Modeling and numerical simulation of landslide dynamics

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Dieter Dinkler
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics
• Term: from 2009 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 149076057

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Hangrutschungen können plötzlich und unvorhersehbar auftreten und weisen daher ein hohes Gefährdungspotential für Menschen und Infrastruktur auf. Hangrutschungen haben unterschiedliche Ursachen und sind nach der Initiierung in der Regel mit einer Auflockerung und einer Kompaktion des Bodenmaterials verbunden. Die Modellierung und numerische Simulation des gesamten Prozesses ist sehr komplex, wenn verschiedene Phasen – Luft, Wasser, Feststoffe – miteinander interagieren. Das Forschungsvorhaben besitzt daher verschiedene Schwerpunkte. Zum einen sind die Modellgleichungen für sich entfestigende Bodenmaterialien in der für die Aufgabenstellung besonders geeigneten Eulerschen Betrachtungsweise aufzustellen. Dies sind die Navier–Stokes–Gleichungen der Strömungsmechanik sowie die gesondert hergeleiteten Gleichungen der Kontinuumsmechanik fester Körper mit großen Deformationen. Materialnichtlinearitäten sind für rutschende Bodenmaterialien mit einem Bingham–Modell sowie einem Reibmodell für den Kontakt zwischen Bodenmaterial und Hang berücksichtigt. Die Diskretisierung der schwachen Form der Modellgleichungen erfolgt mit der Raum–Zeit– Finite–Elemente–Methode mit quadratischen Ansätzen im Raum und linearen Ansätzen in der Zeit sowie einer SUPG–Stabilisierung. Die Grenzfläche zwischen Bodenmaterial und Luft wird mit der Level–Set–Methode beschrieben, wobei die Ansätze im Elementgebiet im Rahmen der Extended–Finite–Elemente–Methode (XFEM) für die Raum– und die Zeitkoordinate erweitert werden. Eine erhebliche Verringerung des numerischen Aufwandes gelingt mit der Fragmented– Finite–Elemente–Method (FFEM), bei der die für die Bewegung des Hanges nicht interessierenden Gebiete aus der Diskretisierung ausgeschlossen werden. Verschiedene grundlegende Beispiele zeigen die Effizienz und die Wirkungsweise der eingesetzten Verfahren. Ein zusammenfassendes Beispiel einer 3–D–Simulation eines auf eine stählerne Wand rutschenden Bodenkörpers verdeutlicht den Leistungsumfang des Gesamtmodells.

Publications

• (2017) Model for degradation-induced settlements as part of a coupled landfill model. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. (International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics) (12) 1390–1410
  Bente, S.; Krase, V.; Kowalsky, U.; Dinkler, D.
  
• Multi-phase model for transient analysis of landslide generated waves. European Conference on Computational Mechanics - ECCM 2010, Paris, France
  F. Pasenow, A. Zilian and D. Dinkler
  
• Finite Element Method for strongly-coupled systems of fluid-structure interaction with application to granular flow in silos. Proceedings of the 4th International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, 2011, 837-849
  S. Reinstädler, A. Zilian and D. Dinkler
  
• Modellierung und numerische Simulation von Hangrutschungen in: Geomonitoring 2011 - Technische Universität Clausthal - Ein Paradigmenwechsel zur Beherrschung von Georisiken
  D. Dinkler, A. Zilian and F. Pasenow
  
• XFEM coupling techniques for landslide-fluid interaction. Intern. Conf. on extended Finite Element Methods - XFEM 2011, Cardiff, UK
  F. Pasenow, A. Zilian and D. Dinkler
  
• Modeling of silo discharge as strongly-coupled fluid-structure system. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering - ECCOMAS 2012, Vienna, Austria
  S. Reinstädler and D. Dinkler
  
• XFEM coupling of granular flows interacting with surrounding fluids. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering - ECCOMAS 2012, Vienna, Austria
  F. Pasenow, A. Zilian and D. Dinkler
  
• Extended space-time finite elements for landslide dynamics. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2013, 93, 329-354
  F. Pasenow, A. Zilian and D. Dinkler
  
• Modeling of coupled THMC processes in porous media, Coupled Systems Mechanics 3 (2014), 27-52
  U. Kowalsky, S. Bente, D. Dinkler
  
• Advanced FEM for free surface flow with application to landslides. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, PAMM 2016, 477-478
  M. Schauer, S. Reinstädler and D. Dinkler