Repedések dinamikájától katasztrófák előrejelzéséig

1. Repedések dinamikájától katasztrófák előrejelzéséig Kun Ferenc Debreceni Egyetem Elméleti Fizikai Tanszék 2013. 08. 24 Magyar Fizikus Vándorgyűlés

2. Szilárdtest mechanikai terhelés alatt Szub-kritikus Dinamikus Fragmentáció Kvázistatikus Kúszó törés Fáradás Lassan változó Gyors, impulzusszerű Robbanás Ütközés Szerkezeti elemek Vasúti sín Bányászat Anyagi jellemzők: erős heterogenitás Beton (0.1 mm – 2cm) Üledékes kőzet (100mm-1 mm) Szálas kompozit (10mm-50 mm) Meghatározza repedések keletkezését és terjedését

3. Heterogenitás Fokozatos töredezés Heterogén anyag Kristály Katasztrofális törés Stabil repedezés Teherbíró képesség Károsodás halmozódás méreteffektus Statisztikus fizikai leírás

4. Tartalom Stabil repedezés dinamikája • Konstans, szub-kritikus terhelés • Lassan növekvő terhelés • Fragmentáció

5. Mikroszkopikus dinamika - repedési zaj mérése Akusztikus zaj Törési kísérlet akusztikus emisszióval Repedések - keletkezése - terjedése Skálaviselkedés Idősor értéke 1 és 2 között J. Baró, et al, Phys. Rev. Lett. 110, 088702 (2013). G. Michlmayr, et al, Earth-ScienceReviews112, 97 (2012).

6. Szerkezeti elemek szubkritikus terhelés alatt Akusztikus monitorizálás • Károsodási szint minősítése • Katasztrófa megelőzése Műemlékek Dél-Európában Mért jelsorozat N. Niccolini, et al., Phys. Rev. Lett. 106, 108503 (2011).

7. Természeti katasztrófák: szub-kritikus nyírás Kőlavina Földcsuszamlás Földrengés Közelgő katasztrófa előrejelzése?

8. Elméleti megközelítési lehetőségek

9. Szálakkal párhuzamos terhelés • Rideg viselkedés F Véletlen törési küszöbök LLS E e Kúszó törés szálköteg modellje • Párhuzamos szálak rácson • Terhelés újraosztódása Két határeset: ELS • Lassú károsodás terhelés alatt Korróziós repedés, termikusan aktivált folyamatok, környezeti hatások

10. Egyetlen repedés növekedése (LLS) Időskálák szeparációja Károsodó szálak Azonnali törések lavinái Zöld: károsodás Egyéb színek: lavinák

11. Komplex dinamika Repedési front Repedési lavinák Idősor

12. Események rátája n(t): előrengések Gyorsulás a katasztrófa felé Inverz Omori törvény Paraméterek Földrengések: relaxáció Kobe, 1995, M=6.9 Zs. Danku and F. Kun, ScientificReports(2013).

13. Lavina jellemzők eloszlása Lavinák mérete Várakozási idő Zs. Danku and F. Kun, Phys. Rev. Lett. 111, 084302 (2013).

14. Egyetlen lavina időfejlődése • Indulás egy-két száltöréssel • Terhelés újraosztódás allavinák • Letapadás erős szálaknál Időtartam: Allavinák száma Profil: Allavinák mérete Mért repedési zaj

15. Lavinák átlagos profilja: jobboldali aszimmetria Jobboldali aszimmetria: fokozatos gyorsulás, hirtelen megállás Skálaformula ELS: szimmetrikus profil Profil szimmetriája a kölcsönhatás hatótávolságát jellemzi Zs. Danku and F. Kun, Phys. Rev. Lett. 111, 084302 (2013).

16. Összevetés kísérleti eredményekkel Síkbeli repedés növekedés creep terhelés alatt Mérés nagysebességű kamerával Átlagos lavina profil Jó egyezés a szálköteg modellel K. T. Tallakstad, et al., Phys. Rev. Lett. 110, 145501 (2013).

17. Üledékes kőzet nyomás alatt Földcsuszamlás Mintavétel Diszkrét elem szimuláció Ülepítés Nyomás Nyírási lokalizáció Laborkísérlet Számítógépes rekonstrukció • Porózus struktúra ülepítéssel • MD szimulációk 3D-ben. • Lassan növekvő terhelés

18. Lavinák statisztikus jellemzői Eloszlások Makroszkopikus válasz és akusztikus jelek Lavinaméret Energia Várakozási idő Reprodukálja az akusztikus lavinák Statisztikus jellemzőit F. Kun, I. Varga, S. Lennartz, I. G. Main, submitted, 2013.

19. Előrejelzés lehetősége Lavinaméret exponense fokozatosan csökken Térbeli lokalizáció nyírási sávba F. Kun, I. Varga, S. Lennartz, I. G. Main, submitted, 2013.

20. Hatványfüggvény tömegeloszlás Függetlenül az anyagtól energia betáplálás módjától Fragmentációs jelenségek univerzalitása Lövedék hatása üvegre Különböző anyagok Különböző energiabevitel D. L. Turcotte, J. Geophys. Res. 91, 1921 (1986)

21. Releváns mennyiségek Rendezetlen anyagok Hatványfüggvény csak heterogén anyagokra: kőzet, beton, szén, kerámia, üveg, ... Rideg törés Csak rideg anyagokra: Krumpli, paradicsom Dimenzió A tér dimenziója meghatározza az exponenst Üveg rúd Korong 3D tömb Exponensek: Univerzalitási osztályok Mi a helyzet a képlékeny anyagokkal?

22. Műanyagok fragmentációja: Ütközés kemény fallal Részecske gyorsító Rotor: ütköztetés kemény fallal Polypropylene gömbök Méret: Sebesség: 30-180 m/s

23. Műanyag fragmensek tömege Fragmensek tömegeloszlása Hatványfüggvény viselkedés Jelentős eltérés a rideg esethez képest G. Timár, F. Kun, H. Carmona, and H. J. Herrmann, Phys. Rev. Lett. (2010).

24. Számítógépes szimulációk nyírás által dominált törés Rideg anyag Műanyag gömb Tömegeloszlás G. Timár, F. Kun, H. Carmona, and H. J. Herrmann, Phys. Rev. Lett. (2010).

25. Résztvevők - Együttműködők Danku Zsuzsa, doktorandusz hallgató Kúszó törés szálköteg modellezése Varga Imre, DE Informatikai Kar Üledékes kőzetek szerkezetének előállítása Timár Gábor, posztdoktor Fragmentációs jelenségek Ian G. Main, Department of Geophysics, University of Edinburgh Hans. J. Herrmann, ETH, Zürich NobuyasuIto, University of Tokyo

26. Publikációk - Köszönetnyilvánítás Kapcsolódó publikációk Zs. Danku and F. Kun, Phys. Rev. Lett. 111, 084302 (2013). Zs. Danku and F. Kun, ScientificReports, accepted (2013). F. Kun, I. Varga, S. Lennartz, I. G. Main, submitted (2013). Z. Halász, Zs. Danku, F. Kun, Phys. Rev. E 85, 016116 (2012). N. Yoshioka, F. Kun, and N. Ito, Europhys. Lett. 97, 26006 (2012). G. Timár, F. Kun, H. Carmona, and H. J. Herrmann, Phys. Rev. Lett. (2010). N. Yoshioka, F. Kun, and N. Ito, Phys. Rev. Lett. 101, 145502 (2008). F. Kun, H. A. Carmona, et al., Phys. Rev. Lett. 100, 094301 (2008). Köszönetnyilvánítás EU FP7 project TAMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036 OTKA K84157