Tiefenlabor

Schnitt durch das Tiefenlabor für den Großringlaser

Das Tiefenlabor dient dem Schutz des Großringlasers vor Umgebungseinflüssen wie Bodenbewegungen oder Temperaturschwankungen sowie der festen Ankopplung des Sensors an die Erdkruste. Wegen des hohen Grundwasserstandes befindet sich die Sohle des Labors nur in einer Tiefe von ca. 5 m. Der Großring selbst lagert auf einem exakt horizontierten, polierten Granittisch, der in ein massives Betonmonument eingegossen ist. Das Monument ruht seinerseits auf einem Betonpfeiler, der in ca. 10 m Tiefe auf massivem Fels gegründet ist. Das Monument und der Pfeiler sind durch einen Luftspalt von dem eigentlichen Labor und den oberflächennahen Schichten der Verwitterungszone mechanisch entkoppelt. Ein Bohrpfahlring um den Gründungspfeiler schützt zusätzlich vor Bodenbewegungen und vor Grundwasserdurchfluß. Eine Drainage, die zu einem Sickerschacht führt, sorgt für ein konstantes Grundwasserniveau unter der Laborsohle. Die erforderliche thermische Stabilität wird durch eine 2 m dicke Isolationsschicht aus Styrodur und Ton, einer 25 cm dicken Lage aus Schaumglas unter dem Labor und dem Monument und einer 4 m hohen Aufschüttung erreicht. Eine Tagwasserdichtung in der Aufschüttung verhindert, daß durch Sickerwasser größere Wärmemengen nach unten transferiert werden. Durch einen langen Zugangstunnel mit insgesamt 5 Kühlraumtüren und einer Schleuse sowie einem vom eigentlichen Labor getrennten Datenerfassungsraum werden Störungen des thermischen Gleichgewichtes minimiert.

Detailansicht

Granittisch: Unterlager für den Großringlaser. 60 cm dicke, monolithische Scheibe aus Gabbro, einem basischen Tiefengestein, mit einem Durchmesser von 260 cm und einem Gewicht von ca. 9 t. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient beträgt 6 x 10^-6 K^-1. 200 µm dünne Teflonstreifen zwischen dem Ringlaserblock und dem Granittisch sorgen für definierte Auflageflächen und vermeiden Punktberührungen. Außerdem wird verhindert, daß Dehnungen parallel zur Kontaktfläche vom Unterlager auf den Ringlaserblock übertragen werden. Solche Dehnungen entstehen z.B. bei Temperaturänderungen infolge der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder im Verformungsfeld der Erdgezeiten.

Betonmonument: Massiver Betonquader der Größe 5 x 5 x 1,5 m, in den der Granittisch eingelassen ist. Durch die große Masse von ca. 90 t wirkt das Monument als riesiges Wärmereservoir, so daß das Thermalverhalten des Ringlaserblocks, der thermisch an das Monument angekoppelt ist, wesentlich träger wird.

Gründungspfeiler: Massiver Pfeiler aus betongefüllten Brunnenringen mit einem Durchmesser von 2,7 m und einer Höhe von 5,5 m, der das Monument trägt und in ca. 10 m Tiefe auf Fels gegründet ist.

Bohrpfahlring: Ring aus 24 Bohrpfählen mit einem Innendurchmesser von 5 m. Jeder Bohrpfahl hat eine Durchmesser von 88 cm und bindet mindestens 50 cm in den festen Fels ein. Bei der Bohrpfahltechnik werden Pfähle aus Ortbeton im Untergrund erstellt und ein Ringschluß geschaffen, bevor mit dem Aushub begonnen wird. Damit werden zusätzliche Gebirgsauflockerungen und Störungen des Spannungszustandes im Fels weitgehend vermieden. Außerdem werden durch diese Technik Verformungen des umliegenden Geländes minimiert. Als steifes Konstruktionselement sorgt der Bohrpfahlring für eine zusätzliche Abschirmung des Pfeilers vor Bodenbewegungen.

Entkopplung: Zwischen einem inneren Brunnenring, der den Pfeiler bildet, und einem äußeren Brunnenring befindet sich ein ca. 10 cm breiter Luftspalt, der für eine mechanische Entkopplung des Gründungspfeiler oberhalb der Gründungssohle sorgt. Das Monument ist durch einen 5 cm breiten Spalt vom Laborfußboden entkoppelt.

Isolation: Die vier Wände und die Decke des Ringlaserraumes sind mit einer 0,5 m dicken, inneren Styrodurschicht, einer 1 m dicken, wasserreichen Tonschicht und einer 0,5 m dicken, äußeren Styrodurschicht umgeben. Diese Anordnung hat sich nach Ergebnissen von FE-Modellierungen zur Dämpfung der jährlichen Temperaturwelle als optimal erwiesen. Die wechselnde Anordnung von zwei Wärmeisolatoren und zwei Wärmespeichern entspricht einem thermischen Tiefpaß zweiter Ordnung. Der Laborboden ist mit einer 25 cm dicken Schicht aus Schaumglas, einem Isolationsmaterial mit hoher Druckfestigkeit, isoliert. Eine 25 cm dicke Schicht des gleichen Materials sorgt zwischen Monument und Pfeiler für eine Dämpfung von Temperaturänderungen von unten.

Schleuse: Aus thermischen Gründen sind die Geräte zur Druckstabilisierung, Datenerfassung und Netzwerkanbindung in einem Vorraum untergebracht, der durch einen thermisch isolierten Durchgang mit dem Ringlaserraum verbunden ist. Eine 30 cm dicke Isolationsfuge aus Styrodur durchtrennt die Wärmebrücke zwischen Vorraum und Labor. Nach Modellrechnungen hat sich eine vorraumseitige Fuge gegenüber einer laborseitigen Fuge als wirksamer herausgestellt. Die Schleuse ist dicht gegen Luftzirkulation, aber nicht druckdicht.

Operationstank: Um die geforderte Luftdruckstabilität von 0,1 hPa zu erreichen, ist der Großring während des Betriebs von einem Operationstank aus Stahl umgeben. Das Unterteil stellt eine Rahmenkonstruktion dar, die in den Monumentkopf einbetoniert und mit dem Tankdeckel druckdicht verschraubt ist. Der Tankdeckel (456 x 456 x 74 cm) ist durch eine Außenverrippung ausgesteift und mittels einer Seilwinde abnehmbar. Trotz der steifen Konstruktion wird bei einer Änderung des Außendrucks von 50 hPa eine Volumenänderung im Tankinnern von ca. 0,25 % erwartet, was einer relativen Druckänderung von 5,3 % entspricht. Da der Tankinnendruck für ein eventuelles Nachjustieren der Umlenkspiegel unter Ausnutzung der Membranwirkung der Spiegelträger in einem Bereich von 50 hPa steuerbar sein soll, der Innendruck aber nie unterhalb des atmosphärischen Außendrucks liegen darf, wurde der Tank-Solldruck auf 1050 hPa festgelegt. Der Operationstank ist innen und außen wie auch die Innenseiten des Labors mit einer aluminiumbeschichteten Folie abgedeckt, um Wärmeübertragung durch Strahlung von den Laborwänden auf den Operationstank bzw. vom Operationstank auf den Großring weitgehend zu reduzieren.

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Letzte Änderung: 25.07.2002