Bochumer Forscher entschlüsseln Gesetzmäßigkeiten von Erdrutschen
Immer wieder rutschen Berghänge ab und begraben ganze Dörfer unter riesigen Erdmassen. Mit einem meterhohen Versuchsstand kommen Bochumer Forscher den physikalischen Gesetzmäßigkeiten jetzt auf die Spur. Mit großer Wucht schießt ein Kies-Wasser-Gemisch in die Tiefe, Sensoren an den Seitenwänden messen die Kräfte.
Der kalifornische Küstenort La Conchita nach dem verheerenden Erdrutsch im Jahr 2005. Zehn Menschen wurden von den Erdmassen erdrückt.
Foto: USGS/Reid
An Berghängen lebt es sich oftmals idyllisch, allerdings auch sehr gefährlich. Insbesondere nach schweren Regenfällen sind Erdrutsche keine Seltenheit. So forderte ein Erdrutsch im kalifornischen Küstenort La Conchita im Januar 2005 zehn Todesopfer und zerstörte 13 Häuser. Nach Schätzungen sterben jährlich mehr als 600 Menschen weltweit durch Erdrutsche. Die dabei entstehenden Sachschäden werden mit 8,8 Milliarden Euro beziffert.
Forscher an der Ruhr-Universität Bochum wollen nun dem Phänomen der gefürchteten Erdrutsche zu Leibe rücken und endlich verstehen, was den Boden ins Fließen bringt. Bei solchen katastrophalen Ereignissen kommt ein ursprünglich fester Verbund aus Kornbestandteilen, zum Beispiel Sand, Kies oder Gestein, ins Rutschen oder Fließen – dem Sand in einer Sanduhr vergleichbar. Am Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik der Bochumer Universität nähert man sich dem Phänomen der Erdrutsche mit viel Mathematik, Experimenten mit Kies-Wasser-Gemischen und verschiedenen Simulationen mit Glaskugeln und Wasser.
Öffnet sich die untere Klappe des drei Meter hohen Versuchsstandes, schießt ein Wasser-Kies-Gemisch aus dem Behälter heraus. Drucksensoren in den Seitenwänden messen die entstehenden Kräfte.
Quelle: Rubin
„Wir betrachten Mischungen aus Körnern und Flüssigkeiten unter klar definierten und kontrollierten Bedingungen, zum Beispiel wie ein Kies-Wasser-Gemisch aus einem drei Meter hohen Behälter fließt“, erklärt Timo Reisner vom Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik. „Wir arbeiten dabei eng mit Geotechnikern der TU Darmstadt zusammen, die ebendiesen Fließprozess experimentell untersuchen.“
Forscher entwickeln aus Strömungsverhältnissen mathematisches Modell
Zu Beginn eines Versuches öffnet sich am unteren Ende des drei Meter hohen Versuchsstandes eine Klappe. Mit Wucht setzt sich das Kies-Wasser-Gemisch in Bewegung und strömt innerhalb von zehn Sekunden aus dem Behälter heraus. Modernste Messtechnik zeichnet die Vorgänge im Inneren auf. Drucksensoren in den Seitenwänden und Kraftsensoren unter dem Versuchsstand messen zu jedem Zeitpunkt Wasserstand und –druck sowie das Gewicht des Behälters. Mit diesen Informationen entwickeln die Forscher um Timo Reisner ein mathematisches Modell. Dieses soll helfen, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten solcher instabilen dynamischen Prozesse besser zu verstehen.
„Mathematisch gesehen ist es zunächst egal, um was für eine Flüssigkeit und um welche Art von Körnern es sich handelt, ob wir es also zum Beispiel mit Kies, Sand oder Glaskugeln zu tun haben“, erklärt Reisner. „Wir sprechen daher verallgemeinernd von einer Granulat-Fluid-Mischung.“ Jetzt geht es darum, herauszufinden, wie sich diese Materialien im Versuch konkret verhalten.
Ein Gedankenexperiment mit parallelen Glasplatten
Ein Gedankenexperiment: Ein Raum zwischen zwei unendlichen parallelen Glasplatten ist mit Wasser als Fluid gefüllt. Die untere Platte steht fest, die obere wird im immer gleichen Abstand zur unteren in eine Richtung bewegt. Die Reibung im Inneren der Wasserschicht bewirkt, dass sich diese Glasplatte mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und sich die Wasserschicht entsprechend verformt. Wie viel Widerstand ein solches Newtonsches Fluid seiner Verformung entgegensetzt, wird durch seine Zähigkeit bestimmt. Je dickflüssiger, desto höher ist der Widerstand, gegen den die Glasplatte bewegt werden muss.
Timo Reisner plant Experimente mit einer Miniaturversion des Versuchsstandes.
Quelle: Rubin
Ersetzt man jetzt in diesem Gedankenexperiment das Wasser durch ein Granulat, also Sand, Kies oder Glaskugeln, so verhält sich der Kornverband wie ein Festkörper. Die Glasplatte rührt sich nicht von der Stelle. Genau das ist der Zustand in einem stabilen Hang, die Zähflüssigkeit des Untergrundes ist riesig. Beim Erreichen einer bestimmten Kraft kommt das Granulat – der Untergrund – aber ebenfalls ins Fließen, und die obere Glasplatte im Gedankenexperiment bewegt sich. Anstatt wie ein Festkörper verhält sich das Material auf einmal wie eine Flüssigkeit, vergleichbar mit dem Sand einer Sanduhr, die umgedreht wird. Und der Hang beginnt zu rutschen.
Flüssigkeit als Schmierstoff
Jetzt kommt der Starkregen ins Spiel: Es geht um die Frage, welchen Beitrag die Flüssigkeit im Porenraum als Schmierstoff zum Fließverhalten des Granulats leistet. Denn der Wassergehalt beeinflusst die Materialeigenschaften eines Kornverbandes von Sandkörnern: Feuchter Sand verhält sich wie ein Festkörper. Trockener Sand kann Eigenschaften eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit annehmen. Bei vollständig wassergefüllten Poren zwischen den Körnern ergibt sich eine fließfähige Mischung. Dann gibt es da noch die Frage der Korngröße: Je größer die Körner, desto geringer ist der Einfluss der Kohäsion im inneren Zusammenhalt des Kornverbundes.
„Materialverhalten der Mischung verstehen“
All diese Variablen im Materialverhalten beschreiben die Bochumer Forscher in einer sogenannten Konstitutivbeziehung. Weichen die mathematischen Lösungen von den experimentell ermittelten Werten ab, so passen sie die Konstitutionsgleichungen, die das Materialverhalten beschreiben, entsprechend an. „In der Wahl dieser Konstitutivgesetze liegt also das Ziel unserer Forschung: Wir wollen sie so anpassen, dass sie das reale Fließ-Verhalten von Fluid-Granulat-Mischungen wiedergeben und auf diese Art das Materialverhalten der Mischung verstehen“, erklärt Timo Reisner. Man kann Erdrutsche zwar nicht verhindern, aber wenigstens das innere Prinzip einer solchen Katastrophe verstehen.
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