Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, Deutschland 6. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2008

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1 Rudolf Rüegger, dipl. Bauing. ETH/SIA Daniel Flum, dipl. Bauing. ETH/SIA Daniel Brüschweiler, dipl. Bauing. ETH/SIA Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, Deutschland 6. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2008 Eine neue Generation von Spiralseilnetzen zur Sicherung von Felsböschungen Versuche, Bemessung, Anwendungsbeispiele Autoren: Rudolf Rüegger Dipl. Bauing. ETH/SIA damals Rüegger Systeme AG, St. Gallen, Schweiz Daniel Flum Dipl. Bauing. ETH/SIA damals Geobrugg AG, Romanshorn, Schweiz Bearbeiter: Daniel Flum Datum: 7. Januar 2010

2 Eine neue Generation von Spiralseilnetzen zur Sicherung von Felsböschungen Versuche, Bemessung, Anwendungsbeispiele R. RÜEGGER, dipl. Bauingenieur ETH/SIA Rüegger Systeme AG, Ingenieurlösungen in der Geotechnik, St. Gallen, Schweiz D. FLUM, dipl. Bauingenieur ETH/SIA Geobrugg AG, Schutzsysteme, Romanshorn, Schweiz ZUSAMMENFASSUNG Oft müssen kritische Blöcke oder Schichtpakete in übersteilen Felswänden gesichert werden, welche nicht ohne erhebliche Gefährdung von Menschen oder Infrastruktur ausgeräumt werden können. Bisher wurden dazu oft herkömmliche Drahtseilnetze aus Litzenseilen eingesetzt. Die Seitenlänge der quadratischen oder rechteckigen Paneele betrug üblicherweise 3 4 m. Ein unflexibler Nagelraster war die Folge. Zudem war der Widerstand gegenüber einer punktuellen Krafteinleitung sowie der Korrosionsschutz begrenzt. Durch die Entwicklung eines neuartigen Spiralseilnetzes mit den dazugehörigen Systemkrallplatten konnten die Kraftübertragung sowie der Korrosionsschutz wesentlich verbessert werden. Zudem ist es nun möglich, die Nägel unabhängig der Netzgrösse so anzuordnen, dass diese den projektspezifischen Anforderungen optimal gerecht werden. Neben Standardzugversuchen sowie Versuchen zur Ermittlung der punktuellen Krafteinleitung wurden als Grundlage für die Bemessung des neuartigen Felssicherungssystems entsprechende Modellversuche durchgeführt. Damit konnte erstmals das Verhalten einer flexiblen Netzabdeckung im Falle einer Belastung durch einen zwischen den Verankerungen herausgleitenden Bruchkörper untersucht werden. Durch Messen der Kräfte in den Verankerungen in Abhängigkeit der Deformationen und Auslenkungen wurde die Kräfteverteilung dreidimensional rund um den instabilen Block ermittelt. Die Ergebnisse und Erkenntnisse der Modellversuche auch betreffend Deformationsverhalten konnten direkt ins theoretische Bemessungsmodell übertragen werden. Ausgeführte Beispiele zeigen die Einsatzmöglichkeiten dieser neuen Generation von flexiblen Netzabdeckungen. 1. EINFÜHRUNG Handelsübliche Systeme zur Sicherung grosser Felsblöcke und instabiler Schichtpakete bestanden bisher vorwiegend aus Diagonalseilnetzen mit einem durch die Abmessungen der Paneele vorgegebenen Raster der Vernagelung. Durch die unflexible Anordnung der Nägel ist es schwierig, diese Systeme sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Sicht optimal auf den Problembereich abzustimmen. Mit einer neuen Generation von Drahtseilnetzen konnten im Vergleich zu den bisher handelsüblichen Seilnetzsystemen diverse Punkte optimiert werden. Insbesondere wurde der Schwerpunkt auf ein flexibles Nagelraster und den Korrosionsschutz gelegt. Damit wird gewährleistet, dass ein optimal an die Bedürfnisse anpassbares System über die geplante Nutzungsdauer zuverlässig und sicher die an das System gestellten Anforderungen erfüllt. Dazu wurde ein grobmaschiges Spiralseilnetz aus miteinander verseilten, hochfesten Stahldrähten mit Durchmesser 4 mm entwickelt, welches eine beliebige Anordnung der Verankerungen und eine optimale Anpassung an unregelmässige Oberflächen erlaubt.

3 1.1 Geschichtliche Entwicklung Was mit dem Einsatz einfacher Drahtgeflechte (z.b. für Steinkörbe, Zäune, etc.) begann (Bild 1), wurde zu hochwertigen, statisch wirksamen Systemen weiterentwickelt. Bild 1: Steilböschung mit normaler Geflechtabdeckung Der Tragwiderstand von herkömmlichen Drahtgeflechten und ihrer Befestigung ist jedoch begrenzt. Eine Möglichkeit, die Nagelabstände zu vergrössern, bestand im Einsatz zusätzlicher grossmaschiger, quadratischer oder rechteckförmiger Drahtseilnetze, welche über die normale Geflechtabdeckung gespannt wurden (Bild 2). Da das normale Geflecht dabei keine wesentliche statische Funktion mehr ausübt, wurde dieses oft auch durch Kunststoffnetze oder -gitter ersetzt. Nachteile dieser Methode sind die starren Seitenlängen der Geflechte, welche den Nagelabstand bestimmen, der hohe Preis und die im Vergleich zu einfachen Geflechtabdeckungen zeitaufwändige Montage. In der Folge wurde 1999 durch die Firma Fatzer AG, Geobrugg Schutzsysteme, Romanshorn (Schweiz) das Stahldrahtgeflecht TECCO aus hochfestem Stahldraht mit rhombusförmigen Maschen entwickelt, mit welchem das einfache Handling eines normalen Geflechtes mit der hohen Festigkeit eines Drahtseilnetzes und seiner Befestigung verbunden werden konnte. Daraus ergaben sich neue Möglichkeiten: Beliebige, den lokalen Verhältnissen (Neigung, Untergrund, Topographie) angepasste, verhältnismässig grosse Nagelabstände. Versatz der Nägel in den horizontalen Reihen zur Vermeidung von in der Falllinie durchgehenden Gassen, welche Erosions- und Gleiterscheinungen begünstigen. Systemvorspannung gegen den zu stabilisierenden Untergrund durch Eindrücken (Festziehen) der Befestigungsplatte gegen Geflecht und Untergrund. Während der Entwicklung wurde bald klar, dass für eine Verbesserung des Tragwiderstandes einer Sicherung mit Geflechten die Kraftübertragung zur Befestigung eine wesentliche Rolle spielt. Im Zuge der Weiterentwicklung von flexiblen Böschungsstabilisierungssystemen wurden deshalb auch die Krallplatten in ihrer Grösse, Geometrie und ihrem Biegewiderstand auf die neuen Anforderungen angepasst sowie optimiert. Ursprünglich wurden meist einfache quadratische oder runde, flache Stahlplatten verwendet. Mittlerweile werden zur Befestigung von hochfesten Stahldrahtgeflechten rhombusförmige, mit Sicken verstärkte Krallplatten verwendet, welche eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweisen. Dadurch lässt sich das Böschungsstabilisierungssystem auch aktiv gegen den Untergrund vorspannen. Aus der Entwicklung und den über die Jahre gewonnenen Erkenntnissen und Erfahrungen mit diesem hochfesten Drahtgeflecht, wurde ein neues grobmaschiges Spiralseilnetz zur Sicherung von Einzelblöcken bzw. instabiler Schichtpakete entwickelt. 1.2 Zielsetzung für eine Sicherung mit grobmaschigen Spiralseilnetzen Bild 2: Steilböschung mit einer Sicherung mit quadratischen, diagonal geflochtenen Drahtseilgeflechten, Grösse 3.3 m x 3.3 m mit Maschen 300 mm x 300 mm, System PENTIFIX, welches über eine normale Geflechtabdeckung gespannt wird Bisherige Oberflächenstabilisierungssysteme verhindern das Abgleiten bzw. Ausbrechen von erosionsanfälligen Schichtpaketen. Häufig werden diese Systeme zusammen mit aktiven Erosionsschutzmassnahmen (Begrünung) eingesetzt.

4 Mit dem grobmaschigen Spiralseilnetz wird nun der Anwendungsbereich erweitert für das Ausbrechen definierter, stabilitätsgefährdeter Blöcke aus einem bestehenden Kluftsystem bzw. entlang einer vorgegebenen Gleitebene. Häufig können solche Blöcke nicht geräumt bzw. aktiv, z.b. mit einer Vernagelung durch den Block, gesichert werden. Somit kommt nur eine Sicherung in Betracht, bei welcher der Block mit einer Seilnetzabdeckung umhüllt und gehalten wird (Bild 3, Bild 4). Bild 3: Stabilitätsgefährdeter Felsblock Stabilisierungen von Böschungen mit Geflechten und Netzen, welche eine berechen- und nachweisbare Rückhaltefunktion ausüben, fallen unter den Begriff flexible Oberflächenstabilisierungssysteme (flexible facing). Es handelt sich dabei um offene Systeme mit einer statischen Funktion, welche je nach Untergrund und Exposition eine Begrünung ermöglichen bzw. bei erosions- und verwitterungsanfälligem Untergrund auch zwingend erfordern. Sie unterscheiden sich von einfachen Abdeckungen, Sicherungen mit der Funktion des reinen Erosionsschutzes oder eines leichten Steinschlagschutzes ohne statische Funktion, welche als weiche Systeme (soft facing) bezeichnet werden. Der dritte Systemtyp sind die harten Systeme (hard facing) wie Spritzbeton oder Betonkonstruktionen. Das steife Tragverhalten unterscheidet sich dabei deutlich von demjenigen von flexiblen Geflecht- und Netzabdeckungen. Harte Systeme sind anfälliger auf oberflächennahe Bewegungen, weshalb generell engere Nagelabstände sowie entsprechende Materialstärken erforderlich sind, um die Steifigkeit des zu sichernden Untergrunds entsprechend zu erhöhen sowie unzulässige Risse in der steifen üblicherweise bewehrten Schale zu vermeiden. 2. DAS NEUARTIGE SPIRALSEILNETZ 2.1 Die Systemelemente Das neuartige Felssicherungssystem wurde von der Firma Geobrugg AG entwickelt und besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen: Spiralseilnetz SPIDER S4 Vernagelung Systemkrallplatten Schäkel Randseile Spiralseilanker Sekundärnetz (optional) Zwischenbefestigung Bild 4: Einzelblock mit Spiralseilnetz gesichert 1.3 Begriffdefinition Unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Tragverhaltens sowie der Tragkapazität werden drei Systemtypen bei der Sicherung von Steilböschungen im Locker- bzw. Felsgestein unterschieden:

5 Bild 5: Felssicherungssystem SPIDER (Krallplatte P33) Das Spiralseilnetz SPIDER S4 weist rhombusförmige, 500 x 292 mm grosse Maschen auf (Masstoleranz: +/- 5%). Das dafür verwendete Spiralseil besteht aus jeweils drei miteinander verseilten hochfesten Stahldrähten mit Durchmesser 4 mm und einer Fliessspannung von min. 1'770 N/mm 2. Dieses wird in Analogie zum hochfesten Stahldrahtgeflecht TECCO zuerst zu einer Zick-Zack-Spirale gebogen und dann durch gegenseitiges Eindrehen zu einem Netz verarbeitet. Die Enden der Spiralseile sind jeweils miteinander verknotet, um volle Lastübertragung zwischen benachbarten Paneelen zu ermöglichen. Der Korrosionsschutz besteht standardgemäss aus einer 95% Zink / 5% Aluminium Beschichtung mit einer Auflage von mindestens 150 g/m 2 (GEOBRUGG SUPERCOA- TING ). Ist hinsichtlich Korrosionsschutz sehr strengen Anforderungen zu genügen, kann das Spiralseilnetz auch aus rostfreiem Stahl ausgeführt werden. Die Standardabmessungen der ca. 190 kg schweren Netzrollen beträgt 3.5 x 20 m. Das Spiralseilnetz wird gegen Nägel verspannt. Dabei können handelsübliche Nägel z.b. vom Typ GEWI oder TITAN verwendet werden, welche den statischen Anforderungen genügen. Üblicherweise werden rohe Nägel mit einer Mörtelüberdeckung von mindestens 20 mm eingesetzt. Bei permanenten Sicherungsmassnahmen wird oft ein Abrostungszuschlag von 4.0 mm bezogen auf den statischen Nageldurchmesser mitberücksichtigt. Im Gegensatz zu den alten Seilnetzabdeckungen mit so genannten Ohrenköpfen zur Befestigung der Seilnetze am Nagel werden rhombusförmige Systemkrallplatten vom Typ P33 verwendet, über welche die Netzabdekkung einfach gegen den Untergrund verspannt werden kann. Die Geometrie, Grösse und der Biegewiderstand wurde basierend auf diversen Durchstanz- und Biegeversuche optimiert und an die Systemanforderungen angepasst. Bild 6: Elemente des Systems SPIDER Zur gegenseitigen, kraftschlüssigen Verbindung der Netzbahnen werden 3/8 Schäkel verwendet. Der Überlappungsverlust wird somit auf ein Minimum reduziert. Um in den Randbereichen einen optimalen Lastabtrag zu ermöglichen und die Randbereiche zu versteifen, sind allseitig Randseile mit Durchmesser 14 mm einzusetzen, welche seitlich jeweils gegen Spiralseilanker zu verspannen sind (Bild 7). Die Randseile können oben, unten sowie seitlich direkt durch die Maschen gezogen werden. Nahtseile, Randschäkel oder Pressklauen zur Befestigung des Netzes an die Randseile entfallen somit. Um allfälligem Vandalismus vorzubeugen, können die Schäkel verklebt werden. Existieren lokal Überhänge, kann es angebracht sein, unter diesen zur Optimierung des Systemtragverhaltens zusätzliche Seile zu verspannen. Bild 7: Randseile, gegen Spiralseilanker verspannt Besteht die Gefahr von kleineren, sich lösenden Gesteinsbrocken, welche durch die Maschenöffnung nicht zurückgehalten werden können, kann optional unter dem Spiralseilnetz zusätzlich ein Sekundär- Stahldrahtgeflecht verlegt werden (Bild 8, Bild 9). Um die Sicherungsmassnahme ausreichend gegen den Untergrund zu verspannen, werden oftmals Zwischenbefestigungen vorgesehen. Dabei ist eine einfache Krallplatte vom Typ P11 ausreichend (Bild 8).

6 Bild 8: Zwischenbefestigung (Krallplatte P11) Bild 11: Ermittlung des Tragwiderstandes auf lokale Krafteinleitung 2.3 Anwendungsbereiche Das Felssicherungssystem SPIDER wurde für die Sicherung von Felsböschungen entwickelt, deren Untergrund wenig bis kaum verwitterungsanfällig ist, die Oberfläche unregelmässig ist und die Ausbruchskörper eher grobblockig sind. Es existieren in Abhängigkeit des Gefährdungspotentials und der Anforderungen betreffend Unterhalt zwei Konzepte: Bild 9: Flexibles System mit guten Anpassmöglichkeiten 2.2 Tragwiderstände des Systems Unter der Aufsicht der LGA Nürnberg wurden ausführliche Zugversuche am Spiralseilnetz SPIDER S4 durchgeführt. Der Tragwiderstand auf Zugbeanspruchung in Haupttragrichtung beträgt 220 kn/m (Bild 10). Der Tragwiderstand auf lokale Krafteinleitung im Knotenbereich beläuft sich auf 60 kn (Bild 11). Dieser Wert stellt eine wichtige Grundlage für die Bemessung des Sicherungssystems gegen herausgleitende Bruchkörper dar. Konzept (I): Ist der gefährdete Bereich möglichst aktiv zu sichern und der Unterhalt zu minimieren, so schickt es sich an, eine vollflächige Vernagelung in Kombination mit einer Netzabdeckung und Systemkrallplatten auszuführen. Die Nagelanordnung, der Nageltyp sowie die Verankerungslängen sind dabei auf die statischen Anforderungen anzupassen. Konzept (II): Ist es nicht möglich, durch die kritischen Bereiche zu bohren oder sind die Anforderungen betreffend Deformation und Unterhalt geringer als in (I), so können die Nägel rund um den kritischen Bereich (z.b. den instabilen Block) angeordnet werden. Die Sicherungsmassnahme verhält sich in diesem Falle eher passiv. Lösen sich im Schutz der Netzabdeckung einzelne Brocken oder eine Felsmasse, sind grössere Deformationen zu erwarten. (II) kann nur auf begrenzte Flächen angewendet werden. Betreffend die Anwendung kann zwischen drei Fällen unterschieden werden (Bild 12): (A) (B) (C) Einzelblocksicherung Sicherung einer Felsmasse, eines Haufwerks Verstärkung eines (zu) schwachen Systems Bild 10: Bestimmung der Zugfestigkeit pro Laufmeter

7 Bild 12: Anwendungsbereiche (A), (B) und (C) Bild 13: Herkömmliche Seilnetzsysteme mit Kreuzklemmen 2.4 Vorteile gegenüber herkömmlichen Seilnetzen Durch die Weiterentwicklung der herkömmlichen und bestens bekannten Seilnetze hin zu den Spiralseilnetzabdeckungen konnten für den Bauherrn, den Projektierenden sowie den Ausführenden deutliche Vorteile geschaffen werden: Im Vergleich zu herkömmlichen Seilnetzsystemen wie z.b. das PENTIFIX -System, welches einzelne Paneele mit Abmessungen von z.b. 3.3 x 3.3 m verwendet, wird das SPIDER - Spiralseilnetz in Rollen mit einer Standardabmessung von 3.5 x 20 m geliefert. Zudem müssen die einzelnen Paneele nicht mehr aufwändig gegenseitig vernäht werden, sondern lassen sich mit 2 Schäkeln pro Laufmeter rasch und kraftschlüssig verbinden. Die reduzierte Anzahl Stösse sowie die optimierte Verbindung ermöglicht ein rationelles Verlegen des Spiralseilnetzes. Bild 14: Korrosionsschutz beim Spiralseilnetz SPIDER S4 und bei herkömmlichen Seilnetzsystemen Einer der entscheidensten Vorteile aus statischer Sicht liegt sicherlich darin, dass die Anordnung der Nägel nicht mehr von der Grösse der einzelnen Seilnetzpaneele abhängt, sondern entsprechend der projektspezifischen Anforderungen unabhängig der Paneelgrösse optimal gewählt werden kann. Durch die Weiterentwicklung der Systemkrallplatten lässt sich zudem das System bestmöglich gegen den Untergrund verspannen. Durch den Wegfall von Kreuzklemmen und dem mit 4 mm deutlich grösseren Drahtdurchmesser als bei Litzenseilen mit 0.9 mm sowie dank der Al/Zn- Beschichtung konnte der Korrosionsschutz deutlich verbessert werden (Bild 13 bis Bild 16). Bild 15: Korrosionsschutz mit GEOBRUGG SUPERCOA- TING, 1 : 1 Langzeittest in Küstennähe Bild 16: Herkömmliche, verzinkte Drahtgeflechte in Küstennähe

8 3. AUSGEFÜHRTE BEISPIELE Die folgenden Projekte zeigen einige Anwendungsbeispiele des Felssicherungssystems SPIDER in der Schweiz, in Deutschland und in Slowenien (Bild 17 bis Bild 22). Bild 19: Testanlage der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL im Steinbruch Lochezen, Walenstadt, Schweiz: Sicherung von diversen bis zu 12 m 3 grossen Bruchkörpern, mit Quadratmaschengeflecht als Sekundärgeflecht, vollflächige Vernagelung Bild 17: Taubenlochschlucht bei Biel, Schweiz: Sicherung Felsüberhang im Bereich eines Wanderweges, mit Sekundärgeflecht, vollflächige Vernagelung Bild 20: Steinbruch Lochezen, Walenstadt, Schweiz Bild 18: Leuk, Schweiz: Sicherung eines Haufwerkes, ohne Sekundärgeflecht, Vernagelung nur entlang Randbereich Bild 21: Schlossbergtunnel, Deutschland: Sicherung des Einschnittes beim Tunnelportal gegen keilförmige bis schollenartige Gleitkörper, Hexagonalgeflecht als Sekundärgeflecht, vollflächige Vernagelung

9 Bild 22: Gemeinde Ajdovscina, Slowenien: Sicherung einer Strasse und von Häusern vor absturzgefährdeten Felsbrocken und Felsmassen, mit Quadratmaschengeflecht als Sekundärgeflecht, vollflächige Vernagelung Bild 24: Versagensmechanismus Kippen und Gleiten 4. THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN ZUM STATISCHEN SYSTEM 4.1 Generelle Überlegungen Aus einem vorgegebenen Kluftsystem ist ein Versagen von Blöcken bzw. Schichtpaketen entsprechend nachfolgender Schemaskizzen möglich (Bild 23). Bild 25: Kombination aus Gleiten und Kippen Während beim Kippen im Allgemeinen vergleichsweise geringe Rückhaltekräfte zur Sicherung genügen, entstehen beim Gleiten deutlich grössere Kräfte und Beanspruchungen, welche im Weiteren genauer untersucht werden sollen. Bild 23: Versagensmechanismen von Blöcken und Schichtpaketen (schematisiert)

10 4.2 Bemessungsansatz mit einfachem, allgemeinem 2D Modell Zur Sicherung eines abrutschgefährdeten Einzelblokkes ist eine zusätzlich wirkende resultierende Einzelkraft P erf. erforderlich, welche den Block gegen den stabilen Untergrund drückt (Bild 26). Diese Kraft ist vor allem abhängig von: Reibungswinkel ϕ zwischen Untergrund und Block Kohäsion c in der Gleitebene Eigengewicht G des Blockes (bestimmt aus den Abmessungen des Felsblockes und dem Raumgewicht γ) Richtung der resultierenden Kraft P erf. Neigung der Gleitfläche β zur Horizontalen Die Wirkungsrichtung Ψ der Kraft P erf. ist unbekannt und hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie z.b. der Verzahnung bzw. Reibung der Blockoberfläche mit der Netzabspannung, der Unregelmässigkeit / Rauhigkeit der Blockoberfläche, etc. Für erste theoretische Vorüberlegungen wird die Wirkungsrichtung ψ der Kraft P erf. abgeschätzt aus der Winkelhalbierenden, welche sich aus den Richtungen der Netzabdeckung oben und unten ergibt. Zur Berücksichtigung der Reibungskomponente zwischen Netzabdeckung und Felsblock ist die Kraft P erf. um den Winkel ϕ G nach oben gedreht (Bild 27). Bild 26: Rückhaltekraft aus Stabilitätsüberlegungen 4.3 Rechnerisch erforderliche Rückhaltekraft P erf. Bild 27: Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft P erf. Die Grösse der Rückhaltekraft P erf. kann aus Stabilitätsüberlegungen am Einzelblock wie folgt errechnet werden: G sinβ - cosβ tanϕ - C γ mod γ mod P erf. [kn] = [1] sin(β - Ψ) tanϕ cos(β-ψ) + γ mod mit den Grössen: P erf.... Resultierende Einzelkraft [kn] G... Gewicht Felsblock [kn] C... Resultierende Kohäsionskraft in der Gleitebene [kn] β... Neigung der Gleitfläche zur Horizontalen [ ] Ψ... Neigung der resultierenden Kraft P zur Horizontalen [ ] ϕ... Reibung zwischen Felsblock Mit den vorangehenden Vorüberlegungen zur Grösse und Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft P erf. wird deutlich, dass die Anordnung des Spiralseilnetzes auf der Böschung eine wesentliche Rolle bei der Sicherung eines Blockes spielt. und Untergrund [ ] γ mod... Modell Unsicherheitsbeiwert [-] Je stärker die Verzahnung zwischen Netzabdeckung und Felsblock, umso günstiger ist demnach die Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft P erf. und umso geringer sind die Zugkräfte an der unteren Abspannung. Mit dem so definierten System mit den Kraftvektoren für das Eigengewicht G, der resultierenden Kohäsionskraft C, der Reaktionskraft aus dem Untergrund Q sowie der Wirkungsrichtung von P erf. kann nunmehr ein Krafteck gebildet und nach Gleichung [1] die Grösse der erforderlichen Kraft P erf. ermittelt werden, um den Felsblock zu sichern. 4.4 Vorhandene Rückhaltekraft aus den Tragwiderständen des Systems

11 Damit wird die vorhandene bzw. maximal mobilisierbare Kraft P vorh. begrenzt durch die Inneren Tragwiderstände des Systems bzw. der Systemkomponenten. Wegen der Verzahnung des Blockes mit dem Netz ist diese Kraft an der oberen Abspannung immer grösser als an der unteren Abspannung. Vektoriell aufgetragen für den 2-dimensionalen Fall ergibt sich nachfolgende Beziehung zwischen der unteren bzw. oberen Abspannung und der maximal mobilisierbaren Rückhaltekraft P vorh., wobei Z R,d die maximal aufnehmbare Zugkraft bezeichnet: P vorh. = Z R,d sin(π-γ) sin(ψ+γ-γ o ) [2] Bild 29: Einfluss des Öffnungswinkels auf die Kraft P vorh. In Bild 30 ist der Einfluss des Öffnungswinkels γ auf die Abspannkraft an der oberen Befestigung Z o aufgetragen. Für die Auswertung und die Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen den einzelnen Parametern wurden folgende Eingangswerte verwendet: ϕ (= Reibungswinkel zwischen Untergrund und Block) ϕ G (= Reibungswinkel zwischen Block und Abspannung) β (= Neigungswinkel Gleitfläche) Bild 28: Winkeldefinitionen zur Berechnung von P vorh. Grössen zur Ermittlung von P vorh. : P vorh.... Vorhandene Einzelkraft aus den Inneren Tragwiderständen [kn] Z R,d... Maximal aufnehmbare Zugkraft (= Innerer Tragwiderstand der Netzabdeckung) [kn] Ψ... Neigung der resultierenden Kraft P zur Horizontalen [ ] γ... Öffnungswinkel der Netzabdeckung [ ] γ o... Winkel des oberen Teils der Netzabdeckung zur Horizontalen [ ] Die Winkel γ und γ o ergeben sich aus der Anordnung der Netzabdeckung auf der Böschungsoberfläche. Wie aus Bild 29 ersichtlich ist, kann bei einem grossen Öffnungswinkel γ der Netzabdeckung nur ein kleiner Anteil aus dem Inneren Tragwiderstand als stabilisierend wirkende Druckkraft P vorh. auf den Felsblock aufgebracht werden. γ (= Öffnungswinkel der Abspannung) Kraft Zo [% von G] phi_g= phi_g= phi_g= Öffnungswinkel γ [ ] Bild 30: Abspannkraft an der oberen Befestigung Z o in Abhängigkeit des Öffnungswinkels γ Deutlich wird hier vor allem, dass ab einem gewissen Öffnungswinkel γ (hier: ca. 140 ) die Kräfte in der oberen Abspannung überproportional ansteigen und auch Werte annehmen können, die ein Vielfaches des Blockgewichtes G betragen. Der Einfluss des Reibungswinkels ϕ G zwischen Block und Abspannung ist demgegenüber von untergeordneter Rolle. Wichtig ist die Erkenntnis, dass im Allgemeinen mit zunehmender Blockverschiebung der Öffnungswinkel γ kleiner wird und demzufolge die Abspannkräfte oben und unten abnehmen. Der Zusammenhang zwischen

12 diesen Parametern ist in Bild 31 qualitativ veranschaulicht. Generell ist die Beanspruchung in der Abspannung am oberen Befestigungspunkt grösser als am unteren, bedingt durch den Reibungswinkel zwischen Abspannung und Felsblock. Daher ist die obere Abspannung auf die maximal möglichen Kräfte zu bemessen. Zu berücksichtigen ist dabei der Einfluss unterschiedlicher Kraftrichtungen durch die Blockverschiebungen. Abschliessend ist darauf hinzuweisen, dass ein vereinfachtes 2-dimensionales Modell berücksichtigt wurde. In der Wirklichkeit übernehmen seitliche Befestigungen zusätzliche Kräfte und erhöhen damit die Sicherheit des Gesamtsystemes. 5. MODELLVERSUCHE Bild 31: Abhängigkeit von Öffnungswinkel γ, obere / untere Abspannkraft und Blockverschiebung (qualitative Darstellung) 4.5 Grundsätzliche Erkenntnisse aus den theoretischen Vorüberlegungen Ab einem gewissen Öffnungswinkel der Abspannung steigt die Beanspruchung der Kraftkomponenten Z o und Z u überproportional an, da mit zunehmendem Öffnungswinkel diese Kraftkomponenten immer weniger Druckkräfte auf den zu sichernden Block übertragen können. Die Verzahnung von Abspannung und Block, ausgedrückt durch den Winkel ϕ G, beeinflusst die Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft P und damit auch die Grösse dieser Kraft. Bei sehr grossen Öffnungswinkeln werden zur Erzielung des Gleichgewichtszustandes Zugkräfte in der Abspannung erforderlich, welche ein Vielfaches des Blockgewichtes betragen können. Da das Netzsicherungssystem eine gewisse Elastizität aufweist, sind Blockverschiebungen nach Eintreten eines Bruchzustandes in der Gleitfläche unvermeidlich. Durch diese Blockverschiebung reduziert sich die Beanspruchung in der Abspannung, d.h. das Haltesystem wird mit zunehmender Blockverschiebung entlastet: 5.1 Zielsetzung Im November 2007 wurden erste Modellversuche im Massstab 1:3.5 für eine Blocksicherung entsprechend dem System SPIDER durchgeführt. Die Ziele dabei waren die Umsetzung der theoretischen Grundüberlegungen aus Kapitel 4, der Vergleich mit reellen Bedingungen sowie die Ermittlung der Kraftverteilung bei einem 3-dimensionalen System. 5.2 Versuchsanlage Die Versuchsanlage besteht aus einem Stahlrahmen, an welchem das Seil bzw. das Modellnetz befestigt wurde, sowie einer dazwischen liegenden Gleitfläche. Der Rahmen misst 1.5 m in der Breite und 2.5 m in der Länge. Der Winkel zwischen der Stahlplatte als Gleitfläche und der Rahmenkonstruktion wurde mit 36 konstant gehalten. Die Kräfte im Seil, im Netz und direkt am Gleitkörper angreifend wurden über Dehnmessstreifen ermittelt. Die Verschiebung des Blockes konnte über ein Potentiometer aufgenommen werden. Als Gleitkörper wurde ein Holzblock mit einem Gewicht von 58 kg (= 580 N) verwendet. - Die Neigung der Resultierenden wirkt mit zunehmender Blockverschiebung günstiger. - Der Öffnungswinkel der Abspannung wird kleiner, dadurch kann das Netz eine grössere Druckkraft auf die Gleitfläche ausüben. Weitere Verschiebungen führen daher in der Regel nicht zu einem Anwachsen der Kräfte und zu einem Versagen des Systems. Bild 32: Versuchsanlage

13 5.3 Versuche zur Haft- und Gleitreibung Die erste Versuchsreihe diente der Ermittlung der Haft- und Gleitreibung des Blockes auf der rot lakkierten Gleitfläche. Dabei wurde die Neigung der Gleitfläche so weit gesteigert, bis dass der Block ins Gleiten kam. In einer zweiten Phase wurde der Block über ein Seil fixiert, die Neigung von anfänglich 25 auf 40, 45 und 50 gesteigert und die für die Stabilisierung des Blockes erforderliche Rückhaltekraft parallel zur Gleitfläche bestimmt. Anschliessend wurde das Seil gelöst, der Block gleichmässig hinunter gleiten gelassen und die dabei resultierenden Kräfte im Seil gemessen. Aus den beiden Versuchen resultierte ein Reibungswinkel von , wobei kein nennenswerter Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibung zu erkennen war. Bild 34 zeigt die Versuchseinrichtung für den Modellversuch mit einer Seilabspannung. 5.4 Modellversuch mit Seilabspannung Mit dieser Versuchsreihe wurde die Übereinstimmung mit dem theoretischen, 2-dimensionalen Modell geprüft. Gemessen wurden für 3 Neigungen der Gleitebene von 40, 45 und 50 die Kräfte im nach oben führenden Seil (S o ) und im nach unten führenden Seil (S u ) sowie die entsprechenden Winkel zur Gleitebene. In Bild 33 ist schematisch der Versuchsstand mit den entsprechenden Richtungen der Seilabspannung und der Gleitfläche dargestellt. Bild 34: Modellversuch mit Seilabspannung In Bild 35 ist als Beispiel der Ergebnisse einer der Versuche mit einer Neigung der Gleitfläche von 50 grafisch dargestellt Kraft im Seil oben: So Kraft im Seil unten: Su Block-Rückhaltekraft Neigung der Gleitfläche: Kraft [N] Deformation [mm] Bild 35: Modellversuch mit Seilabspannung: Versuchsergebnisse für eine Neigung der Gleitfläche von 50 Das Seil ist verhältnismässig steif und entsprechend gering sind die Deformationen bis der Block damit gehalten wird. Bild 33: Schematische Darstellung Modellversuch mit Seilabspannung Dies führt zu einem sehr grossen Öffnungswinkel von in der Richtung der Abspannungen nach oben und nach unten, was entsprechend dem theoretischen Modellansatz zu grossen Kräften führt. Diese führen bereits bei einer flachen Gleitfläche mit einer Neigung von 40 gemäss Versuch zu einer Abspannkraft von 44 % des Blockgewichtes und bei 50 auf über 100 % (siehe dazu auch Bild 35 sowie Tabelle 1). Die aus den Abspannkräften rückgerechneten Reibungswinkel liegen leicht über dem effektiven Rei-

14 bungswinkel der Gleitfläche, was möglicherweise auf Verspannungseffekte zurückzuführen ist, welche die Reibung etwas erhöhen. Der Einfluss der Reibung zwischen Geflecht und Block ist offenbar verhältnismässig gering, wie schon mit dem theoretischen Modell ermittelt (siehe dazu Bild 30). 5.5 Modellversuch mit Netzabdeckung: Anordnung 1 Bei dieser Anordnung wurde das Modellnetz oben und unten sowie mit je 2 seitlichen Abspannungen gehalten. Der Abstand der oberen seitlichen Abspannung betrug 75% und der Abstand der unteren seitlichen Abspannung 40% der Rahmenhöhe (von unten betrachtet). Ergänzend wurden neben den Kräften in der Falllinie (S o ) und (S u ) nun auch die seitlichen Abspannkräfte oben (S so ) und unten (S su ) sowie die entsprechenden Winkel zur Gleitebene gemessen. In Bild 36 ist schematisch der Versuchsstand dargestellt mit den entsprechenden Richtungen der Netzabspannung (oben, unten, seitlich) und der Gleitfläche sowie die Anordnung der Kraftmessungen. Bild 37: Modellversuch mit Netzabdeckung, Anordnung 1 Exemplarisch ist in Bild 38 der Kraftverlauf der Kraftmessplatten über die Zeit aufgetragen für eine Neigung der Gleitfläche von 45. Neigung der Gleitfläche: Kraft im Netz oben: So Kraft im Netz unten: Su Kraft seitlich, unten: Ssu Kraft seitlich, oben: Sso Kraft [N] Zeit [sec] Bild 38: Modellversuch mit Netzabdeckung, Anordnung 1: Versuchsergebnisse für eine Neigung der Gleitfläche von 45 Bild 36: Anordnung der Kraftmessung, geometrische Angaben zum Modellversuch mit Netzabdeckung, Anordnung 1 Bild 37 zeigt die Versuchseinrichtung für den Modellversuch mit der Netzabdeckung für die Anordnung 1. Das Netz ist weniger steif als das Seil und entsprechend ergeben sich bis zum Eintreten des Gleichgewichtszustandes grössere Verschiebungen und entsprechend kleinere Öffnungswinkel in Hauptrichtung (in der Falllinie) von ca , was sich sofort auf die Rückhaltekräfte auswirkt. Diese betragen je nach Neigung der Gleitfläche noch % des Gewichtes. Dabei ist zu berücksichtigen, dass hier der Einfluss der seitlichen Abspannungen in der Grössenordnung von % mitberücksichtigt ist. Würde dieser Anteil aus den Seitenkräften fehlen, würden die Abspannkräfte in Längsrichtung entsprechend grösser und würden ca % des Blockgewichtes ausmachen.

15 Da der Öffnungswinkel der Seitenabspannungen mit unten und 176 oben relativ gross ist, werden in der unteren Abspannung immerhin Kräfte in der Grössenordnung bis zu 40% der oberen Abspannkraft (S o ) mobilisiert. Die aus den Abspannkräften rückgerechneten Reibungswinkel liegen ebenfalls leicht über dem effektiven Reibungswinkel der Gleitfläche mit zunehmender Tendenz bei steileren Gleitflächen und damit auch grösseren Rückhaltekräften, was auf Verspannungseffekte zurückzuführen ist, welche die Reibung etwas erhöhen. Die gemessenen und berechneten Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt. 5.6 Modellversuch mit Netzabdeckung: Anordnung 2 Diese Versuchsserie wurde identisch zur Serie in Kapitel 5.5 durchgeführt mit einem wesentlichen Unterschied: Die seitlichen, unteren Halterungen wurden ganz nach unten verschoben und die seitlichen, oberen befinden sich nun auf rund 50% der Rahmenlänge. Bild 40: Modellversuch mit Netzabdeckung, Anordnung 2, unterer Bereich Im Unterschied zur Anordnung 1 werden hier grössere Kräfte (S so ) in der oberen, seitlichen Abspannung gemessen, welche bis ca. 55% der oberen Abspannkraft in Längsrichtung (S o ) erreichen. Entsprechend erhöht sich bei grösserer Neigung der Gleitfläche auch der Anteil der Seitenkräfte an der wirksamen Rückhaltekraft P auf knapp 30%. Auf die Grösse der oberen Abspannkraft im Verhältnis zum Blockgewicht ist der Einfluss jedoch relativ gering. Die aus den Abspannkräften rückgerechneten Reibungswinkel liegen im Bereich des effektiven Reibungswinkels der Gleitfläche und sind somit etwas geringer als bei der Anordnung 1, was möglicherweise auf die etwas unterschiedliche Pressung des Blockes auf die Unterlage (Richtung der Rückhaltekraft) zurückzuführen ist. 5.7 Erkenntnisse aus den Modellversuchen Die mit dem 2D - Modell berechneten Kräfte und jene welche mit den Versuchen gemessen wurden zeigen allgemein eine gute Übereinstimmung. Das heisst für die praktische Anwendung, dass sich die Kräfte in der Hauptrichtung mit dem 2D - Modell mit hinreichender Genauigkeit ermitteln lassen. Der entscheidende Einfluss auf die Kräfte hat der Öffnungswinkel aus den Richtungen der Abspannung. Der Einfluss der Reibung zwischen Netz und Block ist demgegenüber gering. Bild 39: Anordnung der Kraftmessung, geometrische Angaben zum Modellversuch mit Netzabdeckung, Anordnung 2 Der Anteil der Seitenabspannungen auf die Rückhaltekraft ist von der Lage der Abspannungen abhängig und die Kräfte selbst auch vom Öffnungswinkel aus den Richtungen der seitlichen Abspannungen.

16 Beschreibung gemessene Werte mit Modell berechnete Werte Kraft oben So Kraft unten Su Kraft Seite oben Sso Kraft Seite unten Ssu Öffnungswinkel längs γl Öffnungswinkel quer oben γqo Öffnungswinkel quer unten γqu Rückhaltekraft P Anteil aus Abspannung längs Anteil aus Seitenabspannung Rückhaltekraft Neigung zur Horizontalen ψ Verhältnis Kräfte unten / oben Su / So Verhältnis Kraft Seite oben / Kraft oben Sso / So Verhältnis Kraft Seite unten / Kraft oben Ssu / So Rechnerischer Reibungswinkel ϕ Verhältnis Kraft oben zum Gewicht So / G Dimension [N] [N] [N] [N] [ ] [ ] [ ] [N] [-] [-] [ ] [-] [-] [-] [ ] [-] Versuchsserie Seil Neigung Neigung Neigung Versuchsserie Netz: Anordnung 1 Neigung Neigung Neigung Versuchsserie Netz: Anordnung 2 Neigung Neigung Neigung Tab. 1: Numerische Versuchsergebnisse (Mittelwerte) der Modellversuche 6. VORGEHEN ZUR BEMESSUNG Grundlage ist zunächst die Erfassung der 3 wichtigen Eingangsgrössen: Masse / Gewicht des Blockes Neigung der Gleitfläche Scherparameter in der Gleitfläche (Reibung und eventuell Kohäsion) Ferner sind für die Festlegung der Befestigungspunkte (oben / unten / seitlich) folgende geometrischen Grössen zu erfassen: Geometrie des Blockes Lage zur umliegenden Böschungsoberfläche Damit ist der massgebende Öffnungswinkel der Abspannungen zu ermitteln, bzw. möglichst genau abzuschätzen. Da dieser einen sehr grossen Einfluss hat, ist für die weitere Bemessung ein oberer Grenzwert anzunehmen. Mit diesen Eingangsgrössen lässt sich mit den beschriebenen Formeln die obere Abspannkraft S o für den Gleichgewichtszustand berechnen, wobei die Scherparameter mit den üblichen Partialsicherheitsbeiwerten abzumindern sind. Zusätzlich kann ein Modell-Unsicherheitsbeiwert γ mod eingeführt werden. Der Einfluss einer Gleitreibung zwischen Netz und Block wird dabei in der Regel vernachlässigt. Nach den vorliegenden Modellversuchen sind schliesslich bezüglich der Verteilung der Kräfte folgende qualitativen Aussagen möglich, welche durch weitere Versuche mit unterschiedlichen Anordnungen der Befestigungen, Blockformen zu verfeinern sind: Eine Gleitreibung zwischen Netz und Block kann die rechnerisch ermittelte obere Abspannkraft um % erhöhen und die untere entsprechend reduzieren. Der Einfluss der seitlichen Abspannkräfte vermag die Abspannkräfte in Längsrichtung um ca % zu reduzieren. Die seitlichen Abspannkräfte können je nach Anordnung und Auslenkung des Netzes im Abspannbereich bis über 50% der oberen Abspannkraft betragen. Diese Kräfte sind schliesslich mit den Bemessungswerten der Tragwiderstände der Befestigungen in Längs- und in Querrichtung zu überprüfen. Gegebenenfalls ist die Anzahl der Befestigungen anzupassen.

17 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Spiralseilnetze, welche nach der Art von Maschengeflechten hergestellt werden, ermöglichen dank ihrer hohen Zugfestigkeit in Längs- und in Querrichtung sowie der hohen Knotenfestigkeit, welche bei punktueller Beanspruchung in den Befestigungen, aber auch beim Krafteintrag wichtig sind, neue Möglichkeiten bei der Sicherung von instabilen, absturzgefährdeten Blöcken in steilen Felsböschungen. Modellversuche im Massstab von 1 : 3.5 zur Natur zeigten dabei eine gute Übereinstimmung der gemessenen Kräfte mit jenen der Berechnung mit einem einfachen, theoretischen 2D - Modell. Die Modellversuche lieferten auch Hinweise über die Verteilung der Kräfte auf die oberen und unteren sowie auf die seitliche Abspannungen bzw. Befestigungen. Als Ausgangsgrösse dient dabei die rechnerisch mit dem 2D - Modell berechnete obere Abspannkraft. Diese ist in erster Linie abhängig vom Öffnungswinkel der Richtungen der oberen und der unteren Abspannung. Je flacher das Netz aufliegt, umso grösser wird dieser Winkel und werden damit auch die Kräfte im Netz selbst sowie in den Abspannungen. Die Reibung zwischen Netz und Block hat auf die Kräfte nur einen sekundären Einfluss und kann somit in der Regel vernachlässigt werden. Die seitlichen Abspannkräfte erreichen je nach Anordnung bis über 50 % der rechnerisch erforderlichen oberen Abspannkräfte. Bei steilen Gleitflächen und grossem Öffnungswinkel können die oberen Abspannkräfte das Gewicht des zu sichernden Blockes ohne Weiteres übersteigen. Deformationen, d.h. Bewegungen des Blockes verkleinern den Öffnungswinkel und reduzieren die wirksamen Kräfte. Das System wird dadurch entlastet. Ein Gleitzustand führt somit nicht zu einer Erhöhung der Kräfte bis zum Versagen. Die dargestellten Ergebnisse der Modellversuche sind der Anfang einer Serie, welche noch weiter geführt werden soll, damit der Einfluss weiterer Anordnungen von Abspannungen, durch den Einzug von Randseilen, aber auch von unterschiedlichen Blockformen und verschiedenen Gleitflächen (Reibungswerte) erfasst werden kann. Auch sollen die Erkenntnisse aus dem Modellversuch mit solchen an ausgeführten Objekten verglichen werden. LITERATURANGABEN [1] Rüegger, R.; Flum, D.; Haller, B.: Hochfeste Geflechte aus Stahldraht für die Oberflächensicherung in Kombination mit Vernagelungen und Verankerungen. (1. Vorstellung der Möglichkeiten) Technische Akademie Esslingen, Beitrag für 2. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2000 [2] Rüegger, R.; Flum, D.; Haller, B.: Hochfeste Geflechte aus Stahldraht für die Oberflächensicherung in Kombination mit Vernagelungen und Verankerungen (Ausführliche Bemessungshinweise). Technische Akademie Esslingen, Beitrag für 3. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2002 [3] Landslides, Investigation and Mitigation, Special Report 247. Transportation Research Board, National Research Council. National Academy Press, Washington, D. C [4] Wittke, W.; Erichsen, C.: Standsicherheitsuntersuchungen auf der Grundlage der Mechanik starrer Körper. Grundbau-Taschenbuch, Teil 1: Geotechnische Grundlagen, 6. Auflage, Januar 2001 [5] Kühne, M.; Einstein, H. H.; Krauter, E.; Klapperich, H.; Pöttler, R.: International Conference on Landslides, Causes, Impacts and Countermeasures. Davos, Switzerland, June 2001 [6] Rüegger, R.; Flum, D.: Slope Stabilization with High-performance Steel Wire Meshes in Combination with Nails and Anchors. Int. Symposium, Earth Reinforcement, IS Kyushu, Fukuoka, Japan, November 14-16, 2001 [7] Rüegger, R.; Weingart, K.; Bickel, M.: Flexible Oberflächensicherungssysteme aus hochfesten Drahtgeflechten in Kombination mit Boden- und Felsnägeln, 3 Fallbeispiele. Technische Akademie Esslingen, Beitrag für 4. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2004 [8] Rüegger, R.; Flum, D.: Anforderungen an flexible Böschungsstabilisierungssysteme bei der Anwendung in Boden und Fels. Technische Akademie Esslingen, Beitrag für 5. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Januar 2006