FORSKSYSTEMET-FORSKSYSTEMET

Å forstå hvordan jord oppfører seg er avgjørende for å bygge sikker og pålitelig infrastruktur, samt for å forutsi og redusere konsekvensene av geofarer som jordskred og jordskjelv. Dette er ikke en triviell oppgave. Som tegneserieskaperen og ingeniøren Randall Munroe humoristisk bemerket da han ble spurt hvorfor noen sandtyper er mykere enn andre: "Vi vet ikke. Ingen forstår hvordan sand fungerer... Å forstå oppførsel av granulære materialer som sand er et stort uløst problem i fysikken." Selv om dette kan være litt overdrevet, fremhever det faktumet at forskere ennå ikke har utviklet en generell modell som pålitelig forutsier sandens oppførsel. Sandkorn har et bredt spekter av egenskaper, inkludert størrelse, form og ruhet, og de kan organisere seg på forskjellige måter, som alle påvirker materialoppførselen. For eksempel oppfører en kopp med sand seg som et fast stoff når den er i ro, flyter som en væske når koppen vippes, og kornene faller gjennom luften som en gass når de helles ut. Til tross for de mange forskningsgapene som må adresseres for å utvikle en generell teori for sand, er denne studien spesielt motivert av den økende etterspørselen etter fornybar energi fra offshore vindparker. Grunnforholdene der vindturbinene skal plasseres utgjør en betydelig usikkerhet, og det er nødvendig med store feltoppdrag for å kartlegge sjøbunnen, med påfølgende geotekniske laboratorietesting av jordprøver for å bestemme parametere for prosjektering av fundamenter. Offshore konstruksjoner er også utsatt for komplekse sykliske laster fra vind og bølger gjennom hele deres levetid, og man trenger gode ingeniørmodeller for å forutsi hvordan fundamentene vil oppføre seg under disse forholdene. Dette prosjektet har hatt som mål å forstå hvordan sand oppfører seg på mikroskala - hvordan de enkelte sandkornene beveger seg i forhold til hverandre - når de utsettes for lignende belastningsforhold som offshore fundamenter. Dette har de siste årene blitt mulig gjennom eksperimentelle metoder, som å utføre geotekniske tester inne i en CT-skanner, og ved bruk av partikkelsimulatorer som realistisk representerer form og størrelse på sandkornene. I dette prosjektet utførte vi belastningstester på små sandprøver som måler 10 x 20 mm som hver inneholder rundt ti til tjue tusen sandkorn. Ved å ta CT-bilder på forskjellige belastningsstadier kan vi spore kornbevegelser ned til en oppløsning på noen tusendeler av en millimeter. Vi måler også spenninger og deformasjoner i materialet, som gjør at vi kan korrelere mikroskopisk og makroskopisk oppførsel. I tillegg brukes CT-bildene til å lage en "digital tvilling", en partikkelsimuleringsmodell av eksperimentet som nøyaktig representerer formen og posisjonen til hvert korn i prøven. Denne teknologien gir en unik mulighet til å undersøke og modellere sandens oppførsel både eksperimentelt og gjennom datasimuleringer. Studien viser at simuleringsmodellen fanger de viktigste egenskapene til sanden og gir resultater som er i samsvar med oppførselen vi observerer i de fysiske eksperimentene. Dette åpner muligheten for å bruke simuleringer til å frembringe data som for øyeblikket krever store ressurser. Som nevnt innledningsvis er dette relevant for utviklingen av offshore vindparker, hvor simuleringer kan supplere eller erstatte noe av laboratorietestingen som trengs i dag. En annen spennende anvendelse er innen romforskning, hvor grunnforholdene for å bygge baser på Månen eller Mars må undersøkes. I dette tilfellet er tilgang til jordprøver og fysisk testing nesten umulig, og simuleringer kan være eneste løsning for å skaffe seg nødvendig informasjon. Studien avslører også at sand har en "syklisk hukommelse" på mikroskala, spesielt i kontaktene mellom kornene. Dette betyr at strukturen til sanden påvirkes av dens belastningshistorie, noe som kan forklare endringer i materialets styrke og stivhet. Funnene antyder at parametere som beskriver kontaktnettverket til sanden er essensielle for å i fremtiden kunne utvikle en generell modell for sand.

- Validering og muliggjøring av teknologi for simulering av mekanisk oppførsel av sand / granulære materialer. Eksempler på mulig bruk er hvor kartlegging av grunnforhold er ressurskrevende, for eksempel innen havvind eller på andre planeter (utbygging i verdensrommet) - Økt kompetanse på mikromekanikk som fagmiljø på NGI - Økt grunnleggende forståelse av mekaniske oppførsel av sand under syklisk belastning - Økt internasjonalt forskningssamarbeid mellom NGI, Universitetet i Grenoble (Frankrike), Caltech (USA), EPFL (Sveits) og NTNU