Universität zu Köln

Schreiber, Stephan (2012). Die Verwendung virtueller 3D-Modelle und quantitativer Untersuchungsmethoden in der Archäoseismologie am Beispiel der Archäologischen Zone Köln. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Archäoseismologie hat sich in den letzten Dekaden zu einem eigenen, multidisziplinären Wissenschaftszweig entwickelt. Durch die Weiterentwicklung von quantitativen Methoden wurden der Archäoseismologie zudem neue Werkzeuge zur Verfügung gestellt. In der vorgestellten Studie wurde der multidisziplinäre Ansatz weiterentwickelt und neue quantitative Methoden, insbesondere die Schadensauswertung basierend auf virtuellen 3D Modellen und numerische Modellierungen zur Plausibilitätsabschätzung von Schadensszenarien, wurden auf das Beispiel der Archäologischen Zone Köln angewendet. Während der Einrichtung dieses unterirdischen Museumskomplexes in der historischen Altstadt von Köln, wurden bei Grabungen Reste der römischen und mittelalterlichen Bebauung freigelegt. In einem 150 x 200 m großen Areal zeigen die neu ergrabenen Gebäudereste und Gebäude die schon in der 1950er Jahren freigelegt wurden, strukturelle Gebäudeschäden. Hinzen und Schütte (2003) haben Teile der Schäden an den in den 1950er Jahren freigelegten Fundamenten des römischen Statthalterpalastes (Praetorium) untersucht und einen möglichen seismogenen Ursprung der Schäden vermutet. Durch die derzeitigen Grabungen ergibt sich die Möglichkeit die Erdbebenhypothese und mögliche alternative Schadensursachen mit Hilfe von neuen quantitativen Methoden in einem multidisziplinären Ansatz zu untersuchen. Auf Grundlage der Kartierung des Gebäudebestandes mit einem Phasenlaserscanner konnten virtuelle 3D-Modelle der archäologischen Befunde erstellt werden. Anhand dieser Modelle wurden die Gebäudeschäden identifiziert, klassifiziert, lokalisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse der Schadensanalyse wurden in einer Datenbank zusammengefasst. Die strukturellen Gebäudeschäden wurden in dieser Studie mit simulierten Schadenszenarien verglichen. Der Großteil der Schäden deutet auf Bewegungen im Baugrund der Archäologischen Zone hin, die nicht notwendiger Weise durch Erschütterungen während eines Erdbebens verursacht wurden. Neben der Kartierung der Gebäudeschäden wurden der lokale Baugrund und die Topographie des Arbeitsgebietes untersucht. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Gebäude in der Archäologischen Zone auf einem sehr komplexen Untergrund, nahe der Kante eines Hanges zu einem ehemaligen Seitenarm des Rheins errichtet wurden. Diese Situation wurde vereinfacht und unter Verwendung vorhandener und neu erhobener Daten auf ein geotechnisches Untergrundmodell des Arbeitsgebietes übertragen. Das resultierende Finite-Element-Modell wurde zur Plausibilitätsabschätzung von Schadensszenarien genutzt. Neben der statischen Hangstabilität wurde das Verhalten des Hanges unter seismischer Belastung sowie der Einfluss von Niederschlagswasser auf den Baugrund untersucht. Für die Berechnungen des Verhaltens unter dynamischer Belastung wurden synthetische Seismogramme für 16 Erdbebenszenarien genutzt, die standortspezifisch auf Grundlage eines seismotektonischen Modells der Region berechnet wurden. Die Wirkung von Niederschlagsereignissen wurde mit einem hydrologischen Modell des Untergrundes untersucht. Grundlage ist das Bemessungsregenereignis für die Stadt Köln mit einer Wiederkehrzeit von 100 Jahren. Die Ergebnisse der Modellrechnungen unter statischer und dynamischer Belastung haben gezeigt, dass die Hangstabilität sowohl im statischen Lastfall als auch unter Erdbebenbelastung gegeben ist. Die hydrologischen Modellrechnungen haben gezeigt, dass Niederschlagswasser in Bereiche mit kohäsionslosen Sanden versickern und dort Untergrunderosion verursachen kann. Die Ergebnisse der Schadensanalyse und der numerischen Modellierungen sowie die archäologische Situation im Arbeitsgebiet zeigen, das Erosionsprozesse im Untergrund eine plausible Erklärung für die beobachteten Schäden sind.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Within the last decades, archaeoseismology has emerged to an independent, multidisciplinary branch of science. The further development of quantitative methods offered new tools to the archaeoseismology. The present study enhances the multidisciplinary approach and new quantitative methods, in particular the damage analysis based on virtual 3D-models and the numerical modeling of damage scenarios, are applied to examples from the Archaeological Zone Cologne. During the construction of this underground museum in the historic center of Cologne, parts of the Roman and medieval city were excavated. These newly excavated remains and remains of the Roman city, which were already excavated in the 1950´s, exhibit structural damages over an area of ca. 150 x 200 m. Hinzen and Schütte (2003) described parts of these damages on the previously excavated Roman palace (Praetorium) and proposed the possibility of a secondary seismogenic origin in terms of a destabilized building ground during an earthquake. The current excavations offered the possibility to further test this hypothesis and other possible causes for the damages using quantitative methods. The first part of the study was the mapping of the archaeological remains using a phase based 3D-laserscanner. The resulting 3D-models were used to identify, classify, locate and quantify the damages. The results of this analysis were merged into a damage database. The building damages were compared to modeled damage scenarios. Movements in the subsurface caused by a sudden failure of the construction ground are sufficient to explain most of the damages and seismic ground motions and hydrological effects as their possible cause were further studied. In addition to the mapping of the damages, investigations on the local construction ground and the topography of the area were made. The investigations showed that the buildings were founded on poor construction ground on top of a slope to a former side arm of the Rhine River. These conditions were simplified and assigned to a geotechnical subsurface model. This finite element model was used to test the slope stability under static and dynamic loading and to test the influence of precipitation water. For the calculations of the behavior of the slope under dynamic loading, 16 earthquake scenarios were defined. Seismograms were calculated based on a seismotectonic model of the region. The influence of precipitation water on the construction ground was tested using a rain event with a recurrence interval of 100 years, based on meteorological data for Cologne. The results of the calculations under static and dynamic loading showed that the static stability of the slope is given and that permanent deformation of the slope does not occur during the tested earthquake scenarios. The results of the hydrological calculations showed that precipitation water seeps into regions of loose sands in the underground and possibly causes subsurface erosion. The damage analysis and the results of the numerical modeling together with the archaeological situation of the investigation area show that movements in the construction ground caused by erosion processes are a plausible explanation for the observed damages. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schreiber, Stephan k.stephan.schreiber@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-45924
Date:	March 2012
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Archäoseismologie, Laserscanning, quantitative Methoden, Köln, Antike, Mittelalter German
Date of oral exam:	30 January 2012
Referee:	Name Academic Title Hinzen, Klaus-G. Prof. Dr. Melles, Martin Prof. Dr.
Projects:	DFG Projekt HI 660/2-1
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4592