Wellen und Risse

Vom Standpunkt der Festkörpermechanik und Festigkeitslehre aus können geschädigte oder rißebehaftete Werkstoffe (z.B. gealterte Materialien, geschädigte Polymere, gebrochener Fels etc.) unter bestimmten Bedingungen als Materialien mit reduzierter Steifigkeit angesehen werden. Beim Durchgang (hochfrequenter oder seismischer oder spreng-induzierter) elastischer Wellen durch ein schädigbares Material treten eine Reihe komplizierter aber wichtiger Phänomene auf, welche von den charakteristischen Eigenschaften der Diskontinuitäten abhängen. In vielen Ingenieuranwendungen sind diese Diskontinuitäten einzelne Risse oder mehr oder weniger geordnete Rißsysteme. Vom Standpunkt der Materialfestigkeit aus sind vor allem die Dichte, der Abstand, die Qualität und Art des Füllmaterials, die Oberflächentopographie und Vorzugsrichtungen wichtige Einflußgrößen. Wenn die Wellen/Puls-Länge viel größer als die charakteristische Dimension des rissegeschädigten Materiales ist, ist es angemessen, den Einfluß der Diskontinuitäten über ein repräsentatives Volumen zu mitteln. Das ist bei im Vergleich zur Wellen/Puls-Länge engem Diskontinuitätenabstand durchaus erlaubt. Wird die Wellen/Puls-Länge aber vergleichbar mit dem Rissabstand, dann müssen die Diskontinuitäten explizit modelliert werden. In diesem Fall wirkt das Bruchmuster gegenüber elastischen Wellen als Filter und beeinflußt das Frequenzspektrum des Antwortpulses. Dieses Forschungsprojekt fokussiert auf die Eigenschaften des induzierten Wellenfeldes, wenn die Diskontinuitäten explizite und diskret modelliert werden. Das experimentelle Programm basiert auf der Anwendung der dynamischen Photomechanik, besonders der dynamischen Spannungsoptik, auf die Wechselwirkung zwischen den elastischen Wellen und den rissartigen Diskontinuitäten. In den skalierten Labormodellen werden Brüche mit ebenen und gewellten Trennflächen, mit variablem Durchtrennungsgrad und mit verschiedenen Rissfüllungen und - qualitäten sowie variabler Rißuferdistanz und -orientierung sowie deren Einfluß auf das Antwortverhalten des rissebehafteten Materials untersucht. Besonders der Einfluß gekrümmter Wellenkonten auf ebene geschwächte Trennflächen wird experimentell studiert. Ein hochaktuelles Problem von besonderem Interesse ist die Übertagung von elastischen Wellen durch teilweise kontaktierende (imperfekte) Trennflächen und der daraus resultierende Filtereffekt. Zusätzlich werden analytische Untersuchungen und numerische Simulationen durchgeführt. Erstere fokussieren auf die Verwendung eines Verschiebungs-Diskontinuitäten-Modells, in den numerischen Simulationsstudien werden dynamische numerische Programme (Finite Elemente, Randelemente, Finite Differenzen) verwendet. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes dienen in erster Linie einem besseren praktischen Verständnis der Wechselwirkung von elastischen Wellen mit genau definierten rissegeschädigten Werkstoffen und Strukturen und der damit zusammenhängenden Filterphänomene. Besonders wichtige praktische Anwendungen finden sich im Maschinenbau und in der Geotechnik: einerseits die Ausbreitung elastischer Wellen durch mikroriß-schädigbare Materialien und die seismische dynamische Integrität und Stabilität von geklüftetem Fels. Die gewonnenen Ergebnisse sind von grundlegender Wichtigkeit bei der Vorhersage der Schadensreduzierung und der Erschütterungskontrolle in seismisch gefährdeten und sprengwellen-beeinflußten urbanen Bereichen.