Das Steinschlagrisiko in Lawinenanbruchgebieten nimmt mit dem Klimawandel weiter zu: Durch die Temperaturerhöhung verschiebt sich die Permafrostgrenze in höhere Lagen, und die Gletschervolumen nehmen ab. Dadurch werden heute noch stabile Felspartien, Schutthalden und Moränen in naher Zukunft zunehmend instabiler, es werden Steine freigelegt, die das Steinschlagrisiko erhöhen.

Das BFH-Institut für Siedlungsentwicklung und Infrastruktur ISI entwickelt deshalb zusammen mit der Krummenacher AG neuartige Stahlschneebrücken. Die Walliser Stahl- und Metallbaufirma Krummenacher AG möchte ihre Marktposition im Bereich Lawinenverbauungen festigen und ausbauen, indem sie ein einzigartiges und patentgeschütztes Stahlschneebrückenprodukt anbietet.

Diese neuen Stahlschneebrücken halten neben den statischen Einwirkungen durch Schneedruck neu auch den dynamischen Einwirkungen infolge Steinschlags im Sommer stand. Eine bestehende Lawinenverbauung der Krummenacher AG wurde durch eine besondere Wahl und eine geschickte Anordnung von Federdämpferelementen so verstärkt, dass die Aufnahmekapazität von Steinschlagenergien mindestens um den Faktor 10 erhöht werden konnte.

Stand der Technik

Lawinenverbauungen haben die Aufgabe, den Anbruch, also das Entstehen von Schneelawinen, zu verhindern. Dazu werden mehrere Reihen von Stützwerken verbaut. Grundsätzlich sind zwei Typen von Verbauungen zu unterscheiden: starre und nachgiebige Stützwerke. Starre Stützwerke sind Stahlschneebrücken mit einem Stahlrost, die die Belastungen durch Schneedruck mit geringen Deformationen im Bereich weniger Zentimeter aufnehmen. Nachgiebige Stützwerke wie Schneenetze sind hingegen in der Lage, den Kriech- und Gleitbewegungen der Schneedecke bis zu mehreren Dezimetern zu folgen. Lawinenverbauungen in durch Steinschlag gefährdeten Anbruchgebieten werden heute aus Schneenetzen oder Stahlschneebrücken in Kombination mit Steinschlagschutznetzen hergestellt. Schnee- oder Steinschlagschutznetze sind bezüglich Nutzungsdauer, Investitions-, Unterhalts- und Reparaturkosten aber deutlich teurer als Stahlschneebrücken. Daher entwickelt die BFH mit ihrer Wirtschaftspartnerin eine steinschlagoptimierte, kosteneffiziente Stahlschneebrücke. Diese kommt in den obersten ein bis zwei Werkreihen unterhalb von Steinschlag gefährdeten Felspartien zum Einsatz und schützt die unteren Werkreihen vor Steinschlag.

Montage von zwei Testwerken.Berner Fachhochschule (BFH)

Montage von zwei Testwerken.

Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) unterstützt den Bau von Lawinenverbauungen mittels Subventionen, denn es hat den Auftrag, den Schutz der Bevölkerung und grosser Sachwerte vor Naturgefahren sicherzustellen. Daher ist das BAFU an kosteneffizienten Produkten zum Schutz vor Naturgefahren interessiert. Mithilfe der neuen Stahlschneebrücke werden aufwendige Unterhalts- und Reparaturarbeiten an Lawinenverbauungen reduziert.

Lawinenverbauungen stehen in alpinem Gelände mit sensibler Flora und Fauna. Die Baustelleneinrichtung und die Baumaterialien werden üblicherweise mit dem Helikopter in die Steilhänge transportiert. Lärm und CO2-Ausstoss dieser Transportflüge belasten die Umwelt und die Tierwelt stark. Die neu entwickelte Lawinenverbauung bedingt weniger Helikoptertransporte und schont die Umwelt.

Dynamischen Spitzendruck reduzieren

Der Lösungsansatz besteht darin, das Tragwerk der Stahlschneebrücke mit Federdämpfungselementen zu verstärken. Diese Elemente reduzieren den dynamischen Spitzendruck, der wenige Millisekunden dauert. Ausserdem verteilen sie die punktuelle Steinschlagbelastung auf eine grössere Fläche.

Seitenansicht Versuchsaufbau und Messtechnik
Berner Fachhochschule (BFH)
Seitenansicht Versuchsaufbau und Messtechnik.
Vergleich der plastischen Verformungen am Aufprallort beim alten und beim neuen System
Berner Fachhochschule (BFH)
Vergleich der plastischen Verformungen am Aufprallort beim alten und beim neuen System.

Verschiedene Varianten wurden während 18 Monaten in zahlreichen Vorversuchen evaluiert. Anfang März 2017 wurde mithilfe des Dynamic Test Center (DTC) der BFH die Bestvariante getestet. Ein 1,1 Tonnen schwerer Wurfkörper wurde mithilfe eines Pneukrans aus Höhen zwischen 4,5 und 23,2 Metern vertikal fallengelassen. Der stahlgepanzerte Stahlbetonwurfkörper prallte senkrecht zur Rostebene der Stahlschneebrücke auf. Die Beschleunigungen und Verzögerungen im Wurfkörper wurden mit zwei redundanten Beschleunigungssensoren aufgezeichnet. Die Kraft-Zeit-Verläufe in den Auflagepunkten wurden mittels Kraftmessdosen erfasst. Der Aufprall- und Bremsvorgang wurde von vorn und seitlich mit drei Highspeedkameras gefilmt. Bei der maximalen Energieeinwirkung von 250 Kilojoule (kJ) in der Systemmitte wurde eine Bremszeit von 45 Millisekunden, ein Bremsweg von 50 Zentimetern und eine plastische Verformung am Aufprallort von 27 Zentimetern gemessen.

Patentanmeldung und Ausblick

Die Patentanmeldung erfolgte im April 2018, und im darauffolgenden August wurden zwei Stahlschneebrücken zwecks Test der Montagefreundlichkeit und des Tragverhaltens unter realen Schneedruckbedingungen im Winter 2018/2019 in der Nähe von Zermatt aufgebaut. Montagezeit und Montagefreundlichkeit konnten aufgrund der ersten Erfahrung durch zusätzliche Vorfabrikation und Montagehilfen weiter verbessert werden. Die Überprüfung der Praxistauglichkeit bezüglich Schneedruck erfolgte nach der Schneeschmelze im Mai/ Juni dieses Jahres. Eine Zertifizierung des Werks für Steinschlag ist in Absprache mit dem BAFU im Gang.

Dieser Beitrag stammt von der Berner Fachhochschule BFH. Er erschien erstmals im BFH-Magazin «spirit biel/bienne» 2019/2.
Kontakt zu den Projektverantwortlichen: Martin Stolz, Professor für Geotechnik, und Philipp Heintzmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter Kompetenzbereich Geotechnik und Naturereignisse
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