Sandkastenspiele mit weitreichenden Folgen

15. Mai 2001, 12:19
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Das Innenleben großer Gesteinsschichten wird von Innsbrucker Geotechnikern am PC simuliert

Wien - Wissen Sie, welche Eigenschaft Sand mit großen Gesteinsmassen gemeinsam hat? - Die Plastizität, unter anderem. Sie halten das für einen Gag oder einen Irrtum? Irrtum! Es ist ein Paradoxon - und zwar ein wissenschaftlich begründbares. Denn wie so vieles im Leben ist auch beim gemeinen Stein die Charakteranalyse eine Frage des Maßstabs: Betrachtet man ihn in kleinen Mengen, verhält er sich hart und spröde, wie es von ihm erwartet wird. Paradox verhält er sich nur im großen Maßstab, denn dann reagiert er wie Sand - also plastisch. Schuld daran ist der enorme Druck in der Tiefe, der aus dem Gewicht des überlagernden Gebirges entsteht. Der Druck wird dann so groß, dass er die Festigkeit des Gesteinsmaterials übersteigen kann - und zwar jene Festigkeit, die den Stein so spröde erscheinen lässt: die Kohäsion. Und was ist die Konsequenz aus dieser verblüffenden Erkenntnis? Dass Gesteinsphänomene im Labor mit Sand simuliert werden können.

Bestätigung fand diese Erkenntnis auch durch die Methode der numerischen Simulation, bei der die Laborversuche sozusagen im PC stattfinden. Von enormer Bedeutung ist die numerische Simulation in den Geowissenschaften hauptsächlich dort, wo genaue Prognosen über das Verhalten und den Zustand von großen Gesteinsmassen gefragt sind: das ist vor allem im Tunnelbau, in der Erdbebenvorhersage, in der Erdölprospektion, beim Bau von Atomkraftwerken oder bei der Suche nach sicheren Endlagern für radioaktive Abfälle.

Der größte Schrecken für jeden Tunnelbauer etwa sind unvorhergesehene Störzonen im Gestein, etwa aufgeweichtes und verwittertes Material in Verwerfungen (Rissen und Brüchen). Das Schlimmste, was in so einem Fall passieren kann, ist Wassereintritt in den Tunnelvortrieb. Es ist also durchaus empfehlenswert, vor größeren Bauvorhaben den Untergrund genau zu erkunden. Das Problem dabei: die zurzeit angewandten Vorhersagemethoden sind unzuverlässig und sehr aufwendig. Umso größer sind die Erwartungen, die in die numerische Simulation zur Vorhersage von Verwerfungen, Spannungen, Faltungs- oder Abtragungsprozessen im Gestein gesetzt werden, denn sie ist flexibler auf unterschiedlichste Bedingungen anzuwenden, liefert zuverlässigere Ergebnisse und ist zudem viel schneller als die klassischen Methoden.

Am Institut für Geotechnik und Tunnelbau der Uni Innsbruck laufen zurzeit intensive - vom Wissenschaftsfonds finanziell unterstützte - Untersuchungen zu diesem Thema. "Grundsätzlich", so Institutsvorstand und Simulationsexperte Dimitrios Kolymbas, "arbeiten wir daran, die Methoden der Simulation weiter für die unterschiedlichen Anwendungen in den Geowissenschaften zu verfeinern."

Geduld geboten

Zumindest die beiden wichtigsten Zutaten dafür sind bereits vorhanden: Das ist zum einen das Stoffgesetz für Sand (eine mathematische Differenzialgleichung, an deren Entwicklung Kolymbas maßgeblich mitgewirkt hat), zum anderen die Methode der Finiten Elemente, die bei komplexen Simulationsprozessen zum Tragen kommt. Ziel der Innsbrucker Forscher ist es nun herauszufinden, welches Stoffgesetz für Sand das passende für ein bestimmtes Gesteinspaket ist, denn: Sand ist bei weitem nicht gleich Sand!

Aber warum eigentlich Sand, wenn man etwas über Gestein wissen will? "Für große Gesteinsmassen, um die es in unseren Untersuchungen geht, gibt es ganz einfach keine Stoffgesetze", erklärt Dimitrios Kolymbas. "Wie wir aber durch die physikalische und mittlerweile auch durch numerische Simulation von Sand wissen, weist dieses Material ähnliche Eigenschaften wie Gestein im großen Maßstab auf. Deshalb greifen wir auf die Stoffgesetze von Sand zurück."

Bis man mittels numerischer Simulation exakte Vorhersagen und Bestimmungen von Verwerfungen, Spannungen oder Faltungsprozessen in großen Gesteinspaketen liefern und damit das Leben von Tunnel- und Kraftwerksbauern, von Erdöltechnikern und Bergbauexperten erleichtern wird, ist allerdings noch etwas Geduld geboten. Denn mit dem praktischen Einsatz dieser viel versprechenden Methode im Berg- und Tunnelbau ist frühestens in zehn Jahren zu rechnen, bremst Kolymbas voreilige Euphorie. Und auch dieser Zeitplan sei nur einzuhalten, wenn die gegenwärtigen Forschungsanstrengungen zumindest in gleicher Intensität fortgesetzt werden können. Sicher sei er sich da nicht, denn die Geowissenschaften seien derzeit eben nicht gerade die wissenschaftlichen Renner, meint der Forscher pessimistisch.

Zumindest aber der Tunnelbau und andere extrem bodenabhängige Bausektoren dürften ein interessiertes Auge auf die Innsbrucker Arbeiten behalten, denn das Sicherheits- und Einsparungspotenzial, das die neue Methode verheißt, ist beträchtlich.

Numerische Simulation ist die Abbildung bestimmter Vorgänge und Zustände (hier etwa die Spannung großer Gesteinspakete) mithilfe mathematischer Modelle, die numerisch im Computer ablaufen.

Die Methode der Finiten Elemente ermöglicht es, Vorgänge, die in einem kontinuierlichen Körper ablaufen, numerisch zu simulieren. Das Kontinuum, das unendlich viele Unbekannte hat, wird dabei durch ein System mit endlich vielen Unbekannten ersetzt.

von Doris Griesser
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