Wissenschaftliche Mitteilungen der 14. Frühlingsakademie

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1 Wissenschaftliche Mitteilungen der 14. Frühlingsakademie 30. April, Mai, 2002 München Kloster Banz, Deutschland ISBN?????????? Technische und Wirtschaftswissenschaftliche Universität Budapest Institut für Ingenieurweiterbildung

2 Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Herausgebers und mit Angabe der Quelle Verantwortlich für die Redaktion: Dipl.-Ing. Tamás Urbancsek Herausgegeben im Auftrag des Direktors des Ingenieurweiterbildungsinstituts der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest, Prof. Dr.-Ing. János Ginsztler

3 VORWORT Wissenschaftliche Kooperation zwischen der TU München und der TWU Budapest Prof. Dr.-Ing. János Ginsztler Die Wurzeln für eine Kooperation zwischen der TU München und der TU Budapest reichen bis 1962 zurück. Damals ist ein bayerischer Schullehrer, zugleich Vorsitzender des bayerischen Jugendrings, mit drei Kollegen in zwei BMWs nach Ungarn gereist, um Kontakte zwischen Jugendlichen beider Länder aufzubauen. Die Delegation will auf ihrer Reise durch das ganze Land Vorurteile zu kommunistisch beherrschten Länder abbauen und Freundschaften schliessen. Der Reiseführer in Budapest ist ein Student der dortigen Technischen Universität, der sich im Sommer etwas Geld verdienen will. Der Lehrer und der Student schliessen Freundschaft und beschliessen, zusammen an einer bayerischungarischen Länderfreundschaft zu bauen. Aus dem Volksschullehrer wird der Vizepräsident der bayerischen Landtages, Herr Siegfried Möslein, und der ungarische Student ist heute der Direktor des Ingenieurweiterbildungsinstituts der TWU Budapest, Professor Dr.-Ing. János Ginsztler. Die beiden sind aus dem Hintergrund auch an dem Zustandekommen vom Besuch des bayerischen Ministerpräsidenten Franz Josef Strauß bei Staatspräsident János Kádár im Jahre 1978 beteiligt. Im Laufe dieser Länderpartnerschaft wird schliesslich am 14. Oktober 1988 eine Vereinbarung über die Zusammenarbeit zwischen der TU München und der TU Budapest von Präsident Otto Meitinger und Rektor Lajos Fodor unterzeichnet. Daraus seien die ersten zwei Punkte zitiert: I. Im ständigen Bemühen, das gegenseitige Verständnis und die wissenschaftliche Zusammenarbeit zu fördern, kommen die Technische Universität Budapest und die Technische Universität München überein 1) auf allen Wissensgebieten zusammenzuarbeiten, für die gemeinsames Interesse besteht. Die Zusammenarbeit soll sich insbesondere auf das Gebiet der Metallurgie und Metallkunde erstrecken. Weitere Bereiche der Zusammenarbeit werden falls von beiden Seiten gewünscht in Unterabkommen bestimmt. III

4 2) Professoren, wissenschaftliche Mitarbeiter und Studenten auszutauschen und gemeinsame Forschungsprojekte und wissenschaftliche Veranstaltungen durchzuführen. 3) durch den Austausch von Publikationen, Lehrmaterial etc. die wissenschaftliche Kooperation zu vertiefen. II. Beide Universitäten erklären sich bereit, die Gäste der Partneruniversitäten in ihrem Land während ihres Gastaufenthaltes nach besten Kräften zu unterstützen. Der Austausch erfolgt aufgrund schriftlicher Einladungen, in denen die Einzelheiten des Gastaufenthaltes jeweils bestimmt werden. Dieser Kooperationsvertrag sollte nicht nur eine Partnerschaft zwischen den beiden Universitäten herstellen, sondern auch ein politisches Echo in Ungarn auslösen und den Anschluss an das europäische Hochschulwesen einleiten. Im März 1994 wird Herr Möslein zum Ehrenmitglied des Senats der TU Budapest ernannt, Professor Ginsztler wird am Dies Academicus im Dezember 1994 als Ehrenbürger der TU München aufgenommen. Eine feste Einrichtung in der Pflege der Freundschaft zwischen den beiden Universitäten ist die sogenannte Frühlingsakademie. Diese einwöchige deutschsprachige Veranstaltung für Dozenten und Studenten wird einmal im Jahr abwechselnd am Balaton im Hotel der TWU Budapest und einem Ort in Bayern in Form eines Seminars durchgeführt. Bei der Seminarleitung und der Auswahl der bayerischen Orte spielt die Hanns-Seidel-Stiftung in finanzieller und ideeller Hinsicht eine bedeutende Rolle. Jede Akademie ist unter ein Thema gestellt, welches aktuelle Forschungsfragen oder bildungspolitische Angelegenheiten aufgreift. Nachfolgend die bisher durchgeführten Frühlingsakademien und Experttagungen: März 1989, Balatonfüred: Aktuelle Fragen in der Werkstoffforschung März 1990, München: Die Verbindung zwischen Werkstoffkunde und Qualitätssicherung April 1991, Balatonfüred: Die Rolle der Kleinunternehmen in der sozialen Marktwirtschaft April 1992, Kloster Banz: Soziale Marktwirtschaft und Umweltschutz April 1993, Balatonfüred: Umweltschutz und Schadenanalyse April 1994, Wildbad Kreuth: Qualitätssicherung Grundlage für wissenschaftliche und technische Integration in Europa April 1995, Balatonfüred: Die ethnische Verantwortung des Ingenieurs April 1996, Kloster Banz: Sichere Technik Gesellschaftliche Verpflichtung des Ingenieurs IV

5 April 1997, Balatonfüred: Energie-Grundlage zur Gestaltung der Zukunft April 1998, München: Reform der Hochschulen. Bildungsinitiativen in Bayern und Ungarn April 1999, Balatonfüred: Mensch, Umwelt, Verkehr Mai 2000, Wildbad Kreuth: Mobilität und Verkehrssicherheit Juni 2001, Balatonfüred: Künftige Arbeitskraftprofile, Aus- und Weiterbildung Mai 2002, München, Kloster Banz: Arbeit und Gesundheit in der zukünftigen Gesellschaft Diese Frühlingsakademien und Expertentagungen wurden von der bayerischen Seite von dem Vizepräsident des Bayerischen Parlaments, von Herrn Siegfried Möslein und von den Herren Professoren der TU München Prof. Dr.-Ing. KH.G. Schmitt Thomas, Prof. Dr.-Ing. Eduard Igenbergs und Prof. Dr.-Ing. Heiner Bubb organisiert. Prof. Dr.-Ing. Otto Meitinger und Prof. Dr. Wolfgang A. Hermann Rektoren der TU München -, Prof Dr.-Ing. Pál Michelberger, Prof. Dr.-Ing. Péter Biró und Prof. Dr. Ákos Detrekői Rektoren der TU Budapest unterstützten diese Kooperation. Ausserdem moralische und finanzielle Hilfe hat diese Kooperation noch von der Hanns-Seidel Stiftung, von der Peregrinatio Stiftung, von der Stiftung der Ingenieurweiterbildung und von der Stiftung der Ungarischen Ingenieurakademie bekommen. Das jährliche Treffen der Studenten und Ph.D. Studenten von beiden Universitäten können wir als ein wichtiger Teil der wissenschaftlichen Kooperation zwischen beiden Universitäten betrachten. Seit 1989 haben in dieser Form der Kooperation etwa 500 Studenten (Ph.D. Studenten) und 150 Experten teilgenommen. Im Jahre 2002 haben die bayerischen und ungarischen Experten über den Themenkreis Arbeit und Gesundheit in der zukünftigen Gesellschaft vorgetragen. Die bayerischen und ungarischen Studenten berichteten über ihren neuesten wissenschaftlichen Ergebnisse, die in diesem Band zusammengefasst sind. Prof. Dr.-Ing. János Ginsztler Direktor des Ingenieurweiterbildungsinstituts der TWU Budapest V

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7 INHALTSVERZEICHNIS P. Albert: Die statische Berechnung der Bauweise Lebend Bewehrte Erde... 1 T. Bíró, L. Dévényi: Kriechkavitätsprüfung mit Rasterelektronenmikroskop V. Böhm, L. Zentner, N. Turkevi-Nagy: Stoffschlüssige Gelenke nach biologischem Vorbild P. Détári: Materialprüfung vom Aluminium Matrix Verbundwerkstoff T. Iváncsy, I. Berta: Die Rolle von Elektrofiltern in der Luftreinigung T. Laza, R. Meier, A. Penninger: Untersuchungen zur Einsetzbarkeit von rohem Rapsöl für die Verbrennung in Gasturbinen V. Lévárdy, M. Hoppe, A. Vollerthun: Erweiterte Validierung, Verifikation und Testen (VVT) von Systemen A. Mahler: Ermittlung der Pfahltragfähigkeit aus CPT Daten R. Marstaller, H. Bubb: Entwicklung eines Softwaretools zur Bewertung von Fahrerassistenzsysteme A. Pfeiffer, Gy. Lipovszki: Was bedeutet die Simulation in der Logistik? T. Régert, T. Lajos: Numerische Untersuchung der Rad-Radhausströmung R. Senger: Der Mars Dust Counter Ein Weltraumexperiment zur Messung interplanetarer, interstellarer und circumplanetarer Staubdichten T. Sitkei, J. Tokodi: Lösungsmöglichkeiten für das PSD Problem T. Urbancsek, L. Vajta: Ferngesteuerte mikrorobotische Manipulationszelle für sichere biotechnologische Forschungen Gy. Wersényi, A. Illényi: Ein Kunstkopf-Messsystem für subjektive Beurteilung von richtungsabhängigen Schallereignissen und Umweltlärm M. Wieser: Virtuelle Technolgienetzwerke Die moderne Form des Silicon Valley? VII

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9 VERZEICHNIS DER AUTOREN Albert, Pál... 1 Berta, István Dr Bíró, Tamás Böhm, Valter Bubb, Heiner Dr Détári, Péter Dévényi, László Dr Hoppe, Markus Illényi, András Dr Iváncsy, Tamás Lajos, Tamás Dr Laza, Tamás Lévárdy, Viktor Lipovszki, György Dr Mahler, András Marstaller, Rainer Meier, Robert Penninger, Antal Dr Pfeiffer, András Régert, Tamás Senger, Robert Sitkei, Tamás Tokodi, Jenő Dr Turkevi-Nagy, Nándor Urbancsek, Tamás Vajta, László Dr Wersényi, György Wieser, Michael Vollerthun, Andreas Dr Zentner, Lena Dr IX

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11 Die statische Berechnung der Bauweise Lebend Bewehrte Erde Pál Albert (Dipl.-Ing.) Lehrstuhl für Geotechnik, TWU Budapest Telefon: (+36 1) Zusammenfassung Bislang wurde die Bemessung von Buschlagen oder Heckenbuschlagen zur Sicherung von Böschungen rein konstruktiv, auf Erfahrungsgrundlage durchgeführt. Das schränkte den Einsatz dieser ausserordentlich umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Bauweise erheblich ein. Es wird ein rechnerisches Verfahren vorgestellt, mit dem die Tragwirkung der eingelegten Zweige und Äste und die Standsicherheit des Stützkörpers nachgewiesen werden kann. Summary Up to now the design of combined hardwood cutting/hardwood whips slope has been done in a purely empirical way. This was a severe restriction for the range of application of this highly economical and oecological construction. A soil mechanical model is presented which incorporates the influence of the plants in the stability analysis. Vorbemerkung Die Bauweise Lebend Bewehrte Erde behandelt Böschungssicherungen aus Buschlagen und/oder Heckenlagen, bei denen durch die Verbindung von Pflanzenteilen (Ästen und Zweigen) und Boden ein Stützkörper hergestellt wird (siehe Bild 1). Der Stützkörper gewährleistet die Standsicherheit des Geländesprungs. Die eingelegten Zweige und Äste werden zu Wurzeln und sorgen damit für die Dauerhaftigkeit der Konstruktion. Der oberirdische Teil der Pflanzen sichert die Böschungsoberfläche gegen Erosion durch Wind und Niederschläge. Dieser altbewährten Bauweise wurde aus zwei Gründen der neue Name Lebend Bewehrte Erde gegeben. Bislang wurde die Bemessung von Buschlagen oder Heckenbuschlagen zur Sicherung von Böschungen rein konstruktiv, auf 1

12 Erfahrungsgrundlage durchgeführt. Ein rechnerisches Nachweisverfahren für seine Tragwirkung und die Standsicherheit des gesicherten Geländesprungs gab es nicht. Dies schränkte die Anwendungsmöglichkeit und die Verbreitung dieser ausserordentlich umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Bauweise erheblich ein. Eine rechnerische Berücksichtigung der eingelegten Pflanzen und Pflanzenteile beim statischen Nachweis der Böschungsstandsicherheit ist aber durchaus möglich. Die Annahmen und die Herleitung für ein Nachweisverfahren werden in ihren Grundzügen dargestellt. Bild 1: Gegenüberstellung von Stützkonstruktionen der Bauweisen Bewehrte Erde und Lebend Bewehrte Erde Der zweite Grund liegt darin, dass nur wenige Bauingenieure die Bauweise von Buschlagen oder Heckenbuschlagen kennen bzw. sich etwas darunter vorstellen können. Bei dem Namen Lebend Bewehrte Erde werden dagegen Assoziationen zu der bekannten Konstruktion der Bewehrten Erde geweckt. Bei beiden Konstruktionen wirken die Einlagen wie die Stahlbewehrung in Beton, und sie werden im Nachweisverfahren mechanisch auch ganz ähnlich behandelt. Während bei Konstruktionen der Bewehrten Erde die Bewehrung aus Stahl- oder Kunststoffbändern besteht, werden bei dieser Bauweise ausschlagfähige Äste, Zweige und Pflanzen verwendet. Auch die Herstellung ist ganz ähnlich. Bei beiden Verfahren wird der Boden lagenweise geschüttet und verdichtet, und auf jeder Lage werden die entsprechenden Bewehrungselemente eingelegt. 1. Nachweis der Inneren Standsicherheit Beim Nachweis der Inneren Standsicherheit wird gezeigt, dass sich der Stützkörper Lebend Bewehrter Erde wie ein starrer Körper mit ausreichender Eigenfestigkeit verhält. Ergebnis dieses Nachweises ist daher eine Bemessung des Stützkörpers hinsichtlich der Zahl, Dicke und Länge der einzulegenden Äste und Zweige. 2

13 1.1 Ermittlung der statisch erforderlichen Tragfähigkeit der Zweige und Äste Ausgangspunkt des Nachweises ist die Gleichgewichtsuntersuchung an einem Bruchkörper. In Anlehnung an ähnliche Nachweise der Bodenmechanik wird eine gerade Gleitfläche angenommen (siehe Bild 2) und untersucht, ob die parallel zur Bruchfläche wirkende abtreibende Kraftkomponente T aus dem Eigengewicht des Bruchkörpers von der Scherfestigkeit des Bodens das ist die Reibungskraft R und die Kohäsionskraft K und der zur Bruchfläche parallelen Komponente Z der Tragfähigkeit der eingelegten Pflanzen aufgenommen werden kann. Bild 2: Prinzipskizze der Böschung mit Stützkörper, Bruchfläche und Kräften Definiert man die Sicherheit als das Verhältnis von rückhaltenden zu abtreibenden Kräfte, im vorliegenden Fall also zu: R + Z + K η =, T dann ergibt sich die erforderliche Tragfähigkeitskomponente der Pflanzen parallel zur Bruchfläche zu: Z = η T R K. Gleichung 1 Ähnlich wie beim Geländebruchnachweis ist bei dieser Untersuchung eine Variation der Bruchflächenneigung durchzuführen. Für die Dimensionierung der einzulegenden Pflanzen ist allerdings nicht die Bruchfläche massgebend, für die sich die grösste erforderliche Tragfähigkeit der Pflanzen ergibt, sondern die Bruchfläche, für die sich die grösste Zahl an einzulegenden Pflanzen ergibt. Beides ist nicht identisch. 3

14 Die Grössen T, R und K der Gleichung 1 können aus der Geometrie der Böschung (siehe Bild 2) folgendermassen berechnet werden. Das Gewicht G des Bruchkörpers ergibt sich zu = H B γ G 2 1 mit B = H ( ctgϑ ctgβ ) und der Wichte des Bodens γ. Die abtreibende Komponente T des Gewichts parallel zur Bruchfläche ist dann: T = G sinϑ = 1 2 H B γ sinϑ. Die rückhaltenden Kräfte bestehen aus der maximal im Boden mobilisierbaren Reibungskraft R und der Kohäsion K in der Bruchfläche. Die Reibungskraft ist: R = N tanϕ mit N als der normal zur Bruchfläche wirkenden Komponente von G und dem Reibungswinkel ϕ. Mit N = G cosϑ ergibt sich die Reibungskraft zu: R = G cosϑ tanϕ. In der Regel bleibt der Boden unter einer Vegetationsdecke immer feucht, so dass in rolligem Boden zusätzlich zur Reibung mit einer Kohäsion gerechnet werden kann. Mit der Länge der Bruchfläche von L = H / sinϑ ergibt sich die Kohäsionskraft K bei einem solchen rolligen Boden zu: K = c H / sinϑ. c 4

15 1.2 Ermittlung der mobilisierbaren Tragfähigkeit der Zweige und Äste Zur Dimensionierung des Stützkörpers ist darüberhinaus ein mechanisches Modell für die Tragfähigkeit der Pflanzen erforderlich, d.h. wie die Pflanzen als Bewehrung wirken. Je nach Länge und Biegesteifigkeit können sie sich entweder als Zuganker oder als Dübel verhalten. Sie wirken wie Zuganker, wenn sie lang und biegeweich sind, und wie Dübel, wenn sie kurz und biegesteif sind. Vergleichsrechnungen zeigen, dass bei den in Frage kommenden Abmessungen der Stützkörper die Annahme von Zugankern die kleineren rückhaltenden Kräfte ergibt. Massgebend ist daher die zum Herausziehen der Pflanze erforderliche Kraft. Wegen der Kürze der Pflanzen wird ihre Zugfestigkeit bzw. die Scherfestigkeit dabei bei weitem nicht ausgenutzt. Bild 3: Prinzipskizze zum Tragverhalten der Äste und Zweige Die Tragfähigkeit W der Pflanzen gegen Herausziehen wird, um auf der sicheren Seite zu liegen, aus dem Coulombschen Reibungsgesetz ermittelt (siehe Bild 3). Es wird angenommen, dass bei Zugbelastung der Pflanze an ihrer Umfangsfläche Reibung mobilisiert wird. Die maximal mobilisierbare Reibungskraft, also die Tragfähigkeit W der Pflanzen, ergibt sich als das Produkt aus der Umfangsfläche U der Pflanzen, der mittleren Normalspannung des Bodens auf die Umfangsfläche U und dem Tangens des Grenzflächenscherwinkels δ zwischen Boden und der Pflanzenoberfläche, der hier in erster Näherung gleichgesetzt wird mit dem Reibungswinkel ϕ : W = U σ tanϕ. Gleichung 2 Dieser Ansatz für die Tragfähigkeit der Pflanze gegen Herausziehen liegt aus folgenden Gründen auf der sicheren Seite: 5

16 Die Pflanzenteile sind nie gerade und auch die Zugkraft wird nie axial eingeleitet. Besonders bei niedrigen Spannungen, wie sie hier vorherrschen, kann die Reibung zwischen Boden und den Ästen und Zweigen um ein vielfaches grösser sein, als der hier angesetzte Reibungswinkel des Bodens ergibt. Die Zweige und Äste werden statisch wie nicht selbstspannende Anker angesetzt, obgleich sie wie selbstspannende Anker wirken. Setzt man die Umfangsfläche U = π D L mit dem mittleren Durchmesser D und der gesamten Verankerungslänge L der Pflanzen in die Gleichung 2 ein, so ergibt sich die Gesamttragfähigkeit zu: W = π D L σ tanϕ. In dem Nachweis ist lediglich die parallel zur Bruchfläche wirkende Komponente Z der Tragfähigkeit von Bedeutung, für die sich mit der Neigung der Bruchfläche und der Neigung der Pflanzen (siehe Bild 3) Z = W cos ( ϑ + α ) ( ϑ α ) = π D L σ tanϕ cos + Z Gleichung 3 ergibt. 1.3 Ermittlung der erforderlichen Zahl der einzulegenden Pflanzen Die Gleichung 3 ist noch nicht unmittelbar für die Bemessung verwendbar, weil die auf die Umfangsfläche U der Pflanzen anzusetzende Normalspannung σ noch unbekannt ist. Dazu wird angenommen, dass die Normalspannung σ dem Mittelwert der Vertikalspannung σ und der Horizontalspannung σ entspricht: v h ( ) 1 σ = 2 σ v + σ h. 6

17 Mit einem Ruhedruckbeiwert von K 0 = σ h / σ v = 0, 5, ergibt sich die Normalspannung σ des Bodens auf die Pflanzen zu: σ = 0, 75 σ v. Gleichung 4. Bild 4: Stützkörper und Vertikalspannungen in der Mitte der massgebenden Verankerungsstrecke Nach dem Coulombschen Reibungsansatz wird die mobilisierbare Tragfähigkeit der eingelegten Pflanzen Z nach den Gleichungen 2 und 3 sowohl von der Normalspannung als auch der zur Verfügung stehenden Verankerungslänge l bestimmt. Solange die untersuchte Bruchfläche in einem Abstand B b / 2 von der Oberkante der Böschung austritt (siehe Bild 4), sind sowohl die Normalspannungen als auch die Verankerungslängen der einzelnen Pflanzen luftseitig von der Bruchfläche kleiner als auf der gegenüberliegenden Seite der Bruchfläche. Bei einem Bruch auf solchen Gleitflächen werden sich also die Pflanzen aus diesem (schraffierten) Bereich aus dem Boden herausziehen, so dass dieser Verankerungsbereich für die Dimensionierung der Zahl der einzulegenden Pflanzen massgebend wird. Der Verlauf der Vertikalspannungen σ v in der Mitte des Verankerungsbereichs (gestrichelte Linie) ist auf der rechten Seite des Bildes 4 dargestellt. Im Schwerpunkt des oberen Verankerungsbereichs ( z z0 ) ist mit 7

18 z 1 0 = 2 B tanδ 1 ( a B) tan δ = / + und H 2 a = H / tan β die mittlere Verankerungslänge l 0 [ z /( H )] = B und die mittlere Normalspannung mit Gleichung 4 σ 0 = 0, 75 γ z Im unteren Verankerungsbereich ( z > z0 ) ist die mittlere Verankerungslänge l u [( H z )/( H )] = B 2 0 und mit Gleichung 4 die mittlere Normalspannung im Schwerpunkt 2 1 σ = 0,75 γ tanδ B. u 3 2 Bei einer Anzahl von N eingelegten Pflanzen pro laufendem Meter Böschung, die sich auf den unteren und oberen Verankerungsbereich im Verhältnis von ( H z0 )/ H und z 0 / H verteilen, ergibt sich mit Gleichung 3 die zur Bruchfläche parallele Komponente der mobilisierbaren Tragfähigkeit der Pflanzen zu: Z { σ l ( z H ) + σ l [( H z )/ H ]} π tanϕ ( ϑ + α ) = N cos / u u 0 D. 8

19 Ist aus statischen Gründen eine parallel zur Bruchfläche wirkende Scherkraft Z durch Äste und Zweige in der Grösse von Z abzudecken, so errechnet sich die erforderliche Zahl der einzulegenden Pflanzen zu: N = { σ l ( z H ) + σ l [( H z )/ H ]} π tanϕ cos( ϑ + α ) / u u 0 D Z. Gleichung Untersuchung auf Gruppenwirkung Die Dimensionierung hinsichtlich der Zahl, Länge und Dicke der eingelegten Pflanzen beruht auf der Annahme, dass die Tragfähigkeit der Pflanzen gleich der Summe der Tragfähigkeit der Einzelpflanzen ist, d.h. dass sich die Pflanzen in ihrer Tragfähigkeit nicht gegenseitig beeinflussen. Wenn die Pflanzen verhältnismässig eng eingelegt werden, so wirken sie möglicherweise als Gruppe und ihre gemeinsame Tragfähigkeit wird geringer als die Summe der Einzeltragfähigkeiten. In diesem Grenzfall von sehr eng aneinanderliegenden Pflanzen kann als Fläche, über die die Zugkräfte der Pflanzen an den Boden abgegeben werden, nicht mehr die Summe der Umfangsflächen der Pflanzen, sondern nur noch die Ober- und Unterseite der durch die Pflanzen bebildeten Ebene angesetzt werden. Die bei Gruppenwirkung maximal von den Pflanzen auf den Boden Übertragbare Kraft W Gruppe ist bei einer Bezugsbreite von einem Meter W 2 l 1 σ tanϕ. Gruppe = v Dagegen ergibt sich die Summe der Einzeltragfähigkeiten W der Pflanzen zu n W = n l π D σ tanϕ mit n als der pro laufenden Meter eingelegten Pflanzen. Die Gruppenwirkung ist so lange nicht massgebend, wie n W < W Gruppe also 9

20 n l π D σ tanϕ < 2 l 1 σ tanϕ v ist. Mit σ = 0, 75 σ nach Gleichung 4 ergibt sich: v ( D) n < 2,67 / π. 2. Äußere Standsicherheit In der Regel beginnen alle erdstatischen Nachweise für eine Böschungssicherung mit der Bauweise Lebend Bewehrte Erde mit dem üblichen Nachweis der äußeren Standsicherheit. Im folgenden wird dargestellt, wie der Nachweis der äußeren Standsicherheit und der Nachweis der inneren Standsicherheit zur Dimensionierung des Stützkörpers der Bauweise Lebend Bewehrte Erde ineinander greifen. 2.1 Einschnittböschungen Bei der Sicherung von Einschnittböschungen muss immer zunächst einmal eine ungesicherte Einschnittböschung hergestellt werden. Erst dann kann der Stützkörper der Lebend Bewehrten Erde aufgebaut werden. Für beide Phasen, den Bauzustand ohne Stützkörper und Endzustand mit dem Stützkörper muss die Böschung eine ausreichende rechnerische Standsicherheit aufweisen. Nach Norm beträgt die Sicherheit im Bauzustand, wo noch kein Stützkörper vorhanden ist, η = 1, 3, im Gebrauchzustand mit Stützkörper η = 1, 4. Massgebend ist in der Regel der Bauzustand. Er bestimmt die maximal mögliche Böschungsneigung β. Man würde durchaus noch steilere Böschungen mit einem Stützkörper sichern können, doch hat die Böschung im Bauzustand dann keine ausreichende rechnerische Standsicherheit. Da also bei Einschnitten der Bauzustand für die maximal mögliche Böschungsneigung β massgebend ist, beginnt auch die Standsicherheitsuntersuchung mit dem Bauzustand (siehe Bild 5). Die Böschungsstandsicherheit kann mit kreisförmigen Gleitflächen untersucht werden. Bei annähernd homogenem rolligen Baugrund verlaufen die Gleitkreise mit den kleinsten Sicherheiten durch den Böschungsfusspunkt. Bei der Untersuchung des Bauzustandes wird nun der Böschungswinkel optimiert, d.h. nach dem maximal möglichen Böschungswinkel β gesucht, bei dem die erforderliche Sicherheit von η = 1, 3 gerade noch eingehalten wird. 10

21 Nachdem der maximal mögliche Böschungswinkel β feststeht, wird im nächsten Schritt untersucht, wie breit der Stützkörper sein muss, damit die für den Gebrauchzustand erforderliche, höhere Sicherheit von η = 1, 4 eingehalten wird. Dazu schätzt man die Breite b zunächst und nimmt eine Neigung α der eingelegten Pflanzen und Pflanzenteile an. Nun wird eine weitere Geländebruchuntersuchung für die Böschung mit dem Stützkörper durchgeführt. Da wir voraussetzen, dass sich der Stützkörper aus Pflanzen und Boden wie ein starrer Körper verhält, verlaufen die kritischen Gleitkreise durch den unteren, erdseitigen Eckpunkt des Stützkörpers. Bild 5: Flussdiagramm für die erdstatischen Nachweise bei Böschungssicherungen Sind die rechnerischen Sicherheiten weit grösser als die erforderliche Sicherheit von η = 1, 4, so verkleinert man die Breite b des Stützkörpers und prüft, ob diese eine ausreichende Standsicherheit liefert. Besonders bei Einschnitten ist eine kleinere Breite immer wirtschaftlicher, weil dann die Aushubmassen geringer werden. Andererseits nimmt mit kleinerer Stützkörperbreite b die Zahl der einzulegenden Pflanzen zu. Der dritte und letzte Schritt besteht dann in der Bemessung des in seinen äusseren Abmessungen feststehenden Stützkörpers im Hinblick auf die Zahl und Dicke der einzulegenden Zweige und Äste. Dazu ist eine Variationsrechnung durchzuführen, um die potentielle Bruchfläche zu ermitteln, auf der die grösste Zahl von einzulegenden Ästen und Zweigen erforderlich wird. 11

22 2.2 Dammböschungen Bei der Herstellung von Dämmen entfällt der Nachweis für den Bauzustand, wenn der Stützkörper aus Boden und Pflanzenteilen gleichzeitig mit der Dammschüttung hergestellt wird. Hier fällt der Bauzustand mit dem Endzustand zusammen. Da hier nicht mehr die Standsicherheit der ungestützten Erdböschung für den maximal möglichen Böschungswinkel massgebend ist, sind bei Dämmen erheblich höhere Böschungswinkel β möglich. Der Böschungswinkel β wird hier nicht durch die Standsicherheit, sondern durch die Lebensmöglichkeiten der o o Pflanzen bestimmt. Bei Böschungsneigungen grösser als β = 60 bis β = 70 werden die Lebensbedingungen für die Pflanzen im Hinblick auf Licht und Wasser so ungünstig, dass nur die Pflanzen in den oberen Lagen überleben, die Pflanzen in den unteren Lagen absterben bzw. gar nicht ausschlagen, so dass die Stützwand nach einiger Zeit versagt. 3. Schluss Bislang wurde die Bemessung von Buschlagen oder Heckenbuschlagen zur Sicherung von Böschungen rein konstruktiv, auf Erfahrungsgrundlage durchgeführt. Das schränkte den Einsatz dieser ausserordentlich umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Bauweise erheblich ein. Es wurde ein rechnerisches Verfahren vorgestellt, mit dem die Tragwirkung der eingelegten Zweige und Äste und die Standsicherheit des Stützkörpers nachgewiesen werden kann. Drei Bestandteile bilden die Grundlage des Berechnungsverfahrens für den Stützkörper Lebend Bewehrte Erde: Aus der Gleichgewichtsbetrachtung an einem möglichen Bruchkörper erhalten wir die statisch erforderliche Tragfähigkeit, die von den Pflanzen aufgebracht werden muss, um eine ausreichende innere Standsicherheit zu gewährleisten. Mit einem Reibungsansatz nach Coulomb wird die von den Pflanzen mobilisierbare Tragfähigkeit ermittelt. Daraus wird eine Formel abgeleitet, mit der die erforderliche Anzahl der einzulegenden Pflanzen bestimmt werden kann. Letztes Merkmal des Verfahrens ist eine Extremwertuntersuchung, bei der der Neigungswinkel ϑ der Bruchfläche variiert wird, um die Bruchfläche zu finden, bei der die Zahl N der einzulegenden Pflanzen ein Maximum wird. Mit der Möglichkeit eines rechnerischen Standsicherheitsnachweises erreicht die altbewährte Bauweise eine neue Qualität. Sie wird zum Ingenieurbauwerk und erhält zur Verdeutlichung der Pflanzen den neuen Namen Lebend Bewehrte Erde. 12

23 Literatur [1] BEGEMANN/ W. SCHIECHTL, H. M. (1986): Ingenieurbiologie. Handbuch für den naturnahen Wasser- und Erdbau, Bauverlag, Wiesbaden und Berlin. [2] BUNDESMINISTER FÜR VERKEHR (1985): Bedingungen für die Anwendung des Bauverfahrens Bewehrte Erde. [3] FLOSS, R. (1985): Zur Standsicherheit von Böschungen mit Lebendverbau aus der Sicht von Bodenmechanik und Grundbau, Ingenieurbiologie Wurzelwerk und Standsicherheit von Böschungen und Hängen. SEPiA Verlag Aachen. [4] FORSCHUNGSGESELLSCHAFT LANDSCHAFTSENTWICKLUNG LANDSCHAFTSBAU E.V. (1994): Richtlinie zur Sicherung von Böschungen durch Pflanzen (Entwurf). [5] INGOLD, T. S. (1982): Reinforced Earth. Thomas Telford Ltd, London. [6] RATTAY, W./ BILZ, P. (1974): Grabenstabilität in gleichförmigen Sanden. 4. Donaueuropäische Konferenz, 1974, S 85 ff [7] SCHARSCHMIDT, G./ KONECNY, V. (1971): Der Einfluss von Bauweisen des Lebendverbaues auf die Standsicherheit von Böschungen. Mitt. Inst. f. Verkehrswasserbau, Grundbau und Bodenmechanik, TH Aachen, Heft 49. [8] SCHIECHTL, H. M. (1991): Böschungssicherung mit ingenieurbiologischen Bauweisen. Grundbau Taschenbuch, Teil 2, 4. Auflage, 2.14 Verlag Ernst & Sohn Berlin. [9] SCHUPPENER, B. (1994): Stability Analysis for a Combined Slope Stabilization. Geotechnik 18 (1994). [10] SMOLTCZYK, U./ MALCHAREK, K. (1985): Lebendverbau an Steilwänden aus Tonmergel. Ingenieurbiologie Wurzelwerk und Standsicherheit von Böschungen und Hängen, SEPiA Verlag Aachen. [11] VOLLPRACHT, H.-J./ TANTOW, G. (1979): Bau einer ingenieurbiologischen Brückenrampe. Die Bautechnik. [12] WAGENBRETH, B. (1970): Beitrag zur Bestimmung der Grösse der Kapillarkohäsion nichtbindiger Böden. Dissertation der TU Dresden. 13

24 Kriechkavitätsprüfung mit Rasterelektronenmikroskop Tamás Bíró (Dipl.-Ing.), László Dévényi (Dr.-Ing.) Lehrstuhl für Mechanische Technologie und Werkstoffkunde, TWU Budapest Goldman Platz 3, Budapest 1111, Ungarn Telefon: Zusammenfassung Die Erscheinung der fortschreitenden Verformung wurde zum ersten Mal auf Kesselrohren beobachtet. Diese plastische Verformung nennt man Kriechen. Die Materialschädigung bei erhöhter Temperatur wird in den meisten Fällen von Kriechen ausgelöst. Die Kriechkavitäten spielen eine grosse Rolle während des Kriechprozesses, deshalb muss man ein Verfahren finden, mit dem die Kavitäten geprüft werden können. [1,2] Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Prüfmethoden der Kriechkavitäten. Eine Probe wurde aus einer geschädigten Dampfleitung ausgearbeitet. Aufnahmen mittels eines optischen Mikroskops und eines Rasterelektronenmikroskops werden miteinander verglichen, des weiteren wird ein weiteres Verfahren vorgestellt. Summary The phenomenon of the plastic deformation of machine parts operating on high temperature is creep. After enough long time operating hours creep leads to fracture. The micro voids play very major role during creep process, that is why an appropriate test method needs to be found to investigate these voids. The metallographic examinations show that the creep of metals and alloys connected to void nucleation at grain boundary. In this paper I compare the optical microscopic and scanning microscopic micrographs. The examined specimen is dressed from a steam pipe. The fracture of this pipeline has been likely caused by creep. Finally, I present a different method. 1. Einleitung Das Kriechen kommt nur bei erhöhter Temperatur und Spannung vor, und hält manchmal bis zum Bruch des Materials an. Es ist eine schwere Aufgabe die erwartete Lebensdauer vorauszusagen. Das Kriechen ist eine gefährliche Materialschädigung, weil es ein sehr komplexer Prozess ist. Auch meine frühere Forschungen und die Fachliteratur erweisen, daß sich die Kavitäten auf den 14