Softwareinnovation beflügelt Baggerindustrie

Überall dort, wo Böden mit Wasser in Wechselwirkung treten, kann die Erschließung neuer Lebensräume oder der Abbau natürlicher Rohstoffe schnell zu einer großen Herausforderung werden. Das Projekt MPM-DREDGE stellt ein nummerisches Werkzeug bereit, um Ingenieure dabei zu unterstützen, sich dieser Herausforderung zu stellen. Im Fokus stand hierbei die Baggerindustrie – ein Sektor in einem Wert von 7 Milliarden Euro.

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Ohne Computer ist die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Böden und Flüssigkeiten eine echte Kostenfalle. Es sind groß angelegte Experimente erforderlich, bei denen Faktoren wie Wind, Gravitation, Wellen, Strömungen und veränderte Merkmale am Grund mit berücksichtigt werden müssen, die bei jedem neuen Standort anders sind. Eine Software, mit der die Überwindung der nummerischen Probleme in Bezug auf große Verformungen und die Flüssigkeitsdruckverhältnisse möglich ist, die bei der Wechselwirkung von Böden und Flüssigkeiten entstehen, könnte in dieser Hinsicht eine bahnbrechende Innovation darstellen. „Unser Ziel bestand darin, Probleme zu lösen, die sich um große Verformungen weicher Böden (Sand, Lehm, Torf) bei der Wechselwirkung mit Wasser drehen. Dies ist charakteristisch für das Ingenieurswesen und den Hochwasserschutz abseits von Küsten, in der Nähe von Küsten und an Küsten“, sagt Dr. Alexander Rohe, Koordinator des MPM-DREDGE-Netzes und Forscher bei Deltares. Das Projekt konnte auf der von der University of Cambridge und Deltares geleisteten Pionierarbeit aufbauen. Die beiden Einrichtungen identifizierten die sogenannte „Material-Point-Methode“ (Material Point Method, MPM) als Lösung mit hohem Potenzial für die Überwindung von Problemen bezüglich der Wechselwirkung von Böden und Flüssigkeiten. Gleichzeitig ermöglichte die Unterstützung durch die vier größten an MPM-DREDGE beteiligten europäischen Baggerunternehmen die Entwicklung spezifischer Anwendungen für diesen Sektor. Die Baggerindustrie ist für die Adressierung von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Hafenentwicklung, der Wiedergewinnung von Land, der Erschließung und dem Abbau von Öl und Gas, Offshore-Windkraftanlagen und einer Vielzahl anderer Initiativen, welche die Wechselwirkung zwischen Böden und Flüssigkeiten betreffen, zweifelsohne von entscheidender Bedeutung. Appell an die europäische Baggerindustrie Die Anwendbarkeit von MDM-DREDGE erstreckt sich unter anderem auf das Ausbaggern von Böden für die Sandgewinnung und auf damit verbundene Risiken der Verflüssigung und Bruchbildung, die zum Versagen der Unterwasserböschungen führen; auf die Installation von Geocontainern für den Bau von Wellenbrechern; und auf die Erosionsmodellierung für die Gestaltung von Offshore-Fundamenten, Kolkschutzvorrichtungen, Futtermauern, Unterwasserböschungen und Deichen/Dämmen. Im Zuge des nunmehr abgeschlossenen Projekts wurde erfolgreich ein 3D-Computercode entwickelt, der auf der MPM-Methode basiert und der zur Modellierung von Verformungsproblemen bei Wechselwirkungen von Böden und Flüssigkeiten verwendet werden kann. Dieses nummerische Werkzeug wurde validiert, demonstriert und in die gemeinsame Software Annura3D integriert, die vorhergehende Arbeit von der Universität Cambridge und von Deltares in sich vereint. „Wir haben bei der MPM-Methode hinsichtlich der Modellierung der gegenseitigen Wechselwirkung zweier Kontinua, d. h. Wasser und Feststoff, signifikante Fortschritte erzielt. Wasser kann in feste Bodenkörper strömen, diese durchströmen und auch heraussickern, was zu Bodenverformungen führt. Der neue Ansatz ermöglicht ebenfalls eine Modellierung von Zustandsübergängen, d. h. der Verflüssigung von Feststoffen und der Verfestigung oder Sedimentation von Boden-Wasser-Gemischen oder Schlämmen“, sagt Dr. Rohe. Mit der neuen Software hofft das Team, die Baggerindustrie von der Anwendung fortschrittlicher Techniken für die nummerische Modellierung überzeugen zu können, um die Effizienz von Baggerarbeiten und das Design von Konstruktionen zu verbessern. Eine Beta-Version wurde im Januar 2017 veröffentlicht und die offizielle Veröffentlichung ist für September 2018 vorgesehen. Dann soll das Konsortium mit der Prüfung und Validierung der neuen Funktionen fertig sein. Von nun an wird sich die Anura3D-MPM-Research-Community der Entwicklung widmen. Neuveröffentlichungen sind halbjährlich geplant. „Die Software ist derzeit nicht quelloffen, sie kann jedoch auf Nachfrage zur Verfügung gestellt werden. Wir arbeiten an einer komplett quelloffenen Veröffentlichung innerhalb der nächsten drei Jahre“, sagt Dr. Rohe. Neue Forschungsprojekte, die auf den Ergebnissen des Projekts gründen, haben bereits begonnen, während weitere H2020-Vorschläge zur Prüfung eingereicht worden sind.

Schlüsselbegriffe

MPM-DREDGE, Baggerarbeiten, numerisches Werkzeug, Software, Industrie, Annura3D, Material Point Method, Flüssigkeitsdruck, Wechselwirkung von Böden und Flüssigkeit, Hochwasserschutz

MPM modelling and simulation of soil-fluid interaction for dredging applications

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