Computermodell simuliert Erdbebenverhalten antiker Bauten
Wie verhalten sich antike Bauten bei Erdbeben? Und wie kann man sie vor Zerstörung besser schützen? Mithilfe eines Computermodells wollen Kasseler Wissenschaftler die Fragen beantworten und Vorschläge liefern, wie man historische Gebäude vor dem Einsturz bewahren kann. Ein erster Vorschlag sind dünne Stahlstangen im Inneren von Säulen, die Gebäude gleichzeitig flexibilisieren und stabilisieren.
Mit einem Budget von 25 Millionen Euro läuft derzeit in Rom die Renovierung des Kolosseums. Die Computersimulationen könnten in Zukunft neue Renovierungstechniken hervorbringen, die antike Bauten auf die nächsten Tausend Jahre vorbereiten.
Foto: dpa
Antike Gebäude sind vor allem dafür bekannt, dass sie schon seit Jahrtausenden da stehen, wo sie erbaut worden sind. Sie stehen da. Und stehen und stehen und stehen. Gut, manchmal löst sich ein Steinstück oder auch zwei, und zugegeben, der Zahn der Zeit ist oftmals nicht zu übersehen. Damit sich nicht irgendwann alle Steine auf einmal lösen, zum Beispiel bei einem Erdbeben, entwickeln Forscher der Universität Kassel jetzt ein Computermodell, das das Verhalten antiker Bauten bei Erdbeben simuliert.
Die Ergebnisse des Projekts, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 300.000 Euro gefördert wird, sollen für den Erdbebenschutz vor allem antiker Gebäude genutzt werden. Drei Jahre haben die Forscher unter Leitung von Prof. Uwe Dorka, Leiter des Fachgebiets Stahl- und Verbundbau am Kasseler Institut für konstruktiven Ingenieurbau, Zeit für ihr Vorhaben.
Schritt für Schritt entsteht ein realitätsnahes Tempelmodell
Für ihre Forschung verknüpfen die Wissenschaftler das virtuelle Modell eines antiken Tempels per Computernetzwerk mit Tests am Nachbau einer Säule, die rund ein Drittel kleiner ist als das Original. Kräfte und Verschiebungen, die bei einer Erdbebensimulation an der Säule gemessen werden, wirken so auch auf das Computermodell. Umgekehrt werden am Modell erzeugte Bewegungen ebenfalls auf den Säulennachbau übertragen.
Die Kasseler können ihren Aufbau so verändern, dass der Säulennachbau jede beliebige Säule im virtuellen Modell darstellen kann. Auf diese Weise ist es möglich, viele verschiedene Varianten durchzuspielen und eine große Menge an relevanten Daten zu sammeln. Die Forscher wollen zu einem Tempelmodell kommen, mit dem sie realitätsnah arbeiten und anhand dessen sie die Baumeister der antiken Stätten verstehen lernen können. Das dürfte auch heutigen Planern neue Erkenntnisse bringen. „Die Konstruktionen waren durchaus erdbebensicher, ihre Erbauer wussten, was sie taten“, ist sich Erdbebenschutzforscher Dorka sicher.
Italienischer Neptun-Tempel steht Modell für das Projekt
Als Referenzobjekt für das Kasseler DFG-Projekt dient der Neptun-Tempel im italienischen Paestum, eine als UNESCO-Weltkulturerbe anerkannte Ruinenstätte in der Provinz Salerno. Damit die Kasseler Wissenschaftler den Tempel als Computermodell nachbauen konnten, hatten Archäologen ihn vermessen, auch der Boden war bis zu einer Tiefe von 20 Metern gescannt und untersucht worden – schließlich hat auch die Beschaffenheit des Untergrunds Auswirkungen auf das Verhalten der Gebäude bei Erdbeben. Zusätzlich wurden Sensoren angebracht, die Aufschluss über äußere Einflüsse wie Erschütterungen durch Verkehr oder Wind und Wetter liefern sollen. All das fließt in die Berechnungen der Wissenschaftler mit ein.
Am Modell einer antiken Säule (rot) testen die Forscher Belastungen, die bei einem simulierten Erdbeben auftreten. Die Daten fließen direkt in ihr virtuelles Modell eines antiken Tempels ein.
Quelle: Universität Kassel
Am Ende ihres Projekts will die Forschungsgruppe Rechenmodelle liefern, die über statische und konstruktive Eigenschaften des Tempels Auskunft geben, und damit auch über sein Verhalten bei Belastungen – vor allem bei Erdbeben. Allerdings wollen sie nicht nur beobachten, sondern haben bereits Vorstellungen für die konkrete Stabilisierung dieses und anderer Tempel: Sie prüfen, ob der Einsatz so genannter Tendon-Systeme sinnvoll ist, um diesen und gegebenenfalls auch andere griechische Tempel vor Erdbeben zu schützen.
Stahlsehnen nutzen Vorbohrungen aus der Antike
Das Tendon-System nutzt die Längsbohrungen, die antike Steinmetze bei der Erbauung des Tempels in die Säulentrommeln eingearbeitet haben. In diese Löcher werden meterlange dünne Stahlstangen senkrecht eingeführt, die einzelnen Säulentrommeln also nahezu wie die Perlen einer Kette aufgefädelt. Die Stahlstangen wirken ähnlich wie Sehnen in einem Körper und sorgen dafür, dass sich das Gebäude bei Erdbeben kontrolliert und bis zu einem gewissen Grad flexibel in alle Richtungen bewegen kann, ohne einzustürzen. Dieses System ist bereits in anderen Gebäuden im Einsatz: in einer Barockkirche nahe Salerno und seit kurzem auch bei einem antiken Stadttor nahe Antalya in der Türkei.
Noch ist das Tendon-System in der Erprobungsstufe, Uwe Dorka und sein Team setzen aber große Hoffnungen in die Stahlstangen. Richtig eingesetzt, greift das System die Bausubstanz nicht an, verändert nicht die ursprüngliche Statik und ist leicht und rückstandslos zu entfernen. Damit könnte es eine ideale Kombination aus Erdbebensicherheit und Denkmalschutz darstellen.
Allerdings arbeite man derzeit noch daran, das Verfahren besser zu verstehen, so Dorka. Gerade im Fall des Neptun-Tempels, der Modell für die Kasseler Truppe steht, wäre ein neuerliches vorschnelles Eingreifen auch fatal: Bereits bei einer früheren Sanierung seien Stahlstäbe in neu gebohrte Löcher einbetoniert worden, erläutert Dorka. Jetzt rostet der Stahl, dehnt sich dabei aus und sprengt die Steine – auch nicht besser als ein Erdbeben.
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