Steinschlagforschung: Experimente liefern Grundlagen für Modelle
Marc Christen
Perry Bartelt
Yves Bühler
2016 - 2021
Inhalt ¶
Das SLF hat eine lange und erfolgreiche Tradition in der Schnee- und Lawinenforschung. Aus dieser Tradition heraus entstand auch die für die Praxis entwickelte Simulationssoftware RAMMS. Das bewährte Lawinenmodul wurde in den letzten Jahren mit Modulen für Murgänge, Erdrutsche und Steinschläge erweitert. Daten aus Fallbeispielen, aber immer mehr auch aus Feldstudien, liefern die essentiellen Hinweise, um RAMMS::ROCKFALL zu testen und zu validieren. Das Ziel dabei ist, experimentell die gesamte Flugbahn eines Steines aufzuzeichnen, inklusive Informationen über Drehgeschwindigkeiten, Aufprallkräfte, Sprunghöhen und -weiten etc. Die Versuche beginnen mit der Auswahl geeigneter Steine bezüglich Form und Grösse, die anschliessend mit Sensoren bestückt werden. Momentan sind diese Sensoren fähig, Beschleunigungen bis zum 400fachen der Erdbeschleunigung (Kunstflugpiloten erfahren ca. das 10fache der Erdbeschleunigung) sowie Rotationen bis zu 11 Umdrehungen pro Sekunde zu messen. Normale Videoaufzeichnung ergeben ein Bild der Flugbahn im Gelände, und in Kombination mit der Zeitinformation der Sensoren lassen sich Sprungweiten und Höhen abschätzen.
Experimente am Flüelapass (GR) ¶
Wie in den letzten beiden Jahren führen Forschende des SLF auch im Sommer 2019 Steinschlag-Experimente bei Chant Sura am Flüelapass durch. Dabei verwenden sie keine Natursteine, sondern künstliche Steine aus Beton. In einer ersten Reihe von Experimenten haben alle dieselbe würfelähnliche Form, unterscheiden sich aber im Gewicht. Der leichteste wiegt 44 Kilogramm, der schwerste etwa 2670 Kilogramm. Solche künstlichen Steine zu verwenden, hat den Vorteil, dass sie sehr gut miteinander verglichen werden können und man identische Steine in grosser Anzahl herstellen kann. So lässt sich untersuchen, welchen Einfluss das Gewicht auf das Bewegungsverhalten hat, ohne dass Unterschiede in der Form das Ergebnis beeinflussen. Den Einfluss der Form zu bestimmen, wird zentraler Bestandteil weiterführender Experimente sein. Dafür werden in weiteren Experimenten auch noch radähnliche Steinformen getestet.
Als Testgelände dient ein etwa 40 Grad steiler und 300 Meter langer Hang. Während die Forschenden einen Stein den Hang hinabrollen lassen, messen im Stein befestigte Sensoren die Rotationen und Beschleunigungen in allen drei Achsen. Die Sensoren sind eine Spezialentwicklung der Gruppe rund um Luca Benini des Instituts für Integrierte Systeme der ETH Zürich. Die Auslaufdistanzen werden mit einem hochgenauen GPS-Gerät eingemessen. Ausserdem setzen die Forschenden erstmals höchstauflösende 8K synchronisierte Fotogrammetrie ein. Dabei nehmen zwei bis drei Kameras aus verschiedenen Blickwinkeln 25 Bilder pro Sekunde auf. Damit lassen sich Rückschlüsse auf die Sprungweiten ziehen und im idealen Fall erlauben die Aufnahmen, aus den Stereobildern die komplette Flugbahn des Steins in 3D zu rekonstruieren.
Die gewonnen Daten dienen als Basis, um die Weiterentwicklungen der Simulationssoftware RAMMS::ROCKFALL zu überprüfen. Systematische Testreihen, wie sie die Forschenden am Flüelapass durchführen, liefern dabei eine genauere und umfassendere Datengrundlage als Fallbeispiele.
Experimente in Spitzbergen ¶
Mitglieder des RAMMS-Teams hatten im September 2017 zum zweiten Mal die Gelegenheit, einen Steinschlag-Experimentiertag im norwegischen Spitzbergen durchzuzuführen. Die abgelegene Gegend ist menschenleer und bietet deshalb viele geeignete Versuchsflächen. Der Experimentiertag findet im Rahmen eines für Studierende gehaltenen Workshops des University Centre in Svalbard (UNIS) statt. Neben Vorlesungen und Übungen führen die SLF-Forscher zusammen mit den Studenten Experimente durch. Sie digitalisieren die Steine, bestücken sie mit Sensoren und erfassen, wie sie durch die Luft fliegen und wo sie zum Stillstand kommen. Ausserdem erstellen sie gemeinsam mit Forschenden der UNIS und mithilfe eines bodengestützten Laserscanners ein Geländemodell. Die gewonnenen Daten verwenden sie dann im Übungsteil, um exakt die gleichen Bedingungen zu simulieren und somit das Modell der Realität gegenüberzustellen und mit ihr zu vergleichen.
Ergebnisse aus bereits durchgeführten Experimenten deuten darauf hin, dass radähnliche Bewegungen in Steinschlagprozessen noch wichtiger sind als bisher angenommen. Die gewonnenen Erkenntnisse fliessen laufend in die Planung weiterer Experimente und in die Weiterentwicklung der Sensorik und Datenaufnahme ein. So können auch jetzt schon RAMMS::ROCKFALL-Simulationen mit Experimenten verglichen werden. Dies hilft, das Simulationsprogramm immer stärker der Realität anzunähern. Praktikern soll damit ein wertvolles und geeichtes Instrument zur Verfügung gestellt werden, welches sie in ihrer Arbeit der Gefahrenanalyse und -kartierung unterstützt.
Multimedia ¶
Steinschlagexperimente am Flüelapass
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Produkte ¶
Publikationen ¶
Brief communication: measuring rock decelerations and rotation changes during short-duration ground impacts.
Caviezel, A.; Gerber, W., 2018: Brief communication: measuring rock decelerations and rotation changes during short-duration ground impacts. Natural Hazards and Earth System Science, 18, 11: 3145-3151. doi: 10.5194/nhess-18-3145-2018
Design and Evaluation of a Low-Power Sensor Device for Induced Rockfall Experiments
Design and Evaluation of a Low-Power Sensor Device for Induced Rockfall Experiments. A. Caviezel, M. Schaffner, L. Cavigelli, Y. Buehler, P. Bartelt, M. Magno, L. Benini. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 67, 4: 767-779. doi: 10.1109/TIM.2017.2770799