Ultraschalluntersuchung an Elbsandstein nach Felssturz am Wartturm im November 2000 und die Situation 2018 am Basteifels.

Wartturm bei Rathen - Ultraschalluntersuchung nach Felssturz

Zielstellung

Die an den Handstücken ermittelten niedrigen Ultraschallgeschwindigkeiten, als Folge von Sandsteinverwitterung und -zerfall, sollten durch eine Vorortuntersuchung am Wartturm nachgewiesen und mittels Laboruntersuchung an entnommenen Bohrkernen mit gleichzeitiger Druckfestigkeitsbestimmung korreliert werden.

 

Einsatzort: Wartturm bei Rathen, Sächsische Schweiz
Projektpartner: Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie (LfUG) Freiberg - Herr Dommaschk;
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, Gesteinstechnisches Labor - Herr Rosetz;
GEOTRON-ELEKTRONIK, Rolf Krompholz
Messaufbau: Ultraschall-Prüfsystem UKS 12
US-Geber: UNG 20, UPG 250
US-Empfänger: SW20, UPE
Vorverstärker VV41 für Vorortuntersuchung
  US-Geber: UPG-D, UNG 64
US-Empfänger: UPE-D, UPE für Laboruntersuchung
Software: LightHouse 2000-SM

Vorgeschichte:

Im November 2000 ereignete sich am Wartturm ein Felssturz, der die Ostseite des Wartturmes vernichtete. Der Absturz von ca. 400 m³ Gesteinsmasse erfolgte in Richtung Elbtal. Im Ablagerungsbereich gefundene Trümmerteile, in Form von Handstücken wurden unsererseits mittels Ultraschall-Durchschallung geprüft und waren Anlass zu nachfolgend beschriebenen Untersuchungen.

Messdurchführung:

Die Vorortuntersuchung erfolgte in indirekter Durchschallung über 10.. 20 cm mit einer Prüffrequenz von 250 kHz, bzw. als Oberflächenmessung über 20.. 60 cm mit einer Prüffrequenz von 20 kHz ( Bilder 1, 2).

Die Bohrkernentnahme (Bilder 4, 5) erfolgte je Seite ( Nord, Ost, Süd, West) zu je zwei Bohrkernen mit einer Tiefe zwischen 20 cm und 60 cm. Die Laboruntersuchung der Bohrkerne (Bilder 6, 7) erfolgte durch Ultraschallmessungen radial zum Kern als direkte Durchschallung mit Messraster zur Tiefenlage.

Die Messungen von Herrn Rosetz wurden zusätzlich pro Messraster aus drei zur Achse versetzten Einzelmessungen durchgeführt, um die im Sandstein ausgeprägte Anisotropie zu berücksichtigen.

Ergebnis:

Die an den Handstücken ermittelten Schallgeschwindigkeiten VP von ca. 1200 m/s konnten durch die Vorortuntersuchung, welche reproduzierbare Ultraschallsignale an den Messpunkten lieferte, im Bereich der Abrissfläche bestätigt werden. Die westlich und vor allem nördlich gelegenen Messpunkte lieferten höhere Schallgeschwindigkeiten als Indiz für eine größere Festigkeit des Sandsteins. Dabei war zu beachten, dass bei Oberflächenmessungen der Ultraschall eine relativ geringe Eindringtiefe im Bereich von einigen Zentimetern besitzt. Resultierend aus diesen Messwerten konnte eine Annahme über den möglichen Zustand dieser horizontalen Ebene simuliert werden (Bild 3).

Zur Bestätigung bzw. Klärung der realen Verhältnisse war durch die Bemühungen des LfUG eine Entnahme von Bohrkernen möglich. Diese Bohrkerne wurden sofort nach der Entnahme unsererseits mit Ultraschall geprüft (Tabelle 2 und 3). Eine weitere Ultraschallprüfung wurde anschließend im wassergesättigten Zustand von Herrn Rosetz durchgeführt. Beide Prüfungen lieferten übereinstimmende Ergebnisse. Aus Platzgründen werden hier stellvertretend nur zwei Bohrkerne dargestellt. Die in der Vorortuntersuchung gemessenen Schallgeschwindigkeiten konnten in gleicher Größenordnung wiederum bestätigt werden.

Abschließend wurde an acht Bohrkernteilen die einaxiale Druckfestigkeit bestimmt [1]. Die ermittelten Werte liegen maximal bei 6,5 MN/m² und minimal bei 0,34 MN/m², der Durchschnitt bei 3,3 MN/m². Die Einzelwerte betragen für den Bohrkern 1-2/01 (Bild 6) 1,27 MN/m² und für den Bohrkern 3-1/01 (Bild 7) 3,5 MN/m².

Die äußerst geringe Festigkeit des Sandsteins, von unter 10% des Normalwertes, korrespondiert mit den direkt am Wartturm und an den Bohrkernen gemessenen Schallgeschwindigkeiten. Teilweise lagen diese deutlich unter 1000 m/s und damit am Übergangsbereich von Festgestein zu Lockersediment. Auch die an der Massivseite gemessenen Schallgeschwindigkeiten von über 3000 m/s resultieren teilweise nur aus einer dünnen, ca. 4 cm betragenden Kruste (Abb. 8).

Zusammenfassend bestätigt sich der aus anderen Ultraschall-Anwendungsbereichen an Naturstein bekannte Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle, Gefügezustand und mechanischer Festigkeit. 

Auf Grund der Untersuchungsergebnisse ist eine Korrelation bezgl. der Druckfestigkeit zwischen zerstörender Bohrkernentnahme und zerstörungsfreier Ultraschallprüfung einerseits nicht nur aussagekräftig, sondern zeigt zum anderen die Eignung zerstörungsfreier Verfahren für Folgeuntersuchungen mit deutlich geringerem Aufwand an Zeit und Technik. Von uns geführte Gespräche mit den entsprechenden Entscheidungsträgern lassen derzeit keinen kurzfristigen, bzw. zukünftigen Einsatz des Ultraschallverfahrens erkennen.

SZ-Online vom Donnerstag, 22.02.2018 von Nancy Riegel (gekürzt)[2]:

Basteifelsen noch poröser als gedacht
Die Aussicht ist gesperrt. Dabei ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis Teile abbrechen.

Der vordere Teil des Felsens ist porös, marode, nicht mehr tragfähig. So kommunizierte es in den vergangenen Monaten das Sächsische Finanzministerium.

„Die Bohrungen im Sandstein unterhalb der Basteiaussicht zeigen teilweise einen Wechsel aus festem Gestein, Lockergestein bis hin zu sandigen Bereichen“, bestätigt Tobias Lorenz vom Staatsbetrieb Sächsisches Immobilien- und Baumanagement (SIB).

Da bis zu 1,5 Millionen Menschen jährlich das Wahrzeichen der Sächsischen Schweiz begehen, gingen die Wissenschaftler akribisch bei der Analyse des Sandsteins vor. Zunächst wurden Bohrungen sowie Ultraschallmessungen durchgeführt. Anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen wird die Struktur des Felsens sichtbar.

Im Labor wurden dann die Gesteinsproben unter anderem auf ihre Druckfestigkeit untersucht und Dünnschliffe angefertigt, um die Zusammensetzung des Sandsteins zu ermitteln. „Auch hier wurde eine teilweise geringe Festigkeit ermittelt sowie eine sehr hohe Wasseraufnahmefähigkeit einiger Proben, was ebenfalls auf eine verminderte Festigkeit und mögliche Erosion hindeutet“, führt Tobias Lorenz aus.

Schlussfolgerung: Niemand kann garantieren, dass der Basteifelsen künftige Generationen von Touristen tragen kann.

Überhaupt könne man nicht sagen, wie lange das Gestein noch in dieser Form Bestand hat – ob mehrere Jahrzehnte oder doch nur wenige Monate. Dass Sandstein von jetzt auf gleich zerbröseln kann, ist eine unberechenbare Gefahr in der Sächsischen Schweiz.

Bestes Beispiel: der nur wenige Meter Luftlinie von der Bastei entfernte Wartturm. Im Jahr 2000 löste sich eine 300 Kubikmeter große Sandsteinplatte und donnerte rund 60 Meter tief ins Elbtal. Wie durch ein Wunder wurde niemand verletzt.

Anmerkung:

Schon in Folge der Untersuchungen am Wartturm hatten wir auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf benachbarte Felsformationen im Rathener Gebiet hingewiesen. Heute nach über 15 Jahren hat sich der Kreis geschlossen und unsere Vermutungen wurden bestätigt. Wir hoffen dass der zeitliche Vorlauf derartiger Entscheidungen, ungeachtet wie lange sie auch immer dauern mögen, gegenüber der Erosion der Sandsteine immer erhalten bleibt!

Quellen:

[1] "Laborbericht über die Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit", G.-P. Rosetz - TU Bergakademie Freiberg  11-05-2001
[2] SZ-Online vom Donnerstag 22.022018