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

Anyagi jellemzők: erős heterogenitás Szilárdtest mechanikai terhelés alatt Szub-kritikus Kvázistatikus Dinamikus Fragmentáció 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

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

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

akusztikus emisszióval Mikroszkopikus dinamika - repedési zaj mérése Törési kísérlet akusztikus emisszióval Akusztikus zaj - keletkezése - terjedése Repedések Skálaviselkedés értéke 1 és 2 között Idősor J. Baró, et al, Phys. Rev. Lett. 110, 088702 (2013). G. Michlmayr, et al, Earth-Science Reviews 112, 97 (2012).

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

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

Elméleti megközelítési lehetőségek

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

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

Komplex dinamika Repedési lavinák Repedési front Idősor

Gyorsulás a katasztrófa felé 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, Scientific Reports (2013).

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

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

a kölcsönhatás hatótávolságát jellemzi 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).

Mérés nagysebességű kamerával 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).

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

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

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

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

Univerzalitási osztályok 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?

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

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).

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).

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 Nobuyasu Ito, University of Tokyo

Publikációk - Köszönetnyilvánítás Kapcsolódó publikációk Zs. Danku and F. Kun, Phys. Rev. Lett. 111, 084302 (2013). Zs. Danku and F. Kun, Scientific Reports, 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