Bodenverflüssigung macht Erdbeben gefährlich (mit Schiffeversenken)

Eine der Gefahren bei Erdbeben geht von der so genannten Bodenverflüssigung aus. Unverfestigte Sedimente verhalten sich im Falle von Erschütterung plötzlich wie eine Flüssigkeit. Doch nicht nur bei Erdbeben, auch bei Erdrutschen und sogar im Frachtraum von Schiffen kann dieses Phänomen zuschlagen. Meist mit katastrophalen Ergebnissen.

Was ist Bodenverflüssigung

Was passiert bei der Verflüssigung von Boden eigentlich? Am besten beobachten lässt es sich an losen unververfestigten Sandböden, die zudem noch mit Wasser gesättigt sind. Das heißt, der Porenraum zwischen den einzelnen Sandkörnern ist mit Wasser gefüllt.

Wenn wir diesen Sand nun zusammenpressen, wird der zur Verfügung stehende Porenraum verringert. Wasser hingegen lässt sich nicht so einfach zusammendrücken, sondern sucht sich Wege in Bereiche mit geringerem Druck, wie sie an der Oberfläche der Sandschicht zu finden sind. Das kann man gut beobachten, wenn man am Strand den nassen Sand mit den Füßen zusammendrückt.

Wenn der Druck auf unseren Sand aber sehr schnell, oder, wie im Falle eines Erdbebens rhythmisch wiederholt erzeugt wird, kann das Wasser nicht entweichen, bevor eine neue Druckwelle ankommt.

Wenn Häuser kentern

In diesem Fall steigt der Wasserdruck so weit an, dass er die Scherkräfte zwischen den einzelnen Sandkörnern übersteigt. Die Körner verlieren den Kontakt zu einender. Wenn die Körner den Kontakt verlieren, büßt das Sediment auch seine Scherfestigkeit ein, es verhält sich wie eine Flüssigkeit. Das ist dann der Moment, an dem Gebäude „kentern“ oder zusammenbrechen, weil der Boden seine Fähigkeit verloren hat, sie zu tragen.

Bodenverflüssigung, Niigata Erdbeben 1964

Hochhäuser nach dem Niigata Erdbeben von 1964. Der verflüssigte Boden konnte die Gebäude nicht länger tragen. sie sind regelrecht gekentert. The original uploader was Ungtss at English Wikipedia. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liquefaction_at_Niigata.JPG), „Liquefaction at Niigata“, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/Template:PD-US

Auch bei Erdrutschen kann dieses Phänomen beobachtet werden, ganz besonders nach Erdbeben. Ein sehr anschauliches Beispiel ist das M 6,7 Erdbeben vom 05. September in Tomakomai, Japan. Hier trafen die Erdbebenwellen auf kaum verfestigte, wassergesättigte Sedimente, denn kurz vorher war der Taifun Jebi mit starken Regenfällendurchgezogen. Die Bilder der Erdrutsche sehen nicht umsonst so aus, als wenn hier Flüssigkeiten verschüttet wurden.
Bodenverflüssigung und Massengutfrachter

Allerdings spielt die Bodenverflüssigung nicht nur bei Erdbeben oder Erdrutschen eine Rolle. Ziemlich dramatisch kann sie sich auch in der Seefahrt bemerkbar machen.Ganz besonders bei Massengutfrachtern und wenn die Fracht eventuell auch noch teilweise oder ganz wassergesättigt ist. Die Bewegungen des Schiffes im Seegang (der dazu noch nicht einmal besonders stark sein muss, nur eben rhythmisch) können dann eine Verflüssigung auslösen (Hier Beispiele aus dem Frachtraum der Padang Hawk von 1999). Dann kann es schnell dramatisch werden. Die Fracht schwappt dann im Frachtraum hin und her, wobei die Schiffsbewegungen noch verstärkt werden können. So lange, bis das Schiff schließlich kentert.

Wenn man jetzt auch die kluge Idee kommen sollte, man könne ja die hin und her schwappende Masse einfach entwässern (wobei sich die Frage stellt, wie dass zu bewerkstelligen wäre): Nein, ganz schlechte Idee. Wenn die verflüssigte Masse schlagartig entwässert wird (was durchaus passieren kann), dann hört die Bewegung auch auf, und alles bleibt in der Form, wie es gerade ist. Also auch auf irgendeiner Seite des Dampfers, der sich dann mit einer gefährlichen Schlagseite wiederfindet. Aus dieser Lage bekommt man die Fracht auch nur schwer wieder entfernt.

Dass Schüttgut zum verrutschen neigt, ist schon länger bekannt. Daher werden moderne Massengutfrachter entsprechend konstruiert, dass ihre Frachträume das verrutschen verhindern. Außerdem sollen hoch gelegene Ballasttanks im Falle eines Falles der Krängung entgegen wirken.

Außerdem schreibt die IMO, die internationale Schiffahrtsorganisation, Regeln vor, wie viel Feuchte eine Fracht enthalten darf und wie Schüttgüter gestaut werden sollen. Doch die Sache ist nicht ganz einfach. Die Fähigkeit eines Material zur Verflüssigung hängt nicht nur von dem jeweiligen Feuchtegrad ab, sondern auch von anderen Faktoren wie z.B. Korngröße oder Kornform oder der Dichte. Das Verhalten vieler Massengüter wird bislang hinsichtlich der Verflüssigung nur sehr rudimentär verstanden. Zwar spielt das Verrutschen der Ladung nur eine Rolle in den Havarien von Massengutfrachtern (die sind mit diversen Problemen gesegnet), man sollte das Problem dennoch nicht ganz aus den Augen verlieren. Immerhin gehen rund 10 große Massengutfrachter jedes Jahr verloren, und die Frachtverflüssigung dürfte daran ihren Anteil haben.

Susan Gourvenecüber über Verflüssigung von Schüttgut und die resultierenden Gefahren für Frachtschiffe

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

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