Schutz vor Steinschlag

„Digital twin“ nennt sich das neue Monitoring-System der Landesgeologen. Sie leisten damit Pionierarbeit in der Vorhersage von Steinschlagereignissen.

Südtirol ist ein Gebirgsland. „Natürliche Felsstürze stellen für die Bevölkerung nach wie vor ein Problem dar – vor allem für die Verkehrssicherheit und für Siedlungen, die in der Nähe von Felswänden liegen“, weiß Volkmar Mair, Direktor des Landesamtes für Geologie und Baustoffprüfung. Um diesem Problem zu begegnen, führt sein Team eine kontinuierliche Überwachung bestimmter Felswände durch. „Und das ist noch nicht alles“, so Mair. „Am Geiersberg bei Salurn haben wir das laufende Monitoring seit 2022 wesentlich verbessert – und zwar durch die Einführung des ‘Digital twin’-Systems.“ Das bedeutet, dass ein digitaler Zwilling der Felswand erstellt und implementiert wurde.

Der Fall Geiersberg. Am Westhang des Geiersbergs in Salurn wurde das neue System erstmals getestet. In diesem Gebiet kam es in den vergangenen zehn Jahren zu verschiedenen Felsstürzen unterschiedlichen Ausmaßes. Es begann am 15. Dezember 2011 mit dem Felssturz von etwa 10.000 Kubikmetern Gesteinsmaterial zwischen 430 und 300 Metern über dem Meeresspiegel. Es folgten Felsstürze am 1. März 2013 und am 25. und 26. Mai 2014, wo mehrere tausend Kubikmeter Material von der Felswand stürzten. In der Folge sperrte der Geologische Dienst die am Fuße des Geiersberg verlaufende Staatsstraße (SS12) vorübergehend, ließ die am Fuße des Hangs gelegenen Grundstücksparzellen räumen und errichtete einen provisorischen Schutzdamm. 2017 erfolgte dann die Verlegung der SS12 an das über 200 Meter von der Felswand entfernte Etschufer.

Was war die Ursache für diese häufigen Felsstürze? Entlang der Oberkante der Felswand befindet sich eine große Felsspalte mit einer Gesamtlänge von etwa 150 Metern. Es handelt sich um einen tiefen, nahezu senkrechten Riss im geschichteten Dolomit der Felswand. „Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt sinken, wird normalerweise ein Frost-Tau-Zyklus ausgelöst, das heißt das Wasser- bzw. Eisvolumen in den Rissen verändert sich“, erklärt Mair. „Durch die Bildung von Eis in den Felsspalten wird zunehmender Druck auf das Gestein ausgeübt, das Schmelzen des Eises bewirkt wieder eine Lockerung. Die Gesteinsbrocken werden langsam aus ihrem Schwerpunkt gehoben und stürzen die steilen, senkrechten Felswände hinunter. Es kommt zum Steinschlag.“ Eine Felswand, die sich durch die jahreszeitlich bedingten Gefrier- und Auftauvorgänge um einige Millimeter bewegt und wieder in ihre ursprüngliche Position zurückkehrt, zeige einen normalen Verlauf. „Phänomene wie diese werden von uns regelmäßig überwacht“, betont Mair. 

Der digitale Zwilling. Und genau an diesem Punkt setzt die neue Technologie an, die das Landesamt für Geologie und Baustoffprüfung in Zusammenarbeit mit dem Bozner Start-up-Unternehmen CAEmate eingeführt hat. Das Start-up hat eine innovative Software entwickelt,  die in der Lage ist, die inneren Spannungen im Gestein kontinuierlich zu analysieren und zu berechnen. Die von den Überwachungssensoren aufgezeichneten Messwerte werden vom Programm „WeStatiX SHM“ verarbeitet und in aussagekräftige Informationen über den strukturellen Zustand des Gebirges umgewandelt. So entsteht ein „digitaler Zwilling“ des Felsblocks: Damit ist es nicht nur möglich, seine aktuelle Sicherheit zu berechnen, sondern auch seine künftige Stabilität zu beurteilen. „Mögliche Felsstürze können so vorhergesagt und Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung wie zum Beispiel die Sperrung oder Verlegung einer Straße oder eines bewohnten Gebiets rechtzeitig ergriffen werden“, unterstreicht Landesgeologe Mair.

Massimo Penasa, CEO und Mitbegründer von CAEmate, erklärt: „Basierend auf numerischen Simulationen und künstlicher Intelligenz ermöglicht das Programm die Erstellung ‘digitaler Zwillinge’ beliebiger Objekte. Dank dieser Methodik ist es möglich, digitale Kopien des überwachten Objekts zu erstellen, die über den Webbrowser virtuell in 3D überprüft und kontrolliert werden können. Zudem kann mit Hilfe von numerischen Finite-Elemente-Simulationen und spezifischen neuronalen Netzen, die auf das physikalische Verhalten des überwachten Objekts ‚trainiert‘ wurden, der Sicherheitsfaktor einer Felswand kontinuierlich berechnet und eruiert werden, wie er sich in naher Zukunft verändern könnte.“ Es geht also um Simulation und gleichzeitig um Bewertung und Vorhersage künftiger Risikoszenarien.

Innovative Lösung für verschiedene Sektoren. In Südtirol wird der “Digital twin” derzeit am Geiersberg in Salurn eingesetzt; in Sinich ist man in der Anlaufphase. „Das ist ein echtes Zukunftsmodell“, erklärt Volkmar Mair, „das auch in anderen Bereichen - etwa für die statische Überwachung von Brücken - eingesetzt werden kann. Die große Neuigkeit dieses innovativen digitalen Zwillings ist die Fähigkeit, Monitoring-Daten in physikalisch aussagekräftige Informationen umzuwandeln.“ Während sich die herkömmliche Überwachung auf die kontinuierliche oder regelmäßige Beobachtung eines Phänomens beschränkt, um etwaige Veränderungen festzustellen, ermöglicht dieser neue Ansatz weitergehende Analysen, mit denen die Entwicklung des Systems mit größerer Genauigkeit vorhergesagt werden kann - wenn auch nur für wenige Tage oder in einigen Fällen nur für einige Stunden. Aber, wie Mair betont, muss jeder Fall einzeln untersucht und bewertet werden: „Geologie ist wie Medizin. Man muss sich an spezialisierte Fachleute wenden, um das Problem zu lösen. Und so ist es auch bei den Gesteinen: Jeder Fall erfordert eine spezifische Untersuchung.” 

ft (mpi)