Modellierung des spröden Versagens von Schnee

Das spröde Brechen von Schnee spielt eine wichtige Rolle bei der Auslösung von Lawinen. Um das Brechen von Schnee besser zu verstehen, versuchen wir in diesem Projekt herauszufinden wie und vor allem wo Schnee bricht.

Versuchsdurchführung

Wir zerbrechen kleine Schneeproben, die wir vor und nach dem Bruch im Mikrocomputertomographen scannen. Dadurch erhalten wir die 3D-Schneestruktur (Abbildung 1), die Bruchfläche und ausserdem messen wir die Bruchkraft.

Abbildung 1 – Schneemikrostruktur vor (a) und nach dem Bruch (b)

Simulation

All diese Daten werden jetzt für eine Finite-Elemente Simulation benutzt. Basierend auf der Bruchfestigkeit von Eis und der 3D-Schneestruktur können wir die Bruchfestigkeit des Schnees simulieren und dieses Ergebnis dann mit der gemessenen Bruchkraft vergleichen.

Ergebnisse

Die simulierte Bruchkraft stimmt zwar nicht besonders genau mit der gemessenen Bruchkraft überein. Aber immerhin stimmt in etwa die Grössenordnung der simulierten Bruchkraft (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 – Vergleich der gemessenen und simulierten Bruchfestigkeit von 17 Schneeproben. RS sind Schneeproben mit einer Dichte von etwa 350 kg/m³ und TS sind Schneeproben mit einer Dichte von etwa 630 kg/m³

Schlussfolgerungen

In Zukunft können diese Simulationen benutzt werden, um die Bruchfestigkeit von Schneeproben abzuschätzen, ohne diese Messen zu müssen. Ausserdem kann der Bruchvorgang im Schnee mit Hilfe der Simulation sehr genau untersucht werden. Fragestellungen sind z.B. wo sich der Bruch bildet und wie sich dieser ausbreitet.