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Die Steinform sollte bei der Risikobeurteilung stärker berücksichtigt werden

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Forschende des SLF und der ETH Zürich haben während vier Jahren Steinschlagexperimente durchgeführt und den bisher umfassendsten Satz an Messdaten zusammengetragen. Die Ergebnisse belegen unter anderem, dass radähnliche Steine eine breitere seitliche Streuung aufweisen als würfelförmige Steine. Die neuen Erkenntnisse sind wichtig für die Gefahrenabschätzung und die Dimensionierung von Schutzbauten. Mit den Messdaten können Berechnungsprogramme geeicht und weiterentwickelt werden, um die Realität besser abzubilden.

 

Steinschlag ist im Alpenland Schweiz eine reale Bedrohung. Um die Gefährdung an einem Ort abzuschätzen und Schutzmassnahmen zu planen, berechnen Ingenieurbüros mit Hilfe von Computermodellen, wie weit herabfallende Steine rollen können. Doch inwiefern Masse, Grösse oder Form eines Steins dessen Bewegung beeinflussen, können die Modelle bisher nicht ausreichend berücksichtigen. Dafür müsste man sie mit Messdaten aus der realen Welt füttern – diese gab es jedoch bisher nur vereinzelt, systematische Untersuchungen von Steinschlägen fehlten hingegen.

 

Erstmals umfassende Experimente

Doch nun haben Forschende des WSL-Instituts für Schnee- und Lawinenforschung SLF und der ETH Zürich während mehr als vier Jahren Steinschlagexperimente durchgeführt. «So konnten wir den bisher grössten Satz an Messdaten zusammentragen», sagt Andrin Caviezel, SLF-Forscher und Hauptautor der Studie. Die Forschenden verwendeten künstliche, mit Sensoren bestückte Steine aus Beton, die sie nahe dem Flüelapass (GR) einen Hang hinabrollen liessen. Dabei verglichen sie verschiedene Formen und Massen, rekonstruierten die kompletten Flugbahnen und bestimmten Geschwindigkeiten, Sprunghöhen und Auslaufbereiche (siehe Infobox). Ihre Resultate haben sie soeben in der renommierten Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlicht.

 

Seitliche Streuung

Die wichtigste Erkenntnis: In welche Richtung ein Stein rollt, hängt viel stärker von seiner Form ab als von seiner Masse. Während würfelförmige Brocken in der Falllinie den Hang hinunterdonnern, ziehen radförmige Steine häufig zur Seite weg. Deshalb können sie einen viel breiteren Bereich am Hangfuss gefährden. «Das muss bei der Einschätzung von Gefahrenzonen berücksichtigt werden, aber auch bei der Platzierung und Dimensionierung von Steinschlagnetzen», sagt Caviezel. Denn weil radähnliche Steine mit der schmalen Seite in Steinschlagnetze prallen, konzentriert sich ihre Energie auf eine viel kleinere Fläche als bei würfelähnlichen Steinen – Schutznetze müssen also stärker sein.

 
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In der Luftaufnahme des Hanges sind in blauer Farbe die Stellen markiert, an denen die würfelförmigen Steine (Gewicht 2670 kg) zum Liegen kamen - die meisten in einem eng umgrenzten Bereich. Das rote Kreuz markiert den Auslösepunkt. Abbildung: SLF
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Im Gegensatz dazu landen die radförmigen Steine (Gewicht 2670 kg), die hier in violett dargestellt sind, viel breiter verstreut. Abbildung: SLF
 

Realistischere Modelle

Die Daten fliessen nun in das am SLF entwickelte Simulationsprogramm RAMMS::ROCKFALL ein. Ziel ist, neben dem Einbezug der Form auch realitätsnäher abzubilden, wie Aufprall und Absprung vom Boden die Geschwindigkeit des Steins beeinflussen. «So können wir ein verbessertes Programm anbieten, mit dem Ingenieurbüros zuverlässigere Berechnungen machen können», sagt Caviezel. Zudem ist der Datensatz auf der Plattform «Envidat» auch für andere Forschungsgruppen frei zugänglich. Diese können damit eigene Algorithmen kalibrieren oder neue Modelle entwickeln, welche die Realität noch genauer als bisher abbilden und den Schutz vor Steinschlag verbessern.

 

Die Steinschlagversuche in Zahlen

Anzahl Betonblöcke: 183
Gewicht der Blöcke: 45, 200, 800 und 2670 kg
Anzahl rekonstruierter Flugbahnen: 82
Verwertbare Aufschläge: 1394
Maximale Sprunghöhe: 11,1 m
Maximale Geschwindigkeit: 30,3 m/s = 109 km/h

 
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Radförmiger (links) und würfelförmiger (rechts) Betonblock, je 2670 Kilogramm schwer. Foto: Martin Heggli, SLF
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SLF-Forscher Andrin Caviezel bereitet einen der von der ETH entwickelten Sensoren vor, welche in den Steinen montiert wurden. Foto: Martin Heggli, SLF
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Ein Helikopter transportiert einen Stein zum Auslösepunkt oben am Hang. Foto: Martin Heggli, SLF
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Einer der Betonblöcke liegt auf der kippbaren Plattform, mit deren Hilfe er kurz darauf in Bewegung gesetzt wird. Foto: Martin Heggli, SLF
 

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