Erste Generalüberholung 2012

Nach acht Jahren Betriebszeit ohne nennenswerte Wartung musste die Waage nun im April 2012 saniert werden. Die Stahlträger waren verbogen und die Platte hatte sich durch Reibung und Geröllschläge abgenutzt. „Wir konnten einen Durchbruch nicht mehr ausschließen, der die darunter liegenden Kraftmesszellen hätte zerstören können“, sagt Fritschi.

Die Sanierung war sehr aufwändig: So musste das Team zunächst den Illbach umleiten und Zufahrtswege für den Bagger frei räumen. Erst dann konnten sie Stahlplatte und –träger ersetzen. Im Gegensatz zu diesen Bauteilen können die Wissenschaftler die Messtechnik weiter verwenden. Dafür montierten sie die Elastomerlager und Messzellen auf eine neue Stahlkonstruktion um.

Bevor das Team die neue Stahlplatte auf dem Gerüst absetzte, überprüfte es zunächst die unbelasteten Messzellen. Dafür wogen die Mitarbeiter den Stahlrahmen und die Abdeckplatte jeweils einzeln und verglichen die Daten mit den aufgezeichneten Messwerten vom Beginn des Projekts.

„Wir hatten vermutet, dass sich der Nullpunkt von zwei Messzellen im Laufe der Jahre verändert hatte“, begründet Fritschi dieses Vorgehen. „Zwar wichen die Werte tatsächlich um fünf Kilogramm ab, aber die Resultate zeigten, dass die Abweichung konstant war und wir sie daher einfach in unsere Ergebnisse einrechnen können. Somit können wir die alten Messzellen weiterhin verwenden.“ Ein Austausch kam nicht in Frage: Die Ankerschrauben, mit denen die Messzellen befestigt sind, waren durch Korrosion nicht mehr zu lösen. „Der Aufwand, die Zellen zu lösen, wäre momentan zu groß und ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht nötig“, so Fritschi. „Eines Tages allerdings werden wir sie austauschen. Schließlich wollen wir hier am Illgraben noch einige Jahre weiter forschen – noch haben wir nicht alle physikalischen Prozesse in einem Murgang verstanden.“

Extremen Kräften auf der Spur

Tonnenweise Geröll, Schlamm und Wasser stürzen bei sogenannten Murgängen den Berg hinab ins Tal. Um besser zu verstehen, welche Kräfte dabei wirken, misst sie die Eidgenössische Forschungsanstalt WSL mit einer speziellen Waage mit Messtechnik von HBM.

„Wer schon einmal gesehen hat, wie ein Murgang den Berg hinab stürzt, wird das Donnern und Grollen so schnell nicht vergessen“, erzählt Yolanda Deubelbeiss, Wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL.

Murgänge treten in den Bergen häufig während oder nach heftigen Niederschlägen oder bei der Schneeschmelze auf. Die Feuchtigkeit reißt lockeres Material wie Geröll mit sich. Aber auch Bäume und Felsbrocken geraten in den Strom und rasen, oftmals dem Verlauf von Bächen oder Gerinnen (Gräben) folgend, mit mehreren Metern pro Sekunde gen Tal – mit verheerenden Auswirkungen für alles, was auf ihrem Weg liegt. „Besonders gefährlich wird es, wenn der Murgang sich einen neuen Weg außerhalb eines Bachbetts sucht. Dann kann er schwere Schäden an Häusern, Brücken oder Straßen verursachen“, erklärt die Geologin.

Wie gefährdet ein Gebiet ist und wie hoch dort das Schadenpotenzial liegt, halten Gefahrenkarten fest. Sie basieren auf einem rechnerischen Simulationsmodell, das sich vor allem auf geologische Informationen im Einzugsgebiet, Erfahrungen mit früheren Murgängen und Bodenproben stützt. Diese Erkenntnisse spielen etwa bei der Raumplanung eine Rolle oder führen dazu, dass Geröllsperren errichtet oder Bachläufe verbreitert werden. „Die Rechenmodelle erlauben aber nur theoretische Rückschlüsse auf das Fließverhalten eines Murgangs.

Um die Bevölkerung besser vor den gewaltigen Kräften zu schützen, müssen wir noch besser verstehen, was innerhalb eines Murgangs passiert. Damit können wir die Simulationsmodelle weiter entwickeln und naturgetreuer gestalten“, erläutert Deubelbeiss. Dadurch lässt sich beispielsweise besser vorhersagen, wie weit die Ausläufer kommen.

Murgänge wiegen

Zu diesem Zweck hat das WSL im Illgraben, einem Wildbachgerinne im Kanton Wallis in den Schweizer Alpen, im Jahr 2000 eine Murgangsbeobachtungsstation eingerichtet. „Der Standort ist ideal, weil der Illbach einer der aktivsten Wildbäche der Schweizer Alpen ist und sich dort jedes Jahr einige Murgänge ereignen, bei denen wir dann die natürlichen Prozesse messen können“, sagt Deubelbeiss. Seit 2004 ergänzt eine Murgangswaage die Beobachtungen per Videokamera, Ultraschallsensoren und Radarmessgeräten. „Die Waage hilft uns, die physikalischen Prozesse im Inneren eines Murgangs besser zu verstehen und nicht nur von Außen darauf zu schauen“, so Deubelbeiss weiter. Nach Angaben der Forschungsanstalt ist es das weltweit erste und größte Projekt dieser Art.

Kräfte entkoppelt messen

Befestigung der Schlammwaage
The load cells and force transducers installed within the scale

Als Basis für die Waage nutzen die Wissenschaftler das ehemalige Beton-Fundament einer Brücke, das in einer flachen U-Form das Bachbett des Illbachs auskleidet. Darin ist die eigentliche Waage eingebettet: Als Kraftaufnahmefläche fungiert eine acht Quadratmeter große, zwölf Millimeter dicke und 3000 Kilogramm schwere Stahlplatte, die auf vier Sockeln aufliegt. Darunter verbirgt sich die Messtechnik.

„Es war nicht einfach, eine Waage zu bauen, die solche ernormen dynamischen Kräfte messen kann. Der Murgang bewegt sich schließlich ständig weiter und stoppt nicht, damit wir ihn wiegen können“, sagt Bruno Fritschi, Messtechnikexperte bei WSL. Um die Kräfte in einem Murgang abzubilden, registriert die Waage einerseits vertikale Normalkräfte, also solche, die als Druck von oben auf den Boden wirken. Auf der anderen Seite ermittelt sie gleichzeitig die horizontalen Scherkräfte, also die Belastungen, die dadurch entstehen, dass sich das Material ständig weiterbewegt.

Zusätzlich werden Messungen zur Abflusstiefe, Fließgeschwindigkeit und dem Porenwasserdruck gemacht. „Erst durch die Kombination dieser Daten bekommen wir einen realistischen Überblick über die Kräfte, die bei einem Murgang wirken. Gleichzeitig ist dieses Zusammenspiel die größte Herausforderung für die Messtechnik, weil sie die Werte voneinander entkoppelt darstellen muss“, erklärt Fritschi. „Das ist der Grund, aus dem wir uns für Kraftaufnehmer von HBM entschieden haben. Die Produkte bieten nicht nur eine präzise Sensorik, sondern ermöglichen eine Vertikalkraft-Messung, ohne dass dabei Horizontalkräfte das Ergebnis beeinflussen.“

Entscheidend dafür ist die Kraftübermittlung von der Stahlplatte über ein Elastomerlager auf die Wägezelle (Typ C2, 50 Tonnen). Denn die Elastomerlager des Typs ZEL bestehen aus übereinander angeordneten Stahlplatten und Gummischichten, die durch Vulkanisieren miteinander verbunden sind. Übertragen sie eine Kraft, blendet der elastische Anteil das horizontale Gewicht praktisch aus: Die Schichten verschieben sich so, dass die seitliche Krafteinwirkung nicht an die Wägezelle weitergegeben wird. Zwei Wägezellen des Typs U2A nehmen zusätzlich die Horizontalkraft des Murgangs auf (20 Tonnen), dabei minimieren sie über Gelenkhülsen Kraftnebenschlüsse

Heftige Schläge aushalten

Die Ergebnisse erfassen die Wissenschaftler in Tonnen – ein Hinweis darauf, welche enormen Kräfte wirken. „Deshalb muss die Messtechnik nicht nur präzise Resultate liefern, sondern auch Einiges aushalten“, erläutert Fritschi. „Die großen Blöcke in einem Murgang rollen mit hohen Geschwindigkeiten über die Waage und wirken als Schläge auf sie ein. Dieser massiven Belastung müssen die Kraftaufnehmer standhalten. Wir können schließlich keine Überlastungssicherung einbauen – der Murgang hat einfach die Wucht, die er eben hat.“

Das können nach bisherigen Messungen im Illgraben bis zu 40 Tonnen Drucklast sein, die sich mit bis zu sechs Metern pro Sekunde weiterbewegen. Bei der Sensorik von HBM federn die Elastomerlager diese Kräfte ab. Doch die Kräfte sind nicht die einzige Herausforderung an die Technik: Sie muss in einem extremen Umfeld störsicher funktionieren. „Um die Waage herum ist überall Schlamm und Wasser. Im Winter ist es kalt, im Sommer warm. Zwar ist die Technik trocken untergebracht, aber die Umstände für die Messung sind sehr rau“, so Fritschi.

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