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T1 - Überlegungen zur Sicherung von Personen und Infrastrukturbauwerken gegen Steinschlag im alpinen Bereich unter besonderer Berücksichtigung flexibler Steinschlagschutzsysteme - Modellierung flexibler Steinschlagschutzsysteme im Labormaßstab zur Beurteilung nichtgenormter Lastfälle

AU - Heiss, Christian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Steinschlag stellt in alpinen Gebieten eine Gefahr für Personen und Infrastrukturbauwerke dar. Durch technische Maßnahmen kann das Risiko dieser Naturgefahr aber reduziert werden, wobei man hier Primärmaßnahmen, die ein Ereignis verhindern, von Sekundärmaßnahmen, die die Auswirkungen eines Ereignisses reduzieren, unterscheidet. Diese Arbeit konzentriert sich auf flexible Steinschlagschutzsysteme, die zu den Sekundärmaßnahmen zählen. Der strukturelle Aufbau dieser Verbaue erlaubt bei einem Impakt große Systemverformungen, wodurch hohe Energieeinträge absorbiert werden können. Für die Beurteilung flexibler Steinschlagschutzsysteme existieren heute Regelwerke – wie etwa die ETAG 027 (Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits), bei der ein zentraler Eintrag von Translationsenergie im Mittelfeld eines dreimoduligen Systems durch einen genormten Wurfkörper mit hoher Sphärizität ein wesentliches Prüfkriterium darstellt. Das System wird dabei in einem relativ günstigen Bereich belastet, was bezüglich Bremskraft zu einer idealen Systemreaktion führt. Der unterschiedlichen Steifigkeit entlang der lateralen Erstreckung, aber auch entlang der Systemhöhe wird dabei nicht Rechnung getragen. Belastungen, die nicht der Norm entsprechen, werden im Realmaßstab aber aufgrund der hohen Versuchskosten nicht durchgeführt, sodass über das Systemverhalten nichtgenormter Lastfälle kaum Wissen existiert. Mit dieser Arbeit wurde daher durch die Übertragung leitlinienkonformer Prüfverfahren und eines handelsüblichen Verbausystems in den Labormaßstab die Basis für die Durchführung und Untersuchung nichtgenormter Energieeinträge in flexible Steinschlagschutzsysteme geschaffen. Die leitlinienkonformen Prüfanordnungen sowie ein System der Energieklasse 5 nach ETAG 027 (2.000kJ) wurden dafür mit einem Längenmaßstab von 1:20, einem Zeitmaßstab von 1:4,5 und einem Kräftemaßstab von 1:1.500 ins Modell übertragen. Um die mechanische Ähnlichkeit der Systeme zu gewährleisten, basierte die Übertragung auf dem Gleichgewicht von Gewichts- und Trägheitskräften. Als Evaluierungskriterium der Modellierung wurde die Energiebilanz des Prüfprozesses (Eintragsenergie vs. Systemarbeit und deren Verteilung auf Einzelkomponenten) herangezogen. Insgesamt wurden im Labormaßstab sieben Versuchsserien mit einer vertikalen und fünf mit einer schrägen Prüfanordnung durchgeführt. Die durchgeführten Versuche erlaubten erstmals einen direkten Vergleich der in der ETAG 027 vorgeschlagenen Prüfanordnungen (vertikal und schräg), wobei für die schräge Anordnung ein Referenzgelände mit 30° Neigung gewählt wurde. Der Vergleich ergab für Maximallastprüfungen keine signifikanten Unterschiede der Prüfanordnungen bezüglich der Systemarbeit und deren Verteilung auf Einzelkomponenten. Weiters konnten im Labormaßstab durch die Variation der Impaktpositionen nichtgenormte Energieeinträge durchgeführt und analysiert werden. Diese zeigten, dass nicht nur die Arbeitskennlinie eines Systems von der Impaktposition abhängt, sondern auch die Verteilung der Arbeit auf Einzelkomponenten durch die Impaktposition maßgeblich beeinflusst wird. Die Durchführung dezentraler Energieeinträge sollte daher für Systembeurteilungen im Realmaßstab als unbedingt notwendig angesehen werden. Generell konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass Versuche im Labormaßstab zukünftig neben einer Ergänzung zur standardisierten Systembeurteilung auch zur Systemoptimierung beitragen können. Da durch Modellversuche nahezu alle Belastungsfälle kontrolliert und unter konstanten Randbedingungen durchgeführt werden können, sollten sie aber auch als probates Instrument zur Kalibrierung von nummerischen Simulationsprogrammen eingesetzt werden können. Dank des generierten Wissens durch Modellversuche im Labormaßstab könnte das Restrisiko beim Einsatz flexibler Steinschlagschutzsysteme wesentlich reduziert werden.

AB - Steinschlag stellt in alpinen Gebieten eine Gefahr für Personen und Infrastrukturbauwerke dar. Durch technische Maßnahmen kann das Risiko dieser Naturgefahr aber reduziert werden, wobei man hier Primärmaßnahmen, die ein Ereignis verhindern, von Sekundärmaßnahmen, die die Auswirkungen eines Ereignisses reduzieren, unterscheidet. Diese Arbeit konzentriert sich auf flexible Steinschlagschutzsysteme, die zu den Sekundärmaßnahmen zählen. Der strukturelle Aufbau dieser Verbaue erlaubt bei einem Impakt große Systemverformungen, wodurch hohe Energieeinträge absorbiert werden können. Für die Beurteilung flexibler Steinschlagschutzsysteme existieren heute Regelwerke – wie etwa die ETAG 027 (Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits), bei der ein zentraler Eintrag von Translationsenergie im Mittelfeld eines dreimoduligen Systems durch einen genormten Wurfkörper mit hoher Sphärizität ein wesentliches Prüfkriterium darstellt. Das System wird dabei in einem relativ günstigen Bereich belastet, was bezüglich Bremskraft zu einer idealen Systemreaktion führt. Der unterschiedlichen Steifigkeit entlang der lateralen Erstreckung, aber auch entlang der Systemhöhe wird dabei nicht Rechnung getragen. Belastungen, die nicht der Norm entsprechen, werden im Realmaßstab aber aufgrund der hohen Versuchskosten nicht durchgeführt, sodass über das Systemverhalten nichtgenormter Lastfälle kaum Wissen existiert. Mit dieser Arbeit wurde daher durch die Übertragung leitlinienkonformer Prüfverfahren und eines handelsüblichen Verbausystems in den Labormaßstab die Basis für die Durchführung und Untersuchung nichtgenormter Energieeinträge in flexible Steinschlagschutzsysteme geschaffen. Die leitlinienkonformen Prüfanordnungen sowie ein System der Energieklasse 5 nach ETAG 027 (2.000kJ) wurden dafür mit einem Längenmaßstab von 1:20, einem Zeitmaßstab von 1:4,5 und einem Kräftemaßstab von 1:1.500 ins Modell übertragen. Um die mechanische Ähnlichkeit der Systeme zu gewährleisten, basierte die Übertragung auf dem Gleichgewicht von Gewichts- und Trägheitskräften. Als Evaluierungskriterium der Modellierung wurde die Energiebilanz des Prüfprozesses (Eintragsenergie vs. Systemarbeit und deren Verteilung auf Einzelkomponenten) herangezogen. Insgesamt wurden im Labormaßstab sieben Versuchsserien mit einer vertikalen und fünf mit einer schrägen Prüfanordnung durchgeführt. Die durchgeführten Versuche erlaubten erstmals einen direkten Vergleich der in der ETAG 027 vorgeschlagenen Prüfanordnungen (vertikal und schräg), wobei für die schräge Anordnung ein Referenzgelände mit 30° Neigung gewählt wurde. Der Vergleich ergab für Maximallastprüfungen keine signifikanten Unterschiede der Prüfanordnungen bezüglich der Systemarbeit und deren Verteilung auf Einzelkomponenten. Weiters konnten im Labormaßstab durch die Variation der Impaktpositionen nichtgenormte Energieeinträge durchgeführt und analysiert werden. Diese zeigten, dass nicht nur die Arbeitskennlinie eines Systems von der Impaktposition abhängt, sondern auch die Verteilung der Arbeit auf Einzelkomponenten durch die Impaktposition maßgeblich beeinflusst wird. Die Durchführung dezentraler Energieeinträge sollte daher für Systembeurteilungen im Realmaßstab als unbedingt notwendig angesehen werden. Generell konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass Versuche im Labormaßstab zukünftig neben einer Ergänzung zur standardisierten Systembeurteilung auch zur Systemoptimierung beitragen können. Da durch Modellversuche nahezu alle Belastungsfälle kontrolliert und unter konstanten Randbedingungen durchgeführt werden können, sollten sie aber auch als probates Instrument zur Kalibrierung von nummerischen Simulationsprogrammen eingesetzt werden können. Dank des generierten Wissens durch Modellversuche im Labormaßstab könnte das Restrisiko beim Einsatz flexibler Steinschlagschutzsysteme wesentlich reduziert werden.

KW - rock fall

KW - felxible falling rock protection system

KW - system testing

KW - ETAG 027

KW - lab scale testing

KW - nonstandard energy impact

KW - system evaluation

KW - Stein- und Blockschlag

KW - flexibles Steinschlagschutzsystem

KW - Systemprüfung

KW - ETAG 027

KW - Modellversuche

KW - nichtgenormter Lastfall

KW - Systembeurteilung

M3 - Dissertation

ER -