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Forscher haben untersucht, warum das größte Bauwerk der Antike seit 4600 Jahren allen Erdbeben standhält – und entdeckten ein überraschendes Detail in der Konstruktion des Monuments.
Im Inneren der Cheops-Pyramide ist es still. Kein Verkehrslärm, keine Stimmen, nur das leise Rauschen uralten Kalksteins. Genau diese Stille haben ägyptische und japanische Wissenschaftler in den vergangenen Jahren genutzt – nicht um zu graben, sondern um zu horchen. Mit hochsensiblen Beschleunigungsmessern haben sie an 37 Stellen im Inneren und außen am Bauwerk aufgezeichnet, wie das Mauerwerk auf natürliche Bodenerschütterungen reagiert. Das Ergebnis ist in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ erschienen und wirft ein neues Licht auf eine alte Frage: Warum steht dieses Gebäude noch?
Die Antwort liegt in der Physik – genauer gesagt in einem Frequenzunterschied, der so simpel wie wirkungsvoll ist.
Jedes Bauwerk hat eine Eigenfrequenz, also eine bestimmte Schwingungsrate, bei der es besonders stark auf äußere Erschütterungen reagiert. Trifft eine Erdbebenwelle genau diese Frequenz, schaukeln sich die Schwingungen auf – das Gebäude gerät in Resonanz, und der Schaden wird dramatisch größer. Genau das ist zum Beispiel 1985 während des Erdbebens von Mexiko City mit den dortigen Hochhäusern geschehen, deren Eigenfrequenz zufällig mit der des weichen Untergrunds übereinstimmte.
Bei der Cheops-Pyramide ist das Gegenteil der Fall. Die Forscher um den Geophysiker Mohamed ELGabry vom ägyptischen Forschungsinstitut NRIAG stellten fest: Das Mauerwerk der Pyramide schwingt mit rund 2,3 Hertz. Der Boden darunter und drumherum dagegen mit nur etwa 0,6 Hertz. Ein Faktor 4 liegt zwischen diesen Werten – und der schützt das Bauwerk. Wenn der Boden bebt, antwortet die Pyramide schlicht in einer anderen Tonlage. Die Energie läuft gewissermaßen an ihr vorbei. Ist das Zufall?
„Aus heutiger ingenieurtechnischer Sicht ist das alles wirklich faszinierend“, sagt ElGabry. „Noch beeindruckender ist es aber, wenn man bedenkt, welche Werkzeuge und Ressourcen uns vor 4600 Jahren zur Verfügung standen.“
Was die Messungen noch zeigen: Die Eigenfrequenz ist im gesamten Bauwerk erstaunlich einheitlich. In der Königskammer tief im Inneren, in den Gängen, an den Außenseiten in verschiedenen Höhen – überall zwischen 2,0 und 2,6 Hertz, im Schnitt 2,3. Das bedeutet: Die Pyramide verhält sich dynamisch wie ein homogener Körper, nicht wie ein zusammengestückelter Haufen aus 2,3 Millionen Steinblöcken.
Diese Gleichmäßigkeit hängt vermutlich mit dem Aufbau zusammen. Die Masse konzentriert sich unten, nimmt nach oben hin ab. Der geometrische Schwerpunkt und der Widerstandsmittelpunkt liegen nahezu auf demselben Punkt – das minimiert Torsionskräfte, also das Verdrehen des Baukörpers, das bei Erdbeben oft besonders zerstörerisch wirkt. Hinzu kommt: Die Pyramide hat keine einspringenden Ecken, keine Bereiche also, an denen sich Spannungen stauen könnten.
Spezielle Kammern nehmen den Druck
Besonders interessant verhält sich die Zone über der Königskammer. Dort befinden sich die sogenannten Entlastungskammern – fünf übereinandergestapelte Hohlräume, die direkt über dem Deckengewölbe der Königskammer liegen. Ihre genaue Funktion war Archäologen schon länger bekannt: Sie verteilen das Gewicht der darüber lastenden Steinmasse und verhindern, dass sich alles auf einem einzigen Punkt konzentriert.
Die neuen Messungen zeigen nun auch eine seismische Funktion. Bis auf eine Höhe von knapp 49 Metern steigt die relative Schwingungsamplitude mit der Höhe an – wie bei jedem Hochbau üblich, wo höhere Stockwerke stärker schwingen als das Erdgeschoss. In den Entlastungskammern jedoch, die zwischen 49 und 61 Metern liegen, sinkt dieser Wert wieder ab.
Die Geometrie der Kammern dämpft offenbar aktiv die Schwingung. Ob das bewusstes Kalkül der alten Ägypter war oder ein glücklicher Nebeneffekt der Lastverteilung, lässt sich nicht sagen – die Forscher selbst sind vorsichtig und sprechen von einem möglichen Zusammenhang, nicht von Absicht.
Auch der Untergrund spielt eine Rolle. Die Cheops-Pyramide steht auf dem Kalksteinfels des Giza-Plateaus – kein weicher Sedimentboden, sondern hartes Gestein. Die seismische Vulnerabilitätskenngröße, ein Maß dafür, wie stark der Boden bei Erschütterungen nachgibt, liegt bei 8,2. Werte unter 20 gelten als unkritisch. Das bedeutet: Der Boden ist wenig anfällig dafür, bei einem Erdbeben in Bewegung zu geraten oder seine Tragfähigkeit zu verlieren.
Das Gebiet um die Pyramiden ist in den vergangenen Jahrhunderten durchaus von Erdbeben getroffen worden. 1847 erschütterte ein Beben der Stärke 6,8 die Region, mit Epizentrum rund 70 Kilometer entfernt bei El-Fayoum. 1992 lag das Beben sogar näher – Stärke 5,8, Epizentrum direkt bei Gizeh. Bei diesem Ereignis fielen einige der verbliebenen Verkleidungssteine von den oberen Teilen der Pyramiden. Die innere Struktur der Cheops-Pyramide aber blieb unversehrt.
Die Forscher nennen aber auch einige Grenzen ihrer Methode. So liefert die verwendete HVSR-Technik – das Verhältnis horizontaler zu vertikaler Schwingungskomponenten – relative Amplituden und keine absolute Aussage über die tatsächliche Bewegungsübertragung im Bauwerk. Sie erfasst die dominante Resonanzfrequenz, nicht die komplexen höheren Schwingungsmoden. Und: Aus einem Frequenzunterschied zwischen Boden und Pyramide lässt sich nicht zwingend schließen, dass die alten Ägypter diesen Effekt kannten und beabsichtigten.
Für künftige Arbeiten planen die Wissenschaftler unter anderem numerische Modellierungen und eine vollständige Modalanalyse des Bauwerks. Dann ließe sich genauer sagen, welche Schwingungsformen bei einem stärkeren Beben tatsächlich angeregt würden.
lpi
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