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Titelaufnahme

Titel
Entwicklung eines neuen Sohlreibungsmodells für Lawinen / Matthias Rauter
VerfasserRauter, Matthias
Betreuer / BetreuerinFellin, Wolfgang
Erschienen2015
UmfangXII, 98, XIII-XXIX S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Master-Arb., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. u. engl.
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Schnee / Lawine / Sohlreibung / Flachwassergleichung / Rheologie / Snow / avalanche / bottom friction / shallow water equations / rheology
Schlagwörter (GND)Lawine / Sohlreibung / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3875 Persistent Identifier (URN)
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Entwicklung eines neuen Sohlreibungsmodells für Lawinen [12.45 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Um die Gefahren, welche von Lawinen ausgehen, beurteilen zu können, werden seit einigen Jahren Simulationsprogramme eingesetzt. Als kontinuumsmechanisches Modell in diesen Programmen finden häufig die Flachwassergleichungen Anwendung. Für die konstitutiven Beziehungen, also die Beschreibung des Widerstandes des Materials gegen seine Verformung, wird ein weiteres Modell benötigt. Das Verhalten von granularen Materialien, wie Schnee oder Sand, ist Gegenstand aktueller Forschung in vielen unterschiedlichen Fachbereichen. Diese Arbeit setzt sich mit den traditionellen Modellen aus der phänomenologischen Rheologie oder Makrorheologie und einem modernen Modell aus der Struktur- oder Mikrorheologie für granulare Materialien (Vescovi et al., 2013) auseinander. Das Ziel ist die Anwendung dieses Modells, welches die Spannungen mit dem Geschwindigkeitsgradienten verknüpft, auf die Simulation von Schneelawinen um von den großen Fortschritten in diesem Bereich profitieren zu können. Da in der Flachwassergleichung der benötigte Geschwindigkeitsgradient aufgrund der Tiefenmittelung nicht enthalten ist, wird ein Modell benötigt, um die Verknüpfung von Flachwassergleichung und Rheologiemodell zu ermöglichen. Damit einher geht die Notwendigkeit, das Geschwindigkeitsprofil des Stroms zu beschreiben. Deshalb befasst sich ein großer Teil dieser Arbeit mit den Eigenschaften granularer Trümmerströme, besonders im Hinblick auf das Geschwindigkeitsprofil. Für die praktische Benutzung des mathematisch komplexen Materialgesetzes wird eine numerisch robuste und schnelle Lösungsstrategie benötigt, welche kurz umrissen wird. Der weitere Fokus liegt auf der Vereinfachung, sodass das Materialgesetz sinnvoll in einer Simulationssoftware, wie dem in Österreich eingesetzten SamosAT, benutzt werden kann. Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein Test der entwickelten Beziehungen anhand eines Vergleichs von gemessenen und simulierten Lawinengeschwindigkeiten.

Zusammenfassung (Englisch)

To evaluate the hazards resulting from avalanches, simulation software has been utilized for serveral years. A widespread continuum mechanical model used in such software are the shallow water equations. For the constitutive equations, which describe the resistance of the material against its deformation, another model is required. The behavior of granular materials, such as snow or sand, is subject of research in many different disciplines. This thesis deals with traditional models from the macroscopic, phenomenological rheology and a modern rheology model from the microscopic, structural rheology for granular materials (Vescovi et al., 2013). The goal is the application of the structural model on the simulation of snow avalanches to benefit from the rapid progress in this area. Such a rhelogy model usually links the stresses to the velocity gradient. In the shallow water equation the required velocity gradient is lost due to the depth avaraged representation of the velocity. Therefore another model is required to combine the shallow water equation with the rheology model. This implies the description of the velocity profile of the avalanche. Because of this, a major part of this thesis deals with the characteristics of a gravity-driven granular flow, particularly with regard to the velocity profile. The practical implementation of the mathematically complex constitutive model requires a numerically stable and fast solving strategy that will also be outlined. Some attention will be given to the simplification of the constitutive model, so that it can be used in a simulation enviroment like SamosAT, which is the software used in the practical application of snow avalanche simulation in Austria. Finally, the developed relations will be tested by comparing simulation outcomes with velocity data obtained from radar measurments.