Arthur Casagrande: Der Mann, der den Boden messbar machte

Es gibt einen kleinen Messingbecher, der auf einer Kurvenscheibe montiert ist und in jedem Bodenlabor der Welt zu finden ist. Man füllt ihn mit feuchtem Ton, zieht eine Rille in die Mitte und dreht an einer Kurbel, sodass der Becher immer wieder aus einer festen Höhe fällt, bis sich die Rille schließt. Die Anzahl der Schläge verrät einem etwas Exaktes über den Boden. Bevor Arthur Casagrande dieses Gerät baute, beurteilten Ingenieure Ton, indem sie ihn zwischen den Fingern kneteten und sich eine Meinung bildeten. Danach konnten zwei Labore auf verschiedenen Kontinenten denselben Boden testen und erhielten dasselbe Ergebnis. Das ist im Großen und Ganzen die ganze Geschichte, wie die Gründungstechnik aufhörte, ein Handwerk zu sein.

Ajdovščina, Wien und eine Geige

Casagrande wurde am 28. August 1902 in Ajdovščina geboren, das damals zu Österreich-Ungarn gehörte und heute in Slowenien liegt. Er war ein Geigen-Wunderkind, bevor er sich der Ingenieurwissenschaft zuwandte, und stammte aus einer Familie, die bereits in diesem Beruf tätig war. Er besuchte sein erstes Schuljahr in Linz, zog nach Triest, absolvierte die Realschule und schloss 1924 sein Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule in Wien ab, wo er als Vollzeitassistent von Professor Schaffernak im hydraulischen Labor blieb.

Sein Vater starb im selben Jahr. Das Österreich-Ungarn der Nachkriegszeit war zusammengebrochen und hatte keine Arbeit für junge Ingenieure. Also segelte er 1926 gegen den Widerstand seiner Mutter und seines Professors nach New York.

Eine zufällige Begegnung

Amerika war nicht sofort freundlich. Er arbeitete als Stahl-Detailzeichner bei Carnegie Steel in New Jersey. Dann, während eines Vorstellungsgesprächs für eine Stelle am MIT, traf er Karl Terzaghi – den österreichischen Ingenieur, der gerade die gesamte theoretische Grundlage der Bodenmechanik erfunden hatte – und bekam auf der Stelle einen Job als Terzaghis Privatassistent angeboten.

Von 1926 bis 1932 war Casagrande wissenschaftlicher Mitarbeiter beim US Bureau of Public Roads, dem MIT zugeteilt, und führte Bodentests für Terzaghi durch. Als Terzaghi 1929 nach Wien zurückkehrte, begleitete ihn Casagrande, um ein Bodenmechanik-Labor einzurichten, besuchte die anderen europäischen Labore und kam an das MIT zurück, wo er mehr über die praktische Seite des jungen Fachgebiets wusste als fast jeder andere lebende Mensch.

Boden messbar machen

Terzaghi hatte die Theorie geliefert. Casagrande lieferte die Instrumente, und der Unterschied ist wichtiger, als es klingt.

Boden ist kein hergestelltes Material. Zwei Tone, die identisch aussehen, können sich unter einem Gebäude völlig unterschiedlich verhalten, und bis in die 1930er Jahre gab es keine vereinbarte Methode, um den Unterschied zu beschreiben. Ton durchläuft Zustände, während er Wasser aufnimmt: spröde, wenn er trocken ist, plastisch in der Mitte, effektiv flüssig, wenn er gesättigt ist. Die Wassergehalte, bei denen er zwischen diesen Zuständen wechselt – die Atterberg-Grenzen – charakterisieren ihn nützlich. Aber ihre Messung hing von den Fingern und dem Urteilsvermögen des Testers ab.

Casagrandes Labor am MIT produzierte ein ganzes Apparate-System für Objektivität: das Flüssigkeitsgrenzgerät, den Hydrometertest, den horizontalen Kapillartest, das Ödometer zur Messung der Kompression und den Scherrahmen. Er brachte den triaxialen Schertest in die Vereinigten Staaten, gehörte zu den Ersten, die untersuchten, wie sich das Bodenvolumen beim Scheren ändert, erkannte, was während des undrainierten Scherens mit dem Wasserdruck zwischen den Körnern passiert, und entwickelte das Verfahren, das Ingenieure heute noch verwenden, um den Vorverformungsdruck eines Tons zu ermitteln – die größte Last, die er in seiner geologischen Vergangenheit jemals getragen hat, die bestimmt, wie stark er sich unter einer neuen Last setzen wird.

Während des Zweiten Weltkriegs verwandelte er all dies in Klassifizierungssysteme für das Army Corps of Engineers und das Bureau of Reclamation, sodass jedem Boden eine Kategorie zugewiesen werden konnte, die sein technisches Verhalten vorhersagte. Dieses Prinzip überlebt als Unified Soil Classification System.

Harvard

Er trat 1932 als Assistenzprofessor in Harvard ein und promovierte auf Terzaghis Drängen im selben Jahr an der Technischen Universität Wien, nachdem er bis dahin keinen Doktortitel besessen hatte. In Harvard baute er ein Postgraduiertenprogramm für Bodenmechanik auf, das nach dem Krieg von zwölf auf mehr als achtzig Studenten anwuchs, und erhielt 1946 einen neu geschaffenen Lehrstuhl für Bodenmechanik und Gründungstechnik. Der Schwerpunkt des Programms auf Laborarbeit und Sickerwasseranalyse wurde zum weltweit kopierten Modell. Zwischen 1942 und 1944 schleuste er etwa vierhundert Armeeoffiziere durch intensive vierwöchige Kurse im Flugplatzbau für das Corps of Engineers.

Sein folgenreichster organisatorischer Akt geschah früher. 1936 berief er die Erste Internationale Konferenz für Bodenmechanik und Gründungstechnik ein – eine Idee, die Terzaghi selbst für zu riskant hielt, um sie zu versuchen. Es funktionierte, etablierte die Bodenmechanik als unverzichtbar für das Bauingenieurwesen und brachte die heutige International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering hervor, der Casagrande von 1961 bis 1965 als Präsident diente.

Verflüssigung und Staudämme

Sein Aufsatz von 1936 über die Eigenschaften kohäsionsloser Böden, die die Stabilität von Hängen und Erddämmen beeinflussen, befasste sich mit einem Phänomen, das er für das Fachgebiet benannte: Verflüssigung.

Der Mechanismus ist klar darzulegen, weil er Menschen tötet. Lockerer Sand unterhalb des Grundwasserspiegels sitzt als Skelett aus Körnern mit Wasser in den Zwischenräumen. Schüttelt man ihn – durch ein Erdbeben, eine Explosion, eine schnelle Belastung – versuchen die Körner, sich in eine dichtere Packung umzuordnen. Das Wasser kann nicht schnell genug entweichen, also nimmt es stattdessen die Last auf. Der Druck im Porenwasser steigt, die Körner hören auf, gegeneinander zu drücken, und für ein paar Sekunden hat der Boden überhaupt keine Festigkeit mehr. Er verhält sich wie eine schwere Flüssigkeit. Gebäude sinken ein; Erddämme fließen weg.

Casagrande verbrachte den Rest seiner Karriere damit und mit Sickerwasserproblemen, beriet bei Erddämmen auf drei Kontinenten, bei den Fundamenten des Bostoner Logan Airport, bei der Wirkung atomarer Explosionsbelastung auf die Böschungen des Panamakanals und bei der Untersuchung des Versagens des Teton-Staudamms. Charakteristischerweise argumentierte er später dafür, das Wort Verflüssigung auf Fälle drastischer Dehnungsentfestigung zu beschränken, die echtes Fließen erzeugen, anstatt es zu einem Sammelbegriff ausufern zu lassen.

Warum Arthur als Genie bezeichnet wird

Der Anspruch beruht auf einer spezifischen und unterschätzten Art von Intelligenz: zu wissen, dass eine Wissenschaft unmöglich ist, solange ihre Mengen nicht zweimal auf die gleiche Weise gemessen werden können. Terzaghi lieferte die Konzepte; Casagrande lieferte die Tests, die Apparate, die Klassifizierung und das Lehrprogramm, die es gewöhnlichen Ingenieuren ermöglichten, sie zu verwenden, und baute dann die internationale Institution auf, durch die das Fachgebiet mit sich selbst diskutieren konnte. Die Einberufung der Konferenz von 1936 gegen den Rat seines Mentors war die entscheidende Entscheidung seines Lebens, und sie war richtig. Seine Instrumente stehen neunzig Jahre später immer noch auf dem Arbeitstisch, was eine längere Arbeitslebensdauer ist, als die meisten Theorien erreichen.

Das ehrliche Gegenargument ist, dass er der zweite Mann war und weitgehend blieb. Die Gründungstheorie der Bodenmechanik – effektive Spannung, Konsolidierung – stammt von Terzaghi, und der große konzeptionelle Sprung war nicht Casagrandes Werk. Seine eigenen Beiträge sind empirisch: Verfahren, Geräte, Klassifizierungen und Korrelationen, immens nützlich, aber keine Gesetze. Es ist stillschweigend bezeichnend, dass seine bedeutendste Ehrung darin bestand, der erste Empfänger des Karl-Terzaghi-Preises zu sein, benannt nach seinem Lehrer. Er kam auch ohne Doktortitel nach Harvard und machte ihn nur, weil Terzaghi es ihm sagte. Im Vergleich zu Theorie-Erfindern ist er eine kleinere Figur; im Vergleich zur Frage, ob Gebäude einstürzen, könnte er wichtiger sein.

Vermächtnis

Casagrande starb am 6. September 1981. Er war der erste Rankine-Dozent der British Geotechnical Association und Terzaghi-Dozent der American Society of Civil Engineers, und der Arthur Casagrande Professional Development Award, der junge Geotechnik-Ingenieure unterstützt, trägt seinen Namen. Die Disziplin, die er mit aufbaute, ist heute der Grund, warum es alltäglich ist, einen Hochhausblock auf weichem Boden zu errichten. Der Messingbecher ist auch immer noch da, unverändert, und tut genau das, wofür er ihn entworfen hat.