Scaling fluid-driven processes: Building Collapse in Extreme Flow Conditions

Projektbeschreibung

Untersuchung der Auswirkungen extremer Ereignisse auf Gebäude und die Bewegung von Trümmern

Extreme Naturereignisse, etwa Sturzfluten oder Tsunamis, können Gebäude zum Einsturz bringen und gefährliche Schutt- und Geröllströme auslösen. Das Verständnis solcher Prozesse auf der Erde stellt jedoch aufgrund ihrer multiphysikalischen und mehrphasigen Natur eine Herausforderung dar. Mit herkömmlichen Skalierungsmethoden lassen sich solche Phänomene im Labor oft nicht genau nachbilden. Das vom Europäischen Forschungsrat geförderte Projekt ANGRYWATERS wird die Modellierung dieser Ereignisse durch die Ableitung neuer Skalierungsgesetze auf der Grundlage fortschrittlicher mathematischer Rahmenwerke (Lie-Gruppe) verändern. Die Forschenden werden 3D-gedruckte Gebäudemodelle und technische Materialien verwenden, um in mittelgroßen und großen Anlagen Experimente durchzuführen und extreme Strömungsbedingungen zu simulieren. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten werden die Vorhersage von Energieverlusten und des Trümmertransports beim Einsturz verbessern und so den Weg für eine bessere Gefahrenabwehr ebnen.

Ziel

Many Earth system processes involving multi-physics, multi-phase conditions extend over several orders of magnitude in length- and time-scales. Engineering science, in pursuit of deeper process understanding and solution-oriented design, has used scaling theories to address scale-afflicted, complex processes through experimental work in laboratory environment at reduced scale. The standard scaling approach, the Buckingham -theorem, is especially deficient when multi-physics and multi-phase processes require the choice of more than a single non-dimensional number, resulting in severe scale effects and typically meaning that accuracies at reduced scale are inadequately quantified. Hence, we choose a demonstrably complex multi-physics, multi-phase process for the investigation of scaling accuracies the progressive collapsing of residential buildings and the associate debris transport, evolving from extreme flow events from natural hazards, such as flash floods or tsunami.
ANGRYWATERS seeks to achieve a breakthrough in modelling these complex processes by deriving novel scaling laws that will be developed in the framework of the Lie group of point scaling transformations. Scaling requirements will be applied to the combined fluid-structure interaction at various scales, developing sophisticated building specimens; here, we employ 3D-printing and appropriately engineered materials to match the scaling requirements. We conduct a comprehensive experimental campaign, using medium- and large-scale facilities, subjecting the specimens to extreme flow conditions in the form of dam-break waves. We consider sub-assemblages, single and multiple buildings, enhancing the understanding of energy losses and debris production upon collapse, elaborating reduced scale accuracies. High-fidelity numerical modelling will complement our experiments, deepening our process understanding; a depth-averaged model with novel debris advection model crucially enhances predictive capabilities.