Schneemechanik der Schneebrettlawine

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Mathilde Kaufman
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1 der Schneebrettlawine Dr. Bernhard Lackinger 1

2 Auslösung einer Schneebrettlawine durch Schifahrer 2

3 Schneebrettlawine Schöntalspitze 3

4 Erkenntnisse aus Bildern 1 Auslösung in der Fläche, wahrscheinlich durch untersten Schifahrer es ist nicht ganz auszuschließen, dass einer der anderen Schifahrer der Auslöser war Primärbruch = Scherbruch Auslösung durch 1 Skifahrer (mit ca. 80 kg) einer wesentlich größeren Schneemasse Initialbruch, d.h. Bruchbeginn im Bereich der Störung durch den Schwung 4

5 Erkenntnisse aus Bildern 2 Hier ist eine der besonders schwachen Stellen im Hang bzw. hat die Belastung zur Bruchauslösung ausgereicht! Bruchausbreitung in der Scherfläche (einige 1000 m/sec!! (schnelles Verschwinden des erfassten Skifahrers) Sekundärbruch = Zugbruch dann Flanken und Stauchwall = Druckbruch Laufmascheneffekt bzw. progressiver Bruch 5

6 Erkenntnisse aus Bildern 3 Bruchvorgang ist sehr komplex progressiv fortschreitend, in unterschiedlichen Phasen ablaufend viele Faktoren spielen mit unterschiedliche Spannungen (Scher-, Zug-, Druckspannungen) und dazugehörige Festigkeiten sind beteiligt, bei denen die Belastungs- bzw. Verformungsgeschwindigkeit eine wichtige Rolle spielen. 6

7 Kräfte an der Schneebrettlawine als Ganzes und Definitionen 7

8 Volumen, Gewichte und Kräfte einer Schneebrettlawine Beispiel kleine SBL Dichte ρ = 200 kg/m³ Hangneigung 38 Länge x Breite x Dicke Volumen treibende Scherkraft S Gesamtmasse Gewichtskraft G Rückhaltende Scherfestigkeitskraft S Rückhaltende Umfangskräfte (Zug, Druck, seitliche Festigkeiten) m m³ t kn kn kn kn 50 x 50 x 0, m³ 350 t ~6 Lok s /30 LKW

9 Spannungen aus Eigengewicht 1 Kräfte an einem Schneeprisma (als Ausschnitt aus der Schneedecke) Das Prisma (mit der Grundfläche A) hat das Gewicht G, welches in die Komponenten N normal zur Schwachschicht und T parallel zur Schwachschicht zerlegt werden kann. 9

10 Spannungen aus Eigengewicht 2 Spannungen sind auf eine Fläche verteilte Kräfte. Die Normalkraft N, verteilt auf die Fläche A, ergibt die Normalspannung σ Die treibende Scherkraft T ergibt die Scherspannung τ Das Gleichgewicht wird durch die rückhaltende Scherfestigkeit ermöglicht. 10

11 Definition der Stabilität In einer Schwachschicht findet quasi ein Kampf zwischen treibenden Scherspannungen und rückhaltenden Scherfestigkeiten statt ausgedrückt durch die Stabilität: Stabilität = Festigkeit / Spannung Dieser mathematische Bruch kann, da die Festigkeit begrenzt ist, (theoretisch) nie einen Wert unter 1 annehmen. 1 bedeutet Bruch in der Schneedecke! Je näher die Stabilität bei 1 liegt, desto kritischer ist die Situation: Schon geringe Änderungen der Spannung oder der Festigkeit führen zum Bruch, weil ja keine Reserven mehr da sind. 11

12 Verteilung der Stabilität im Hang Sowohl Spannung als auch Festigkeit - und damit auch die Stabilität sind in einem Hang ungleichmäßig verteilt!! 12

Spannungen in der geneigten Schneedecke Eigengewicht: o Altschnee o Neuschneezuwachs Zusatzspannungen: o Geländeform und unterschiedliche S-Höhen (erzeugen durch Kriechen des Schnees Zug- und

13 Spannungen in der geneigten Schneedecke Eigengewicht: o Altschnee o Neuschneezuwachs Zusatzspannungen: o Geländeform und unterschiedliche S-Höhen (erzeugen durch Kriechen des Schnees Zug- und Druckzonen) o unterschiedlich verformbare Schneeschichten o Sprengung zur Lawinenauslösung o Pistengerät o Schifahrer l 1 l 1'>l 1 Zugzone l 1' l 2 l 2=l 2' Neutrale Zone l 2' l 3' l 3 l 3'<l 3 Druckzone 13

14 Zusatzspannungen τ durch Schifahrer Spannungszwiebel Spannungswelle Pa = N/m² Nach P. FÖHN (1981): Schneefeldsprengungen und Stabilität der Schneedecke. In: Bayr. Ld.Amt für Wasserwirtschaft, Info-Bericht 8/81, Koll. Schneefeldsprengungen und Erosion

15 Zusatzbelastung der Schneedecke durch Schubspannungen τ Quelle der Zusatzbelastung Details Hangneigung 38, Tiefe unter Oberfläche 0,8 m Schubspannung τ in N/m² auf FLÄCHE in m² X mal Skifahrer NEUSCHNEE Dichte ρ = 100 kg/m³ HN = 0,5 m 200 Gesamter 1 x HN = 1,0 m 400 Hang 2 x SKIFAHRER statisch! G=85 kg Skilänge=1,7 m 200 ~ 6 m² 1 x PISTENGERÄT G = 5500 kg (= 65 x Skifahrer) 2400 ~ 60 m² 12 x SPRENGUNG 1 kg Lawinit Sprengung über der Schneeoberfläche 6500 unter Sprengpunkt ~ 32 x in 50 m Entfernung 1000 ~ 7800 m² 5 x 15

16 Festigkeiten des Schnees 1 Je nach Art der Beanspruchung Druckfestigkeit 4 Zugfestigkeit 2 Scherfestigkeit 1 - Scherrahmen - Schaufeltest - ABER!! 16

Festigkeiten des Schnees 2 Festigkeiten sind von sehr vielen Faktoren abhängig: Temperatur des Schnees (kalter Schnee = höhere Festigkeit) Korngrößen (feinere Körner = fester) Stadium

17 Festigkeiten des Schnees 2 Festigkeiten sind von sehr vielen Faktoren abhängig: Temperatur des Schnees (kalter Schnee = höhere Festigkeit) Korngrößen (feinere Körner = fester) Stadium der Metamorphose Dichte Diagramm für Zug- und Druckfestigkeit als Beispiel für Größenordnungen Geschwindigkeit der Belastung Daher sind der Scherrahmen und der Schaufeltest nur sehr grob! 17

18 Festigkeiten des Schnees 3 Zwei wesentliche Einflussgrößen auf die Festigkeit sind die Formänderungs- (=Deformations-) geschwindigkeit und die Größe der Verformungen beim Eintreten des Bruches. 18

Festigkeiten des Schnees 3 Deformationsgeschwindigkeit Bei langsamer Verformung kein Bruch Schnee fließt viskos; Aufnehmbare Spannungen bleiben klein; große Verformungen Mittlere

19 Festigkeiten des Schnees 3 Deformationsgeschwindigkeit Bei langsamer Verformung kein Bruch Schnee fließt viskos; Aufnehmbare Spannungen bleiben klein; große Verformungen Mittlere Deformationsgeschwindigkeit Schnee hat höchste Festigkeit; Versagen erfolgt als duktiler (= zäher) Bruch Bei schneller Beanspruchung Festigkeit sinkt drastisch (um einen Faktor 10!) ab; Sprödbruch mit sehr kleinen Bruchdehnungen 19

20 Voraussetzungen für den Abbruch einer Schneebrettlawine 1 Vorhandensein einer großflächigen Schwachschicht, z.b. alte S-Oberfläche, Harsch, Reif o.ä. Je dünner diese Schicht ist, desto kritischer ist sie!! Ihre Scherfestigkeit ist gering, d.h. die Reserven gegen die treibenden Spannungen sind klein. Diese Schicht ist sehr weich, also gut verformbar. 20

Voraussetzungen für den Abbruch einer Schneebrettlawine 2 Vorhandensein einer darüberliegenden Schicht mit gewisser Festigkeit = Schneebrett, das Spannungen übertragen kann.

21 Voraussetzungen für den Abbruch einer Schneebrettlawine 2 Vorhandensein einer darüberliegenden Schicht mit gewisser Festigkeit = Schneebrett, das Spannungen übertragen kann. Diese Schicht mit einer Bindung der Schneekörner ermöglicht die Ausbreitung des Bruches von der Initialbruchstelle aus. Diese Schicht überbrückt aber auch durch ihre Festigkeit Zonen mit Stabilität kleiner 1, von denen Spannungen in Nachbarbereiche umgelagert werden müssen. 21

22 Bruch der Schneebrettlawine 1 Bruch progressiv verlaufend: 1 Primärbruch = Scherbruch 2 Sekundär = Zugbruch und Flanken 3 Druckbruch 22

23 Bruch der Schneebrettlawine 2 Frage: Wie kommt es zur Auslösung des primären Scherbruches? objektiv, also spontan, aber wie genau? subjektiv, also durch z.b. Schifahrer In beiden Fällen ist der unmittelbare Auslöser der Initialbruch in einem begrenzten Bereich, dem die Bruchausbreitung über die gesamte Scherfläche folgt. 23

24 Initialbruch durch Schifahrer 1 Schifahrer nähert sich mit seiner Spannungszwiebel von oben Anomalie im Hang Der Bruch wird initiiert, wenn er zur Anomalie kommt. 24

25 Initialbruch durch Schifahrer 2 Schifahrer nähert sich mit seiner Spannungswelle von oben superschwache Stelle Der Bruch wird erst initiiert, wenn er zur superschwachen Fläche kommt. 25

26 Zweck der Schneedeckenuntersuchungen Schneedeckenuntersuchungen sollen für ein Gebiet Aufschlüsse über wichtige Faktoren liefern, die für die Beurteilung der Lawinensituation benötigt werden. Diese Schneedeckenfaktoren (quantitative und qualitative) tragen neben den anderen Grundlagen (Wetterfaktoren und Geländefaktoren) zum Gesamtbild bei und sind unverzichtbar. 26

27 Wichtige Kennzeichen im Schneedeckenaufbau Schwächezonen in der Schneedecke mögliche Scherflächen (schlechte Bindung der Schichten) Festigkeiten der Schichten Schneeschichten und ihre sonstigen Eigenschaften Veränderungen in der Schneedecke seit der vorhergehenden Untersuchung 27

28 Danke für Ihre Geduld! Bitte um Ihre Fragen! ENDE 28

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