Research projects

Status: 22.11.2024

Content

  1. List of ongoing research projects sorted chronologically
  2. List of completed research projects sorted chronologically with links to 4.
  3. List of completed and ongoing research projects sorted by topic with links to 4.
  4. Brief description of completed and ongoing research projects (accessible via the links in 1. to 3.)

List of ongoing research projects sorted chronologically

The following list of ongoing projects is sorted chronologically according to the respective project start date.

2025

2024

2023

  • Capillary collapse in unsaturated soils (KAKO)
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project GR 1024/58-1
    Duration: 01.10.2023 to 30.09.2026 (36 months)
    Researcher: Luisa Fernanda Pérez Jaimes
    Status: Ongoing project
  • Load-bearing and interaction behaviour of wet mortar columns and granular load transfer layers in combined systems (TINA)
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project GR 1024/55-1
    Duration: 01.11.2023 to 31.10.2025 (24 months)
    Researcher: Pauline Kaminski
    Status: Ongoing project
  • Adhesion between flat steel surfaces and cohesive soils (ASBO)
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), collaborative project GR 1024/59-1 and MI 2397/2-1
    • 1st sub-project focused on laboratory tests: 01.04.2023 to 31.03.2026 (36 months), Researcher: Maximilian Schröder
    • 2nd sub-project focused on numerical simulation: 01.08.2023 to 31.07.2026 (36 months), Researcher: Megha Nurya Narayana
    • Status: Ongoing project

  • Investigation of geotechnical boundary value problems with soil-water interaction by means of Double-Point Material Point Method (2P-MPM)
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project GR 1024/45-2
    Duration: 01.03.2023 to 31.10.2024 (20 months)
    Researcher: Alexander Chmelnizkij (01.03.2023 to 31.12.2023), Rahul Somasundaram (01.01.2024 to 31.10.2024)
    Status: Ongoing Project
  • Investigation of functionalized particles
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Graduiertenkolleg GRK 2462-1 "Processes in natural and technical particle-fluid systems (PintPFS)"
    Duration: 01.03.2022 to 28.02.2025 (36 months)
    Researcher: Clara Toffoli (scholarship holder of 2nd cohort)
    Status: Ongoing project
  • Smart Vibrodriving – SMARTVIB
    Funding: Forschungsvereinigung Baumaschinen und Baustoffanlagen (FVB)
    Project management: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF)
    Duration: 01.01.2023 to 30.06.2025 (24 months)
    Researcher: Francisco Williams Riquer
    Status: Ongoing project

2022

2021

List of completed research projects sorted chronologically

The following list of completed projects is sorted according to the respective project start date.

2021

2021

2020

2019

2018

2016

  • Vibroflotation as liquefaction mitigation measure
    Funding: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
    Duration: 01.10.2016 to 30.09.2020
    Researcher: Spasha Nagula Sinduri
    Status: Completed project, PhD thesis in institute's series 2021 (Vol. 50)
  • Numerical process optimization
    Funding: Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
    Duration: 2016-2020
    Researcher: Jan Onne Backhaus
    Status: Completed project, PhD thesis 2021 in institute's series (Vol. 49)

2015

2014

2013

  • Soil erosion at riverbeds
    Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
    Duration: 2013 to 2018
    Researcher: Dessiree Plenker
    Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 46)
  • Formation of sealing connections in the stretch of waterways
    Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
    Duration: 2013 to 2015
    Researcher: Hatice Kaya
    Status:
    Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 37)
  • Finite Element based multicriteria numerical optimization of geotechnical structures at sevicability state (FEMNOG)
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/9-3
    Duration: 2013 to 2015 (24 months)
    Researcher: Karlotta Seitz
    Status: Completed project
    , final report
  • Influence of capillarity on the mechanical behaviour of non-cohesive soils under highly dynamic loaded logistics areas
    Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/11-2
    Duration: 2013 to 2015 (24 months)
    Researcher: Marius Milatz
    Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 36)
  • Scientific support of dike raisings
    Customer: Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz, Schleswig-Holstein (LKNM-SH)
    Duration: 2013 to 2015
    Researcher: Hatice Kaya
    Status: Completed project, internal report
  • Feasibility study for the construction of a test dike as a preliminary investigation for the research and development project “Determination of the resilience of dikes”
    Customer: Bundesanstalt für Wasserbau, in cooperation with Institut für Wasserbau der TUHH (leading partner), and WSV
    Duration: 2013 (3 months)
    Researcher: Désirée Plenker
    Status: Completed project, internal report

2012

2011

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

List of completed and ongoing research projects sorted by topic

The Institute's completed and ongoing research projects are sorted by topic below. 

Soil mechanics and soil dynamics

Geotechnical engineering

Marine Geotechnics

Optimization in geotechnical engineering and construction management

Use of near-surface geothermal energy

Miscellaneous

A short description of the research projects is available via the links to the ongoing and completed research projects

Numerical simulation of soil compaction with vibratory rollers

Status: 28.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 1999 to 2003 (48 months)
  • Researcher: Dr.-Ing. Martin Kelm
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 6)

Project description

Numerical simulation of the surface compaction of the soil with vibratory rollers based on the Finite Element Method (FEM). Simulation of the passage of vibratory rollers and the associated compaction of the soil with dynamic deformation analyses with explicit direct time integration and use of hypoplastic material models for the soil.

Project-relevant publications

  • Kelm M. (2004): Numerische Simulation der Verdichtung rolliger Böden mittels Vibrationswalzen. PhD thesis. 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 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 13th 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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Experimental and numerical investigation of jet grouting

Status: 28.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 1999 to 2001
  • Researcher: Jürgen Stein
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 8)

Project description

Experimental investigation by means of physical modelling (1g model tests), and numerical investigation by means of Finite Volume Method (FVM)  of erosion of non-cohesive soils due to impact of a water jet (jet grouting).

Project-relevant publications

  • Stein J. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren. PhD thesis. 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 13th 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: Tagungsband zum Workshop Messen in der Geotechnik, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 62, 209-222

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Fundamental tests on jet grouting

Status: 28.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/1-1
  • Duration: 2001 to 2003 (24 months)
  • Researcher: Jürgen Stein
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 8)

Project description

The jet grouting process is used for underpinning structures and for creating waterproof bases and walls. A high-pressure, high-energy jet erodes the soil and mixes it with a cement suspension. The effectiveness of the process is determined by the machine manufacturing parameters and the subsoil. At the TUHH, the erosion process was investigated by means of physical modelling (1g model tests). During the jet grouting process, the jet propagation was measured using an extensive measurement programme. The results were used to develop a hydrodynamic-mechanical model, which was added to the Finite Volume Method (FVM), and implemented in FVM-code COMET. These investigations focussed on the influence of the process on the geometric boundary conditions in the subsoil in terms of the jet shadow problem or the connection to existing structures.

Project-relevant publications

  • Stein J. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Düsenstrahlverfahren. PhD thesis, 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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Load-bearing behaviour of quay walls in the servicability state

Status: 28.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH), Hamburg Port Authority (HPA)
  • Duration: 2001 to 2003 (TUHH), 2003 to 2004 (HPA)
  • Researcher: Björn Mardfeldt
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 11)

Project description

For the economic and safe design of quay systems, the interaction between the structure and the ground must be taken into account. Quay facilities usually consist of a solid concrete structure founded on piles and secured with inclined anchors. Due to the tide-dependent water levels, the distribution of water and earth pressure on the quay wall is time-dependent. The following investigations are being carried out as part of the project:

  • model tests to investigate the tide-dependent earth and water pressure, 
  • two-dimensional mechanical-hydraulic coupled analyses with the FEM to investigate the transient seepage flow in the near field of quay systems, 
  • three-dimensional deformation analyses with the FEM to predict the load-deformation behaviour of the CTA quay system, taking into account production-related effects.
Figure 1: 3D FE-model of the CTA quay wall in Hamburg, Germany Figure 2: Detail of the 3D FE-model

Project-relevant publications

  • Mardfeldt B. (2006): Zum Tragverhalten von Kaikonstruktionen im Gebrauchszustand. PhD thesis. 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 13th 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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Traffic-caused vibrations in the subsoil - field measurements and numerical simulation

Status: 28.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Hamburg, Germany
  • Duration: 2002 to 2006 (48 months)
  • Researcher: Thorsten Bierer
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 13)

Project description

The German Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg planned the construction of the linear accelerator TESLA. As part of this project, the movements of the planned tunnel due to microseismic and traffic-induced vibrations were investigated. In the area of the route of the linear accelerator, DESY carried out seismic investigations to measure ground movements.

Projektrelevante Publikationen

  • Bierer T. (2007): Bodenschwingungen aus Straßenverkehr auf unebener Fahrbahn im Zeitbereich - experimentelle und theoretische Untersuchungen. PhD thesis. 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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Compaction of non-cohesive soils due to dynamic pile driving and due to surface compactors

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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Set-up of displacement piles

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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Optimization of geotechnical constructions and construction methods

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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Tertiary compression of organic marine sediments

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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Installation influence from pile driving in quay wall construction

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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Deformation of monopiles under cyclic loading

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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Influence of wings on piles with predominantly horizontal loading

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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Traffic-caused vibration of subsoil - sub-project dispersion wave measurement

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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Numerical simulation of unsaturated soils based on a mixture theory

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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Numerical simulation of geotechnical processes with large soil deformation by means of FEM with the Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach

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 Element-based multicriteria numerical optimization of geotechnical structures in the servicability state (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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Geotheral and sorption-based air-conditioning (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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Development of an efficient design basis for king piles of combined steel sheet pile walls

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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Investigations into the use of METHA material as a building material

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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Stability of underwater excavations pits

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

Link zur Projekt-Homepage

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

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/27-1 in the framework of DFG Priority Programme SPP 1886 “Polymorph uncertainty modelling for the numerical design of structures”
  • Duration: 2016 to 2019 (36 months)
  • Staff: Andre Vogel (27 months), Timon Burgwedel (9 months)
  • Status: Completed project, interim report and continuation proposal

Project description

As part of the research project, the scatter of soil state variables (stress state and void ratio) and their influence on the result of Cone Penetration Tests (CPT) and, furthermore, on the design of geotechnical structures was investigated. Using existing CPT data in a geotechnically well-explored test field in Hamburg, an inverse parameter determination was carried out using numerical optimization. This allows the vertical stress and density distribution in the test field to be deduced by numerical simulation of the CPTs. The soil models derived in this way were used for further numerical simulations, for example of full displacement bored piles in the test area, for which measurement data is also available. From the numerical and measured results, correlations between the peak resistance of the CPT probe and the soil state variables were investigated and further developed. This also included a correlation of machine parameters during the installation of the full displacement bored piles with the soil properties and with the expected pile load-bearing capacity. Overall, the influence of data scatter and uncertainty on the numerical results and on the design was investigated.

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Increasing the load-bearing capacity of geotechnical structures by means of shear zone strengthening (TGTSV)

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), projects No. GR 1024/23-1, 23-2, and 23-3
  • Duration: 2016 to 2019 (24 months), 2021 to 2023 (24 months), 2023 to 2025 (24 months)
  • Staff: Karlotta Seitz (21-1), Elnaz Hadjiloo (21-2 and 21-3)
  • Status: Ongoing project, paused until 31.08.2025

Project description GR 1024/23-1

The subject of the research project was the investigation of limit states of the load-bearing capacity of geotechnical structures with regard to the increase in the load-bearing capacity. The focus here is on the shear zones that form in the ground. An innovative approach to increasing the load-bearing capacity of geotechnical structures was investigated: the strenghtening of shear zones. Based on the idea of ​​a decisive failure mechanism with an associated load-bearing capacity, the load-bearing capacity can be increased if this mechanism is deliberately hindered by shear zone strengthening. The shear zones and load-bearing capacities of two geotechnical structures were determined in numerical simulations. A method was developed that enables an automated numerical simulation of the strengthening of shear zones. The method was developed on the basis of previously developed concepts for the numerical optimization of geotechnical structures in the serviceability state. The increase in load-bearing capacity could thus be determined numerically, as well as the mechanical stress to which the strengthening material is exposed. 1g model tests with shear zone strengthening were then carried out. In preliminary tests, suitable materials were selected and a method for shear zone strengthening was developed for the model scale. The findings were applied to ng model tests in a geotechnical centrifuge and thus the transferability to a real stress level was checked.

Project description GR 1024/23-2

...

Project description GR 1024/23-3

...

Project relevant publications

  • Seitz K. (2021): Zur Topologieoptimierung von geotechnischen Strukturen und zur Tragfähigkeitssteigerung des Baugrunds durch Scherfugenverfestigung. PhD thesis. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 45
  • Hadjiloo E., Grabe J. (2023): Numerical shear band strengthening with contact modelling for the increase of load capacity of geotechnical structures. In: Proceedings of 5th International Conference on Geotechnics for Sistainable Infrastructure Development 2023 in Hanoi/Vietnam, Phung Duc Long, Nguyen Tien Dung (eds), Construction Publishing House, pp. 272 (abstract)
  • Hadjiloo E., Grabe J. (2023): Investigation of shear band strengthening by using different strengthening criteria. In: Proceedings of 8th International Symposium on Deformation Characteristics of Geomaterials 2023 in Porto (IS-PORTO), E3S Web of Conferences, Vol. 544, No. 11002, DOI: 10.1051/e3sconf/202454411002
  • E. Hadjiloo, Grabe J. (2022): Erste Ansätze zur Scherfugenverfestigung geotechnischer Konstruktionen mittels Scherfugenverfestigung. 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. 201–205
  • 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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Investigations into the implementation of vibro-pressure processes and the production of vibro-compacted columns and geotextile-coated columns

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH), Postdoc scholarship
  • Duration: 01.10.2016 to 30.09.2017 (12 months)
  • Staff: Sparsha Nagula Sinduri
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 50)

Project description

The aim was to determine the research needs in the field of soil compaction using vibrocompaction methods, vibrocompaction columns and geotextile-coated columns by evaluating field investigations and by using our own numerical simulations based on the Finite Element Method (FEM) using the Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach.

Project relevant publications

  • Nagula S. (2021): PhD thesis see DAAD project
  • 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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Optimization of construction machinery and construction processes

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH), Werner-Möbius-Stiftung
  • Duration: 15.10.2014 to 14.10.2017
  • Staff: Dominik Zobel (15.10.2014 to 31.08.2016), Marius Milatz (16.05.2015 to 15.08.2018)
  • Status: Completed project

Project description

As part of the project, the optimization of a number of construction machines and construction methods was investigated:

Project relevant publications

  • 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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Investigation of failure of sheet pile interlocks due to installation of combined sheet pile walls

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/18-1
  • Duration: 2014 to 2017 (36 months)
  • Staff: David Osthoff
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 43)

Project description

Steel sheet piles are used in geotechnics for retaining walls of excavation pits and quay wall constructions, among other things. The design of such sheet piles is based on static calculations for construction and operating conditions. Installation-related stresses due to indentation, vibratory driving, and impact driving of the steel profiles into the subsoil are not taken into account. In construction practice, particularly in the highly stressed composite sheet piles of modern quay wall constructions, damage in the form of failure of the sheet pile interlocks is often evident. Examples include the quay wall constructions in Rotterdam (Maasvlakte I, 1972), Bremerhaven (Neue Kaiserschleuse, 2009) and the recent damage to the quay construction in Wilhelmshaven (JadeWeserPort, 2012). As part of the research project, the total load on steel sheet piles was investigated, taking manufacturing-related influences into account on the basis of numerical modelling. The subject of the investigations included the guidance of pile driving equipment, the heat development in sheet pile interlocks during piling and the spatial distribution of earth and water pressure in combined steel sheet pile walls. The aim of the project was to develop design rules to reduce sheet pile damage in future construction projects.

Project relevant publications

  • 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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Hydraulic loosening of soils

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), project No. GR 1024/21-1
  • Duration: 2014 to 2016 (24 months)
  • Staff: Bozhana Kovac
  • Status: Completer project, interim report and continuation proposal, PhD thesis published in institute's series (Vol. 39)

Project description

Hydraulic loosening of soils plays a role in many geotechnical problems. One example is the jet grouting method, which uses high-pressure injection to grout soil. Although the method is versatile, there are often difficulties in accurately recording the effect of the high-pressure jet in the soil and in determining the diameter of the jet grouting elements, which depends on many factors, namely:

  • properties of soils (relative density of non-cohesive soils, consistency of cohesive soils),
  • properties of the fluid jet (composition, pressure),
  • and machine parameters (nozzle geometry, nozzle pressure, pulling speed and rotation speed).

Loosening the soil using a water jet is also used in the increasingly important field of offshore wind energy, namely in the installation of submarine cables. It is used to place the cable in the soil at a certain depth so that external influences, damage, and negative effects on marine flora and fauna are excluded.

An overarching goal of the research project was to map and record the processes taking place in the soil during jet grouting, as well as the factors influencing the range of the jet in the soil using numerical simulations. The simulation models used for this purpose are based on the Smoothed Particle Hydrodynamics Method (SPH), a mesh-free numerical method that has proven itself in the field of physics and fluid dynamics. The SPH has already been successfully used to calculate multiphase flows as well as flows with free surfaces and solids-rich flows. Recent research results indicate that the method is also suitable in computational soil mechanics. As part of the project, a material model and a boundary condition for soil were implemented and validated in the SPH-code GADGET-H2O and simulations of the jet grouting were then carried out. The results provided a conclusion about the range of the fluid jet and the relationships between various soil and process parameters, and thus made a contribution to increasing the economic efficiency and improving the quality assurance of geotechnical processes.

Project relevant publications

  • 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. PhD thesis. 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: Proceedings of Workshop on Numerical Methods of Water-Soil Boundary Layers under Currents and Waves (Morphodynamics 2015), 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. In: Proceedings of International Symposium on Geomechanics from Micro to Macro 2014 in Cambridge/UK, pp. 999–1004, Soga et al. (eds.)

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Development of bionic dental implants using structural optimization

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Forschungszentrum Medizintechnik Hamburg (fmthh)
  • Project partner: T. Köhne (Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, UKE)
  • Duration: 01.08.2015 to 31.12.2016 (6 months)
  • Staff: Karlotta Seitz
  • Status: Completed project, internal report

Project description

Bionics researches biological construction and development principles and applies them to the design of medical products. Although around 1 million dental implants are placed every year in Germany alone, there is no agreement on the ideal shape, size, and number of implants, as the development principles of the human tooth roots to be replaced are unclear. The aim of this funding application was to transfer geotechnical topology optimization models to the human periodontium in order to understand the basic mechanisms of tooth root formation.

To create the model, the dimensions of the tooth root and jawbone were determined using digital volume tomography of patients with physiological bone conditions. A simplified finite element model was created from the averaged values. The material properties of the tooth and alveolar bone were determined on human autopsy specimens using micro Computed Tomography and nanoindentation.

The Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method was not suitable for simulating the tooth root. The Soft Kill Option (SKO) method, on the other hand, showed good optimization results. The SKO method was the first to create a numerical model that describes root formation in three dimensions without any shape specifications.

Project relevant publications

  • 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

Project relevant student works

  • Schaupeter E. (2017): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren für bionische Zahnimplantate. Bachelor thesis
  • Bröhan, J. (2016): Studie zur Anwendung von Strukturoptimierungsverfahren auf Zahnwurzeln. Bachelor thesis
  • Engel, T. (2016): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln im dreidimensionalen Modell. Bachelor thesis
  • Edding, E. M. (2016): Studie zur Optimierung von Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelor thesis
  • Sander, M. (2015): Studie zu bionischen Gründungen am Beispiel von Zahnwurzeln. Bachelor thesis

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Numerical process optimization

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 2016 to 2020 (48 months)
  • Staff: Jan Onne Backhaus
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 49)

Project description

At the beginning of the project, the focus was on the topic of “Lean Construction”, then the topics “Numerical methods for predicting project duration” and “Numerical optimization methods for project planning” were addressed.

Project relevant publications

  • Backhaus J. O. (2021): A methodology for the numeric time-cost forcecast and paretro optimization of large injection projects in tunneling. PhD thesis. Technische Universität Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 49
  • Backhaus J.O.  (2020): Bauzeitenvorhersage von Injektionen im Tunnelbau. In: Bautechnik 97, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 23–33

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Development of a Subgrade Reaction Model for piles under lateral loading with variable load direction

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 2018 to 2019
  • Staff: Anne Hagemann
  • Status: Completed project, successor DFG projects GR 1024/37-1 and 37-2

Project description

The project is based on the further development of a hypoplastic Subgrade Reaction Model for single piles under lateral loading. The extensions include the consideration of the soil density (pycnotropy), the stiffness at small strain (small strain stiffness) and the time-varying load direction to take pile drift into account. The work will be continued from 2019 as part of the DFG project GR 1024/37-2 and GR 1024/37-2 as well as WI 3810/5-1 and WI 3810/5-2 “Holistic approach for the design of single piles and pile groups”.

Project relevant publications

  • 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 of feasibility of a particle sensor for micromechanical detection of unsteady transport processes at soil-water interface

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH), collaborative I3 project 2018
  • Project partner: Prof. Hoc Khiem Trieu, Institut für Mikrosystemtechnik, TUHH
  • Duration: 2018 to 2019 (6 months)
  • Staff: Timon Burgwedel
  • Status: Completed project, internal report

Project description

Feasibility study to develop a miniaturized particle that can be used for model tests at the interface between surface water and soil and can measure and store the fluid pressure and acceleration of the particle.

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Experimental and numerical investigation of wetting of porous media

Experimental and numerical investigation of wetting of porous media

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Technische Universität Hamburg (TUHH), collaborative I3 project 2018
  • Project partner: Prof. Alexander Düster, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, TUHH
  • Duration: 2018 (6 months)
  • Staff: Tom Törzs
  • Status: Completed project, internal report

Project description

The main objective of this project, which arises from numerous similarities in the applicants' research interests and methods, was to prepare a joint DFG application to investigate the influence of wetting of porous materials on their mechanical behaviour. To this end, appropriate preliminary work of an experimental and numerical nature must be carried out, which is outlined in Section 4. It is planned to publish the results obtained as part of this application together, in order to be able to document the applicants' corresponding preliminary work. The global objectives of the planned DFG research application, which should also serve as a guide for the current start-up project, can be formulated as follows:

  • To gain a better understanding of the micromechanical deformation and fracture behaviour of porous composite materials that are formed by wetting a porous material with at least one other phase;
  • Development and application of methods to generate numerical models based on Computed Tomography (CT);
  • Bridging the gap between the microscopic and macroscopic material behaviour of porous composite materials.

The project resulted in the DFG proposal GR 1024/41-1 and DU 405/17-1 “Numerical modelling of partially cemented soils in stagnation domain”, which was approved in 2020.

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Vibroflotation as liquefaction mitigation measure

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
  • Duration: 01.10.2016 to 30.09.2020
  • Staff: Sparsha Nagula Sinduri
  • Status: Completed project, PhD thesis published in institute's series (Vol. 50)

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. PhD thesis. 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 123, No. 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.), pp. 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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Multiscale modelling of physical processes at soil-water interface

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) and Österreichischer Wissenschaftsfonds (FWF), collaborative project GR 1024/22-1 dnd 22-2 (DFG) as well as i2257-N29 (FWF) in the framework of the D-A-CH agreement
  • Research partner: Dr. Christoph Goniva, DCS Computing, Linz, Austria
  • Duration: 01.07.2016 to 31.07.2020 (48 months)
  • Staff: Manuela Kanitz
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 48)

Project description

As part of the first project phase, physical processes at the free water-soil interface were investigated. These included mechanically and hydrodynamically induced erosion, transport and sedimentation processes. The focus was on underwater embankments made of sand, where such processes occur as a result of natural processes (tidal currents, surface waves, earthquakes, etc.) and construction-related processes (e.g. construction of artificial underwater embankments using underwater mining techniques). The corresponding effects on the stress state in underwater sand embankments and the associated embankment stability can be qualitatively categorised from a soil mechanics perspective, but a design model for the maximum long-term inclination of underwater sand embankments does not exist. Such a design model was developed based on a numerical model and accompanying model tests. The basis for this is a multi-scale model consisting of a continuum model including Navier-Stokes equations for the incompressible, viscous pore fluid and the surface water (solution of the field equations within the framework of CFD), a particle model including Newton's equations of motion for the grain structure (solution of the equations of motion within the framework of DEM) and a CFD-DEM coupling taking into account the interaction between the flowing fluid and the particles (flow resistance force, hydrodynamic buoyancy force, etc.).

Following theoretical preliminary work on fluid-particle coupling and CFD-DEM coupling, the latter was initially used to simulate the stability of small-scale underwater sand embankments as a result of various mechanical and hydrodynamic effects. In a second stage, an underwater sand slope with a height of approx. 5 metres was simulated at full scale. For this purpose, an intelligent "coarse graining" was applied within the framework of the CFD-DEM coupling, whereby the grain diameter of a sand was artificially increased so that larger areas can also be simulated with the CFD-DEM coupling. Finally, the resulting short and long-term inclination of underwater sand embankments was determined for various mechanical and hydrodynamic scenarios in order to derive a design model for artificially created underwater sand embankments.

The focus of the second project phase was on the expansion and development of the numerical method used to describe flow processes in soils. In this context, internal erosion (suffusion) in sandy soils was investigated first. Since the flow around the individual soil particles cannot be modelled in the non-resolved CFD-DEM, the method must be extended to capture the exact time and movement of the soil particles as the hydraulic gradient changes. The second focus of the continuation application was on the description of the water-air interface in the soil and the resulting capillary forces. New force models were developed and implemented for modelling the water-air interface in the soil using non-resolved CFD-DEM. These extensions enable deeper insights into the failure mechanisms of soil bodies and the modelling of water-soil interactions in saturated soils, as well as the first numerical calculation of partially saturated sandy slopes using non-resolved CFD-DEM.

Project relevant publications

  • 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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Optimised design of combined sheet pile walls for installation and final states

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Förderkennzeichen: P 1327
  • Project management: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke e. V.“ (AiF), Förderkennzeichen: IGF 19937
  • Project partner: Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart, Germany
  • Duration: 01.06.2018 bis 31.01.2021 (30 months)
  • Staff: Jannik Beuße
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 59)

Project description

The development of ship sizes is accompanied by special requirements for the quay walls of harbour facilities. As part of this research project, investigations were carried out to improve the economic efficiency and safety of the dimensioning of combined sheet pile walls for the installation and final state. The stresses on the profile during installation have so far only been included in the profile selection as empirical experience. Investigations into this were intended to provide holistic design criteria for optimized profile selection in order to ensure not only cost-effectiveness but also damage-free installation of the profiles in the correct position. As part of the design of the final state, the potential of the bearing piles of combined sheet pile walls remains unutilised with regard to the base bedding approach and the partial welding of double bearing piles. Building on the predecessor project P813, the economic efficiency is to be improved. In addition, the compatibility of the design with the changes to lateral-torsional buckling adopted in EN 1993-1-1 is to be ensured, and the installation situation improved through more economical regulations in EN 1993-5. For the design of intermediate piles, the consistency of the existing Annex C in EN 1993-5 and the concept of partially plastic moment resistance adopted for EN 1993-1-1 is to be ensured by means of an investigation. EN 1993-5, EAU 2012 and the predecessor project already provide approaches for the design of combined steel sheet piles that have been optimized in terms of their cost-effectiveness and application safety. Despite the improvements that have been made, the potential for greater cost-effectiveness and application safety remains unutilised. The same applies to the simplicity and therefore applicability of the rules. The aim of this project is to utilize this potential and thus provide SMEs with considerable benefits in terms of cost-effectiveness and safety when using combined steel sheet piling.

Project relevant publications

  • 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

Project relevant student works

  • Alkateeb D. (2019): Untersuchung der Änderung der Bodenzustandsgrößen in Abhängigkeit der Rammführung während der Einbringung von Tragbohlen. Master thesis
  • D., A. (2019): Untersuchung des Schwingverhaltens einer schweren Tragbohle während der Einbringung. Bachelor thesis
  • N., Q. (2019): Ermittlung von Drehbettungsansätzen für Tragbohlen kombinierter Spundwände im Klei. Master thesis
  • H., J. (2019): Untersuchung der dynamischen Einflüsse des Einbringverfahrens von Tragbohlen kombinierter Spundwände. Master thesis

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Mechanical-hydraulic interaction in porous asphalt considering unsaturated states

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), collaborative project GR 1024/25-1 and 25-2 as well as OE 514/4-1 and 4-2
  • Project partner: Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Oeser, Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen, Germany
  • Duration: 2016 to 2020 (48 months)
  • Staff: Tom Törzs
  • Status: Completed project, final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 55)

Keywords

Unsaturated soils, capillarity

Project description

As part of the joint research project, the system behaviour of infiltration-capable pavements with a polyurethane-bound surface layer on partially saturated base layers and natural soils is being investigated. There is a hydraulic-mechanical interaction between the surface course and the underlying layers and soils, which is being investigated experimentally and numerically as part of the project.

The primary aim of the research project is to create a basis for the design of water-permeable road structures. The effects of partial saturation on the stress-strain behaviour of the individual layers of the structure are to be quantified and taken into account. Furthermore, it is to be shown that the use of polyurethane (PU) as an alternative binder can significantly improve the fatigue resistance and service life of bound surface courses. In order to fulfil the objectives, fundamental experimental investigations were carried out in the first project phase on both the mechanical and hydraulic material behaviour on a laboratory, model scale and field scale. The results of these investigations will be used in the second phase of the project to calibrate hydraulic and mechanical material laws. These will in turn be used in numerical investigations into the load-bearing behaviour of water-permeable road structures in order to simulate the hydraulic-mechanical coupled behaviour of the system under wheel load as realistically as possible. Recommendations for optimized hydraulic and mechanical system behaviour of permeable road cross-sections are to be derived from the simulation results.

In addition, in-depth experimental investigations were carried out: On the one hand, studies on the pore space of the porous surface layer were performed using imaging methods and possible factors that impair the drainage performance are to be identified. Secondly, load tests were carried out again using the MLS30 mobile load simulator in order to assess the influence of high overruns on the system and the PU-bound surface layer in particular.

Project relevant publications

  • Törzs T. (2022): Zum hydraulisch-mechanisch gekoppelten Verhalten teilgesättigter granularer Geomaterialien infolge hydraulischer und mechanischer Beanspruchungen. PhD thesis. 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., Wand 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 in 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 and 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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Wave propagation and shock front formation for high-energy impacts in saturated soils

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), projects GR 1024/29-1 and 29-2
  • Duration: 2016 to 2020 (48 months)
  • Staff: Alexander Chmelnizkij
  • Status: Completed project, DFG final report, PhD thesis published in institute's series (Vol. 57)

Keywords

Soil dynamics, wave propagation, shock formation, saturated soil, poromechanics, Material Point Method (MPM)

Project description

As part of the research project, the propagation of waves caused by impulse-like loads in saturated soils is being investigated. For this purpose, measurements have already been carried out in-situ during dynamic intensive compaction measures and soil blasting. The results of these measurements are used for validation purposes for numerical simulations. The simulations are carried out using two numerical methods, the Finite Element Method (FEM) and the Material Point Method (MPM). These methods were compared and insights into their applicability were gained. Furthermore, two different mathematical models and governing equations for the saturated soil, the u-p and v-w formulations, were analysed for their differences in the simulation of highly dynamic processes. The influence of pore water and the discontinuity of the solution resulting from the non-linearity of the hypoplastic material model on wave propagation is investigated.

Project relevant publications

  • Chmelnizkij A. (2023): Regularized MPM for porous media. PhD thesis. 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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Nautical depth in harbour beds with fluid mud

Status: 26.11.2024
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General data

  • Customer: Hamburg Port Authority (HPA)
  • Duration: 01.09.2018 to 30.09.2022 (Nguyen), cost neutral extension 01.10.2022 to 28.02.2023 (Stanford, Somasundaram)
  • Staff: Duc Michael Nguyen, Dr.-Ing. Hans Stanford, Rahul Somasundaram
  • Status: Completed projects, internal report

Keywords

Fluid mud, rheology, non-Newtonian fluid, rheometer, oedometer test, ship-fluid mud interaction, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Project description

The global increase in freight transport via waterways means that ships are also getting bigger and bigger. This poses a particular challenge for harbours such as Hamburg, whose maximum draught depends on the tide and geographical location. The nautical depth is a measure of the navigability of a harbour. This is a nautically safe horizon up to which ships can submerge without their manoeuvrability being impaired. In recent years, sediment echo sounding measurements in the mooring basins have shown that a fluid mud layer forms above the solid harbour floor. The nautical depth is currently above this fluid mud layer. In the course of water depth maintenance and fairway adjustment, there are now plans to allow seagoing vessels to immerse themselves in the fluid mud of a mooring basin for a limited period of time. The prerequisite: maintaining the Archimedean principle of the ship's hull. Releasing the fluid mud for shipping is associated with enormous cost savings in terms of sediment management, as the corresponding water depths are not made possible by dredging the sediments, but by utilizing the fluid mud. In addition to the potential financial benefits, the ecological relief resulting from the reduced maintenance measures must also be taken into account.

   

Figure: Vertical penetration of a ship into the fluid mud in a basin due to the tide


In cooperation with the Hamburg Port Authority (HPA) in the joint project Nautical Depth, a possible navigability in fluid mud in mooring tubs of the Port of Hamburg was investigated. The following aspects were investigated and analysed:

  • Rheological behaviour of fluid mud: Using a rheometer, the non-Newtonian flow behaviour of the fluid mud is first investigated as a function of various input parameters (density, organics content, mineralogy). On this basis, a rheological model for the fluid mud was derived, which approximates the viscoelastic behaviour. 
  • Sedimentation and consolidation behaviour of fluid mud: In the course of the project, a new type of column oedometer was developed and built, with which it is possible to determine effective stress σ' during the sedimentation and consolidation processes under different boundary conditions (e.g. different pressure levels, oedometric boundary conditions). The results obtained from this should ultimately clarify whether consolidated sediment forms as a result of the submersion of a ship's hull. 
  • Numerical simulation of ship-fluid mud interaction due to tide: In the final step, conventional analyses and numerical simulations based on the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) were carried out. The aim was to simulate various immersion scenarios in the Port of Hamburg in order to rule out the worst case (loss of manoeuvrability and buoyancy).

Project relevant student works

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

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Hydraulic loosening of soils

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 01.09.2018 bis 31.08.2022 (12 months)
  • Staff: Rahul Somasundaram
  • Status: Completed project, successor DFG project GR 1024/43-1

Project description

As part of previous projects, the hydraulic loosening of the soil (e.g. jet grouting process with a fluid jet) was investigated using physical modelling (1g model tests) and numerical simulation based on the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). For this purpose, the SPH codes GADGET and GADGET-H2O were further developed and named GADGET-Soil. It is based on a dynamic two-phase model for saturated soil. The current project is focussing on the following extensions of this SPH code:

  • Modelling of transition from the saturated to a suspension and vice versa.
  • More advanced simulation of the nozzle jet process than before (increasing the spatial resolution of the fluid jet, implementation of the particle splitting technique, implementation of a turbulence model).
  • Use of CPU-based parallelization based on MPI.

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Numerical recalculation of quay walls and their repair

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Hamburg University of Technology (TUHH)
  • Duration: 01.02.2019 to 31.01.2023 (48 months)
  • Staff: Paul Vogel
  • Status: Completed project

Project description

The Port of Hamburg has quay walls with a total length of approx. 43 km. The Hamburg Port Authority (HPA) is currently having approx. 36 km of these analysed for their stability, as changes to the existing statics, some of which are several decades old, or damage can impair stability. For this reason, the HPA has published a recalculation guideline (similar to the recalculation guideline for bridges), which specifies the procedure for recalculation. If conventional calculation methods are not sufficient to ensure adequate stability, scientific methods such as monitoring or numerical methods like the Finite Element Method (FEM) can be used. However, the following questions remain unanswered when using the FEM for recalculation:

  • How does the degree of discretization influences the load-bearing capacity and the safety of a quay wall?
  • How can the conventional design methods in EC7 be harmonized with the FEM?
  • If the quay wall cannot be verified using FEM, how can various repair measures be used to ensure sufficient stability?

Project relevant publications

  • 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. 91100, 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

Project relevant student works

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

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Investigation of hysteretic capillary pressure-saturation behaviour of unsaturated soils by means of Computed Tomography and numerical methods

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Research Training Group GRK 2462 “Processes in natural and technical particle-fluid systems (PintPFS)”, postdoc position
  • Duration: 01.03.2019 to 28.02.2024
  • Staff: Dr.-Ing. Marius Milatz
  • Status: Completed project, habilitation published in institute's series (Vol. 56)

Project description

The water retention behaviour, described by the capillary pressure-saturation relationship, plays a key role in the description of the hydraulic and mechanical behaviour of partially saturated soils and is therefore crucial for the soil mechanical understanding of capillary effects. Partial saturation influences the hydraulic conductivity of soils and leads to capillary cohesion due to suction stresses or capillary pressure and the surface tension of the pore water, which increases the shear strength of unsaturated granular soils.

Imaging techniques such as Computed Tomography (CT) are used in research to gain insights into the behaviour of unsaturated granular soils at the grain-to-grain level. For this purpose, various laboratory tests and in-situ experiments are carried out in CT scanners, see Figure 1 and 2. The three-dimensional CT data obtained from soil mechanical processes, such as shearing or cyclic dewatering and irrigation, allows a better understanding of the macroscopic soil behaviour through insights into the microscopic behaviour of the unsaturated grain skeleton. Its particles are held together by water clusters or capillary bridges.

 

Figure 1: Reconstructed and segmented CT data of uniaxial compression test of unsaturated sand. Top: sand and water, bottom: Water phase. Water clusters and capillary bridges hold the grains together during shearing

 

Figure 2: Greyscale images (vertical section) from CT scans during the dewatering of sand in an experiment to measure the hysteretic water retention curve — sand grains (light grey), water-filled pores (grey), and air-filled pores (black)

 

Experimental data from CT experiments can also be used to validate and improve numerical methods that can be used to simulate capillary effects. For example, the Discrete Element Method (DEM) with capillary bridge models and the Multiphase Lattice Boltzmann Method (LBM) can be used to model the behaviour of partially saturated granular soils. The latter method makes it possible to simulate the hydraulic-mechanical behaviour of multiphase fluid mixtures in porous media, taking into account the surface tension in the micro-model. LBM-DEM coupling is also possible.

Project relevant publications

  • Milatz M. (2022): Investigation of capillary effects on the grain scale by means of in situ experiments, imaging and numerical simulations. Habilitation. Technische Universität Hamburg (TUHH), Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 56, DOI: 10.15480/882.4803
  • Milatz, M. and J. Grabe (2019): Microscopic investigation of the hydro-mechanical behavior of unsaturated granular media with X-ray CT. In: Proceedings of 7th Asia-Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT) 2019 in Nagoya/Japan. Weblink (open access)
  • Milatz, M., Törzs, T. and 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. and A. Tengattini (2019): Partial saturation in granular media. Repositoty of CT data at 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. Repository of CT data at 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. Repository of data at 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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Capillary collapse in unsaturated soils

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Research Training Group GRK 2462 “Processes in natural and technical particle-fluid systems (PintPFS)”
  • Duration: 16.05.2019 to 15.11.2022 (6 months + 6 months Corona-caused extension)
  • Staff: Nicole Hüsener
  • Status: Completed project

Keywords

Unsaturated soils, capillarity, capillary effects, capillary collapse, Computed Tomography (CT)

Project description

In unsaturated soils, the cohesion of the grain skeleton is significantly influenced by the so-called “capillary cohesion”. The surface forces of the pore water create suction, which press the individual soil grains together and thus lead, among other things, to an increased shear strength of the soil. The magnitude of the suction depends on the degree of saturation of the soil. Since the capillary cohesion disappears in both the dry and saturated state, this is also referred to as “apparent cohesion”. As a result of natural fluctuations in the water content or the degree of saturation of the soil, for example due to precipitation or a rising groundwater level, there is a risk of the grain skeleton losing its cohesion in the event of saturation due to the increasing dissolution of the capillary bridges. The sudden rearrangement of the grain skeleton that this entails is known as capillary collapse and, under certain conditions, can lead to very large settlements in the soil. Loosely deposited, fine-grained soils with a metastable structure are particularly at risk in this context. Although it was recognized early on that the microstructure plays a decisive role in the collapse process, due to a lack of adequate investigation methods, research has long focused on the macro level, so that the processes involved are still only inadequately understood. Newer methods such as Computed Tomography (CT) as an imaging technique allow insights into the microscopic processes and can thus contribute to a deeper understanding of the phenomenon.

 

Figure 1: Oedometer test

 

Objectives and work plan  After a soil mechanical characterization of the model soil, the collapse potential is to be estimated experimentally, for example with the aid of oedometer tests (see Figure 1). In order to gain a better understanding of the processes involved in capillary collapse at the micro level, miniaturized laboratory tests will be carried out using imaging techniques such as Computed Tomography (see Figure 2). The three-dimensional CT images obtained can be used to detect, visualize and subsequently analyse microscopic changes and particle movements during gradual saturation inside the sample. Of particular interest in this context are various possible influencing factors, such as the organic matter contained in the soil or the direction of irrigation. For comparison purposes, almost ideally round glass sphere packings with a grain size distribution modelled on the tipping floor are also being investigated. In future, the data obtained can serve as a basis for the development and validation of a numerical model for the simulation of capillarity.

 

Figure 2: Selected SEM and X-Ray CT scans

 

Project relevant publications

  • 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
  • Hüsener N. and J. Grabe (2023): Capillary collapse of unsaturated granular soils: experimental investigation and microscale insights. In: Proceedings of 8th International Conference on Unsaturated Soils 2023 in Milos/Greece, E3S Web of Conferences 382, No. 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

Project relevant student works

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

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Development of an MRS system to prevent mobile construction machinery from tipping over on a deformable subsoil

Status: 26.11.2024
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General data

  • Funding: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

  • Project management: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF), IGF-Vorhaben 20348 N

  • Duration: 01.11.2018 to 30.11.2021

  • Staff: Francisco Williams Riquer

  • Status: Completed project, AiF final report

Keywords

Mobile construction machine, deformable subsoil, field testing,

Project description

Due to the special mode of operation and centre of gravity of construction vehicles with tracked undercarriages, such as drilling rigs in special geotechnical  engineering, serious accidents caused by equipment overturns occur time and again, often resulting in considerable personal injury and property damage, for which, in addition to human error, subsoil subsidence is often responsible. As the construction industry is characterised by small and medium-sized companies that operate this type of equipment, the planned research project is highly relevant for the entire foundation engineering sector and in some cases even beyond.

As part of the research project with the co-operation partners Bauer Maschinenbau GmbH and Keller Geräte & Service GmbH, the risk of construction machinery with a high focus on tracked undercarriages overturning is to be investigated with the help of measurements and numerical simulations, with the overall aim of laying the foundations for a driving safety assistant based on a measurement-regulation-control system (MRS system). Such a system could detect an imminent overturn based on the movement behaviour of the construction vehicle, similar to the ESP system in motor vehicles known from the ‘moose test’, and trigger various safety measures. This would make it possible to avoid many serious accidents.

In the work programme of the research project, the movement behaviour of construction machinery with a high system centre of gravity is initially to be characterized using the example of special foundation engineering machinery, whereby movement patterns of an imminent equipment overturn are to be identified. These questions are investigated by numerical simulation of the vehicle kinematics and dynamics in combination with a compliant subsoil modelled by constitutive models. The numerical models to be developed are based on real vehicles and are to be validated by means of measurements on instrumented special civil engineering equipment from Bauer. This includes on suitable Keller construction sites and on the Bauer test site in Aresing. Furthermore, the numerical models allow various overturning scenarios to be investigated virtually without danger.

Based on the numerical models developed, and the field measurements carried out, the next step was to develop an MRS system based on computer simulations, in which algorithms for detecting and avoiding virtual device overturns are to be developed. If the prospects of success in the development of an MRS system based on computer simulations are good, a feasibility study on the transferability of the system to a prototype will be carried out. This step forms the basis for a planned follow-up research project in which the implementation of the MRS system in real construction vehicles could be tackled together with system tests.

 

Figure 1: Model of mobile construction machine and selected results for scenarios of its motion on a deformable subsoil