An zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Deckschichtmaterialien (Klei und Baggergut) sollen dafür über einen Zeitraum von mindestens 10 Jahren, die Bodenkennwerte sowie Grasnarbenqualität und deren Einfluss auf die Erosionsstabilität untersucht werden. Die Einflüsse der verschiedenen Parameter auf die Widerstandsfähigkeit des Deichs werden später wissenschaftlich formuliert und dienen als Eingangsdaten für eine numerische Modellierung. In der numerischen Simulation sollen die Forschungsergebnisse auf der Widerstandsseite, den Belastungen aus Hochwasserereignissen gegenübergestellt und eine Bemessung des Bauwerks unter Berücksichtigung aller simultanen Einwirkungen ermöglicht werden. Bislang beruht die Nachweisführung auf einzelnen ungekoppelten analytischen Ansätzen.

Im Rahmen der Machbarkeitsstudie wurde die Errichtung des Versuchsdeichs geplant und organisiert. Weiterhin galt es ein Messkonzept hinsichtlich geotechnischer und wasserbaulicher Fragestellungen zu erarbeiten und dieses auf Umsetzbarkeit und wissenschaftliche Verwertbarkeit zu prüfen.

Projektrelevante Publikation

  •  Abschlussbericht (intern)

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Nutzung dynamischer geotechnischer Systeme zur sorptionsgestützten nachhaltigen Klimatisierung (Dyn-GSGK)

Stand: 16.07.2020 (hst)
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)
  • Förderkennzeichen: AZ 03ET1421A
  • Forschungspartner: Institut für Thermofluiddynamik der TUHH (Prof. Gerhard Schmitz)
  • Laufzeit: 16.09.2016 bis 15.09.2019 (kostenneutral verlängert bis 31.10.2020)
  • Sachbearbeiter B-5: Matthias Schuck
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, BMWi-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Das Folgeprojekt Nutzung dynamischer geothermischer Systeme zur sorptionsgestütztennachhaltigen Klimatisierung (Dyn-GSGK) baut auf dem erfolgreichen BMWi-Projekt Ezienzsteigerung der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage (E-GSGK) auf. Ziel ist es, eine weitestgehend auf erneuerbaren Energien basierende Klimatisierung für den Grund- und insbesondere den Spitzenlastfall zu entwickeln. Durch die erstmalige Verwendung von dynamisch regelbaren Erdreichwärmeübertragern (EWÜn) kann auf eine Überdimensionierung des geothermischen Systems verzichtet werden. Sowohl die an der TUHH selbst entwickelten innovativen EWÜ als auch die sorptionsgestützte Klimaanlage sowie deren Zusammenspiel sollen dabei anhand einer Pilotanlage detailliert untersucht werden. Die Trennung von Kühlung und Entfeuchtung reduziert dabei zunächst die Lastspitzen des Kältebedarfs, die verbleibenden Spitzen können dann in ausreichender Weise durch die innovativen EWÜ gedeckt werden. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Lösungen, da auf eine elektrische Kältemaschine komplett verzichtet werden kann. Dadurch haben diese Systeme in Zukunft das Potenzial, fflächendeckend eingesetzt zu werden und einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasen zu leisten. Die lückenlos zuverlässige Gewährleistung thermischen Komforts und die Reduktion des CO2 -Ausstoßes stellen bei einer solchen Anlage keinen Widerspruch mehr dar.

Die gewonnenen Erkenntnisse über das Betriebsverhalten und die Eigenschaften eines Luftinjektions-Erdreichwärmeübertragers (LI-EWÜs) als auch der sorptiven Entfeuchtung der Außenluft und der verbesserten Steuerung einer geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage fließen direkt in das Folgeprojekt ein. Hierbei besteht ein besonderer Fokus auf der Untersuchung der Interaktion von mehreren LI-EWÜn untereinander als auch in Kombination mit konventionellen EWÜn. Das im Vorgängerprojekt beobachtete sehr schnelle dynamische Verhalten der LI-EWÜ wird intensiv untersucht und für den energieeffizienten und wirtschaftlichen Betrieb einer Klimatisierung optimiert. Die zusätzliche Regelgröße auf Seiten der Geothermie steigert die Flexibilität der Klimaanlage dabei erheblich.

Projektrelevante Publikationen

  • Schuck M. (2016): Steigerung der Entzugsleistung von Erdwärmesonden durch Luftinjektion. In: Tagungsband zur 34. Baugrundtagung 2016 in Bielefeld – Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, S. 199–204
  • Schuck M., Speerforck A., Niemann P., Grabe J., Schmitz G. (2016): Klimatisierung von Gebäuden mit hohen Komfortanforderungen unter Verwendung regenerativer Energie. In: Bauingenieur 91, S. 288–296

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Nachträgliche Traglasterhöhung von Offshore-Pfahlgründungen - Teilprojekt Traglasterhöhung von Pfählen durch gezielte nachtrögliche Verpfropfung (TOP)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU)
  • Projektträger: Projektträger Jülich
  • Förderkennzeichen: AZ 0324048A
  • Forschungspartner: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin (Fachbereich 7.2, Dr.-Ing. Mathias Baeßler)
  • Laufzeit: 01.09.2016 bis 31.08.2019 (kostenneutrale Verlängerung bis 31.10.2020)
  • Sachbearbeiter: Dominik Zobel
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, BMU-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Aufbauend auf dem DFG-Projekt HE 5445/2-1 "Untersuchungen zur Pfropfenbildung" wird im Rahmen von Feldversuchen untersucht, wie sich die axiale Traglast durch eine nachträgliche Verpfropfung von in den Boden gerammten Stahlrohren gesteigert werden kann. Die Feldversuche wurden auf dem Testgelände des Projektpartners BAM in Berlin durchgeführt.

Projektrelevante Publikationen

  • BMU-Abschlussbericht

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Sauginstallation maritimer Strukturen (SIMS) - hydraulisch-mechanisch gekoppelte numerische Modellierung

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  •  Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/26-1 und 26-2
  • Laufzeit: 2016-2020 (44 Monate)
  • Sachbearbeiter: Marc Stapelfeldt
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Stapelfeldt

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Installation von Suction Buckets, welche mittels Unterdruck in den aus gesättigtem Sand bestehenden Meeresboden eingebracht werden, deren Tragverhalten unter Berücksichtigung des Herstellungseinflusses sowie das mittels Überdruck unterstützte Herausziehen aus dem Meeresboden untersucht. Aufbauend auf existierenden Ergebnissen von Modellversuchen zum Einbring- und Herausziehvorgang sowie zum Tragverhalten wurden ergänzende Modellversuche in einer geotechnischen Zentrifuge zur Untersuchung der Dränagebedingung des Bodens während der Einbringung und des Herausziehens durchgeführt. Durch numerische Simulationen des Einbring- und Herausziehvorgangs sowie des Tragverhaltens mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden die mechanisch-hydraulisch gekoppelten Prozesse im Boden besser verstanden werden, der Einfluss des Einbringvorgangs auf das spätere Tragverhalten abgeschätzt sowie die Entstehung möglicher Wasserwegigkeiten zwischen Bucket und Boden untersucht. Zur Modellierung des mechanisch-hydraulisch gekoppelten Verhaltens von gesättigtem Sand wurde ein bereits am Institut des Antragstellers existierender Ansatz verwendet. Für die Abbildung des mechanisch-hydraulisch gekoppelten Kontaktverhaltens zwischen Bucket und Boden wurden die notwendigen konstitutiven Gleichungen im Rahmen einer Userroutine als Kontaktmodell implementiert. Das Kontaktmodell und das FE-Modell zur Simulation des Einbring und Herausziehvorgangs sowie des Tragverhaltens wurden validiert und für eine Parameterstudie zur Untersuchung verschiedener Einflüsse verwendet.

Projektrelevante Publikationen

  • Stapelfeldt M., Chmelnizkij A. and J. Grabe (2019): Numerical investigations on bearing capacity analyses of shallow foundations in small and large deformation. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 19, pp. 115–121, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Stapelfeldt M., Bienen B. and Grabe J. (2018): Centrifuge tests investigating the effect of suction caisson installation in dense sand on the state of the soil plug. In: Proceedings of 9th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) in London/UK, A. McNamara et al. (eds.), CRC Press, pp. 559
  • Stapelfeldt M., Bienen B. und J. Grabe (2017): Advanced approaches for coupled deformation-seepage-analyses of suction caisson installation. In: Proceedings of International Conference on Ocean Offshore & Artic Engineering (OMAE) 2017 in Trondheim/Norway, electronically published under OMAE2017-61378
  • Stapelfeldt M. und Grabe J. (2017): The advantages of suction bucket foundations regarding decommissioning and removal. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2017 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, Heft 38, S. 195–208
  • Stapelfeldt M., Bubel J., Grabe J. (2015): Numerical investigation of the installation process and the bearing capacity of suction bucket foundations. In: Proceedings of 34th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering 2015 in St. John's (Canada), electronically published under paper No. OMAE2015-41808

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Influence of uncertain soil models on the construction and design of geotechnical structures

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/27-1 im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1886 "Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen"
  • Laufzeit: 2016-2019 (36 Monate)
  • Sachbearbeiter: Andre Vogel (27 Monate), Timon Burgwedel (9 Monate)
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Zwischenbericht

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Streuung der Bodenzustandsvariablen (Spannungszustand und Porenzahl) und ihr Einfluss auf das Ergebnis von Drucksondierungen (Cone Penetration Test, CPT) und darüber hinaus auf den Entwurf von geotechnischen Strukturen untersucht. Anhand von vorhandenen CPT Daten in einem geotechnisch gut erkundeten Testfeld in Hamburg wurde eine inverse Parameterbestimmung mittels numerischer Optimierung durchgeführt, die es erlaubt, durch numerische Simulation der CPTs auf die vertikale Spannungs- und Dichteverteilung im Testfeld zu schließen. Mit den auf diese Weise abgeleiteten Bodenmodellen erfolgten weitere numerische Simulationen, beispielsweise von Vollverdrängungsbohrpfählen im Testgebiet, für die ebenfalls Messdaten vorliegen. Aus den numerischen und gemessenen Ergebnissen wurden Korrelationen zwischen dem Spitzenwiderstand der Drucksonde und den Bodenzustandsgrößen untersucht und weiterentwickelt. Hierzu gehörten auch eine Korrelation von Maschinenparametern bei der Herstellung der Vollverdrängungsbohrpfähle mit den Bodeneigenschaften und mit der zu erwartenden Pfahltragfähigkeit. Insgesamt wurde der Einfluss der Datenstreuung und -unschärfe auf die numerischen Ergebnisse und auf den Entwurf untersucht.

Projektrelevante Publikation

  • DFG-Zwischenbericht und Fortsetzungsantrag

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Traglaststeigerung von geotechnischen Konstruktionen durch Scherfugenverfestigung (TGTSV)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/23-1 und 23-2
  • Laufzeit: 2016-2019 (24 Monate) und 2021-2023 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Karlotta Seitz, Elnaz Hadjiloo

Projektbeschreibung GR 1024/23-1

Gegenstand des Forschungsprojekts war die Untersuchung von Grenzzuständen der Tragfähigkeit von geotechnischen Konstruktionen hinsichtlich der Steigerung der Traglast. Dabei standen die sich im Boden bildenden Scherfugen im Mittelpunkt. Ein innovativer Ansatz zur Traglaststeigerung von geotechnischen Konstruktionen wurde untersucht: Die Verfestigung von Scherfugen. Ausgehend von der Vorstellung eines maßgebenden Bruchmechanismus mit dazugehöriger Traglast, kann die Traglast gesteigert werden, wenn dieser Mechanismus durch eine Scherfugenverfestigung gezielt behindert wird. In numerischen Simulationen wurden die Scherfugen und Traglasten von zwei geotechnischen Konstruktionen ermittelt. Es wurde eine Methode erarbeitet, die eine numerische Simulation der Verfestigung von Scherfugen automatisiert ermöglicht. Die Methode wurde aufbauend auf bereits entwickelten Konzepten zur numerischen Optimierung von geotechnischen Strukturen im Gebrauchszustand entwickelt. Die Traglaststeigerung konnte damit numerisch ermittelt werden sowie die mechanische Beanspruchung, der das verfestigende Material ausgesetzt ist. Anschließend wurden 1g-Modellversuche mit Scherfugenverfestigung durchgeführt. Dabei wurden in Vorversuchen geeignete Materialien ausgewählt und eine Methode zur Scherfugenverfestigung für den Modellmaßstab entwickelt. Die gewonnen Erkenntnisse wurden auf ng-Modellversuche in einer geotechnischen Zentrifuge angerwendet und damit die Übertragbarkeit auf ein reales Spannungsniveau überprüft.

Projektbeschreibung GR 1024/23-2

...

Projektrelevante Publikationen

  • Seitz K. (2021): Zur Topologieoptimierung von geotechnischen Strukturen und zur Tragfähigkeitssteigerung des Baugrunds durch Scherfugenverfestigung. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 45
  • Grabe J. und K.-F. Seitz (2020): Multikriterielle und topologische Optimierung im Grundbau. In: Berichte der Fachtagung Baustatik - Baupraxis 14, M. Bischoff, M. von Scheven und B. Oesterle (Hrsg.), Universität Stuttgart, Institut für Baustatik und Baudynamik, S. 731–738
  • Seitz K.-F. and J. Grabe (2018): 1g-modelling of limit load increase due to shear band enhancement. In: Proceedings of 9th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) in London/UK, A. McNamara et al. (eds.), CRC Press, pp. 1451
  • Seitz K.-F. and J. Grabe (2018): Numerical modelling of limit load increase due to shear band enhancement. In: Proceedings of 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) in Porto/Portugal, Vol. 2, pp. 1391–1398, CRC Press, Taylor & Francis Group, ed. by A.S. Cardose et al.
  • Seitz K.-F., Grabe J. (2018): Einsatzmöglichkeiten der multikriteriellen Optimierung im digitalen Bauen. In: Digitale Infrastruktur und Geotechnik 2018, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, Heft 42, S. 169–181
  • Grabe J. und Seitz K.-F. (2016): Optimization of geotechnical structures for states of serviceability and ultimate loads. In Insights and Innovations in Structural Engineering, Mechanics and Computation (ed. A. Zingoni), Taylor & Francis Group, London, 2016, pp. 2048–2053. Proceedings of 6th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation (SEMC 2016) 2016 in Cape Town, South Africa

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Untersuchungen zur Durchführung von Rütteldruckverfahren und zur Herstellung von Rüttelstopfsäulen und von geotextilummantelten Säulen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Postdoc-Stipendium
  • Laufzeit: 01.10.2016 bis 30.09.2017 (12 Monate)
  • Stipendiatin: Sparsha Nagula Sinduri
  • Status: Abgeschlossenes Projekt (Dissertation Sinduri siehe DAAD-Projekt)

Projektbeschreibung

Ziel war die Ermittlung des Forschungsbedarfs auf dem Gebiet der Bodenverdichtung mit Rütteldruckverfahren, Rüttelstopfsäulen und mit geotextilummantelten Säulen durch Auswertung von Felduntersuchungen und durch eigene numerische Simulationen basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) bei Anwendung des gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL).

Projektrelevante Publikationen

  • Nagula S. (2021): Dissertation siehe DAAD-Projekt
  • Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe (2017): Numerical simulation of deep vibration compaction in Abaqus/CEL and MPM. In Proceedings of 1st International Conference on the Material Point Method 2017 in Delft/The Netherlands, Elesevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 175, A. Rohe et al. (eds.), pp. 302-309
  • Nagula S. and J. Grabe (2017): 2-phase dynamic simulation of deep sand compaction to reduce liquefaction. In: Proceedings of 10th International Conference on Structural Dynamics (EURODYN) 2017 in Rome/Italy, Elsevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 199, F. Vestroni et al. (eds.), pp. 2396-2401
  • Nagula S. and J. Grabe (2017): Determination of intergranular strain parameters and their dependence on properties of grain assemblies. In: Proceedings of International Workshop on Advances in Laboratory Testing and Modelling of Soils and Shales (ATMSS) 2017 in Villars-sur-Ollon/Switzerland, A. Ferrari and L. Laloui (eds.), Springer Series in Geomechanics and Geoengineering, pp. 395-404
  • Grabe J., Zobel D., Nagula S. und A. Chmelnizkij (2017): Zur numerischen Modellierung von dynamischen Randwertproblemen. In: BAWMitteilungen Nr. 101 "Natürliche, künstliche und virtuelle Stoffe in der Geotechnik", S. 59-72, Bundesanstalt für Wasserbau

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Optimierung von Baumaschinen und Bauverfahren

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Werner-Möbius-Stiftung
  • Laufzeit: 15.10.2014 bis 14.10.2017
  • Sachbearbeiter: Dominik Zobel (15.10.2014 bis 31.08.2016), Marius Milatz (16.05.2015 bis 15.08.2018)
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Projektes wurde die Optimierung einer Reihe von Baumaschinen und Bauverfahren untersucht:

Projektrelevante Publikationen

  • Milatz M., Grabe J. und M.M. Delle (2019): Bewertung von Verklebungen und Werkzeugverschleiß im Lockergestein anhand von Modellversuchen. In: Geotechnik, DOI: 10.1002/gete.201800017
  • Zobel D., Milatz M., Grabe J. (2017): Modellversuche zur Stabilität von Baumaschinen mit hohem Schwerpunkt. In: Geotechnik 41(1):40–46, DOI: 10.1002/gete.201700009
  • Grabe J., Zobel D., Nagula S. und A. Chmelnizkij (2017): Zur numerischen Modellierung von dynamischen Randwertproblemen. In: BAWMitteilungen Nr. 101 "Natürliche, künstliche und virtuelle Stoffe in der Geotechnik", S. 59–72, Bundesanstalt für Wasserbau
  • Grabe J., Milatz M., Zobel D. und M. Liebetrau (2017): Zur Standsicherheit von Spezialtiefbaumaschinen auf nachgiebigem Untergrund. Tagungsband zur 11. Österreichischen Geotechniktagung 2017 in Wien, Österreichischer Ingenieur- und Architekten-Verein (Hrsg.), S. 305–316

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Untersuchungen zum herstellungsbedingten Schlossversagen bei kombinierten Stahlspundwänden

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/18-1
  • Laufzeit: 2014-2017 (36 Monate)
  • Sachbearbeiter: David Osthoff
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Osthoff

Projektbeschreibung

Stahlspundwände werden in der Geotechnik u. a. für Stützwände von Baugrubensicherungen und Kaimauerkonstruktionen verwendet. Die Bemessung solcher Spundwände erfolgt auf der Grundlage statischer Berechnungen für Bau‐ und Betriebszustände. Herstellungsbedingte Beanspruchungen infolge Eindrücken, Vibrations‐ und Schlagrammung der Stahlprofile in den Boden bleiben unberücksichtigt. Insbesondere bei den hoch beanspruchten zusammengesetzten Spundwänden von modernen Kaimauerkonstruktionen zeigen sich in der Baupraxis häufig Schäden in Form des Versagens der Spundwandschlösser. Beispiele sind u. a. die Kaimauerkonstruktionen in Rotterdam (Maasvlakte I, 1972), Bremerhaven (Neue Kaiserschleuse, 2009) und der kürzlich aufgetretene Schaden an der Kajenkonstruktion in Wilhelmshaven (JadeWeserPort, 2012). Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Gesamtbelastung von Stahlspundwänden unter Berücksichtigung herstellungsbedingter Einflüsse auf der Grundlage numerischer Modellierung untersucht. Gegenstand der Untersuchungen war u. a. die Führung von Rammgeräten, die Wärmeentwicklung in Spundwandschlössern bei der Rammung sowie die räumliche Verteilung von Erd‐ und Wasserdruck bei kombinierten Stahlspundwänden. Ziel des Projekts war die Erarbeitung von Bemessungsregeln zur Reduzierung von Spundwandschäden bei zukünftigen Bauprojekten.

Projektrelevante Publikationen

  • Osthoff D. (2018): Zur Ursache von Schlosssprengungen und zu einbringbedingten Lageabweichungen von Spundwänden. Dissertation. Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 43
  • Grabe J. und D. Osthoff (2018): Toleranzanforderungen bei langen kombinierten Spundwänden. In: Bautechnik 95(9):658–662, DOI: 10.1002/bate.201800020
  • Osthoff D. (2018): Messtechnische Begleitung des vibrierenden Einbringens von Stahlspundwandprofilen. In: Geotechnik 41(2):84–98, DOI: 10.1002/gete.201700013
  • Osthoff D. und J. Grabe (2018): Deformational behaviour of steel sheet piles during jacking. In: Computers and Geotechnics 101:1–10, DOI: 10.1016/j.compgeo.2018.04.014
  • Osthoff D. und J. Grabe (2017): Zu den Ursachen von Schlosssprengungen bei kombinierten Spundwänden. In: HTG Hafenbautechnische Gesellschaft (Hg.): HTG-Kongress, Duisburg, S. 39–49
  • Osthoff D. (2017): Messtechnische Begleitung einer Spundwandvibrationsrammung. In: J. Stahlmann (Hg.): Stahl im Wasserbau. Unter Mitarbeit von M. Rosenberg. Braunschweig (Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik Technische Universität Braunschweig, 103), S. 71–88
  • Grabe J. und D. Osthoff (2017): Zum Tragverhalten von Spundwänden unter Berücksichtigung von Lageimperfektionen. In: Veröffentlichungen Stahlspundwände - Planung und Anwendung, Ausgabe 2017, Wirtschaftsvereinigung Stahl (Hrsg.)
  • Osthoff D. und J. Grabe (2016): Untersuchung von Schlosssprengungen an ausgeführten Ufereinfassungen mit kombinierten Spundwänden. In: Bautechnik 93(12):912–924, DOI: 10.1002/bate.201600061
  • Osthoff D. (2016): Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Zwischenbohlen kombinierter Spundwände unter Berücksichtigung von Rammimperfektionen. In: Tagungsband zur 34. Baugrundtagung 2016 in Bielefeld - Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, S. 121–129
  • Osthoff D., Pucker, T. Grabe J. (2015): Untersuchungen zur Beanspruchung von Spundwandprofilen durch den Einbringprozess. In: Tagungsband zum HTG-Kongress 2015 in Bremen, S. 185–196

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Hydraulisches Lösen des Bodens

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/21-1
  • Laufzeit: 2014-2016 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Bozhana Kovac
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Zwischenbericht, Dissertation Kovac

Projektbeschreibung

Das hydraulische Lösen von Böden spielt bei vielen geotechnischen Problemstellungen eine Rolle. Ein Beispiel dafür ist das Düsenstrahlverfahren, das eine Hochdruckinjektion zur Bodenvermörtelung verwendet. Das Verfahren ist zwar vielseitig einsetzbar, es bestehen jedoch oft Schwierigkeiten bei der genauen Erfassung der Wirkung des Hochdruckstrahls im Boden sowie bei der Bestimmung des Durchmessers der Düsenstrahlelemente, das von vielen Faktoren abhängt, nämlich

  • Eigenschaften des Bodens (Lagerungsdichte kohäsionsloser Böden, Konsistenz kohäsiver Böden)
  • Eigenschaften des Fluidstrahls (Zusammensetzung, Druck)
  • Maschinenparameter (Geometrie der Düse, Düsdruck, Zieh- und Rotationsgeschwindigkeit)

Auch auf dem immer weiter an Bedeutung zunehmenden Gebiet der Offshorewindenergie findet das Lösen des Bodens mittels eines Wasserstrahls eine Anwendung und zwar bei der Installation von Seekabeln. Es wird dabei eingesetzt, um das Kabel in den Boden in einer bestimmten Tiefe anzubringen, so dass äußere Einflüsse, Beschädigung sowie negative Auswirkungen auf die Meeresflora und – fauna ausgeschlossen sind.

Ein übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens war die im Boden ablaufenden Vorgänge während des hydraulischen Lösens sowie die Einflussfaktoren für die Reichweitre des Strahls im Boden durch numerische Simulationen abzubilden und zu erfassen. Die zu diesem Zweck verwendeten Simulationsmodelle basierten auf der Smoothed Particle Hydrodynamics Method (SPH), eine netzfreie numerische Methode, die sich im Bereich der Physik und Fluiddynamik bewährt hat. Die SPH wurde bereits für die Berechnung von Mehrphasenströmungen sowie Strömungen mit freien Oberflächen und feststoffreicher Strömungen erfolgreich angewendet. Neuere Forschungsergebnisse deuteten darauf hin, dass sich die Methode sich auch für geotechnische Zwecke eignet. Im Rahmen des Projektes wurde ein Stoffmodell und eine Grenzbedingung für Boden im SPH-Code GADGET-H2O implementiert und validiert und anschließend Simulationen des hydraulischen Lösens von Boden durchgeführt. Die Ergebnisse ergaben einen Aufschluss über die Reichweite des Fluidstrahls sowie über die Zusammenhänge von verschiedenen Boden- und Verfahrensparameter und leisteten somit einen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und Verbesserung der Qualitätssicherung geotechnischer Verfahren.

Projektrelevante Publikationen

  • Amicarelli A.. Kocak B., Sibilla S. and J. Grabe (2017): A 3D smoothed particle hydrodynamics model for erosional dam-break floods, In: International Journal of Computational Fluid Dynamics, 31(10):413–434, DOI: 10.1080/10618562.2017.1422731
  • Kocak B. (2017): Zur numerischen Modellierung von hydraulisch-mechanisch gekoppelten Prozessen in gesättigten granularen Böden mittels Smoothed Particle Hydrodynamics. Dissertation. Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, Heft 39
  • Amicarelli A., Agate G., Stefanova B., Sibilla S. und J. Grabe (2016): A SPH model for dike overtopping and dam liquefaction with bed-load transport, bottom drag and mobile boundaries. In: Proceedings of 11th SPHERIC ERCOFTAC International Workshop SPHERIC 2016 - ERCOFTACT Conference in Munich/Germany, X. Hu (ed.), S. 424–431
  • Stefanova B. und Grabe J. (2015): Numerische Simulation der Boden-Wasser-Interaktion mittels eines Zweiphasenmodells im Rahmen der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In: Numerische Methoden in der Geotechnik, Bundesanstalt für Wasserbau (Hrsg.), BAWMitteilungen Nr. 98, S. 117–128
  • Stefanova B. (2015): Simulations of water-soil interaction using Smoothed Particle Hydrodynamics. In: Morphodynamics 2015 - Workshop on Numerical Methods of Water-Soil Boundary Layers under Currents and Waves, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 33, S. 3–18
  • Grabe J., Stefanova B. (2015): Numerical modeling of saturated soils based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) - Part 2: Coupled analysis. In: Geotechnik, 38(3):218-229, DOI:10.1002/gete.201400027
  • Stefanova B., Grabe J. (2014): Numerical modeling of the flow and seabed erosion around a pipeline using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In: Proceedings of 7th International Conference on Scour and Erosion 2014 in Perth/Australia, CRC Press, ed. by L. Cheng, S. Drapper and H. An, pp. 725–732
  • Grabe J., Stefanova B. (2014): Large displacements and fluidization of sand due to seepage. In: Proceedings of 7th International Conference on Scour and Erosion 2014 in Perth/Australia, CRC Press, ed. by L. Cheng, S. Drapper and H. An, pp. 411–418
  • Grabe J. und Stefanova B. (2014): Numerical modeling of saturated soils, based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) - Part 1: Seepage analysis. In: Geotechnik, 37(3):191–197
  • Stefanova B. und Grabe J. (2014): SPH model of water jet erosion in granular soils with a boundary layer of liquified soil. Proc. of International Symposium on Geomechanics from Micro to Macro 2014 in Cambridge/UK, pp. 999–1004, Soga et al. (eds.)

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Entwicklung bionischer Zahnimplantate mittels struktureller Optimierungsmethodik

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Forschungszentrum Medizintechnik Hamburg (fmthh)
  • Forschungspartner: T. Köhne (UKE)
  • Laufzeit: 01.08.2015 bis 31.12.2016 (6 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Karlotta Seitz
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, fmthh-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Die Bionik erforscht biologische Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien und überträgt sie auf das Design medizinischer Produkte. Obwohl allein in Deutschland jedes Jahr ca. 1 Million Zahnimplantate gesetzt werden, besteht keine Einigkeit über die ideale Form, Größe und Anzahl der Implantate, da die Entwicklungsprinzipien der zu ersetzenden menschlichen Zahnwurzeln unklar sind. Ziel dieses Förderungsantrages war es, geotechnische Topologieoptimierungsmodelle auf den menschlichen Zahnhalteapparat zu übertragen, um die grundlegenden Mechanismen der Zahnwurzelbildung zu verstehen.

Für die Modellerstellung wurde die Dimension der Zahnwurzel und des Kieferknochens an digitalen Volumentomographien von Patienten mit physiologischen Knochenverhältnissen ermittelt. Aus den gemittelten Werten wurde ein vereinfachtes FE-Modell erstellt. Die Materialeigenschaften von Zahn und Alveolarknochen wurden an humanen Autopsiepräparaten mittels mikro-Computertomographie und Nanoindentation bestimmt.

Die Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)-Methode war für die Simulation der Zahnwurzel nicht geeignet. Die Soft Kill Option (SKO)-Methode zeigte hingegen gute Optimierungsergebnisse. Mit der SKO-Methode konnte damit erstmals ein numerisches Modell erstellt werden, das die Wurzelbildung ohne Formvorgaben dreidimensional beschreibt.

Projektrelevante Publikationen

  • Seitz K.-F., Grabe J. and T. Köhne (2018): A three-dimensional typology optimization model for tooth-root morphology. In: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 21(2):177–185, DOI: 10.1080/10255842.2018.1431778
  • Köhne T. und K. Seitz (2017): Entwicklung bionischer Zahnimplantate mittels Strukturoptimierung. fmthh-Abschlussbericht

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Schaupeter E. (2017): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren für bionische Zahnimplantate. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Bröhan, J. (2016): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren auf Zahnwurzeln. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Engel, T. (2016): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln im dreidimensionalen Modell. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),  Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Edding, E. M. (2016): Studie zur Optimierung von Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • Sander, M. (2015): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),  Institut für Geotechnik und Baubetrieb

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Numerische Prozessoptimierung

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2016-2020 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Jan Onne Backhaus
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Dissertation Backhaus

Projektbeschreibung

Am Beginn des Projektes stand das Thema "Lean Construction" im Fokus, dann wurden die Themen "Numerische Methoden zur Prognose der Projektdauer" und "Numerische Optimierungsmethoden für die Projektplanung" bearbeitet.

Projektrelevante Publikationen

  • Backhaus J.O.  (2020): Bauzeitenvorhersage von Injektionen im Tunnelbau. In: Bautechnik 97, S. 1–11, DOI: 10.1002/bate.201900093
  • Backhaus J.O. und M.H. Dahm (2020): Einblick in den Stand der Implementierung von Lean Construction Ansätzen in ausgewählten deutschen Bauunternehmen – Ergebnisse einer qualitativen Studie. In: Bauingenieur 02/2020, S. 64–72
  • Backhaus J.O. (2019): Vorhersage des Injektionsvolumens einer Tunnelbaustelle unter Verwendung von Markov Ketten. In: Tagungsband zum 30. Treffen der Assistenten der Bereiche Bauwirtschaft, Baubetrieb und    Bauverfahrenstechnik (BBB-Assistententreffen) 2019 in Karlsruhe, S. 6–22
  • Backhaus J.O. und J. Grabe (2018): Numerisch basierte Prozessanalyse. In: Digitale Infrastruktur und Geotechnik 2018, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, Heft 42, S. 253–270
  • Backhaus J.O. (2018): Digitale Optimierung der Bauplanung. In: Tagungsband zum 29. Treffen der Assistenten der Bereiche Bauwirtschaft, Baubetrieb und Bauverfahrenstechnik (BBB-Assistententreffen) 2018 in Braunschweig, S. 23–33

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Entwicklung eines Bettungsmodells für Pfähle unter seitlicher Belastung mit veränderlicher Lastrichtung

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 2018-2019
  • Sachbearbeiterin: Anne Hagemann
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, nachfolgendes DFG-Projekt GR 1024/37-1 und 37-2

Projektbeschreibung

Das Projekt basiert auf der Weiterentwicklung eines hypoplastischen Bettungsmodells für Einzelpfähle, die horizontal belastet werden. Die Erweiterungen umfassen die Berücksichtigung der Lagerungsdichte des Bodens (pycnotropy), die Steifigkeit bei kleiner Dehnung (small strain stiffness) und die zeitlich veränderliche Lastrichtung zur Berücksichtigung der Pfahldrift. Die Arbeiten werden ab 2019 im Rahmen des DFG-Projekts GR 1024/37-2 und GR 1024/37-2 sowie WI 3810/5-1 und WI 3810/5-2 "Holistic approach for the design of single piles and pile groups" fortgesetzt.

 

Projektrelevante Publikationen

  • Hagemann A. und J. Grabe (2019): Schwingungsverhalten einer Offshore-Windenergieanlage unter dynamischer Anregung. In: Tagungsband zur Fachsektionstagung Geotechnik 2019 in Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (Hrsg.), S. 352
  • Carstensen E., Pucker T. und J. Grabe (2018): Numerical model to predict the displacment of piles under cyclic lateral loading using a new hypoplastic spring element. In: Computers and geotechnics 101:217–223, DOI: 10.1016/j.compgeo.2018.05.001

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Evaluation der Machbarkeit eines Partikelsensors zur mikromechanischen Erfassung instationärer Transportvorgänge an der Schichtgrenze Wasser-Sand

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Förderkennzeichen: I3-Projekt 2018
  • Verbundprojekt zusammen mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (Prof. Hoc Khiem Trieu)
  • Laufzeit: 2018-2019 (6 Monate)
  • Sachbearbeiter: Timon Burgwedel
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, I3-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Machbarkeitsstudie zur Entwicklung eines miniaturisierten Partikels, das für Modellversuche an der Grenzfläche zwischen dem Oberflächenwasser und dem Boden eingesetzt werden kann und den Fluiddruck und die Beschleunigung des Partikels messen und speichern kann. 

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Experimentelle und numerische Untersuchung der Benetzung von porösen Materialien

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Förderkennzeichen: I3-Projects 2018
  • Verbundprojekt zusammen mit dem Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen (Prof. Alexander Düster)
  • Laufzeit: 2018 (6 Monate)
  • Sachbearbeiter: Tom Törzs
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, I3-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Die wesentliche Zielsetzung des vorliegenden Antrags, die sich aus zahlreichen Gemeinsamkeiten bei den Forschungsinteressen und -methoden der Antragsteller ergibt, besteht in der Vorbereitung eines gemeinsamen DFG-Antrags zur Untersuchung des Einflusses der Benetzung von porösen Materialien auf deren mechanisches Verhalten. Hierzu sind entsprechende Vorarbeiten experimenteller und numerischer Art zu leisten, die in Abschnitt 4 skizziert sind. Es ist geplant, die im Rahmen des vorliegenden Antrags erarbeiteten Ergebnisse gemeinsam zu publizieren, um die entsprechenden Vorarbeiten der Antragsteller dokumentieren zu können. Die globalen Ziele des geplanten DFG-Forschungsantrags, die auch zur Orientierung im vorliegenden Anschub-Projekt dienen sollen, lassen sich wie folgt formulieren:

  • Erlangen eines besseren Verständnisses für das mikromechanische Verformungs- und Bruchverhalten von porösen Kompositmaterialien, die durch eine Benetzung eines porösen Materials mit mindestens einer weiteren Phase entstehen;
  • Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Erstellung numerischer Modelle basierend auf CT-Scans;
  • Herstellen eines Brückenschlags zwischen dem mikroskopischen und makroskopischen Materialverhalten poröser Kompositmaterialien.

Aus dem Projekt ging der 2020 bewilligte DFG-Antrag GR 1024/41-1 und DU 405/17-1 "Numerische Modellierung teilzementierter Böden im Stagnationsbereich" hervor.  

Projektrelevante Publikation

  • Interner Abschlussbericht

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Vribroflotation as liquefaction mitigation measure

Stand: 25.10.2023
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General data

  • Funding: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
  • Duration: 01.10.2016 bis 30.09.2020
  • Responsible person: Sparsha Nagula Sinduri
  • State: completed project, PhD thesis Nagula Sinduri

Project description

Situation 

The current world population ranges around 7 Billion and is ever increasing; the rising population has created huge demand of land for various infrastructure facilities. This has pushed the engineering community to use land which previously in history was considered unsuitable for any construction. Granular soils are mainly improved by imparting mechanical forces which lead to densification. The vibroflotation method is an established ground improvement technique for granular soils. This technique is used to improve the properties of loose to medium dense granular soils by compacting deep layers of the soil and therefore reducing settlements and increasing the vertical bearing capacity of foundations. Additionally, it also aids in liquefaction mitigation.

Objectives

The major outlook of the proposed research work is numerical simulation of vibroflotation method in order to develop an insight on the impact of the technique on the surrounding soil. The proposed research work is twofold, first being validation of numerical simulation based on the results of model tests and field measurements and second being parametric study and optimisation of the technique to improve its effectiveness and cost reduction. The research also aims at studying the effectiveness of vibroflotation method to serve as liquefaction mitigation measure.

Work plan

The vibroflotation technique is numerically simulated in Coupled Eulerian and Lagrangian (CEL) computational framework. Model tests are carried out with indigenously fabricated model vibrator. The model vibrator is scaled down version of prototype vibrator used on field and is used to study the effects of vibroflotation in dry sand under controlled laboratory environment. The effectiveness of numerical simulations to model real life vibroflotation is ascertained. Parametric analysis for different granular materials and machine parameters is performed. The results of the extensive studies are used to identify parameters which can act as markers during the compaction process. These identified parameters are used to develop on-line compaction control tools, which can eventually lead to more efficient and cost effective compaction process. Liquefaction mitigation potential of the vibroflotation method is analysed in a numerical framework which is validated against centrifuge results. Numerical simulation of loose saturated sands under seismic loading is investigated. The improvement in the liquefaction potential of granular soils subjected to vibroflotation is studied.

Project relevant publications

  • Nagula Sinduri S. (2021): Optimization of deep vibratory compaction as liquefaction mitigation measure. Dissertation. Technische Universität Hamburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 50
  • Nagula Sinduri S. und J. Grabe (2020): Coupled Eulerian Lagrangian based numerical modelling of vibro-compaction with model vibrator. In: Computers and Geotechnics, Volume 123, Article 103545, DOI: 10.1016/j.compgeo.2020.103545
  • S. Nagula, J. Grabe und T. Bahl (2019): Numerical simulation of vibrocompaction based on CEL approach. In: Proceedings of 17th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ECSMGE) 2019 in Reykjavik/Island, International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, H. Sigursteinsson and others (eds.), pages 1021–1026, DOI: 10.32075/17ECSMGE-2019-1021
  • Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe (2019): Numerical simulation of dynamic compaction in Abaqus/CEL and MPM. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 35, pp. 215–220, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Nagula S. and J. Grabe (2018): Installation effect of geosynthetic encased stone columns on existing columns. In: Proceedings of 11th International Conference in Geosynthetics 2018 in Seoul/Korea, International Geosynthetics Society
  • Nagula S. and J. Grabe (2018): First step to model the installation effect of geosynthetic encased sand columns on existing columns. In: Proceedings of Indian Geotechnical Conference (ICG) 2018 in Bangaluru/India
  • Nagula S. and J. Grabe (2018): Effectiveness of ground improvement in sands upon seismic loading using non-linear model. In: Proceedings of 5th Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics Conference (GEESD) 2018 in Austin/USA, American Society of Civil Engineers, S.J. Brandenberg and M.T. Manzari (eds.), pp. 133–141
  • S. Nagula, P. Mayanja and J. Grabe (2018): Deep vibration compaction of sand using mini vibrator. In: Proceedings of 9th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) in London/UK, A. McNamara et al. (eds.), CRC Press, pp. 1229
  • Nagula S., Nguyen D.M. and J. Grabe (2018): Numerical modelling and validation of geosynthetic encased colums in soft soils with installation effect. In: Geotextiles and Geomembranes 46(6):790–800, DOI: https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2018.07.011
  • Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe (2017): Numerical simulation of deep vibration compaction in Abaqus/CEL and MPM. In Proceedings of 1st International Conference on the Material Point Method 2017 in Delft/The Netherlands, Elesevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 175, A. Rohe et al. (eds.), pp. 302–309
  • Nagula S. and J. Grabe (2017): 2-phase dynamic simulation of deep sand compaction to reduce liquefaction. In: Proceedings of 10th International Conference on Structural Dynamics (EURODYN) 2017 in Rome/Italy, Elsevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 199, F. Vestroni et al. (eds.), pp. 2396–2401
  • Nagula S. and J. Grabe (2017): Determination of intergranular strain parameters and their dependence on properties of grain assemblies. In: Proceedings of International Workshop on Advances in Laboratory Testing and Modelling of Soils and Shales (ATMSS) 2017 in Villars-sur-Ollon/Switzerland, A. Ferrari and L. Laloui (eds.), Springer Series in Geomechanics and Geoengineering, pp. 395–404
  • Grabe J., Zobel D., Nagula S. und A. Chmelnizkij (2017): Zur numerischen Modellierung von dynamischen Randwertproblemen. In: BAWMitteilungen Nr. 101 "Natürliche, künstliche und virtuelle Stoffe in der Geotechnik", S. 59–72, Bundesanstalt für Wasserbau

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Multiskalenmodellierung physikalischer Prozesse an der Grenzfläche Wasser-Boden

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Österreichischer Wissenschaftsfonds (FWF), Kooperation im Rahmen des DACH-Abkommens
  • Förderkennzeichen: GR 1024/22-1 und 22-2 (DFG), i2257-N29 (FWF)
  • Forschungspartner: Dr. Christoph Goniva, DCS Computing, Linz, Österreich
  • Laufzeit: 01.07.2016 bis 31.07.2020
  • Sachbearbeiterin: Manuela Kanitz
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussprojekt, Dissertation Kanitz

Projektbeschreibung

Im Rahmen der ersten Projektphase wurden physikalische Vorgänge an der Grenzfläche Oberflächenwasser/gesättigter Boden untersucht. Dazu gehörten mechanisch und hydrodynamisch bedingte Erosions-, Transport- und Sedimentationsprozesse. Im Fokus standen Unterwasserböschungen aus Sand, bei denen sich solche Prozesse infolge natürlicher Vorgänge (Tideströmung, Oberflächenwellen, Erdbeben etc.) und baubedingter Vorgänge (z. B. Herstellung künstlicher Unterwasserböschungen durch Unterwasser-Abbautechniken) einstellen. Die entsprechenden Auswirkungen auf den Spannungszustand in Unterwassersandböschungen und die damit verbundene Böschungsstabilität lässt sich aus bodenmechanischer Sicht qualitativ einstufen, ein Bemessungsmodell für die maximale Langzeit-Neigung von Unterwassersandböschungen existiert allerdings nicht. Ein solches Bemessungsmodell wurde basierend auf einem numerischen Modell und begleitenden Modellversuchen erarbeitet. Grundlage hierfür ist ein Multiskalenmodell bestehend aus einem Kontinuumsmodell inklusive Navier-Stokes-Gleichungen für das inkompressible, viskose Porenfluid und das Oberflächenwasser (Lösung der Feldgleichungen im Rahmen der CFD), einem Partikelmodell inklusive den Newtonschen Bewegungsgleichungen für das Korngerüst (Lösung der Bewegungsgleichungen im Rahmen der DEM) und einer CFD-DEM-Kopplung unter Beachtung der Wechselwirkung zwischen dem strömenden Fluid und den Partikeln (Strömungswiderstandskraft, hydrodynamische Auftriebskraft etc.). Nach theoretischen Vorarbeiten zur Fluid-Partikel-Kopplung und zur CFD-DEM-Kopplung wurde letztere zunächst zur Simulation der Stabilität kleinmaßstäblicher Unterwassersandböschungen infolge verschiedener mechanischer und hydrodynamischer Einwirkungen angewendet. In einer zweiten Stufe wurde eine Unterwassersandböschung von ca. 5 m Höhe im Originalmaßstab simuliert. Dazu wurde im Rahmen der CFD-DEM-Kopplung ein intelligentes „Coarse Graining“ angewendet, wobei die Korndurchmesser eines Sandes künstlich erhöht wurde, sodass mit der CFD-DEM-Kopplung auch größere Gebiete simulierbar sind. Letztendlich wurde für verschiedene mechanische und hydrodynamische Szenarien die sich einstellende Kurz- und Langzeitneigung von Unterwassersandböschungen ermittelt, um daraus ein Bemessungsmodell für künstlich hergestellte Unterwassersandböschungen abzuleiten.

Der Schwerpunkt der zweiten Projektphase liegt auf der Erweiterung und Entwicklung der verwendeten numerischen Methode zur Beschreibung von Fließvorgängen in Böden. In diesem Zusammenhang soll als erstes innere Erosion (Suffusion) in sandigen Böden untersucht werden. Da bei der nicht-aufgelösten CFD-DEM die Umströmung der einzelnen Bodenpartikel nicht abgebildet werden kann, muss die Methode erweitert werden, um den genauen Zeitpunkt und die Bewegung der Bodenpartikeln bei sich änderndem hydraulischen Gradienten zu erfassen. Der zweite Schwerpunkt des Fortsetzungsantrags liegt auf der Beschreibung der Wasser/Luft Grenzschicht im Boden und den daraus entstehenden Kapillarkräften. Zur Modellierung der Grenzfläche Wasser/Luft im Boden mithilfe der nicht-aufgelösten CFD-DEM werden neue Kraftmodelle entwickelt und implementiert. Diese Erweiterungen ermöglichen tiefere Einblicke in die Versagensmechanismen von Bodenkörpern und die Modellierung der Wasser-Boden-Interaktionen in gesättigten, sowie die erstmalige numerische Berechnung von teilgesättigten sandigen Böschungen mithilfe der nicht-aufgelösten CFD-DEM.

Projektrelevante Publikationen

  • Kanitz M. (2020): Experimental and numerical investigation of particle-fluid systems in geotechnical engineering. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 48
  • Kanitz M. und J. Grabe (2019): Gekoppelte CFD-DEM-Simulation zum Verflüssigungsverhalten gesättigter Sande. In: Tagungband zum BAW-Kolloquium Numerik in der Geotechnik 2019 in Karlsruhe, Bundesanstalt für Wasserbau, S. 31–36
  • Kanitz M. und J. Grabe (2019): Influence of suction dredging on the failure mechanism of sandy submarine slopes. In: Proceedings of 38th International Conferehnce on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2019 in Glasgow/Scotland, electronically published, paper No. OMAE2019-95151, URL: Link
  • Kanitz M., Hager A., Grabe J. and C. Goniva (2019): Numerical and experimental analysis of the extraction mechanism of an anchor plate embedded in saturated sand. In: Computers and Geotechnics 111, pp. 191–201, DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.03.014
  • Kanitz M. and J. Grabe (2019): Multiscale investigation of suffusion with coupled CFD-DEM. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 20, pp. 122–128, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Kanitz M. and J. Grabe (2018): Experimental study of the influence of the pore water pressure evolution and the shear band formation on the extraction resistance of submerged anchor plates. In: Proceedings of 37th International Conference on Ocean, Offshore & Artic Engineering (OMAE) 2018 in Madrid/Spain, published under No. OMAE2018-78306
  • Kanitz M. and J. Grabe (2018): Multiscale investigations on the failure mechanisms of submarine sand slopes with coupled CFD-DEM. In: Proceedings of 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) in Porto/Portugal, Vol. 2, pp. 1485–1492, CRC Press, Taylor & Francis Group, ed. by A.S. Cardose et al.
  • Kanitz M., Denecke E. and J. Grabe (2018): Numerical investigations on the liquid-solid transition of a soil bed with coupled CFD-DEM. In: Proceedings of 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE) in Porto/Portugal, Vol. 1, pp. 367–374, CRC Press, Taylor & Francis Group, ed. by A.S. Cardose et al.
  • Kanitz M., Grabe J., Hager A., Goniva C. und C. Kloss (2017): "Numerical investigations of the extraction of submerged foundations by coupled CFD-DEM". In: Proceedings of International Conference on Ocean Offshore & Artic Engineering (OMAE) 2017 in Trondheim/Norway, electronically published under OMAE2017-61299
  • Kanitz M., Grabe J., Hager A. Goniva C. und C. Kloss (2017): Extraction mechanism of an anchor plate - simulation with coupled CFD-DEM. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2017 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg, Heft 38, S. 231–249

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Optimierte Auslegung von kombinierten Stahlspundwänden für den Einbringvorgang und den Endzustand

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Forschungsvereinigung: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Förderkennzeichen: P 1327
  • Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke e.V." (AiF), Förderkennzeichen: IGF 19937
  • Forschungspartner: Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart (Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann)
  • Laufzeit: 01.06.2018 bis 31.01.2021
  • Sachbearbeiter: Jannik Beuße
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Abschlussbericht, Dissertation Beuße

Projektbeschreibung

Mit der Schiffsgrößenentwicklung gehen besondere Anforderungen an die Kaimauern von Hafenanlagen einher. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen Untersuchungen für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit der Dimensionierung von kombinierten Spundwänden für den Einbring- und Endzustand durchgeführt werden. Die Beanspruchungen des Profils während des Einbringens gehen bislang nur als empirische Erfahrungen in die Profilauswahl ein. Untersuchungen hierzu sollen ganzheitliche Auslegungskriterien zur optimierten Profilwahl erbringen, um neben der Wirtschaftlichkeit auch die schadensfreie und lagegetreue Einbringung der Profile sicherzustellen. Im Rahmen der Bemessung des Endzustandes bleibt Potential der Tragbohlen kombinierter Spundwände hinsichtlich des Ansatzes der Bodenbettung und der Teilverschweißung von Doppeltragbohlen ungenutzt. Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt P813 soll die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Zudem soll die Kompatibilität der Bemessung mit den für EN 1993-1-1 beschlossenen Änderungen zum Biegedrillknicken sichergestellt werden sowie die Einbausituation durch wirtschaftlichere Regelungen in EN 1993-5 verbessern. Für die Bemessung der Zwischenbohlen soll über eine Untersuchung die Konsistenz des bestehenden Anhangs C in EN 1993-5 und dem für EN 1993-1-1 beschlossenen Konzepts teilplastischer Momentenwiderstände sichergestellt werden. Durch EN 1993-5, die EAU 2012 und das Vorgängerprojekt existieren bereits Ansätze zur Auslegung von kombinierten Stahlspundwänden, die hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und Anwendungssicherheit optimiert wurden. Trotz der vorgenommenen Verbesserungen bleibt Potential für mehr Wirtschaftlichkeit und Anwendungssicherheit ungenutzt. Gleiches gilt für die Einfachheit und damit Anwendbarkeit der Regeln. Dies soll durch dieses Projekt nutzbar gemacht werden und bringt damit KMU einen erheblichen Nutzen in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Sicherheit bei der Verwendung kombinierter Stahlspundwände.

Projektrelevante Publikationen

  • Beuße J. (2023): Zur Einbringung und zum Tragverhalten von kombinierten Spundwänden von Ufereinfassungen. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 59
  • Beuße J. und J. Grabe (2020): Messtechnische Begleitung der Einbringung einer Tragbohle mittels Vibration und Schlagrammung. In: Geotechnik 43(2):61–76, DOI: 10.1002/gete.201900024
  • Beuße J. und J. Grabe (2020): Zum Messen der Bewegungen und Verformungen einer Tragbohle im Zuge einer schweren Rammung: In: Tagungsband zum Workshop Messen in der Geotechnik 2020 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Geomechanik und Geotechnik der TU Braunschweig, Heft 110, S. 325–334
  • Beuße J. und L. Vollmert (2019): Simulationsansätze zur Modellierung geogitterbewehrter Tragschichten unter statischer und dynamischer Belastung. In: Tagungsband zur Fachsektionstagung Geotechnik 2019 in Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (Hrsg.), S. 530
  • Beuße J., Grabe J., Kuhlmann U. und A. Enders (2019): Optimierte Auslegung von kombinierten Stahlspundwänden für den Einbringvorgang und den Endzustand. In: Tagungsband zum Fachseminar Stahl im Wasserbau 2019 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Braunschweig, Heft 109, S. 169–190

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Alkateeb D. (2019): Untersuchung der Änderung der Bodenzustandsgrößen in Abhängigkeit der Rammführung während der Einbringung von Tragbohlen. Masterarbeit, Technische Universität Hamburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • D., A. (2019): Untersuchung des Schwingverhaltens einer schweren Tragbohle während der Einbringung. Bachelorarbeit, Technische Universität Hamburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • N., Q. (2019): Ermittlung von Drehbettungsansätzen für Tragbohlen kombinierter Spundwände im Klei. Masterarbeit, Technische Universität Hamburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb
  • H., J. (2019): Untersuchung der dynamischen Einflüsse des Einbringverfahrens von Tragbohlen kombinierter Spundwände. Masterarbeit, Technische Universität Hamburg (TUHH), Institut für Geotechnik und Baubetrieb

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Mechanisch-hydraulische Wechselwirkung in wasserdurchlässigen Fahrbahnaufbauten unter Berücksichtigung teilgesättigter Zustände

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/25-1 und 25-2 sowie OE 514/4-1 und 4-2
  • Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Oeser (Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen)
  • Laufzeit: 2016-2020 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter TUHH: Tom Törzs
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Törzs

Projektbeschreibung

Im Rahmen des gemeinsamen wird das Systemverhalten von versickerungsfähigen Verkehrsächenbefestigungen mit Polyurethan-gebundener Deckschicht auf teilgesättigten Tragschichten und gewachsenen Böden erforscht. Zwischen
der Deckschicht und den unterlagernden Schichten und Böden besteht eine hydraulisch-mechanisch gekoppelte Wechselwirkung, die im Zuge des Vorhabens experimentell und numerisch untersucht wird.

Das primäre Ziel des Forschungsprojektes ist es, Grundlagen für die Bemessung von wasserdurchlässigen Straßenkonstruktionen zu schaffen, wobei Effekte der Teilsättigung auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der einzelnen Schichten der Konstruktion quantifiziert werden und Berücksichtigung finden sollen. Weiterhin soll gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Polyurethan (PU) als alternatives Bindemittel die Ermüdungsresistenz und Lebensdauer von gebundenen Deckschichten maßgeblich verbessert werden kann. Zur Erfüllung der Ziele wurden in der ersten Projektphase grundlegende experimentelle Untersuchungen sowohl zum mechanischen als auch zum hydraulischen Materialverhalten im Labor-, Modell- und Feldmaßstab durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen in der zweiten Projektphase zur Kalibrierung von hydraulischen und mechanischen Stoffgesetzen eingesetzt werden. Diese sollen wiederum in numerischen Untersuchungen zum Tragverhalten wasserdurchlässiger Straßenaufbauten herangezogen werden, um das hydraulisch-mechanisch gekoppelte Verhalten des Systems unter Radlast möglichst realitätsnah zu simulieren. Aus den Simulationsergebnissen sollen Empfehlungen für ein optimiertes hydraulisches und mechanisches Systemverhalten von versickerungsfähigen Straßenquerschnitten abgeleitet werden.

Daneben sind vertiefte experimentelle Untersuchungen durchzuführen: Zum einen sind unter Verwendung bildgebenden Verfahren Studien zum Porenraum der porösen Deckschicht geplant und mögliche die Drainageleistung beeinträchtigende Faktoren zu identifizieren. Zum anderen sollen erneut Belastungsversuche mit dem mobilen Lastsimulator MLS30 durchgeführt werden, um den Einfluss hoher Überfahrzahlen auf das System und speziell die PU-gebundene Deckschicht zu bewerten.

Projektrelevante Publikationen

  • Törzs T. (2022): Zum hydraulisch-mechanisch gekoppelten Verhalten teilgesättigter granularer Geomaterialien infolge hydraulischer und mechanischer Beanspruchungen. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 55
  • Lu G., Wang H., Törzs T., Liu P., Zhang Y., Wang D., Oeser M. and J. Grabe (2020): In-situ and numerical investigation on the dynamic response of unbounded granular material in permeable pavement. In: Transportation Geotechnics, DOI: https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2020.100396
  • Stark A., Törzs T. und J. Grabe (2020): Permissible spatial variation of CCC data from driving comfort requirements over time. In: Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Geotechnical Engineering, DOI: 10.1680/jgeen.19.00195
  • Lu G., Törzs T., Liu P., Zhang Z., Wang D., Oeser M. and J. Grabe (2020). Dynamic response of fully permeable pavements: development of pore pressures under different modes of loading. In: Journal of Materials in Civil Engineering 32 (7), DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003217
  • G. Lu, P. Liu, T. Törzs, D. Wang, M. Oeser, J. Grabe (2020): Numerical analysis for the influence of saturation on the base course of permeable pavement with a novel polyurethane binder. In: Construction and Building Materials 240(2020) 117930, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117930
  • Törzs T., Grabe J., Lu G. und M. Oeser (2019): Investigations on microstructure characteristics of porous pavement based on X-ray CT scanning. In: Proceedings of 7th Asia-Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT 2019), Nagoya (Japan), Vol. 7, No. 2, pp. 609-614, URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jgssp/7/2/7_v07.094/_pdf/, DOI: 10.3208/jgssp.v07.094
  • Milatz M., Törzs T. und J. Grabe (2019): Zur Untersuchung mikroskopischer Strukturen und Prozesse in porösen Medien mittels Mikro-Computertomografie. In: Tagungsband zur Fachsektionstagung Geotechnik 2019 in Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (Hrsg.), S. 378
  • Törzs T., Lu G., Monteiro A.O., Wand D., Grabe J. and M. Oeser (2019): Hydraulic properties of polyurethane-bound permeable pavement materials considering unsaturated flow. In: Construction and Building Materials 212:422-430, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.201
  • Milatz M., Törzs T., Nikooee E., S.M. Hassanizadeh und J. Grabe (2018): Theoretical and experimental investigations on the role of transient effects in the water retention behaviour of unsaturated granular soils. In: Geomechanics for Energy anf the Environment 15:54-64. DOI: 10.1016/j.gete.2018.02.003
  • Törzs T., Grabe J., Lu G. and M. Oeser (2018): Investigation of the water-retention behaviour of water-permeable pavement materials based on innovative binder materials. In: Proceedings of 7th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT2018) in Hongkong, C.W.W. Ng et al. (eds), URL: http://gcf-conf.ust.hk/unsat2018/paper/pdf/2-25.UNSAT2018_369.pdf
  • Milatz M., Törzs T. and J. Grabe (2018): Investigation on the transient effects on the soil-water characteristic curve of different granular soils. In: Proceedings of 7th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT2018) in Hongkong, C.W.W. Ng et al. (eds), Vol. 1, pp. 355-360, URL: http://gcf-conf.ust.hk/unsat2018/paper/pdf/1b-6.UNSAT2018_038.pdf
  • Milatz M., Törzs T. und J. Grabe (2016): Settlements in unsaturated granular soils induced by changes in saturation and suction. In: Proceedings of 3rd European Conference on Unsaturated Soils 2016 in Paris/France, No. 14009

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Wellenausbreitung und Schockfrontbildung bei hochenergetischen Einwirkungen im gesättigten Boden

Stand: 25.10.203
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/29-1 und 29-2
  • Laufzeit: 2016-2020 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Alexander Chmelnizkij
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht, Dissertation Chmelnizkij

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird die Ausbreitung von Wellen, die durch impulsartige Belastungen im gesättigten Boden verursacht werden, untersucht. Hierzu wurden bereits Messungen bei Maßnahmen der Dynamischen Intensivverdichtung sowie Bodensprengungen in-situ durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden zu Validierungszwecken für numerische Simulationen herangezogen. Die Simulationen werden mit zwei numerischen Methoden, der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Material Point Method (MPM) durchgeführt. Dabei werden die Methoden verglichen und Erkenntnisse zu ihrer Anwendbarkeit gewonnen. Des Weiteren werden zwei unterschiedliche mathematische Modelle für den gesättigten Boden, die u-p- und v-w-Formulierung, auf ihre Unterschiede bei der Simulation von hochdynamischen Prozessen untersucht. Der Einfluss des Porenwassers und der aus der Nichtlinearität des hypoplastischen Stoffmodells entstehenden Unstetigkeit der Lösung auf die Wellenausbreitung wird erforscht.

Projektrelevante Publikationen

  • Chmelnizkij A. (2023): Regularized MPM for porous media. Dissertation. Technische Universität Hamburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 57
  • Chmelnizkij A. und J. Grabe (2019): Dynamic compaction. In: The Material Point Method in geotechnical engineering: a practical guide, J. Fern, A. Rohe, K. Soga and E Alonso (eds.), chapter 19, pp. 325–339, URL Link
  • Chmelnizkij A. und J. Grabe (2019): Different formulations and integration schemes. In: The Material Point Method in geotechnical engineering: a practical guide, J. Fern, A. Rohe, K. Soga and E Alonso (eds.), chapter 3, pp. 57–66, URL Link
  • Chmelnizkij A., F. Ceccato, Grabe J. and P. Simonini (2019): 1D wave propagation in saturated soils: verification of two-phase MPM. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 36, pp. 221–228, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe (2019): Numerical simulation of dynamic compaction in Abaqus/CEL and MPM. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 35, pp. 215–220, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Coelho B.Z., Chmelnizkij A. and J. Grabe (2019): Geometric and material non-linear wave propagation with the MPM. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 33, pp. 201–207, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Stapelfeldt M., Chmelnizkij A. and J. Grabe (2019): Numerical investigations on bearing capacity analyses of shallow foundations in small and large deformation. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 19, pp. 115–121, URL http://mpm2019.eu/papers, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  • Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe (2017): Numerical simulation of deep vibration compaction in Abaqus/CEL and MPM. In Proceedings of 1st International Conference on the Material Point Method 2017 in Delft/The Netherlands, Elesevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 175, A. Rohe et al. (eds.), pp. 302–309
  • Heins E., Seitz K.-F., Chmelnizkij A. und J. Grabe (2017): Advances in Numerical Modelling of Different Ground Improvement Techniques. In: Geotechnical Engineering Journal of SEAGS & AGSSEA 48(3), published online
  • Grabe J., Zobel D., Nagula S. und A. Chmelnizkij (2017): Zur numerischen Modellierung von dynamischen Randwertproblemen. In: BAWMitteilungen Nr. 101 "Natürliche, künstliche und virtuelle Stoffe in der Geotechnik", S. 59–72, Bundesanstalt für Wasserbau
  • Chmelnizkij A. und J. Grabe (2016): Untersuchungen zur Wellenausbreitung im Boden infolge impulsartiger Beanspruchungen aus Fallmassen und Explosionen. Tagungsband zum 12. Hans Lorenz-Symposium 2016 in Berlin, Veröffentlichungen des Grundbauinstituts der TU Berlin, Heft 70, S. 137–148
  • J. Kirstein, J. Grabe und A. Chmelnizkij (2016): Numerische Berechnungen und messtechnische Begleitung zur Dynamischen Intensivverdichtung. In: Tagungsband zur 34. Baugrundtagung 2016 in Bielefeld, S. 297–304
  • Grabe J., Hamann T. und Chmelnizkij A. (2014): Numerical simulation of wave propagation in fully saturated soil modelled as a two-phase material. Proceedings of 9th International Conference on Structural Dynamics (Eurodyn) 2014 in Porto/Portugal, pp.631–63

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Nautische Tiefe in Liegewannen mit Fluid Mud

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Auftraggeber: Hamburg Port Authority (HPA)
  • Laufzeit: 01.09.2018 bis 30.09.2022 (Nguyen), kostenneutrale Verlängerung 01.10.2022 bis 28.02.2023 (Stanford, Somasundaram)
  • Sachbearbeiter: Duc Michael Nguyen, Dr. Hans Stanford, Rahul Somasundaram
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, interner Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Der weltweite Anstieg des Güterverkehrs über die Wasserwege führt dazu, dass auch die Schiffe immer größer werden. Dies stellt eine besondere Herausforderung für Häfen, wie in Hamburg, dar, dessen maximaler Tiefgang von der Tide und von der geografischen Lage abhängt. Als Maß für die Schiffbarkeit eines Hafens gilt die Nautische Tiefe. Es handelt sich hierbei um einen nautisch sicheren Horizont, bis zu dem Schiffe eintauchen können, ohne dass ihre Manövrierbarkeit beeinträchtigt wird. Sedimentecholotmessungen in den Liegewannen haben in den letzten Jahren gezeigt, dass sich oberhalb der festen Hafensohle eine Fluid Mud-Schicht ausbildet. Derzeit liegt die nautische Tiefe oberhalb dieser Fluid Mud-Schicht. Im Zuge der Wassertiefenunterhaltung und -Fahrrinnenanpassung gibt es nun die Überlegung Seeschiffe eine begrenzte Zeit in den Fluid Mud einer Liegewanne eintauchen und verweilen zu lassen. Die Voraussetzung: Der Erhalt des Archimedischen Prinzips des Schiffskörpers. Eine Freigabe des Fluid Muds für die Schifffahrt ist mit enormen Kosteneinsparungen bezüglich des Sedimentmanagement verbunden, da entsprechende Wassertiefen nicht durch Ausbaggern der Sedimente, sondern durch die Nutzung des Fluid Muds ermöglicht werden. Neben den möglichen finanziellen Vorteilen, sind ebenfalls die ökologischen Entlastungen durch die reduzierten Unterhaltungsmaßnahmen zu berücksichtigen.   

Abbildung: Mögliches Eintauchszenario eines Schiffskörpers in eine Fluid Mud Schicht


In gemeinsamer Zusammenarbeit mit der Hamburg Port Authority (HPA) im Verbundprojekt Nautische Tiefe soll eine mögliche Schiffbarkeit in Fluid Mud in Liegewannen des Hamburger Hafens untersucht werden. Hierbei sollen folgende Aspekte untersucht und bearbeitet werden:

  • Rheologisches Verhalten von Fluid Mud: Mit Hilfe eines Rheometers wird zunächst das nicht Newtonsche Fließverhalten des Fluid Muds in Abhängigkeit verschiedener Eingangsparameter (Dichte, Organik, Mineralogie) untersucht. Auf dieser Grundlage ist ein rheologische Modell für den Fluid Mud herzuleiten, welches das viskoelastische Verhalten näherungsweise abbildet.  
  • Sedimentations- und Konsolidationsverhalten von Fluid Mud: Im Zuge des Projektes wird ein neuartiger Säulenödometer entwickelt und gebaut, mit der es möglich ist effektive Spannung σ '  während  der Sedimentations- und Konsolidationsprozesse unter verschiedenen Randbedingungen (z.B. versch. Druckniveaus, ödometrische RB) ermitteln. Die hieraus gewonnen Ergebnisse sollen schließlich klären, ob infolge des Eintauchens eines Schiffskörpers verfestigtes Sediment ausbildet.  
  • Numerische Simulation verschiedener Schiffskörper in Liegewannen mit Fluid Mud: Im letzten Arbeitsschritt werden auf Grundlage der gewonnenem Erkenntnisse numerische Simulationen basierend auf der Finiten-Elemente-Methode (FEM) bei Anwendung des gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL) durchgeführt werden. Ziel ist es, verschiedene Eintauchszenarien im Hamburger Hafen zu simulieren, um den Worst Case (Verlust der Manövrierbarkeit und Schwimmfähigkeit) ausschließen zu können. 

Projektrelevante Publikationen

 

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Menger, A. (2020): Zum Sedimentations- und Konsolidationsverhalten von Fluid Mud unter ödometrischer Kompression. Bachelorarbeit
  • Ortmüller, L. (2019): Experimentelle Untersuchung zur Genese mariner Sedimente. Bachelorarbeit
  • Katt, J. (2018): Zur Rheologie von Fluid Mud. Projektarbeit

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Hydraulisches Lösen des Bodens

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.09.2018 bis 31.08.2022
  • Sachbearbeiter: Rahul Somasundaram
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Projekt GR 1024/43-1 folgt nach

Projektbeschreibung

Im Rahmen von Vorgängerprojekten wurde das hydraulische Lösen des Bodens (z. B. beim Düsenstrahlverfahren mit einem Fluidstrahl) in Modellversuchen untersucht und vor allem auf der Grundlage der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) numerisch simuliert. Basierend auf den SPH-Codes GADGET und GADGET-H2O wurde der Code GADGET-Soil weiterentwickelt. Er basiert auf einem dynamischen Zweiphasenmodell für den gesättigten Boden. Im Rahmen des laufenden Projektes stehen folgende Erweiterungen dieses SPH-Codes im Fokus:

  • Modellierung des Übergangs vom gesättigten Boden zur Suspension und von der Suspension zum gesättigten Boden
  • Weitergehende Simulation des Düsenstrahlverfahrens als bisher (Erhöhung der räumlichen Auflösung des Fluidstrahls, Implementierung der Particle Splitting Technique, Implementierung eines Turbulenzmodells)
  • Nutzung der CPU-basierten Parallelisierung basierend auf MPI

Projektrelevante Publikationen

 

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Numerische Nachrechnung von Kaimauern und deren Instandsetzung

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.01.2023 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Paul Vogel
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Der Hamburger Hafen besitzt Kaimauern mit einer Gesamtlänge von ca. 43 km. Aktuell lässt die Hamburg Port Authority (HPA) davon ca. 36 km auf deren Standsicherheit hin untersuchen, da veränderte Einwirkungen im Vergleich zur Bestandsstatik, die teilweise mehrere Jahrzehnte alt ist, oder Schädigungen die Standsicherheit beeinträchtigen können. Deshalb wurde von der HPA eine Nachrechnungsrichtlinie (ähnlich der Nachrechnungsrichtlinie für Brücken) veröffentlicht, die die Vorgehensweise bei der Nachrechnung vorgibt. Wenn konventionelle Berechnungsverfahren nicht ausreichen, um eine ausreichende Standsicherheit zu gewährleisten, können wissenschaftliche Verfahren wie z.B. Monitorings oder numerische Verfahren (FEM) eingesetzt werden.

Beim Einsatz der FEM zur Nachrechnung sind allerdings folgende Fragen offen:

  • Welchen Einfluss hat der Diskretisierungsgrad des Modells auf die Tragfähigkeit bzw. Standsicherheit der Kaimauer?
  • Wie können die konventionellen Nachweisverfahren des EC7 mit der FEM in Einklang gebracht werden?
  • Wenn die Kaimauer auch mittels FEM nicht nachgewiesen werden kann, wie können verschiedene Instandsetzungsmaßnahmen eingesetzt werden, um dennoch eine ausreichende Standsicherheit zu gewährleisten?

Projektrelevante Publikationen

  • Vogel P., Struve A. und J. Grabe (2023): Zur numerischen Zustandsbeurteilung von Bestandskaimauern. In: Tagungsband zum 37. Christian Veder Kolloquium 2023 in Graz/Österreich, Veröffentlichungen des Instituts für Bodenmechanik, Grundbau und Numerische Geotechnik  (NAWI Graz Geozentrum), Heft 16, S, 133–148
  • Vogel P. (2022): Zur Anwendbarkeit von embedded piles bei der Modellierung von Kaimauern. In Tagungsband zur 27. Baugrundtagung 2022 in Wiesbaden - Beiträge der Spezialsitzung für junge Geotechnik-Ingenieure und -Ingenieurinnen, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (Hrsg.), S. 91–100, URL https://www.dggt.de/images/bgt2022-s01.pdf

  • Vogel P., Grabe J., Jürgens H. und S. Henke (2022): Zur numerischen Bemessung geotechnischer Bauwerke gemäß EC 7. In: Tagungsband zum 28. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium 2022, Mitteilungen des Institutes für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 113, DOI 10.26083/tuprints-00021134, URL https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21134

  • Jürgens H., Vogel P., Henke S., Grabe J. (2022): Zur numerischen Berechnung der globalen Standsicherheit von Bauwerken im Boden. In: Geotechnik 45(3), S. 155–169, DOI 10.1002/gete.202200003
  • Vogel P., Grabe J. und F. Feindt (2021): Finite-Elemente-Analyse zur Standsicherheit einer Bestandskaimauer und zu den Auswirkungen von Ertüchtigungsmaßnahmen. In: Bauingenieur 96(12):427–440

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Cortez A. (2020): Numerische Untersuchung zum Einfluss des Diskretisierungsgrads bei der Nachrechnung von Bestandskaimauern. Projektarbeit
  • Struve A. (2020): Vergleich verschiedener Verfahren zur Bemessung einer Kaimauer im Grenzzustand der Tragfähigkeit mittels FEM. Bachelorarbeit
  • Reimer L. M. (2019): Zustandsbewertung und Sanierungskonzept verschiedener Bestandskaimauern im Hamburger Hafen. Masterarbeit

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Untersuchung des hysteretischen Kapillardruck-Sättigungs-Verhaltens teilgesättigter Böden mit Computertomografie und numerischen Methoden

Status: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • DFG-Graduiertenkolleg GRK 2462 (Postdoc-Stelle)
  • Laufzeit: 01.03.2019 bis 28.02.2024
  • Sachbearbeiter: Dr. Marius Milatz

Projektbeschreibung

Das Wasserretentionsverhalten, beschrieben durch die Kapillardruck-Sättigungs-Beziehung, spielt bei der Beschreibung des hydraulischen und mechanischen Verhaltens teilgesättigter Böden eine Schlüsselrolle und ist daher für das bodenmechanische Verständnis von Kapillareffekten von entscheidender Rolle. So beeinflusst die Teilsättigung die hydraulische Leitfähigkeit von Böden und führt durch Saugspannungen bzw. durch den Kapillardruck und die Oberflächenspannung des Porenwassers zur Kapillarkohäsion, die die Scherfestigkeit teilgesättigter granularer Böden erhöht.

Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie der Computertomografie (CT) werden im Rahmen der Forschung Einblicke in das Verhalten teilgesättigter granularer Böden auf der Korn-zu-Korn-Ebene gewonnen. Hierfür werden verschiedene Laborversuche und in-situ Experimente in CT-Scannern durchgeführt, siehe Abb. 1 und 2. Die erhaltenen dreidimensionalen CT-Daten von bodenmechanischen Vorgängen, wie zum Beispiel der Scherung oder der zyklischen Ent- und Bewässerung, sollen es erlauben, das Verständnis für das makroskopische Bodenverhalten durch Einblicke in das mikroskopische Verhalten des teilgesättigten Korngerüsts, dessen Partikel durch Wassercluster bzw. Kapillarbrücken zusammengehalten werden, besser zu verstehen.

Abb. 1: Rekonstruierte und segmentierte CT-Daten der einaxialen Kompression von teilgesättigtem Sand. Oben: Sand und Wasser, unten: Wasserphase. Wassercluster und Kapillarbrücken halten die Körner bei der Scherung zusammen

 

Abb. 2: Graustufen-Bilder (Vertikalschnitt) aus CT-Scans während der Entwässerung von Sand in einem Experiment zur Messung der hysteretischen Wasserretentionskurve. Hellgrau: Sandkörner, grau: Wassergefüllte Poren, schwarz: luftgefüllte Poren

 

Mit Hilfe experimenteller Daten aus CT-Experimenten können außerdem numerische Methoden validiert und verbessert werden, mit denen Kapillareffekte simuliert werden können. Zur Modellierung des Verhaltens teilgesättigter granularer Böden kommen beispielsweise die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit Kapillarbrückenmodellen sowie die Multiphase Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) in Frage. Letztere Methode erlaubt es das hydraulisch-mechanische Verhalten mehrphasiger Fluidgemische in porösen Medien unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung im Mikromodell zu simulieren. Auch eine Kopplung mit der DEM ist möglich.

Projektrelevante Publikationen

  • Milatz, M. und J. Grabe (2019): Microscopic investigation of the hydro-mechanical behavior of unsaturated granular media with X-ray CT. In: Proc. of 7th Asia-Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT 2019), Nagoya, Japan. Weblink (open access)
  • Milatz, M., Törzs, T. und J. Grabe (2019): Zur Untersuchung mikroskopischer Strukturen und Prozesse in porösen Medien mittels Mikro-Computertomografie. In: Tagungsband zur Fachsektionstagung Geotechnik 2019 in Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (Hrsg.), S. 378-383. Link
  • Milatz, M., Andò, E., Helfen, L., Hüsener, N. und A. Tengattini (2019): Partial saturation in granular media. Institut Laue-Langevin (ILL). doi: 10.5291/ILL-DATA.UGA-73.
  • Milatz, M. (2020): An automated testing device for continuous measurement of the hysteretic water retention curve of granular media. In: Acta Geotechnica. doi: 10.1007/s11440-020-00922-y.
  • Milatz, M. (2020): Application of single-board computers in experimental research on unsaturated soils. In: Proceedings of 4th European Conference on Unsaturated Soils (E-UNSAT) 2020 in Lisboa/Portugal, R. Cardoso et al. (eds.), DOI: 10.1051/e3sconf/202019502022
  • Milatz M., Hüsener N., Ando E., Viggiani G. and J. Grabe (2021): Quantitative 3D imaging of partially saturated granular materials under uniaxial compression. In: Acta Geotechnica, DOI: 10.1007/s11440-021-01315-5
  • Milatz M., Hüsener N., Ando E., Viggiani G. and J. Grabe (2021): Data from in situ uniaxial compression experiments on unsaturated granular media with X-ray CT-imaging. TUHH Open Research (TORE), Hamburg University of Technology, DOI: 10.15480/336.3291
  • Hüsener N., Helfen L., Milatz M. and Tengattini, A. (2021): Combined X-ray- and neutron-tomography imaging of capillary collapse in unsaturated granular soils. Institut Laue-Langevin (ILL). DOI: 10.5291/ILL-DATA.1-05-53
  • Milatz M., Ando E. and G. Viggiani (2022): Data from in situ X-ray CT imaging of transient water retention experiments with cyclic drainage and imbibition. TUHH Open Research (TORE), Hamburg University of Technology, DOI: 10.15480/336.4291
  • Milatz M. (2022): Implementation of a multiphase Lattice Boltzmann Method for the simulation of water retention behaviour of CT scanned granular media. TUHH Open Research (TORE), Hamburg University of Technology, DOI: 10.15480/336.4364
  • Milatz M. (2022): Zur Simulation von Kapillareffekten in granularen Böden mit der Mehrphasen-Lattice-Boltzmann-Methode. In: Tagungsband zum Workshop "Numerische Methoden in der Geotechnik", Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 53, S. 9–25.
  • Milatz, M., Andò E., Viggiani G., Mora S. (2022): In situ X-ray CT imaging of transient water retention experiments with cyclic drainage and imbibition. In: Open Geomechanics 3, DOI: 10.5802/ogeo.13

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Kapillarer Kollaps in teilgesättigten granularer Böden

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: Graduiertenkolleg GRK 2462/1 Prozesse in natürlichen und technischen Partikel-Fluid-Systemen, Link zur Homepage des Graduiertenkollegs
  • Laufzeit: 16.05.2019 bis 15.11.2022 (36 Monate + 6 Monate coronabedingte Verlängerung)
  • Sachbearbeiterin: Nicole Hüsener
  • Status: Abgeschlossenes Projekt

Projektbeschreibung

Bei teilgesättigten Böden wird der Zusammenhalt des Korngerüstes maßgeblich durch die sogenannte „Kapillarkohäsion“ beeinflusst. Durch die Oberflächenkräfte des Porenwassers entstehen Saugspannungen, welche die einzelnen Bodenkörner zusätzlich aneinander drücken und auf diese Weise unter anderem zu einer erhöhten Scherfestigkeit des Bodens führen. Die Größe der Saugspannungen hängt dabei vom Sättigungsgrad des Bodens ab. Da die Kapillarkohäsion sowohl im trockenen als auch im gesättigten Zustand verschwindet, wird diese auch als „scheinbare Kohäsion“ bezeichnet. Infolge natürlicher Schwankungen des Wassergehalts bzw. des Sättigungsgrades des Bodens, beispielsweise durch Niederschläge oder einen steigenden Grundwasserspiegel, droht bei einer Aufsättigung durch die zunehmende Auflösung der Kapillarbrücken daher der Verlust des Zusammenhalts des Korngerüstes. Die hiermit einhergehende plötzlich auftretende Umlagerung des Korngefüges wird als kapillarer Kollaps bezeichnet und kann unter entsprechenden Voraussetzungen zu teils sehr großen Setzungen eines Bodens führen. Besonders gefährdet sind in diesem Zusammenhang locker gelagerte, feinkörnige Böden mit einer metastabilen Gefügestruktur. Zwar wurde früh erkannt, dass die Mikrostruktur eine entscheidende Rolle beim Kollapsprozess spielt, mangels adäquater Untersuchungsmethoden konzentrierte sich die Forschung jedoch lange Zeit auf die Makroebene, sodass die ablaufenden Prozesse noch immer nur unzureichend verstanden sind. Neuere Methoden wie die Computertomografie als bildgebendes Verfahren erlauben Einblicke in die mikroskopischen Prozesse und können so zu einem tiefergehenden Verständnis des Phänomens beitragen.

Methodik und Zielsetzung

Nach einer bodenmechanischen Charakterisierung des Modell-Kippenbodens soll das Kollapspotential experimentell, beispielsweise mithilfe von Ödometerversuchen, abgeschätzt werden. Um ein besseres Verständnis für die beim kapillaren Kollaps auf Mikroebene ablaufenden Prozesse zu gewinnen, werden miniaturisierte Laborversuche unter Anwendung bildgebender Verfahren wie der Computertomografie durchgeführt. Mithilfe der gewonnenen dreidimensionalen CT-Bilder können mikroskopische Veränderungen und Partikelbewegungen bei der schrittweisen Aufsättigung im Probeninneren detektiert, visualisiert und anschließend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang verschiedene mögliche Einflussfaktoren wie die im Boden enthaltene Organik oder die Bewässerungsrichtung. Zu Vergleichszwecken werden außerdem nahezu ideal runde Glaskugel-Packungen mit einer dem Kippenboden nachempfundenen Korngrößenverteilung untersucht. Die gewonnenen Daten können zukünftig als Basis für die Entwicklung und Validierung eines numerischen Modells für die Simulation dienen.

 

Projektrelevante Publikationen

  • Hüsener, Nicole & Grabe, Jürgen. (2023). Capillary collapse of unsaturated granular soils: experimental investigation and microscale insights. E3S Web of Conferences. 382. 02004. DOI: 10.1051/e3sconf/202338202004
  • Hüsener, N. und Grabe, J. (2022): Experimental investigation of capillary collapse of partially saturated granular media. In: Tagungsband zur internationalen Konferenz „Processes in natural and technical Particle-Fluid-Systems (PintPFS)“ 2022 in Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 53, S. 109–120, DOI: 10.15480/882.4640
  • Hüsener, N., Helfen, L., Milatz, M. und Tengattini, A. (2021): Combined X-ray- and neutron-tomography imaging of capillary collapse in unsaturated granular soils. Data repository at Institut Laue-Langevin (ILL). DOI: 10.5291/ILL-DATA.1-05-53

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Khosroshahli, M. (2022): Experimentelle Untersuchung der Auswirkungen einer Vorbelastung auf das Kollapsverhalten eines Kippenbodens. Bachelorarbeit
  • Grube, L. (2021): Parameterstudie zum Kollapspotential eines Kippenbodens. Bachelorarbeit
  • Henke, S. (2021): Experimentelle Untersuchung der Versickerung von Wasser in teilgesättigten Böden mittels Computertomografie. Bachelorarbeit
  • Saif, M. (2021): Experimentelle Untersuchung des Wasserretentionsverhaltens eines Kippenbodens. Bachelorarbeit
  • Kühnemund, T. (2020): Experimentelle Abschätzung des Kollapspotentials eines Kippenbodens bei inkrementeller Bewässerung. Bachelorarbeit am Institut für Geotechnik und Baubetrieb, TUHH.
  • Zeh, C. (2020): Möglichkeiten der numerischen Simulation des kapillaren Kollapses. Bachelorarbeit
  • Karimi, P. (2020): Untersuchung von zu kapillarem Kollaps neigenden Böden mittels Computertomografie. Projektarbeit

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Entwicklung eines MRS-Systems zur Vermeidung des Umkippens von mobilen Baumaschinen auf nahgebendem Planum

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

  • Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF), IGF-Vorhaben 20348 N

  • Laufzeit: 01.11.2018 bis 30.11.2021

  • Sachbearbeiter: Francisco Williams Riquer

  • Status: Abgeschlossenes Projekt, AiF-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Aufgrund der besonderen Arbeitsweise und Schwerpunktlage von Baufahrzeugen mit Kettenfahrwerk, wie beispielsweise Bohrgeräten im Spezialtiefbau, kommt es immer wieder zu schweren Unfällen durch Geräteumstürze mit oft erheblichen Personen- und Sachschäden, für die neben menschlichem Versagen in vielen Fällen ein Nachgeben des Untergrundes verantwortlich ist. Da das Bauwesen von kleinen und mittelständischen Betrieben geprägt ist, die derartige Geräte betreiben, ist das angedachte Forschungsvorhaben für den gesamten Spezialtiefbau und teilweise sogar darüber hinaus hochrelevant.

Im Rahmen des mit den Kooperationspartnern Bauer Maschinenbau GmbH und Keller Geräte & Service GmbH geplanten Forschungsvorhabens soll die Umsturzgefährdung von Baumaschinen mit hohem Schwerpunkt auf Kettenfahrwerk mit Hilfe von Messungen und numerischen Simulationen untersucht werden, mit dem Gesamtziel, die Grundlagen für einen Fahrsicherheitsassistenten basierend auf einem Mess-Regelungs-Steuerungs-System (MRS-System) zu legen. Ein derartiges System könnte anhand des Bewegungsverhaltens des Baufahrzeuges, ähnlich dem vom „Elch-Test“ bekannten ESP-System bei Kraftfahrzeugen, ein sich anbahnendes Umstürzen erkennen und verschiedene Sicherheitsmaßnahmen auslösen. Dies würde es erlauben, viele folgenschwere Unfälle zu vermeiden.

Im geplanten Arbeitsprogramm des Forschungsprojektes soll zunächst das Bewegungsverhalten von Baumaschinen mit hohem Systemschwerpunkt am Beispiel von Spezialtiefbaumaschinen charakterisiert werden, wobei Bewegungsmuster eines sich anbahnenden Geräteumsturzes identifiziert werden sollen. Diesen Fragestellungen wird durch numerische Simulation der Fahrzeugkinematik und -dynamik in Kombination mit einem durch Stoffmodelle abgebildetem nachgiebigem Untergrund nachgegangen. Die zu entwickelnden numerischen Modelle orientieren sich an realen Fahrzeugen und sollen anhand von Messungen an instrumentierten Spezialtiefbaugeräten der Firma Bauer u. a. auf geeigneten Baustellen von Keller sowie auf dem Bauer Testgelände in Aresing validiert werden. Weiterhin erlauben es die numerischen Modelle verschiedene Umsturzszenarien ohne Gefahr auf virtuellem Wege zu untersuchen.

Aufbauend auf den entwickelten numerischen Modellen und durchgeführten Feldmessungen erfolgt als nächster Schritt die Entwicklung eines MRS-Systems auf Basis von Computersimulationen, in denen Algorithmen zur Detektion und Vermeidung von virtuellen Geräteumstürzen entwickelt werden sollen. Bei guten Erfolgsaussichten bei der Entwicklung eines MRS-Systems anhand von Computersimulationen wird zuletzt eine Machbarkeitsstudie zur Übertragbarkeit des Systems auf einen Prototyp durchgeführt. Dieser Schritt stellt die Grundlage für ein angedachtes Folgeforschungsprojekt dar, in dem die Implementierung des MRS-Systems in reale Baufahrzeuge zusammen mit
Systemtests angegangen werden könnte.

 

Projektrelevante Publikation

  • Schlussbericht (Link). Der Schlussbericht kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1352)

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Investigation of gas migration as a TRIggering mechanism for Submarine landslides on COntinetal slopes (TRISCO)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 2014/35-1 und UR 226/3-1
  • Projektpartner: Prof. Dr. Morelia Urlaub (Juniorprofessorin für Marine Geomechanik, GEOMAR, Kiel)
  • Laufzeit: 01.07.2019 bis 30.09.2021
  • Sachbearbeiterin: Pauline Kaminski
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, DFG-Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Das primäre Ziel des Forschungsprojektes ist die Verifizierung bzw. Falsifizierung der Hypothese, dass Rutschungen an kontinentalen Unterwasserböschungen durch die Reduzierung der Scherfestigkeit der Sedimente infolge von Gasblasen und/oder gasinduzierte Porenwasserüberdrücke verursacht sind, sogar in sehr flachen Unterwasserböschungen. Gasblasen entstehen infolge von Änderungen des Druckes und der Temperatur, nach dem Gase beginnen, durch das Sediment zu migrieren. Das sekundäre Projektziel ist die Verifizierung bzw. Falsifizierung der Hypothese, dass mehrere Auslöser für Rutschungen in sehr flachen Unterwasserböschungen erforderlich sind. Der Fokus liegt auf einer Kombination aus Reduzierung der Scherfestigkeit des Sediments durch Gasblasen und aus Erdbebenwirkungen bis hin zu Mikrobeben mit einer Magnitude von 2,0. Das Ergebnis des Forschungsprojekts wird das aktuelle Verständnis zum Auslösemechanismus für Rutschungen in kontinentalen flachen Unterwasserböschungen mit weitreichenden Konsequenzen beitragen. Dazu gehört die Verbesserung der Strategie zur Bewertung entsprechender Rutschungen in Unterwasserböschungen und die Einführung von Strategien zur Minderung der Folgen. Die Ergebnisse sollen auch als Grundlage für Empfehlungen zur Stabilitätsbewertung von Unterwasserböschungen in nahezu gesättigten (gashaltigen) Sedimenten dienen. Insbesondere für die geplante Gashydratproduktion ist ein besseres Verständnis der Rolle von Gas für die Hangstabilität unbedingt erforderlich. Wenn sich herausstellt, dass die Gasmigration eine potentielle Ursache für Erdrutsche in Unterwasserböschungen ist, müssen die hypothetischen Auslösemechanismen für viele Erdrutsche in Unterwasserböschungen unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Gas auf die Hangstabilität neu bewertet werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dieses Projekts neue Einblicke in die Kontrollfaktoren der aufwärts gerichtete Gasmigration in der Umgebung unter dem Meeresboden liefern.

Projektrelevante Publikationen

  • Kaminski P. and J. Grabe (2023): Triaxial set-up and procedure to investigate the shear strength of gassy sediment. In: Proceedings of 9th International SUT Offshore Site Investigation and Geotechnics Conference (OSIG) 2023 in London/UK – Innovative Geotechnologies for Engery Transition, pp. 447–452, published by the Society for Underwater Technology, ISBN 978-0-906940-59-4
  • Kaminski P., Grabe J. (2023): Triaxial testing methodology for gassy soils. In: Proceedings of 8th International Symposium on Deformation Characteristics of Geomaterials 2023 in Porto (IS-PORTO), Geotechnical Testing Journal 46(6), URL: https://www.astm.org/gtj20230296.html
  • Kaminski P., Grabe J., Zeest F. (2023): Miniaturized testing device for the qualitative analysis of gas exsolution in soil. In: Proceedings of 42nd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2023 in Melbourne, Australia, paper No. OMAE2023-101605
  • Kaminski P., Grabe J. (2023): Earthquake loading on submarine slopes preconditioned by marine gas: estimating the triggering potential based on stability analyses. In: Proceedings of 3rd JTC1 Workshop on Impact of Global Changes on Landslide Hazard and Risk 2023 in Oslo/Norway, V. Capobianco et al. (eds.), pp. 71-74, URL https://jtc1-2023.com
  • Kaminski P., Grabe J., Sager T.F. and M. Urlaub (2022): Decline in slope stability as a consequence of gassy soil in submarine slopes on the Balearic Promotory. In: Proceedings of 41th International Conference on Ocean and Artic Engineering (OMAE) 2022 in Hamburg/Germany, paper No. OMAE2022-81151
  • Kaminski P., Sager T., Grabe J. und M. Urlaub (2021): A new methodology to assess the potential of conjectural trigger mechanisms of submarine landslides exempified by marine gas occurence on the Balearic Promonory. In: Engineering Geology 295. No. 106446, DOI: 10.1016/j.enggeo.2021.106446
  • Kaminiski P. and J. Grabe (2020): On the possibility of gassy soils triggering submarine slope instabilities. In: Proceedings of 2nd International Conference on Energy Geotechnics (ICEGT 2020), E3S Web of Conferences 205, 12006, DOI: 10.1051/e3sconf/202020512006
  • Kaminski P., Urlaub M., Grabe J. and C. Berndt (2019): Geomechanical behaviour of gassy soils and implications for submarine slope stability – a literature analysis. Special Publication No. 500, Geological Society, DOI: 10.1144/SP500-2019-149

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Nehls K. (2019): Entwicklung eines Versuchsstandes für Modellversuche zur Versagensinitiierung von Unterwasserböschungen durch Gasmigration. Projektarbeit

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Holistic approach for the design of single piles and pile groups

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/37-1 und 37-2 sowie WI 3810/5-1 und WI 3810/5-2
  • Laufzeit: 01.09.2019 bis 31.08.2025
  • Sachbearbeiterin TUHH: Anne Stark
  • Status: Laufendes Projekt, DFG-Zwischenbericht

Projektbeschreibung

Für den Entwurf von Pfahlgründungen ist das Langzeit-Last-Verformungs-Verhalten von Pfählen unter zyklischer Axial- und Horizontallast von großer Bedeutung. Eine Vorhersage dieses Verhaltens ist aufgrund der unterschiedlichen Arten der zyklischen Belastung sowie einer im Vergleich zu konventionellen Ingenieurbauwerken extrem großen Anzahl von Lastzyklen mit großen Unsicherheiten verbunden. Es ist ein Bemessungsansatz erforderlich, der das Bodenverhalten unter zyklischer und hochzylischer Belastung und das spezifische Lastverhalten der Struktur wiedergibt. Existierende Ansätze zeigen bereits bei der Anwendung auf monotone Pfahlbelastungen signifikante Unsicherheiten auf.

Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines Bemessungsansatzes basierend auf einem existierenden Bettungsmodell namens SRMHYP, das momentan für die zyklische laterale Belastung von Einzelpfählen in Sand ausgelegt ist. Dieses Modell soll am Ende des Projektes folgende Fälle abdecken: Einzelpfähle und Pfahlgruppen, Sand und Ton, zyklische und hochzyklische axiale und laterale Belastung, Bodensteifigkeit bei kleiner und großer Dehnung, ratenunabhängiges Verhalten von Sand und ratenabhängiges Verhalten von Ton, Effekte infolge Pfahlinstallation und Anwachseffekte. Zur Validierung des SRMHYP-Modells werden die Ergebnisse aus Zentrifugenversuchen, numerischen Simulationen und vorhandene Ergebnisse aus Feldversuchen verwendet. Alle geplanten Experimente, Modelle und numerischen Simulationen sind für zwei definierte Modellböden ausgelegt, nämlich ein feiner gleichförmiger Quarzsand als Vertreter für kohäsionslose Böden und ein Kaolin als Vertreter für kohäsive Böden.

Die Ergebnisse der bodenmechanischen Laborversuche an Sand und Kaolin mit zyklischer Belastung dienen als Eingangsgrößen für das SRMHYP-Modell, zur Weiterentwicklung eines Spannungs-Dehnungs-Modells für Kaolin, zur Weiterentwicklung von Akkumulationsmodellen für Sand und Kaolin sowie zur Kalibrierung hypoplastischer und visko-hypoplastischer Modelle für Sand und Kaolin. Die Ergebnisse der Zentrifugenversuche an Pfählen in Sand und Kaolin unter zyklischer Last und unter definierten Bedingungen dienen der Validierung des SRMHYP-Modells

und auch der numerischen Simulationen, da sie unter einem realistischen Spannungsniveau durchgeführt werden. Die numerische Simulation von Pfählen unter zyklischer und hochzyklischer Belastung erfolgt auf der Grundlage eines Kontinuumsansatzes und der FEM. Hierbei werden die oben beschriebenen, weiterentwickelten Stoff- und Akkumulationsmodelle angewendet.

Weiterhin sind Änderungen am Kontaktmodell für die Kontaktfläche Pfahl/Boden und Arbeiten an Stoffroutinen für das FE-Programm erforderlich. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen dienen der Abstraktion des einfacheren und weniger rechenaufwändigen SRMHYP-Modells. Die Validierung von Simulationsmodellen erfolgt anhand der Ergebnisse aus Zentrifugen- und Feldversuchen.

Die erste Förderperiode ist auf Einzelpfähle fokussiert. In der zweiten Förderperiode steht die Vereinfachung der Kalibrierungsprozeduren für die beiden Akkumulationsmodelle sowie die Einbeziehung von Pfahlherstellung, Anwachseffekten und Pfahlgruppen im Vordergrund.

Projektrelevante Publikationen

  • Hagemann A. und J. Grabe (2019): Schwingungsverhalten einer Offshore-Windenergieanlage unter dynamischer Anregung. In: Tagungsband zur Fachsektionstagung Geotechnik 2019 in Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (Hrsg.), S. 352-357

Projektrelevante Vorträge

  • Stark, A. (2019): Numerisches Modell zur Berechnung des Verformungsverhaltens von Monopfählen unter hochzyklischer Horizontalbelastung. At: HTG-Kongress 2019, Lübeck, Germany
  • Hagemann A. (2019): Numerical model to predict the displacement of piles under cyclic lateral loading using a new hypoplastic spring element. At: DENSER Workshop, Norwegian Geotechnical Institute, Oslo, Norway

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Backes H. (2020): Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten von Sand unter zyklischer Last im multidirektionalen Einfachschergerät. Bachelorarbeit
  • Kaperschmidt C. (2020): Untersuchungen zum Einfluss der Porenzahl auf verschiedene Modellierungsansätze für das zyklische Last-Verformungsverhalten nicht bindiger Böden. Bachelorarbeit
  • Eberhard O. (2019): Numerische Modellierung des Verhaltens von Sand unter zyklischer Last aus veränderlicher Richtung. Bachelorarbeit
  • Kaiser H. (2019): Kalibrierung eines hypoplastischen Boden-Struktur-Modells an Hamburger Sand. Bachelorarbeit
  • Cortez A. (2019): Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten von Sand unter zyklischer Last aus veränderlicher Richtung. Bachelorarbeit
  • Molla D. (2018): Numerisches Modell zur Berechnung des Verformungsverhaltens von Monopfählen unter zyklischer axialer Belastung. Bachelorarbeit

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Untersuchung der Ursachen bzw. der Einflussfaktoren der geringen Tragfähigkeit der Stahlrammpfähle im unteren Vorhafen des SHW Niederfinow

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
  • TUTECH-Projekt 176079
  • Laufzeit: 01.12.2019 bis 30.11.2022
  • Sachbearbeiter: Christopher Tinat (01.12.2019 bis 31.01.2021), Diaa Alkateeb (01.02.2021 bis 30.11.2022)

Problematik

Im Zuge der Errichtung des neuen Schiffshebewerks Niederfinow sollten die Uferwände des unteren Vorhabens (siehe Abbildung) mit Stahlrammpfählen rückverankert werden. Zur Vorbemessung wurden im Baugrundgutachten die charakteristischen Bruchwerte der Mantelreibung basierend auf Erfahrungswerten unter Berücksichtigung der anstehenden Bodenarten angegeben. Diese liegen im Bereich üblicher Erfahrungswerte für Rammpfähle. Zur Verifikation der aus den Annahmen der Vorbemessung abgeleiteten Zugtragfähigkeit wurden an 3 Standorten jeweils 2 statische Probebelastungen an lotrechten Stahlrammpfählen durchgeführt. Die dabei gemessenen Widerstände gegen das Herausziehen der Pfähle unterschritten die Werte der Prognose maßgebend und entsprachen lediglich 17 % bis 49 % der geplanten Prüflasten.

Im Rahmen einer ersten Ursachenanalyse wurden zusätzliche Baugrundaufschlüsse an den Probebelastungsstandorten ausgeführt, mit denen der Schichtenaufbau des Baugrundgutachtens bestätigt werden konnte. Auch anhand der Rammprotokolle und einer visuellen Begutachtung der ausgebauten Stahlrammpfähle konnten keine Auffälligkeiten festgestellt werden, welche auf eine verminderte Tragfähigkeit bei Zugbelastung hindeuten würden.

 

Abbildung: Unterer Vorhafen Schiffshebewerk Niederfinow im Bauzustand am 04.03.2020 (Aufnahme von Christopher Tinat, TUHH)

Ziel

Stahlrammpfähle sind ein übliches und bewährtes Verankerungselement bei Bauprojekten der Wasserschiffahrtsverwaltung sowie generell im Hafenbau. Ziel des Forschungsprojekts ist es daher, die Ursachen und Einflussfaktoren auf die geringe Tragfähigkeit von auf Zug belasteten Stahlrammpfählen zu identifizieren.

Methodik

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden vor allem numerische Untersuchungen und ergänzend im Rahmen der Promotion experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wird das Reibungsverhalten an der Grenzfläche Stahl/Boden untersucht und es werden Modellversuche durchgeführt. Die Analyse des Zugtragverhaltens von Stahlträgerprofilen erfolgt mit numerischen Simulationen auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) unter Berücksichtigung der Schlagrammung beim Einbringprozess. Hierfür wird die Reißverschlusstechnik und der gekoppelte Euler-Langrange-Ansatz (CEL) verwendet.

Projektrelevante Publikationen

  • Alkateeb D., Künzel A., Dogan A. und J. Grabe (2023): Messtechnische Begleitung von Pfahlprobebelastungen an Rammpfählen in Niederfonow. In: Tagungsband zum Pfahl-Symposium 2023 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Geomechanik und Geotechnik der Technischen Universität Braunschweig, Heft 113, Band 1, S. 351–368
  • Alkateeb D. and J. Grabe (2022): On the application of analytical methods and empirical values for the determination of the pull-out resistance of driven steel piles. In: Proceedings of 10th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) 2022 in Daejon/Korea, Korea Geotechnical Society, M. Chung et al. (eds.), pp. 844–848, ISBN: 978-89-952197-7-5
  • Alkateeb D. (2022): Finite-Element basierte Prognose der Tragfähigkeit von Stahlrammpfählen am Beispiel des Bauvorhabens Schiffshebewerk Niederfinow. In: Tagungsband zum Workshop Numerische Methoden in der Geotechnik 2022 in Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 53, S. 221–236

Projektrelevante studentische Arbeiten

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Mikroskalige Betrachtung des hydraulisch-mechanischen Verhaltens teilgesättigter granularer Böden mittels der Computertomografie

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

Problematik

Im Fokus des Projektes stehen Kapillareffekte in teilgesättigten Böden, bei denen der Porenraum des Bodens mit den Fluiden Wasser und Luft mit veränderlichen Volumenanteilen vollständig gefüllt ist. Dies umfasst die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen im Porenraum vorhandenem Kapillarwasser sowie ggf. vorhandener Lufteinschlüsse mit dem Korngerüst und die Auswirkungen auf die mechanischen, hydraulischen oder hydromechanischen Eigenschaften poröser granularen Böden.

Der Einfluss des Kapillarwassers wird in der Bodenmechanik üblicherweise in makroskopischen Laborversuchen ermittelt und ist aus Sicht der Baupraxis von Bedeutung, da das Porenwasser oftmals für Tragfähigkeitsreserven von Bauwerken sorgt. Die Variabilität der Kapillareffekte jedoch, insbesondere die Reduktion der sogenannten scheinbaren Kohäsion oder auch Kapillarkohäsion bei Aufsättigung und Austrocknung des Bodens, ist in vielen Regionen der Erde mitunter für schwere Naturkatastrophen, wie z. B. Bergrutschungen, verantwortlich. Eine Untersuchung der mikromechanischen bzw. mikrohydraulischen Vorgänge kann hierbei zu einem besseren Verständnis dieser makroskopischen Effekte führen.

Der Zusammenhang zwischen der Sättigung eines Bodens und makroskopisch gemessener Kapillardrücke ist darüber hinaus nichtlinear. So müssen einerseits Be- und Entwässerungsvorgänge unterschieden, andererseits aber auch dynamische Effekte bei der Durchströmung des Porenraums durch das Porenwasser berücksichtigt werden. Die hydraulischen Eigenschaften sollen dann mit den mechanischen Eigenschaften, zum Beispiel der Scherfestigkeit, in Beziehung gesetzt werden.

Insgesamt gibt es bisher nur wenige Erkenntnisse bezüglich der mikroskopischen Vorgänge bei der Durchströmung von teilgesättigten Böden und den damit einhergehenden Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Hier setzt das Forschungsprojekt an, um bereits in der Vergangenheit durchgeführte Experimente fortzuführen, auszuweiten und die vorhandene Datenbasis zu vergrößern.

Ziele

Es sollen die folgenden Leitfragen geklärt werden:

  • Welche Unterschiede entstehen in der Verteilung von Porenluft und Porenwasser bzw. des Sättigungsgrads sowie der Form, Krümmung und Oberfläche der Kapillarmenisken in granularen Böden bei monotonen sowie zyklischen, d. h. hysteretischen, hydraulischen Ent- und Bewässerungspfaden?
  • Wie verändern sich die Sättigungsverteilung und die Kapillarbrücken bei mechanischer Belastung und Verformung des Korngerüstes durch Kompression und Scherung sowie bei einem zeitlichen Zerfall der Probe durch Verdunstung?
  • Welche Zusammenhänge bestehen zwischen mikroskopischem und makroskopischem mechanischen Verhalten des teilgesättigten granularen Bodens bei Kompression/Scherung im Hinblick auf die Scherfestigkeit und Volumenänderung des Korngerüstes (Kontraktanz/Dilatanz)?
  • Lassen sich anhand des Vergleichs von idealen Glaskugeln mit natürlichen Sandkörnern wichtige mikroskopische Einflussparameter, wie z. B. die Kornform oder die Kornoberfläche, auf das hydraulisch-mechanische Verhalten bei Teilsättigung identifizieren?

Methodik

Um die Kapillareffekte auf der Mikroebene quantifizieren zu können, kommt in der ersten Projektphase die Technik der Computertomografie zum Einsatz, deren Verwendung es erlaubt, dreidimensionale Schnittbilder von Materialproben anzufertigen und diese anschließend am Computer zu visualisieren und zu analysieren. Die Auflösung liegt hier in der Größenordnung weniger Mikrometer und ermöglicht das Trennen der einzelnen Materialphasen bis hin zur Extraktion einzelner Sandkörner. Auch die Vermessung der Krümmung von Kapillarbrücken des Porenwassers zwischen einzelnen Bodenpartikeln wird möglich.

Die zum Einsatz kommenden Versuchsapparaturen müssen hierfür miniaturisiert werden. Dies geschieht mit eigens entwickelten mechanischen Komponenten, die mithilfe des Einplatinencomputers Raspberry Pi gesteuert und - wo möglich - automatisiert werden. Es stehen eine miniaturisierte einaxiale Presse sowie eine Apparatur zur zyklischen Be- und Entwässerung der zu untersuchenden Materialproben zur Verfügung.

Darüber hinaus sollen die makro- und mikroskopisch ermittelten Versuchsergebnisse und Materialparameter mithilfe von Simulationen nachgebildet werden. Benötigt werden hierfür insbesondere Ansätze zur effizienten und physikalisch korrekten Beschreibung des Kontaktes zwischen einzelnen Bodenpartikeln aber auch des Kontakts zwischen der Feststoffphase und den Fluiden. Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist die Lattice-Boltzmann Methode.

Das verwendete Versuchsmaterial besteht vorwiegend aus monodispersen Kugelpackungen. Im Speziellen werden Kugeln aus Kalk-Natron-Glas verwendet. Diese lassen sich im ersten Schritt einfacher in Simulationsmodelle überführen als beliebig geformte Partikel. Ziel ist jedoch auch die Verwendung des Modellsandes „Hamburger Sand“ und einer diesem nachempfundenen polydispersen Mischung aus Glaskugeln mit annähernd gleicher Kornverteilungskurve, um den allgemeinen Fall abzubilden.

Projektrelevante Publikationen

  • Milatz M., Heinrich D. und J. Grabe (2023): Experimentelle und numerische Bodenmechanik auf der Partikel- und Porenskala. In: Tagungsband zu Fachsektionstage Geotechnik (4. Bodenmechanik-Tagung) 2023 in Würzburg, S. 382–387, URL https://www.dggt.de/index.php?option=com_content&view=article&id=397&Itemid=60, ISBN 978-3-946039-10-5
  • Heinrich D. and M. Milatz (2023): Capillary cohesion of different granular materials determined from uniaxial compression and water retention tests. In: Proceedings of 8th International Conference on Unsaturated Soils 2023 in Milos/Greece, E3S Web of Conferences 382, No. 02003, DOI 10.1051/e3sconf/202338202003
  • Milatz M. and D. Heinrich (2023): Pore scale investigation of unsaturated granular soil behaviour by means of in situ CT experiments. In: Proceedings of 8th International Conference on Unsaturated Soils 2023 in Milos/Greece, E3S Web of Conferences 382, No. 11004, DOI 10.1051/e3sconf/202338211004
  • Heinrich D. and M. Milatz (2022): UNSAT-Pi - A miniaturized test apparatus for examining the uniaxial compressive strength of partially saturated granular media during CT imaging. In: TUHH Open Research (TORE), DOI 10.15480/336.4393, data repository including CAD design data, cicuit diagrams, and control software
  • Heinrich D., Milatz M., Schröder M. (2022): Zur Untersuchung bodenmechanischer Zusammenhänge mittels Computertomografie. In: Tagungsband zur 37. Baugrundtagung 2022 in Wiesbaden, S. 201–210, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT)
  • Heinrich D. and M. Milatz (2022): On the application of single-board computers and physical computing for the investigation of the water retention curve of unsaturated granular soils. In: Proceedings of 10th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics (ICPMG) 2022 in Daejon/Korea, Korea Geotechnical Society, M. Chung et al. (eds.), pp. 334–337, ISBN: 978-89-952197-7-5
  • Heinrich D. und M. Milatz (2022): UNSAT Pi-2 - A miniaturized flow cell apparatus for measuring the water retention curve of granular media during CT imaging. In: data repository including CAD design data, circuit diagrams and control software, TUHH Open Research (TORE), DOI 10.15480/336.4394

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Jäntsch, M. (2021): Untersuchung des Kollapsverhaltens teilgesättigter granularer Medien durch Evaporation des Porenwassers mithilfe der Mikro-Computertomografie (Investigations of collapse-behaviour of unsaturated granular media due to evaporation of pore water by means of micro computed tomography). Bachelorarbeit

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Einfluss unscharfer Bodenmodelle auf den Entwurf und die Bemessung geotechnischer Konstruktionen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.01.2020 bis 31.12.2023
  • Sachbearbeiter: Timon Burgwedel
  • Status: Projekt abgeschlossen

Beschreibung

Im Rahmen des Forschungsprojektes wird der Einfluss unscharfer Bodenmodelle auf den numerisch-basierten Entwurf geotechnischer Bauwerke untersucht. Im Rahmen des DFG-Projektes GR 1024/27-1 wurde schwerpunktmäßig die Unschärfe von CPT-Daten eines Testfeldes und von CPT-Daten und Materialparametern für ein weiteres Testfeld untersucht. Dabei wurde der fraktale Charakter der Unschärfe herausgearbeitet. Im vorliegenden Projekt steht die Erzeugung von fraktalen Zufallsfeldern für die Anfangswerte der Zustandsvariablen des Bodens sowie FE-Analysen auf der Grundlage dieser fraktalen Zufallsfelder im Mittelpunkt. Auf der Grundlage der vorhandenen Ergebnisse von Drucksondierungen und Laborversuchen für zwei Testfelder erfolgt zunächst eine Identifizierung der relevanten unscharfen Größen. Dies wurde beispielhaft für die Wahl eines konkreten Spannungs-Dehnungs-Modells gezeigt. Weiterhin werden die Daten des Testfeldes “Kaiser-Wilhelm-Höft”, die 2019 gewonnen wurden, statistisch aufbereitet. Im zweiten Schritt werden Zufallsfelder z. B. für die Porenzahl erzeugt, deren räumliche Verteilung durch die experimentell beobachteten Drucksondierungen eingeschränkt sind. Hierzu ist im Antrag ein Random-Walk-Prozess vorgesehen. Zuletzt wird eine Reihe von Randwertproblemen numerisch mit der deterministischen Finite Element Method (FEM) und mit der stochastischen Random Finite Element Method (RFEM) auf der Grundlage der zuvor ermittelten fraktalen Zufallsfelder gelöst. Dazu gehören 1D, 2D und 3D-Analysen für die beiden Testfelder. Im Zuge der RFEM werden Strategien zur Minimierung des Rechenaufwandes verfolgt, die z.B. im Zuge des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1886 erarbeitet werden. Die Unterschiede numerisch-basierter Entwürfe mit klassischer FEM und mit RFEM werden verglichen und es werden Rückschlüsse auf den erforderlichen Untersuchungsaufwand im Zuge der Baugrunderkundung erarbeitet.

Projektrelevante Publikationen

 

Projektrelevante Studentische Arbeiten

 

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Penetration und Extraktion von Bauteilen im gesättigten Boden

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  •  Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.05.2020 bis 30.04.2023
  • Sachbearbeiter: Diaa Alkateeb
  • Status: Projekt abgeschlossen

Projektbeschreibung

Im Fokus des Forschungsprojektes stehen mechanisch-hydromechanisch-gekoppelte Prozesse am Fuß von Pfählen, die in den gesättigten Boden eingerammt werden oder aus dem gesättigten Boden herausgezogen werden:

  • Bei der Pfahlrammung treten große Bewegungen des Bauteils, große Relativbewegungen zwischen Pfahl und Boden und große Bodenverformungen auf. Im gesättigten Boden treten i.d.R. Porenwasserüberdrücke auf. Während des Rammvorgangs kann am Pfahlfuß der Kontakt bestehen bleiben oder kurzzeitig verloren gehen (Stichworte "langsames/schnelles Rammen" und "kavitatives Rammen"). Beim Kontaktverlust zwischen Bauteil und Boden entsteht ein Bereich, der mit Porenwasser oder Wasserdampf gefüllt ist, jedoch nicht mit Korngerüst (Stichwort "Kavitation").
  • Bei der Extraktion von Pfählen aus dem gesättigten Boden treten neben dem Mantelschubwiderstand zwischen Bauteil und Boden potentiell zwei weitere Widerstände am Pfahlfuß auf: (1) Eine nach unten gerichtete Kraft infolge der Sogwirkung, die von der Ziehgeschwindigkeit des Pfahls und von der Durchlässigkeit des Bodens am Pfahlfuß abhängt. Der Maximalwert der entsprechenden Kraft ergibt sich aus dem Produkt der Querschnittsfläche und dem maximalen Unterdruck im Porenwasser. (2) Bei einem bindigen Boden im Bereich des Pfahlfußes kann noch eine Adhäsionskraft wirken. Auch beim Ziehen des Pfahls kann unter dem Pfahlfuß eine Zone entstehen, in der sich das Korngerüst und das Porenwasser trennen. Im Grenzfall tritt Kavitation auf. Das ist die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten. Dabei werden zwei Grenzfälle unterschieden, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt: (1)  Bei der Dampfkavitation oder harten (transienten) Kavitation enthalten die Hohlräume hauptsächlich Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen. (2) Bei der weichen Gaskavitation treten in der Flüssigkeit gelöste Gase in die Kavitäten ein und dämpfen deren Kollaps, bei der stabilen Gaskavitation verhindern sie ihn.  

Im Fokus des Forschungsprojektes steht die numerische Simulation der zuvor beschriebenen Prozesse. Der Anforderungskatalog an entsprechende Simulationsmodelle umfasst die Modellierung großer Bauteilbewegungen, großer Relativbewegungen zwischen Pfahl und Boden, großer Bodenbewegungen, ggf. einer Trennung von Korngerüst und Porenwasser und ggf. einer Kavitation in Extremfällen.

Projektrelevante Publikationen

 

Projektrelevante studentische Arbeiten

 

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Numerische Simulation der Ankereindringtiefe

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Auftraggeber: 50hertz Transmission GmbH
  • Laufzeit: 01.06.2020 bis 31.08.2022 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter: Duy Anh Dao
  • Status: Projekt abgeschlossen, interner Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Eine wesentliche Herausforderung zur Realisierung der Energiewende in Europa ist die Sicherstellung einer hohen Netzstabilität. Bei Offshore-Windparks wird bedingt durch die natürlichen Unregelmäßigkeiten des Wetters zeitweise ein Überschuss an Energie produziert, der zur Überlastung des Stromnetzes führt. Während in Deutschland eine effektive Speicherung noch nicht möglich ist, verfügt Schweden über wirkungsvolle Pumpspeicherkraftwerke. Aufgrund dessen soll die Seekabelverbindung, Hansa PowerBridge, zwischen Deutschland und Schweden verlegt werden. Dadurch soll der Ausgleich der schwankenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien erreicht werden.

Schäden an Offshore-Seekabeln werden häufig durch das Verhaken von Schiffsankern verursacht. Um die Kabel dagegen zu schützen, werden sie in den Meeresgrund verlegt. Sicherheitsaspekte sind bei der Bestimmung der Verlegetiefe von größter Bedeutung. Doch auch wirtschaftliche Faktoren müssen bei der Bemessung berücksichtigt werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden das Penetrations- und Bremsverhalten verschiedener Schiffsanker in sowohl bindigen als auch nichtbindigen Meeresböden mit Hilfe numerischer Simulationen unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Es sollen Antworten auf folgende Fragen gegeben werden:

  • Wie tief dringt der jeweilige Schiffsanker in den Boden ein?
  • Wie wird das Seekabel durch das Eindringen beschädigt?

Die Analyse erfolgt durch numerische Simulationen auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) bei direkter expliziter Zeitintegration. Aufgrund der zu erwartenden großen Bodenverformungen wird der gekoppelte Euler-Langrange-Ansatz (CEL) verwendet. Wegen der hohen Schleppgeschwindigkeiten wird im Meeresboden von undränierten Bedingungen ausgegangen. Anhand der numerischen Simulationen soll das Ankerverhalten beobachtet und der Eindringmechanismus analysiert werden. Zudem soll eine Variation der Eingangsparameter Aufschluss über den Einfluss der einzelnen Faktoren hinsichtlich der Eindringtiefe geben.

Projektrelevante Publikationen

 

Studentische Arbeiten

 

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Numerische Modellierung teilzementierter Böden im Stagnationsbereich

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/41-1 und 41-2 sowie DU 405/17-1 und 17-2
  • Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Düster (Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, TUHH)
  • Laufzeit: 2020 bis 2023 (36 + 20 Monate)
  • Sachbearbeiter B-5: Michalis Komodromos (36 Monate) + Elnaz Hadjilo (20 Monate)

Projektbeschreibung

Das primäre Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist das Erlangen eines besseren Verständnisses des mikromechanischen Verformungsverhaltens mehrphasiger poröser Kompositmaterialien. Hierzu soll ein im Bauingenieurwesen übliches und speziell in der Geotechnik in vielen Problemstellungen eingesetztes mehrphasiges Kompositmaterial näher untersucht werden: zementgebundener Sand. Beispielsweise kann selbsterhärtende Suspension bei der Herstellung von Schlitzwänden als Stützflüssigkeit eingesetzt werden. Herstellungsbedingt gibt es an den Bauteilrändern Übergangszonen zwischen nahezu vollständig mit Zement verfülltem Korngerüst hin zu reinem Korngerüst. In diesem als Stagnationsbereich bezeichneten Bereich hängt der Lastabtrag von der Lage und der Kontaktpunkte der einzelnen Körner ab. Hierbei werden eingetragene Lasten zum einen über die zusammenhängende Zementmatrix getragen und zum anderen über die darin eingebundenen Sandkörner. Stark beeinflusst wird der Lastabtrag durch die heterogene Anordnung und die Sphärizität der Einzelkörner, den Durchmischungsgrad sowie den Zementanteil. Zur Verbesserung makroskopischer für die Praxis relevanter FE-Modelle soll ein Brückenschlag zwischen dem mikroskopischen und makroskopischen Materialverhalten poröser Kompositmaterialien hergestellt werden. Basierend auf bildgebenden Verfahren, wie der Röntgen-Computertomografie, sollen hierzu dreidimensionale FE-Modelle direkt aus den durch Scans von zementgebundenen Sandproben erhaltenen Bilddaten erstellt werden. Mithilfe von numerischen Methoden lassen sich an den so erhaltenen Modellen Verformungsanalysen durchführen. Am Institut für Geotechnik und Baubetrieb (Prof. Grabe) wird vorwiegend die Finite Element Method (FEM) eingesetzt. Daneben wird am Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen (Prof. Düster) die Finite Cell Method (FCM) weiterentwickelt. Diese beiden numerischen Herangehensweisen sollen im Zuge des geplanten Forschungsvorhabens auf die mikrostrukturellen Problemstellungen angewandt und optimiert werden. Ziel ist durch numerische Homogenisierung makroskopische Materialkennwerte der komplexen mehrphasigen Mikrostrukturen abzuleiten. Hierdurch lässt sich das makroskopische Materialverhalten derartiger Kompositmaterialien charakterisieren. Das makroskopische Materialverhalten wird mithilfe von durchzuführenden Laborversuchen untersucht. Geplant sind einaxiale Druckversuche sowie Triaxialversuche an Sandproben mit verschiedenen Zementgehalten. Aufgrund der umfangreichen geplanten Untersuchungen im bodenmechanischen Labor, am CT-Scanner sowie der numerischen Untersuchungen und Entwicklungen soll in dieser ersten Projektphase zunächst von elastischem Materialverhalten ausgegangen werden. In einer möglichen zweiten Projektphase sollen für Untersuchungen größerer Verformungen oder bei der Modellierung von Schädigungen im Kompositmaterial unter anderem nichtlineare Stoffmodelle zum Einsatz kommen.

Projektrelevante Publikationen

  • Komodromos M., Gorji M., Düster A., Grabe J. (2023): Investigation of the load sustaining micro mechanisms of cemented sand using mesocale FEM approach. In: Computers and Geotechnics 162, 105656, DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105656
  • Komodromos, M., Gorji, M., Düster, A., & Grabe, J. (2023). On the load bearing mechanisms of cemented granular material: A mesoscale FE approach. In: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, e202300037, DOI
    10.1002/pamm.202300037
  • Komodromos M., Stamati O., Grabe J. (2023): Mesoscale FEM approach on cemented sands: generating and testing the digital twin. In: Proceedings of 8th International Symposium on Deformation Characteristics of Geomaterials 2023 in Porto (IS-PORTO), ISSMGE Online Library, URL https://www.issmge.org/uploads/publications/121/122/isdcg2023-36-1-c.pdf
  • Hüsener N., Helfen L., Komodromos M., Milatz M., Tengattini A. and C.M. Toffoli (2023): Combined X-ray- and neutron-tomography investigation of capillary collapse in unsaturated granular soils subjected to loading. CT data repository, Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble/France, DOI 10.5291/ILL-DATA.1-07-11
  • Komodromos M., Stamati O., Düster A., Gorji M. and J. Grabe (2023): Mesoscale FEM approach on cemented sand: challenges and implementation of high order elements. In: Proceedings of 10th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering 2023 in London/UK, DOI 10.53243/NUMGE2023-96
  • Gorji M., Komodromos M., Grabe J., Düster A. (2023): Imaged-based analysis of complex microstructures using the finite cell method. In: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 23(1):e202200291, DOI 10.1002/pamm.202200291

Projektrelevante studentische Arbeiten

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Zum räumlichen Tragverhalten von kombinierten Stahlspundwänden

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA-Verbundprojekt 1480), Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung (AiF)
  • Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
  • Laufzeit: 01.01.2021 bis 30.06.2023 (30 Monate)
  • Sachbearbeiter: Jannik Beuße
  • Status: Projekt abgeschlossen, Abschlussbericht nach Abschluss der Arbeiten an der Uni Stuttgart in 2024, Dissertation Beuße

Projektbeschreibung

Kombinierte Spundwände werden hauptsächlich im Kaimauerbau als maßgebendes Tragelement eingesetzt. Unter Anwendung der gültigen Nachweisformate zeigt sich, dass rechnerisch eine Vielzahl der bestehenden Kaimauern nicht mehr standsicher ist, obwohl diese Konstruktionen der bewährten Praxis entsprechen. Die Bemessung erfolgt hierbei zumeist zweidimensional unter dem Ansatz einer Gewölbewirkung zwischen den Tragbohlen, sodass diese den Erddruck und die Zwischenbohlen lediglich den Wasserdruck aufnehmen. Zur Beschreibung des räumlichen Tragverhaltens von kombinierten Spundwänden liegen nur unzureichende Informationen vor (vgl. Bild).

 

Bild: Vertikale (links) und horizontale (rechts) Gewölbewirkung einer kombinierten Stahlspundwand

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Erfassung der tatsächlichen Belastung der Zwischen- und Tragbohlen infolge Erd- und Wasserdruck sowie deren Beanspruchung unter Berücksichtigung ihrer räumlichen Systemtragwirkung. Durch die Klärung des Lastabtrags werden Überdimensionierungen dieser Bauteile vermieden. Durch die Einbeziehung der räumlichen Tragwirkung von kombinierten Stahlspundwänden inklusive der Verankerung kann deren Auslegung optimiert werden. Hierzu sollen folgende Fragen geklärt werden:

  1. Horizontales / räumliches Tragverhalten

    Fragekomplex 1: Frage 2: Frage 3:

    • Wann kommt es zu einer Ausbildung eines horizontalen Druckgewölbes und wie teilen sich die Belastungen auf die Tragbohlen und die Zwischenbohlen auf?
    • Welchen Einfluss hat das zusätzlich auftretende vertikale Gewölbe infolge des Erd- und Wasserdrucks?
    • Wird der räumliche Erdwiderstand hinreichend genau abgebildet?
    • Welchen Einfluss hat die Kombination aus räumlicher Einwirkung und räumlichem Widerstand?
    • Wie groß sind dabei die Widerstände der Stahlelemente bei einer veränderlichen Belastung und bei einer Berücksichtigung einer Teileinspannung durch realitätsnahe Lagerungsbedingungen
    • Wie beeinflusst die Rammung der Pfähle hinter der kombinierten Wand das Tragverhalten und wie kann dieser Einfluss berücksichtigt werden?
    • Wie können die Zusammenhänge aus den Fragen 1 und 2 in einem idealisierten Bemessungsmodell vereinfacht abgebildet werden?

  2. Vertikales Tragverhalten

    Fragekomplex 4:

    • Wie kann die Konsistenz und Wirtschaftlichkeit des vereinfachten Knicknachweises bei gleichzeitiger Momentenbeanspruchung nach Eurocode EN 1993-5 und DIN EN 1993-1 sichergestellt werden?
    • Wie sollen die Widerstände im Boden für den vertikalen Nachweis ermittelt werden

Das Arbeitsprogramm des Forschungsvorhabens umfasst experimentelle, numerische und analytische Untersuchungen. Unter anderem sind Modellversuche im Labor geplant. Die dabei ermittelten Belastungen und Lagerungsbedingungen sollen auf Versuche im Originalmaßstab in der Versuchseinrichtung an der Universität Stuttgart übertragen werden, sodass die Bauteile realitätsnah geprüft werden können. Für die Tragbohle sollen für die Modifizierung des vereinfachten Knicknachweises infolge Normalkraft und Biegung Knickversuche an Stützen durchgeführt werden. 

Durch die Anwendung bislang ungenutzter Potenziale versprechen wir uns eine wirtschaftliche und planungstechnische Optimierung und gleichzeitig eine Vereinfachung der Auslegung von kombinierten Spundwänden. Das führt insgesamt zu einer Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit und somit des Marktanteils der Stahlbaulösungen im Marktsegment der großen Kaimauern von Hafenanlagen.

Projekterelevante Publikationen

  • Beuße J. (2023): Zur Einbringung und zum Tragverhalten von kombinierten Spundwänden von Ufereinfassungen. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 59

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • Hillebrand (2021): Untersuchung zum Einfluss der Kaiplattenpfähle auf den wirkenden Erddruck auf Kaimauern
  • Martens (2021): Zum räumlichen Tragverhalten kombinierter Spundwände infolge der Installation von Kaiplattenpfählen

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Verklebung von Werkzeugen

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.03.2021 bis 28.02.2023 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter: Maximilian Schröder
  • Status: Projekt abgeschlossen als Vorarbeit zum DFG-Projekt MI 2397/2-1

Projektbeschreibung

Verklebungen treten bei diversen (Spezial)Tiefbauarbeiten auf. Insbesondere der Tunnelvortrieb in bindigem Boden ist mit einer Reihe von technischen Schwierigkeiten verbunden, da es zu Anhaftungen am Schneidrad, seinen Durchlässen und Werkzeugen, der Abbaukammer und am Transportsystem kommt. Dies führt zu Verzögerungen im Zeitplan und wirtschaftlichen Verlusten, da sich die Vortriebsleistung reduziert. Auch ein Stillstand der Maschine ist möglich. Dann werden aufwändige Reinigungsarbeiten notwendig. Auch ein erhöhter Verschleiß geht mit Verklebungen einher. Bisher wird der geförderte Boden in der Praxis durch Zugabemittel konditioniert, um Verklebungserscheinungen zu reduzieren. Der konditionierte Boden muss dann aufwändig deponiert werden.

Es gibt eine Reihe von Klassifikationsversuchen, um die Verklebungsneigung des Bodens qualitativ zu charakterisieren, und empirisch entwickelte Klassifikationsdiagramme, die anzeigen, bei welcher Konsistenz des Bodens mit Verklebungen zu rechnen ist. Die grundlegenden physikalischen und bodenmechanischen Adhäsionsmechanismen zwischen Boden und Metall(Schneidrad) sind bis heute jedoch nicht vollständig verstanden. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, die grundlegenden Mechanismen der Adhäsion von Boden an Werkzeugoberflächen bodenphysikalisch zu beleuchten und in die vorherrschenden Mechanismen zu beschreiben. Ausgehend von diesem vertieften Verständnis sollen Lösungsansätze zur Adhäsionsminderung erarbeitet werden.

Ziele

Die folgenden Fragestellungen sollen betrachtet werden.

  • Die Adhäsion des Bodens an einer Werkzeugoberfläche lässt sich in einen normalen Anteil senkrecht zur Oberfläche und einen tangentialen Anteil parallel zur Oberfläche aufteilen. Beide Anteile gilt es in Adhäsionsversuchen zu bestimmen und in einen bodenmechanischen Zusammenhang zu bringen.
  • In Abhängigkeit der Bodeneigenschaften (insbesondere der Konsistenz) tritt im Adhäsionsversuch ein Mischversagen aus adhäsivem Versagen an der Werkzeugoberfläche und kohäsivem Versagen im Bodenkörper auf. Dies führt insbesondere dazu, dass sich die reine Adhäsion versuchstechnisch oftmals nicht bestimmen lässt und verdeutlicht darüber hinaus, dass Adhäsionskräfte über die Trennfläche hinaus in den Bodenkörper hinein wirken. In den meisten Fällen beeinflusst die flüssige Phase des Bodens das Adhäsionsverhalten maßgeblich. Saugspannungen in ungesättigten Böden sollen nach Möglichkeit bestimmt und in einen potentialtheoretischen Zusammenhang gebracht werden. Darüber hinaus soll mithilfe der CT-Bildgebung sichtbar gemacht werden, was in der Trennfläche zwischen Boden und Werkzeugoberfläche geschieht.
  • Die Verklebungen am Schneidrad führen zu einem Anstieg des notwendigen Drehmoments und einer verringerten Vortriebsleistung. Versuchstechnisch sollen Abbohrversuche mit einem Miniaturschneidrad zeigen, welche Parameter die Vortriebsleistung bestimmen und ob sich gewonnene Erkenntnisse aus reinen Adhäsionsversuchen bestätigen lassen. Realistische Vortriebsszenarien, wie beispielsweise das Wiederanfahren nach Stillstand, sollen untersucht werden und optimale Vortriebsparameter zur Minimierung der Verklebung entwickelt werden. In miniaturistierten Modellversuchen soll mithilfe der CT-Bildgebung untersucht werden, wie sich der Boden durch ein Schneidrad bewegt und wie sich Verklebungen fortschreitend am Werkzeug einstellen.

Methodik

  • Auswahl und labortechnische Charakterisierung geeigneter Versuchsböden
  • Adhäsionsversuche (normal und tangential, mit Messung der Saugspannung)
  • Miniaturisierte Modellversuche (Adhäsionsversuch, Abbohrversuch) mit CT-Bildgebung
  • Abbohrversuche mit einem Modellschneidrad

       

Projektrelevante Publikationen

 

Projektrelevante studentische Arbeiten

  •  M. R. : Zur Bestimmung des Einflusses der Saugspannung auf die Adhäsion von Tonböden in Trennversuchen
  •  N. R. : Zum Einfluss der Probenherstellung auf die Scherfestigkeit bindiger Böden
  •  M. R. : Untersuchung der normalen Adhäsion eines Tonbodens mithilfe von Trennversuchen und Computertomographie

 

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Numerical modelling of water jet induced erosion in saturated sand

Stand: 02.01.2024
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General information

  • Funding: German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG), Project GR 1024/43-1
  • Duration: 01.06.2021 bis 31.12.2023 (24 months), cost-neutral extension until 31.03.2024
  • Staff: Rahul Somasundaram

Project description

The objective of this research proposal is to better understand the physical processes during the erosion of soils with a fluid jet, especially the erosion of saturated sand with a water jet. This includes the propagation of the water jet, the soil erosion process, the transient propagation of the erosion front up to the maximal erosion range, the transport of suspended soil particles and finally the sedimentation of the particles. To achieve this objective, a novel concept called “geometrically combined resolved-unresolved CFD-DEM” method for the numerical investigation of the jet grouting process will be developed. The idea behind this new technique is that the “erosion front” of the jet, where a detailed resolution is required, will be modelled with resolved CFD-DEM and the regions outside the “erosion front”, where the dynamics of fluid-particle interaction is much lower, unresolved CFD-DEM will be applied. This approach will ensure efficient modelling of a highly dynamic and large-scale process like water jetting at manageable computational costs and without compromising on the detail and accuracy where it is needed. Since the soil skeleton is dynamically moving, it becomes obvious that the transition of a soil particle from the unresolved to the resolved region (and vice versa) will need complex modelling algorithms. Further keeping in mind that the “erosion front” is moving in time, the need for a dynamic adaption of the “resolved erosion front” becomes clear. The numerical model development will be accompanied by experimental investigations to validate the numerical model.

To reach the defined objectives a co-operation between Hamburg University of Technology/Germany and DCS Computing Linz/Austria is planned. DCS is developing the code CFDEM coupling, which is used in the research project. This cooperation is covered by the D-A-CH agreement (DFG in Germany and FWF in Austria).

 

Project relevant publications

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Project relevant student works

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Untersuchung geotechnischer Randwertprobleme mit Boden-Wasser-Interaktion mittels Double-Point Material Point Method (2P-MPM)

Stand: 02.01.2024
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen GR 1024/45-1 und 45-2
  • Laufzeit/Sachbearbeiter:
    16.05.2021 bis 15.02.2023 (45-1, Alexander Chmelnizkij, 21 Monate),
    01.03.2023 bis 31.12.2023 (45-2, Alexander Chmelnizkij, 10 Monate),
    01.04.2024 bis 30.11.2024 (45-2, Rahul Somasundaram, 8 Monate)
  • Status: Laufendes Projekt

Projektbeschreibung

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer numerischen Methode zur Simulation großer Verformungen bei geotechnischen Randwertproblemen für den ebenen und rotationssymmetrischen Verformungszustand. Hierzu wird die Material Point Method (MPM) als Methode weiterentwickelt und angepasst. Das Institut für Geotechnik und Baubetrieb ist Mitglied der Anura3D MPM Research Community und entwickelt gemeinsam seit 2014 den MPM-Code Anura3D zur numerischen Lösung dynamisch gekoppelter Anfangsrandwertprobleme aus dem Gebiet der Geotechnik. Die Weiterentwicklung der MPM für gekoppelte Probleme, wie zum Beispiel die Simulation von gesättigtem Sand, ist notwendig, um die numerischen Fehler der Methode zu minimieren und damit die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse zu steigern. Zu diesem Zweck wurden in der Mechanik bereits zahlreiche Modifikationen der MPM entwickelt und untersucht, die auf gekoppelte Probleme verallgemeinert werden können. Die Umsetzung dieser entwickelten Methoden wird im Programm MATLAB implementiert und anhand von analytischen Lösungen sowie vorliegenden Messdaten auf ihre Korrektheit überprüft. Die Entwicklung und Umsetzung der modifizierten MPM bildet den Schwerpunkt der ersten Projektphase mit einer anschließenden Validierung. In einer möglichen zweiten Projektphase sollen weitere umfangreiche Validierungen stattfinden sowie ein Fokus auf die Effizienzsteigerung der Implementierung gelegt werden.

Projektrelevante Publikationen

  • Chmelnizkij A. (2023): Improved Double-Point Material Point Method for dynamic geotechnical problems. In: Proceedings of 12th International Conference on Structural Dynamics 2023 in Delft/The Netherlands
  • Chmelnizkij A. (2023): Moving Last Squares Material Point Method for porous media. In: Proceedings of 10th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering 2023 in London/UK, DOI 10.53243/NUMGE2023-75
  • Chmelnizkij A. (2023): Regularized MPM for porous media. Dissertation. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 57, DOI 10.15480/882.4941
  • Chmelnizkij A. (2022): 2P-MPM für hochdynamische Einwirkungen - eine kompakte und effiziente Implementierung in MATLAB. In: Tagungsband zum Workshop Numerische Methoden in der Geotechnik 2022 in Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 53, S. 179–186

Projektrelevante studentische Arbeiten

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Traglaststeigerung geotechnischer Konstruktionen durch Scherfugenverfestigung (TGTSV)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/23-2
  • Laufzeit: 01.06.2021 bis 31.05.2023 (24 Monate)
  • Sachbearbeiterin: Elnaz Hadjiloo
  • Status: Abgeschlossenes Projekt, Folgeprojekt GR 1024/23-3

Projektbeschreibung

Das Primärziel des Forschungsvorhabens ist die Steigerung der Traglast geotechnischer Konstruktionen bzw. die Reduzierung der Erdddrucklast auf Stützkonstruktionen mittels Einbringung von Verfestigungsmaterialien in die Scherfugen im Boden. Nachfolgend sind die Teilziele der drei Förderperioden zusammengestellt:(1) Rechnerische Ermittlung der Lage der Scherfugen und Entwicklung einer Prozedur zur rechnerisch automatisierten Scherfugenverfestigung, die nachfolgend als Computerbasierte Scherfugenverfestigung bzw. Computational Scher Zone Hardening (CSH) bezeichnet wird. Experimentelle Untersuchung der Eignung von Verfestigungsmaterialien für den Boden und technische Umsetzung der Scherfugenverfestigung bei Modellversuchen im Labor und in der Zentrifuge.(2) Weiterentwicklung der CSH durch Verwendung hochwertiger Stoffmodelle für den Boden und Berücksichtigung von Kontaktflächen zwischen dem natürlichen und dem verfestigten Boden. Dies wird als CSH 2.0 bezeichnet. (3) Erweiterung des Anwendungsspektrums von CSH 2.0 durch Kombination mit der multikriteriellen Optimierung und durch Berücksichtigung zeitlich und örtlich veränderlicher Lasten.

Projekterelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Micro-mechanical modelling of unsaturated particle packings using CFD-DEM and computed tomography (MIME-UP)

Stand: 01.11.2024
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Österreichischer Wissenschaftsfonds (FWF)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/46-1, FWF I 5374
  • Laufzeit: 01.05.2022-31.12.2024 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter TUHH: Dennis Heinrich
  • Status: Laufendes Projekt, Zwischenbericht

Projektbeschreibung

Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf der Untersuchung des Einflusses von Kapillareffekten in teilgesättigten Sanden auf ihr mechanisches und hydraulisches Verhalten. Dafür sind Experimente in einem Röntgen-Tomographen und numerische Simulationen vorgesehen. Für die numerische Simulation teilgesättigter Sande wird die aufgelöste CFD-DEM-Kopplung eingesetzt. Die bestehende Methode für den gesättigten Boden wird um eine Zweiphasen-Formulierung für die beiden Porenfluide erweitert, um deren Einfluss zu berücksichtigen. Um auch Triaxialversuche simulieren zu können, wird zudem die Wechselwirkung zwischen der Partikel-Fluid-Mischung und einer verformbaren Gummimembran im CFD-DEM-Code implementiert. Die im Röntgen-Tomographen durchgeführten Experimente im Mikromaßstab werden zur Validierung der neu entwickelten CFD-DEM eingesetzt. Bei den Experimenten liegt der Fokus auf der Bildung von Kapillarbrücken bei der Entwässerung einer Sandsäule und auf dem Verformungsverhalten bei einem Triaxialversuch. Zur Erreichung der gesteckten Ziele besteht eine Kooperation mit der DCS Computing GmbH aus Linz/Österreich. DCS entwickelt den Code CFDEM-coupling, der im Rahmen des Forschungsvorhabens eingesetzt wird. Die Kooperation findet im Rahmen des D-A-CH-Abkommens zwischen Deutschland (DFG; weave lead agency) und Österreich (FWF) statt.

Projekterelevante Publikationen

  •  Heinrich D., Niemann M., Goniva C., Kloss C., Grabe J. (2024): Membrane Particle Interaction in Triaxial Testing: FEM-DEM Coupling and CT Imaging Insights. In: Book of Abstracts - 5th Aspherix & CFDEM conference, Vienna, Austria. DOI:  10.3217/978-3-99161-020-5

  • Niemann, M., Heinrich D. (2024): Liquid-gas flow around resolved densely-packed objects in CFDEMcoupling. In: Proceedings of 11th International Conference on Conveying and Handling of Particulate Solids, Edinburgh, Scotland.

Projektrelevante studentische Arbeiten

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Zum Kontaktverlust zwischen Rammgut und Boden beim Vibrationsrammen von Pfählen in den gesättigten Boden (KORA)

Stand: 16.04.2024
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/49-1
  • Laufzeit/Sachbearbeiterin: 15.11.2022 - 31.12.2023 (13,5 Monate), 16.04.2024 - 28.02.2025 (Mechthild Cramer, 10,5 Monate)
  • Status: Laufendes Projekt

Projektbeschreibung

Die Vibrationsrammung von Pfählen ist ein bewährtes Einbringverfahren, um das Rammgut schnell und wirtschaftlich in den Untergrund einzubringen. Im Vergleich zu anderen Verfahren stellt die Vibrationsrammung ein relativ erschütterungs- und geräuscharmes Einbringen des Rammguts dar. Aktuelle Untersuchungen zeigen unzureichende Übereinstimmungen mit den Beobachtungen und Interpretationen entsprechender Experimente. Bei der Aufwärtsbewegung kann sich unter dem Pfahlfuß ein Hohlraum bilden. Die Natur dieses vermutlich entstehenden Hohlraums ist nicht vollständig verstanden. Außerdem ist die Separation zwischen Porenwasser und Bodenpartikeln und ein möglicher Phasenübergang des Porenwassers zu Wasserdampf (Kavitation) aufgrund des Unterdrucks nicht hinreichend erforscht. Der dazu erforderliche Kavitationsdruck wird erreicht, wenn das Porenwasser aufgrund der Durchlässigkeit des Bodens nicht ausreichend schnell in den Hohlraum einströmen kann. Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die Vorgänge am Pfahlfuß bei der Aufwärtsbewegung beim Vibrationsrammen sowie die Beeinflussung des späteren statischen Tragverhaltens durch den Einbringvorgang zu klären. Ein weiteres Ziel ist es, den Einfluss der physikalischen Kavitation und den vermuteten Hohlraum unter dem Pfahlfuß beim Vibrationsrammen zu untersuchen. Hierzu werden Computersimulationen durchgeführt, die mithilfe von Modellversuchen validiert werden.

Projektrelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Closed-loop control of a nonlinear vibrator-profile system penetrating a heterogeneous ground (VibroSys)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Förderkennzeichen: GR 1024/50-1
  • Laufzeit: 01.12.2021 – 31.12.2022, Pause, 01.01.2025 – 30.11.2027 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter:in: Francisco Williams Riquer
  • Status: Projekt pausiert bis 31.12.2024

Projektbeschreibung

Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines nichtlinearen Reglers zur Optimierung des Vibrationsrammverfahrens, um die Installationszeit und die an die Umgebung übertragenen Schwingungen zu minimieren. Dazu wird ein vereinfachtes nichtlineares mechanisches Modell entwickelt und simuliert, das die Interaktion zwischen Vibrator-Pfahl-Boden beschreibt. Aus dem vereinfachten mechanischen Modell wird ein Regler abgeleitet und in der Simulation getestet. Der Aufbau eines Versuchsaufbaus, der den Vibrationsrammvorgang abbildet, ist geplant. In dem Versuchsaufbau wird der abgeleitete Regler für verschiedene Bodenverhältnisse und Pfahlprofile getestet. Anschließend werden numerische Simulationen durchgeführt, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse des Modells auf reale Szenarien zu überprüfen, wobei ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Regelung des exzentrischen Moments berücksichtigt wird.

Projekterelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Zukunft der Tideelbe im Klimawandel - Klimawandel und Hochwasserschutz (TideelbeKlima)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

Projektbeschreibung

Das Verbundprojekt TideelbeKlima verfolgt vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels das Ziel, die denkbaren Optionen für den Hochwasserschutz der Zukunft im tidebeeinflussten Bereich der Elbe dem Grunde nach zu identifizieren und zu analysieren sowie diese aus wasserbaulicher, geotechnischer, wasserwirtschaftlicher, ökologischer und ökonomischer Sicht vergleichend zu bewerten. Auf Grundlage der Bewertung werden dann im Vorhaben Handlungsoptionen für die Zukunft abgeleitet. Die Tideelbe wurde als größtes deutsches Tideästuar  mit der Stadt Hamburg und der daran anschließenden Metropolregion Hamburg als beispielhaft auch für die anderen deutschen Tideästuare für die Untersuchungen ausgewählt.

In der Geotechnik werden experimentelle, mathematische und numerische Methoden angewandt, um die Verformung und Standsicherheit von Konstruktionen zu ermitteln. Neue Erkenntnisse werden aus dem Zusammenspiel der Methoden abgeleitet und durch Anwendung und Beobachtung empirisch überprüft. Es wird die Mathematische Optimierung mit Evolutionären Algorithmen (MOEA) zur Optimierung der Hochwasserschutzeinrichtungen eingesetzt.

Projektgebiet im Vorhaben. Der Untersuchungsraum entspricht den überflutungsgefährdeten Gebieten im Bereich der Tideelbe. Quelle: IWB TUHH

Projekterelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Optimierte Steuerung von Herstellungsprozessen im räumlich variierenden Baugrund

Stand: 02.01.2024
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Allgemeine Angaben

  • Mittelgeber: Technische Universität Hamburg (TUHH)
  • Laufzeit: 01.01.2022 bis 31.12.2022 (12 Monate)
  • Sachbearbeiter: Philip Zirfaß
  • Status: Projekt abgeschlossen

Projektbeschreibung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Methoden zur optimierten Steuerung von Herstellungsprozessen in räumlich variierendem Baugrund.
Der Fokus liegt dabei auf der multikriteriellen Optimierung des Bauablaufes hinsichtlich Bauzeit, Baukosten und Herstellungsqualität. Darüber hinaus ist das Ziel, Methoden zur Steuerung einer autonomen Baustelle zu entwickeln, auf der sowohl die Herstellungsprozesse als auch die Optimierung dieser autonom auf Basis des anstehenden Baugrunds ablaufen. Mithilfe einer Modellbaustelle soll anschließend die Praxistauglichkeit dieser Methoden erprobt werden.

Projektrelevante studentische Arbeiten

  • J. S. (2022): Prozessorientierte Analyse der Herstellung geotextilummantelter Sandsäulen an einem Fallbeispiel (Bachelorarbeit)
  • F. P. & L. S. (2022): Prozessorientierte Analyse der Herstellung von Stabilisierungssäulen an einem Fallbeispiel (Bachelorarbeit)

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Untersuchung funktionalisierter Partikel

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Angaben

Projektbeschreibung

Boden ist ein natürliches Partikel-Fluid-System (PFS), in dem komplexe physikalische, chemische und biologische Prozesse, Grenzflächenphänomene und Phasenübergänge auftreten, die unzureichend experimentell untersucht, verstanden und numerisch modellierbar sind. Bei technischen PFS werden bestimmte Eigenschaften der Partikel durch kontrollierte physikalische, chemische und biologische Prozesse, Grenzflächenphänomene und Phasenübergänge kreiert (z. B. funktionalisierte Partikel).   Auch hier besteht Forschungsbedarf bzgl. dem Verständnis, der Modellierung und der Verfahrensoptimierung. Die Fragestellungen in natürlichen und technischen PFS sind zum Teil analog. Es liegt daher nahe, Prozesse in natürlichen und technischen PFS interdisziplinär zu erforschen, um auf beiden Seiten zu einem Erkenntnisgewinn zu gelangen. Durch die Zusammenarbeit mit strategischen Partnern und den an der TUHH vorhandenen Einrichtungen, wie z. B. der Elektronenmikroskopie, sollen Prozesse über mehrere Längenskalen sichtbar gemacht werden. Prozessmodelle und numerische Simulationsmethoden der beteiligten Kollegiaten dienen dabei zum besseren Verständnis und zur Beschreibung komplexer Prozesse. Durch die Zusammenarbeit werden neue Erkenntnisse in der fachübergreifenden Methodik erwartet. Ein Graduiertenkolleg bietet hierfür den optimalen Rahmen. Es werden Wissenschaftler aus den Fachgebieten Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Verfahrenstechnik ihre Forschung zum Leitthema „Prozesse in natürlichen und technischen Partikel-Fluid-Systemen“ (PintPFS) bündeln. Die vorhandenen Kompetenzen und Ressourcen der beteiligten Wissenschaftler bzgl. experimenteller Untersuchungen und Modellierung/Simulation von PFS ermöglichen einen interdisziplinären Forschungsansatz, der Innovationen vor allem auf folgenden Gebieten erwarten lässt: Fortschritte bei der Modellierung von PFS, Verständnisgewinnung bei Kapillareffekten, Modellierung von Erosions-, Transport- und Sedimentationsprozessen, Entwicklung funktionalisierter Partikel sowie Entwicklung numerischer Experimente für PFS.

Der dritte Themenschwerpunkt von Verbundprojekt ist auf Partikel und PFS fokussiert, die mit technischen Verfahren so aufbereitet werden, dass sie eine bestimmte Funktion erfüllen. Das gilt gleichermaßen für die in der Verfahrenstechnik bereits bekannten funktionalisierten Partikel wie auch für die im Bauingenieurwesen und im Maschinenbau vorliegenden Ideen zur Nutzung solcher Partikel. Untersucht werden funktionelle Granulate, mesoporöse Materialien, wie z. B. Silikate, Pulver aus Silikatkörnern, Aerogelpartikel, nanoporöse Pulver und Feststoffe, funktionalisierte Bindemittel und funktionalisierter Bodenpartikeln.

Projekterelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Untersuchung von Erosionsprozessen an der Grenzschicht Boden/Wasser und im Bodeninnern

Stand: 02.01.2024
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Allgemeine Angaben

Projektbeschreibung

Aufgrund des Klimawandels kommt es immer häufiger zu Überschwemmungen. Infolgedessen sind Wasserrückhaltebauwerke wie Spundwände oder Deiche einer erhöhten Belastung ausgesetzt.  Neben der Hauptgefahr der Überflutung ist der Materialtransport im Boden und an der Grenzfläche zwischen Wasser und Boden ein wesentlicher Faktor für die Stabilität und Gebrauchstauglichkeit dieser Bauwerke.

Die rückschreitende Erosion ist eine Sonderform der inneren Erosion, welche eine Gefährdung für die Standsicherheit von unter- und durchströmten Bauwerken, wie Deichen, Wehren und Schleusen, darstellt. Mögliche Schäden durch innere Erosion werden meist konstruktiv, beispielsweise durch Filter oder Unterbrechung der Strömung, begegnet, da diese rechnerisch nicht erfasst werden können. Der Materialtransport findet in röhrenförmige „Hohlräume“ (Kanäle oder Pipes) statt. Der Prozess wird als rückschreitende Erosion bezeichnet, da sich die Kanäle entgegen der Fließrichtung des Wassers ausbilden. Dabei beginnt die Erosion am unterströmigen Ende des Bauwerks und breitet sich gegen die Fließrichtung in einem Kanal im Boden, zwischen Boden und Bauwerk oder an der Schichtgrenze aus. Während der rückschreitenden Erosion finden verschiedene Prozesse statt, wie beispielhaft nachfolgend für einen Deich beschrieben wird. Zunächst bewegen sich kleine Partikel in sehr kleinen Kanälen (Suffosion). Erreicht der Kanal das stromaufwärts liegende Ende startet der Aufweitungsprozess und wenn dieser wiederum das stromaufwärts gelegene Ende erreicht hat, steigen die Materialtransportmengen und damit die Strömungsgeschwindigkeit an. Dies führt zum Versagen des Deiches.

Für das bessere Verständnis der mechanischen und hydraulischen Prozesse von Erosionsprozessen bietet die Computertomografie (CT) als bildgebendes Verfahren die Möglichkeit der zerstörungsfreien Untersuchung des Inneren von Bodenproben. Für die numerische Simulation von Erosionsprozessen bieten multiskalige Ansätze wie die CFD-DEM Koppelung die Darstellung auf Partikelebene.

 

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Smart Vibrodriving - SMARTVIB

Stand: 23.10.2023
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General Information

Project Description

This project endeavours to establish an advanced control system designed to facilitate the automated adjustment of feed parameters in mechanical vibrators for pile installation. Presently, these parameters necessitate manual selection and adjustment by the operator, resulting in potential delays and hindered progress in driving piles into the ground, accompanied by the transmission of vibrations to the surrounding environment. To address these challenges, our project will undertake comprehensive simulations, employing them as a basis for developing an optimized controller. Subsequently, rigorous testing will be conducted on a dedicated test stand, featuring a miniaturized vibro driver. Moreover, field measurements will be performed, utilizing authentic vibrators, in order to validate the effectiveness and practicality of our proposed solution.

Project Relevant Publications

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Project Relevant Student Work

  • Pulido Guerrero (2022): Multi-body Simulation MBS in Matlab/Simulink of the Vibrodriving process and a fuzzy logic controller implementation to reduce the installation time
  • J. Beisner(2022): Development and automatic control of a scaled-down pile vibrator

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Adhäsion zwischen ebenen Stahloberflächen und kohäsiven Böden (ASBO)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Informationen

  • Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Dauer: 01.04.2023-31.03.206 (Teilprojekt Laborversuche), 01.08.2023-31.07.2026 (Teilprojekt Numerik)
  • Sachbearbeiter: Maximilian Schröder (Teilprojekt Laborversuche) und Megha Surya Narayanan (Teilprojekt Numerik)
  • Status: Laufendes Projekt

Projektbeschreibung

Ein vertieftes Verständnis der Kontaktfläche zwischen einer Struktur oder einem Werkzeug und dem umgebenden Boden ist für viele geotechnische Anwendungen fundamental. Anwendungsgebiete reichen von Pfahlstrukturen, welche ihre Tragfähigkeit über ihre Mantelfläche mobilisieren, bis hin zu Vortriebsschilden von Tunnelvortriebsmaschinen, deren Vortriebsleistung maßgeblich durch die Bedingungen in der Grenzfläche zum Boden gekennzeichnet ist. In den meisten geotechnischen Anwendungen wird das Reibungsgesetz nach Mohr-Coulomb verwendet, um die Interaktion zwischen Boden und Strukturoberfläche zu beschreiben. Für kohäsionslose Böden lässt sich dieser Ansatz gut verwenden, für kohäsive Böden jedoch ist das Verhalten in der Grenzfläche deutlich komplexer. Es kommt zu Anhaftungen und Verklebungen des Materials und es scheinen Kräfte in der Grenzfläche zu herrschen, die nicht lediglich auf Reibung zurückzuführen sind. Bisher gibt es kein zufriedenstellendes Modell, welches das Verhalten zwischen einer Stahloberfläche und einem kohäsiven Boden vollumfänglich abbilden kann. Das vorliegende Forschungsvorhaben hat u. a. das Ziel eine Versuchsdatenbank zu schaffen, die es erlaubt Modelle des Grenzflächenverhaltens zwischen kohäsiven Böden und Stahl abzuleiten. Diese basiert auf einem umfangreichen Versuchsprogramm mit spezialisierter Versuchstechnik und kontrollierter Probenherstellung. Aufbauend auf den Erkenntnissen sollen numerische Modellierungsansätze für die Grenzfläche entwickelt werden. Die entwickelten Modelle können in vielen geotechnischen Problemstellungen Anwendung finden. Zu nennen sind beispielsweise Zugpfähle in bindigen Böden sowie sich im maschinellen Tunnelvortrieb einstellende Verklebungserscheinungen. Die Berücksichtigung der Adhäsion kann zu einer wirtschaftlicheren Bemessung führen und die Möglichkeit Anhaftungen zu simulieren könnte es ermöglichen, Verklebungen an Werkzeugen in Abhängigkeit der Bodenbeschaffenheit besser vorherzusagen.

Projektrelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Kapillarkollaps in teilgesättigten Böden (KAKO)

State: 25.10.2023

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General Information

  • Funding: German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)
  • Duration: 01.10.2023-30.09.2026 (36 months)
  • Staff: Luisa Fernanda Pérez Jaimes
  • Status: Ongoing project

Project description

The capillary collapse is an irreversible volume reduction of partially saturated soils caused by provision of water at essentially unchanging total vertical stress. The cause of this phenomenon is probably, among other factors, the increasing dissolution of the capillary bridges, which is accompanied by a reduction in the stabilizing capillary cohesion and ultimately leads to rearrangements of the grain structure. Loosely bedded, fine-grained soils with a metastable microstructure are particularly at risk in this context. So far, existing studies on capillary collapse focus mainly on the macroscopic investigation, which is why the processes occurring on the microscale are still poorly understood. Within the framework of this research project, a better understanding of the physical processes occurring in granular media during capillary collapse on the particle scale is therefore to be gained. For this purpose, three different model soils, which show an increasing degree of complexity due to deviations from the simplest, idealized particle mixture (spherical particles with homogeneous density and uniform size), will be investigated. The starting point of the investigations is a polydisperse packing of industrially manufactured glass beads. In the next step, a model soil of natural, randomly shaped sand particles is investigated. The starting point of the investigations is a polydisperse packing of industrially manufactured glass beads. In the next step, a model soil of natural, randomly shaped sand particles is investigated. Since dump soils from opencast lignite mining are among the most endangered soils in Germany, another model soil will be investigated that contains lignite particles naturally occurring in opencast mine dump soils in addition to the sand grains as an example of a special particle structure (microporosity). In situ CT experiments with the help of the three-dimensional image data recorded over time allow insights into the processes taking place at the micro level as well as an analysis of the particle movements, whereby the knowledge gained can contribute significantly to the development of a deeper understanding of the collapse processes during saturation. Microscopic changes, e.g. in the phase distribution and capillary menisci, can be recorded and the relation to the occurring macroscopic collapse deformations can be analysed. In the planned macroscopic and microscopic experiments, the influence of various boundary conditions such as the applied vertical stress, the lignite content, the irrigation rate and irrigation direction or the matric suction present in the soil will be quantitatively investigated.

 

Project relevant publications

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Project relevant student works

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Trag- und Interaktionsverhalten von Nassmörtelsäulen und granularen Lasttransferschichten in kombinierten Systemen (TINA)

Stand: 25.10.2023
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Allgemeine Informationen

  • Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Dauer: 01.11.2023-31.10.2025 (24 Monate)
  • Sachbearbeiter: Pauline Kaminski
  • Status: Projektbeginn am 01.11.2023

Projektbeschreibung

Stabilisierungssäulen, d. h. hydraulisch gebundene Säulen, die zur Baugrundverbesserung eingesetzt werden, sind ein vergleichsweise junges Bauverfahren in Deutschland. Ein wesentlicher Unterschied von Stabilisierungssäulen zur konventionellen Pfahlgründung stellt die Lasttransferschicht (LTS) über den Säulen dar. Die Säulen, der Boden zwischen den Säulen und die LTS interagieren und bilden ein kombiniertes Gesamtsystem, welches das Tragverhalten bestimmt. Das beantragte Forschungsvorhaben umfasst im Schwerpunkt den Säulentyp der Nassmörtelsäule. Nassmörtelsäulen werden nach dem Abteufen des Bohrers im Teil- oder Vollverdrängungsverfahren durch Betonage im Kontraktorverfahren hergestellt. Der Durchmesser der Säulen beträgt in der Regel ca. 20 bis 40 cm. Die Herstellung erfolgt in einem gleichmäßigen Raster mit einem Achsabstand von 3D bis 5D.

Das Tragverhalten des kombinierten Systems ist noch nicht vollständig verstanden und die der Bemessung zugrundeliegenden Modellvorstellungen beruhen auf stark vereinfachten Ansätzen. Der Einfluss einer Veränderung der Bodenzustandsgrößen durch den rasterförmigen Einbringprozess ist bislang nicht quantifiziert. Weiterhin ist der Einfluss von zyklischen Lasten auf den Lasttransfer und die Gewölbewirkung in der LTS nicht hinreichend erforscht

Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es daher, das Tragverhalten von kombinierten Systemen unter Berücksichtigung von Herstellungseinflüssen, der Gruppenwirkung und der Interaktion zwischen Boden, Säule, Lasttransferschicht und Fundament am Beispiel von Nassmörtelsäulen und granularen Lasttransferschichten bei statisch monotonen und zyklisch auftretenden Lasten zu klären. Hierzu werden numerische Simulationen ausgeführt, welche durch Modellversuche ergänzt und validiert werden. Bei den numerischen Berechnungen wird mit Kontinuumsmodellen gearbeitet. Die entsprechenden Gleichungen werden mit der FEM gelöst. Dazu wird der CEL-Ansatz angewandt, der sich bei den Voruntersuchungen zur Simulation des Bohrvorgangs bewährt hat.

Projektrelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Virtual Soil Laboratory

Stand: 06.02.2024
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Allgemeine Informationen

  • Förderung: Technische Universität Hamburg (TUHH), Poolstelle
  • Dauer: 01.02.2024 bis 31.01.2028 (48 Monate)
  • Sachbearbeiter: Mohamed Ali Abdennadher
  • Status: Laufendes Projekt

Projektbeschreibung

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Projektrelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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Ertüchtigung und Optimierung von Kaimauern

Stand: 07.10.2024
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Allgemeine Informationen

  • Förderung: Technische Universität Hamburg (TUHH), Promotionsförderungsstelle
  • Dauer: 01.10.2024 bis 31.03.2028
  • Sachbearbeiter: Daniel Tetla
  • Status: Laufendes Projekt

Projektbeschreibung

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Projektrelevante Publikationen

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Projektrelevante studentische Arbeiten

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