Vollautomatisches Großfelsschergerät in Kältekammer

• Fachliche Zuordnung: Geographie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524663687

Weltweit führt degradierender Permafrost in hochalpinen Felswänden zu einem starken Anstieg von Steinschlag, Felsstürzen und auch großen Bergstürzen. Wir haben 2013 ein umfassendes Fels-Eis-mechanisches Modell vorgelegt, das die (i) felsmechanischen, (ii) eismechanischen und (iii) mechanischen Veränderungen an der Fels-Eis-Grenzfläche beinhaltet. Um das Fels-Eismechanische Modell für (i) verschiedene Lithologien, (ii) verschiedene Druck- und Temperaturbedingungen, (iii) relevante Deformationsmechanismen und -geschwindigkeiten weltweit parametrisieren zu können, brauchen wir ein Schergerät das (i)-(iii) umfassend simulieren kann. Wir haben >40 Artikel mit Feld- und Laborvorversuchen zum Gefrierverhalten von Felsen publiziert, oft mit selbst modifizierten Laborgeräten, und sind in diesem Bereich eine international führende Forschungsgruppe. Für die universelle Anwendbarkeit des fels-eismechanischen Modells benötigen wir ein (i) großmaßstäbiges Kälte-Schertestsystem, mit (ii) frei skalierbaren Deformationen und Lasten, (iii) die Möglichkeit für trajektorienabhängige Langzeit-Kriechversuche (iv) mit zyklischen Temperaturänderungen und gleichzeitiger Messung (v) zentraler geophysikalischer Parameter. Zentraler Gegenstand dieser Beschaffungsmaßnahme ist ein vollautomatisches Felsschergerät zur Ermittlung der Scherfestigkeiten, Kriecheigenschaften und zyklischer Materialermüdung von Fels, Fels/Eis-Proben und weiteren natürlich vorkommenden, vorwiegend gefrorenen Materialien, die eine signifikante Relevanz in Bezug auf Hangbewegungen haben. Zusätzlich sollen einaxiale Druckversuche und indirekte Zugversuche möglich sein. Zur exakten Steuerung der gefrorenen Proben, ist die Einbringung des Geräts in eine Kältekammer mit thermisch-dynamischen Trajektorien (bis ca. -20°C) notwendig. Da Maßstabseffekte relevant sind, sollen Proben bis zu 300 x 300 x 200 mm getestet werden können, daneben können zur Effizienzsteigerung kleinere Proben in einem Felsschergerät in der Kältekammer mit max. 100 kN durchgeführt werden. Die Scherkraft von 500 kN und Normalkraft von 1000 kN und die thermischen Bedingungen stellen besondere Anforderungen an Steifigkeit und Festigkeit des Prüfrahmens, um Translationen im 0,01 mm-Bereich messen zu können, bei Schergeschwindigkeiten bis zu 500 (1000 kN) und 2000 mm/min (100 kN). Zeitgleich müssen akustische Emission, P- & S-Wellen, sowie zukünftig auch das elektrische Eigenpotential/Resistivität, messtechnisch erfasst werden. Die bis zu einem Monat andauernden Versuche und die schwer beschaffbaren Proben (Hochgebirge, Arktis) benötigen eine hohe Prozesssicherheit, die mit der beschriebenen Maschine gewährleistet ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Vollautomatisches Großfelsschergerät in Kältekammer
• Gerätegruppe: 2940 Spezielle Baustoff- und Bodenprüfgeräte, Schergeräte
• Antragstellende Institution: Technische Universität München (TUM)
• Leiter: Professor Dr. Michael Krautblatter