Europas leistungsstärkste Forschungszentrifuge
Auf dem Ó¢»ÊÓéÀÖ H?nggerberg entsteht die leistungsst?rkste geotechnische Forschungszentrifuge Europas. Sie erm?glicht es, geotechnische Bauwerke wie Fundamente, D?mme und Tunnel sowie die Auswirkungen von Naturgefahren wie Erdbeben, Erdrutschen, ?berschwemmungen und Tsunamis zu simulieren. Die Zentrifuge wurde am Mittwoch millimetergenau eingesetzt.
Schon der Auftakt im vergangenen August war ein Spektakel: Knapp eine Stunde dauerte es im Sommer, einen 245 Tonnen schweren Betonzylinder per Kran aufzuheben und aus 25 Meter H?he im Untergrund des Innenhofs beim HIF-?Geb?ude einzusetzen.
Am vergangenen Mittwoch nun ist das eigentliche Herzst¨¹ck der neuen Forschungsanlage des ETH-Instituts f¨¹r Geotechnik eingerichtet worden: die rund 20 Tonnen schwere Zentrifuge wurde von einem Pneukran in den Betonzylinder hinuntergelassen. Das Kunstst¨¹ck bestand darin, die Zentrifuge millimetergenau in der Mitte des Betonzylinders zu platzieren und die senkrechte Ausrichtung ihrer Achse zu gew?hrleisten.
Dazu war Pr?zisionsarbeit erforderlich. Der Zylinder ruht seinerseits auf speziell ausgef¨¹hrten Stahlfedern. Diese fangen die Schwingungen der Zentrifuge auf und verhindern, dass sich die Vibrationen im Untergrund des Ó¢»ÊÓéÀÖ ausbreiten. So entsteht nicht nur Europas gr?sste geotechnische Zentrifuge, sondern auch die erste weltweit, die schwingungsisoliert ist.
Modellierung zur Verbesserung der Widerstandsf?higkeit bei Naturgefahren
Die neue Zentrifuge wird Teil eines Forschungszentrums f¨¹r Zentrifugenmodellierung am ETH-Departement Bau, Umwelt und Geomatik sein. Sie wird es den Forschenden erm?glichen, dass sie Erdbeben, Bodenbewegungen (z.B. Erdrutsche) und wasserbedingte Gefahren (z.B. ?berschwemmungen, Tsunamis) f¨¹r geotechnische Bauwerke simulieren k?nnen. Diese Simulationen dienen dazu, den Entwurf neuer und die Modernisierung bestehender Bauwerke (z.B. Br¨¹cken, Geb?ude und D?mme) zu optimieren sowie die potenziellen Risiken von Naturgefahren auf Bauwerke und Infrastrukturen zu reduzieren. Gleichzeitig werden so die Nutzung nat¨¹rlicher Ressourcen und der damit verbundene Kohlenstoff-Fussabdruck minimiert.
Die Zentrifuge selbst ist einfach aufgebaut: sie besteht im Wesentlichen aus einem neun Meter langen Dreharm mit zwei daran befestigten Schaukeln, auf denen Bodenstruktur-Modelle installiert sind. Durch die Drehung l?sst sich die Zentrifuge auf das 250-Fache der Erdbeschleunigung (g) beschleunigen. Technisch spricht man von ?250 g?.
Das Leistungsverm?gen der Zentrifuge betr?gt 500 gTonnen. Das heisst, dass die Zentrifuge in einem erh?hten Gravitationsfeld von 250 g bis zu zwei Tonnen tragen kann. Zwei Tonnen vervielfacht mit 250 g ergeben 500 gTonnen. In einem n?chsten Schritt wird die Anlage mit einem Erdbebensimulator erg?nzt, der in der Lage ist, reale Erdbebenbewegungen zu simulieren.
Das erh?hte Gravitationsfeld ist unabdingbar, um eine realistische Modellierung des Bodens in einer verkleinerten Laborumgebung zu erreichen. Da das Verhalten des Bodens weitgehend vom jeweiligen Spannungsniveau abh?ngt, k?nnen Modelle, die den geometrischen Massstab der realen Situation (Bodenschichttiefe, Abmessungen des Bauwerks) lediglich verkleinern, keine realistischen Ergebnisse liefern. Durch die Erh?hung des Gravitationsfeldes erreicht die Zentrifuge, dass sich die Spannung korrekt skalieren und messen l?sst.
Mit der Zentrifuge k?nnen die Forschenden somit das Verhalten von grossfl?chigen Bauwerken und Bodenbewegungen realit?tsnah simulieren. Dazu platzieren sie die Modelle des jeweiligen Bodens einschliesslich der Bodenschichten und des Bauwerks auf den Schaukeln und beschleunigen sie auf die gew¨¹nschte Zentrifugalbeschleunigung. Zum Beispiel entsprechen 30 Zentimeter Boden in der mit 100 g beschleunigten Zentrifuge einer Tiefe von 30 Metern in der Realit?t. Der Erdbebensimulator hat eine Nutzlast von bis zu 700 Kilogramm.
Von Bochum nach Z¨¹rich
Die Zentrifuge selbst ist nicht ganz neu. Sie stammt aus Bochum, wo sie nicht mehr weiterverwendet wurde. F¨¹r die Forschung an der ETH wurden Lager, Motoren, Hydraulik und Elektronik alle erneuert und modernisiert. Die Arbeiten, um die Zentrifuge vollst?ndig aufzubauen und an die notwendigen Medien anzuschliessen, dauern noch an. Voraussichtlich gegen Ende dieses Jahres soll sie einsatzbereit sein ¨C wenn auch zun?chst nur mit reduzierter Leistung. Voll funktionsf?hig wird sie voraussichtlich ab Sp?tsommer 2022 sein, wenn die Stromversorgung vollst?ndig installiert und die zweite Phase der laufenden Bauarbeiten am Lehr- und Forschungsgeb?ude HIF abgeschlossen sein wird.
Die Einrichtung der Zentrifuge erfolgt im Rahmen der Sanierung und Erweiterung des 1976 erstellten HIF, wo das Departement Bau, Umwelt und Geomatik (D-BAUG) zuhause ist. Der Bezug der ersten Etappe erfolgt bis Ende Juni 2021. Sie betrifft den neuen Erweiterungstrakt mit zus?tzlichen Labors. In diesem Geb?udeteil werden erstmals alle neun Professuren der Umweltingenieurwissenschaften r?umlich vereint sein. Zudem werden neue Begegnungszonen eingerichtet, die den wissenschaftlichen Austausch f?rdern. Die gesamte HIF-Sanierung wird mit der dritten Etappe im Jahr 2023 beendet.
