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Studienarbeit 188

Untersuchungen zur Deformationsanalyse im Überwachungsnetz Onstmettingen/Hohenzollerngraben.

von David Vatter

Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. G. Schmitt
Betreuer: Dr.-Ing. K. Zippelt
Interne Bibliotheksnummer: 188

Nach mehreren heftigen Erdbeben in den Jahren 1911, 1943, 1969 und 1978 wurde das Testnetz Onstmettingen neben zwei anderen Testnetzen (Jungingen und Tailfingen) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 108 „Spannung und Spannungsumwandlung in der Lithosphäre“ der Universität Karlsruhe angelegt, um tektonische Aktivitäten im Bereich des Hohenzollerngrabens mittels geodätischen Messverfahren erfassen zu können. Damit soll ein Beitrag zur Beschreibung der Richtung und dem Betrag der Bewegungen sowie zu deren Mechanismen geleistet werden.

Da die zu erwartenden Bewegungen sehr klein sind (∼ 0,1 mm/a), wurden hochpräzise geodätische Messverfahren angewandt. Das im Rahmen der Studienarbeit ausgemessene Testnetz Onstmettingen, besteht aus 7 massiven Messpfeilern, welche über eine Fläche von ca. 0,6 km² so verteilt wurden, dass sie Teile der Grabenstruktur und der Scherbahn erfassen.

Um hochpräzise Lagekoordinaten der genannten Pfeiler zu erhalten, wurden Streckenverhältnismessungen mit dem Mekometer ME 5000 der Firma Kern durchgeführt. Die notwendige Höhenbestimmung der Pfeiler, zur Reduktion der durch das Mekometer gelieferten Schrägstrecken auf die Rechenfläche (GK-Ebene), erfolgte zum einen durch Feinnivellements mit dem DiNi10T der Firma Zeiss, zum anderen durch gleichzeitig-gegenseitig gemessenen Zenitdistanzen mit Hilfe der vom geodätischen Institut extra dafür entwickelten Messausrüstung auf Basis des Kern DKM2-A. Die Übertragung der nivellitisch bestimmten Höhen auf die Pfeilerplatten wurde mittels Pfeilerkontrollnivellements realisiert, wobei hier gleichzeitig eine Überprüfung der Pfeiler auf Kippbewegungen stattfand.

Die Lageauswertung mit dem Programmpaket Netz2D ergab einen durchschnittlichen mittleren Punktfehler von 0,04 mm! Daran anschließend wurde eine Deformationsanalyse mit Codeka2D durchgeführt. Dabei traten Probleme mit der Definition eines kongruenten Referenzpunktfeldes auf. Die in der vorherigen Epoche als stabil bewerteten Stützpunkte - anhand derer die Deformationen der Objektpunkte beurteilt werden - wurden vom Programm als nicht kongruent detektiert (sehr nahe beim kritischen Wert der Testgröße). Da bereits im letzten Auswertezyklus (s. Steidl, 2001) nur 3 Referenzpunkte zur Verfügung standen, würde dies eine Reduzierung auf den exakt bestimmten Fall erfordern, wobei aus Gründen der Zuverlässigkeit dies unbedingt vermieden werden sollte. In Anbetracht dieser Problematik wurde entschieden, die Deformationsanalyse auf Basis der bisher (d.h. über alle Epochen betrachtet) als stabil erachteten Referenzpunkte durchzuführen.

Die festgestellten Verschiebungen der Punkte, können folglich nur mit einer gewissen Unsicherheit als richtig angenommen werden. Es sollte daher eine Nachmessung des Testnetzes Onstmettingen in Betracht gezogen werden, um die Instabilität des dritten Referenzpunktes zu überprüfen. Es stellt sich dabei insbesondere die Frage nach der zukünftigen Einteilung in Objekt- und Stützpunkte.

Dennoch konnten für einige Punkte Bewegungstendenzen abgeleitet werden (auch unabhängig von dieser Arbeit), wie folgende Abbildung zeigt:

Abb.1: Visualisierung der Einzeldeformationen der Punkte in allen Epochen

Die Punkte 25 und 26 zeigen mit den letzten Epochen eine deutliche Tendenz in Richtung Südosten auf. Pfeiler 21 weist eine Bewegung in Richtung Westen auf, wobei mit den letzten Epochen eine kontinuierliche Verschiebung nach Norden beobachtet werden konnte. Für Punkt 27 konnte hingegen keine gesicherte Aussage abgeleitet werden.

Die berechneten Bewegungsraten im aktuellen Epochenvergleich 2001-2009 lagen im Bereich von 0,1 mm pro Jahr und bestätigten damit die Erwartungen.

Ein möglicher Einfluss einer gleichzeitig stattfindenden Pfeilerkippung auf die Ergebnisse der Deformationsanalyse, wurde in der Studienarbeit ebenfalls diskutiert. Es hat sich gezeigt, dass die bisher aufgetretenen Kippungen nicht vernachlässigt werden sollten, was deren zukünftige Berücksichtigung in der Deformationsanalyse impliziert. Dazu müsste allerdings ein geeignetes Modell entwickelt werden, aus dem die Kipprichtung des Pfeilers und dessen Kippbetrag und die sich damit ergebende translative Beeinflussung der Mauerplatte bestimmt werden kann.

Die durchgeführten Analysen bezüglich des Netzdesigns für die vorgenommenen Erweiterungen des 2001 angewandten Beobachtungsplans zeigten, dass unter den Gesichtspunkten Genauigkeit, Wirtschaftlichkeit und Durchführbarkeit eine Hinzunahme der zu untersuchenden Sichten nicht sinnvoll ist.

Letztendlich konnte mit der durchgeführten Netzoptimierung ein zuverlässigeres und wirtschaftlicheres Netzdesign gefunden werden. Der dieser Netzkonfiguration zugrunde liegende Beobachtungsplan sollte daher in Zukunft angewendet werden.