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Alpine Massenbewegungen
Leitung: Prof. Dr. Johan Gaume
Die Forschungsgruppe Alpine Massenbewegungen untersucht die Mechanik gravitationsbedingter Massenbewegungen in Gebirgen und leistet Beiträge zu Lösungen zur Minderung und zur Landnutzungsplanung. Im Mittelpunkt stehen Prozesse wie Lawinen, Murgänge und Felsstürze. Die Gruppe entwickelt und nutzt fortschrittliche Rechenmethoden sowie physikbasierte praxisorientierte Ansätze, die von Labor- und Feldversuchen begleitet werden, um die auslösende Phase und die Dynamik von Massenbewegungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Ein vorrangiges Anliegen ist es, die Auswirkungen des Klimawandels und potenziell katastrophale Kaskadenprozesse zu verstehen und mit ihnen umzugehen.
Die neue Gruppe Alpine Massenbewegungen deckt einen der sechs Schwerpunkte des Forschungszentrums CERC ab. Die Gruppe ist zusammen mit dem Lehrstuhl Alpine Massenbewegungen der ETH Zürich im Rahmen der Joint-Professur von Johan Gaume tätig. Zu den an der ETH Zürich von Prof. Gaume gelehrten Fachgebieten gehören «Schüttgutmechanik» (Beginn Herbst 2023) und «Alpine Massenbewegungen» (Beginn Frühjahr 2025).
Aussergewöhnliche Gebirgsinstabilitäten können komplexe Prozessketten auslösen, an denen Fels, Eis und Schneelawinen beteiligt sind. Um solche Ereignisse besser zu verstehen und zu simulieren, entwickeln wir eine thermohydromechanische Methode namens MPM (Material Point Method), die das mechanische Verhalten verschiedener Materialien und deren Interaktion, Reibungswärmeableitung, Phasenwechsel sowie den Effekt der porendruckinduzierten Fluidisierung simuliert.
Um die Auslösemechanismen von flachengründigen Erdrutschen und von Schneebrettlawinen besser zu verstehen, entwickeln wir partikelbasierte Modelle wie die Diskrete-Elemente-Methode (DEM), die Materialpunktmethode (MPM) oder die tiefengemittelte MPM (DAMPM). Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, den Zusammenhang zwischen der Rissausbreitungsdynamik am Hang, der Topographie und der Größe der Auslösezone zu entschlüsseln und schließlich Lösungen zur Verringerung des Lawinenvolumens vorzuschlagen.
Wir untersuchen die Rheologie kohäsiver granularer Strömungen und ihre Auswirkungen auf Infrastruktur oder Wälder, indem wir verschiedene Arten von mesoskaligen DEM-Simulationen durchführen. Diese Simulationen können als numerisches Labor betrachtet werden, das die Entwicklung von homogenisierten konstitutiven Modellen für kohäsive granulare Strömungen für großmaßstäbliche MPM-Implementierungen unterstützen kann. Zusätzlich entwickeln wir eine Laborrutschbahn für Granulatströmungsexperimente über komplexe, 3D-gedruckte Topographien.
Erosion und Verfrachtung sind kritische Prozesse in schwerkraftgetriebenen Massenströmen wie Schnee, da sie die Strömungsmasse und den Impuls signifikant verändern und damit die Strömungsdynamik beeinflussen können. Wir untersuchen diese Prozesse mit Hilfe von DEM-, CFD/DEM- oder MPM-Simulationen für kohäsionslose, kohäsive, aber auch (luft- oder wasser-) gesättigte granulare Betten. Unsere Erkenntnisse tragen dazu bei, entsprechende Parametrisierungen in großräumigen Lawinendynamikmodellen zu verbessern.