Zentrifugalmodelle

Zentrifugalmodelle bezeichnet ein Forschungsverfahren, bei dem Zentrifugalkräfte genutzt werden, um das Verhalten realer Systeme in verkleinerten Modellen zu untersuchen. Sie kommen vor allem in der Geotechnik, im Bauwesen und in der Materialwissenschaft zum Einsatz, um Spannungen, Deformationen und Versagensprozesse unter gegebenen Gravitationseinflüssen zu verstehen.

Das zentrale Prinzip ist die Ähnlichkeit nach dem Froude-Kriterium. Durch Rotation in einer Zentrifuge wird eine Zentrifugalkraft erzeugt, die eine effektive Gravitation g_eff ergibt. Mit dem Skalierungsfaktor N wird g_eff oft deutlich größer als die Erdgravitation. Wichtige Größen sind das geometrische Maßstabverhältnis, Materialeigenschaften und die zeitliche Skalierung. Messungen erfolgen an Proben wie Sandschichten, Fundamentmodellen oder Bauwerken und umfassen Dehnung, Druckverteilung, Setzungen und Pore Druck.

Typische Anwendungsgebiete umfassen die Untersuchung von Bodentypen unter zyklischer Beanspruchung (Liquefaction), Hang- und Standsicherheitsprobleme, Fundamentreaktionen sowie Bauwerkserdbau und Damm- bzw. Hafenbau. Zentrifugalmodelle ermöglichen es, relativ große geotechnische Effekte mit kleinem Modell und kontrollierter Umwelt nachzuempfinden.

Vorteile liegen in realistischen Spannungsverhältnissen bei kleinen Modellgrößen, geringeren Kosten und der Möglichkeit, Parameter systematisch zu variieren. Grenzen bilden die Nicht- Vollskalierbarkeit bestimmter Phänomene, Materialverhalten unter hohen g, Rand- und Boundary-Effekte sowie der Bedarf an spezialisierter Ausrüstung und Messtechnik.

Historisch entwickelte sich die Zentrifugalmodellierung in der Geotechnik ab den 1950er Jahren zu einer etablierten Methode; heute werden Zentrifugen weltweit in Forschungszentren eingesetzt.