Murenanprallkräfte gegen Brückenüberbauten

Brücken bilden einen wesentlichen Anteil am Infrastruktursystem in entwickelten Ländern, Insbesondere im Gebirge. Allerdings sind Brücken in diesen Gebieten verschiedenen Gefahren ausgesetzt, z.B. Steinschlägen, Lawinen oder Schlammlawinen bzw. Muren. Murenanpralle besitzen einen substanziellen Anteil an den Einstürzen von Brücken im Gebirge. Durch miniaturisierte Versuche und Versuche mit realistischen Grössenverhältnissen wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten die Anprallkräfte für die Brückenpfeiler und Widerlager ermittelt. Brücken bilden einen wesentlichen Anteil am Infrastruktursystem in entwickelten Ländern, Insbesondere im Gebirge. Allerdings sind Brücken in diesen Gebieten verschiedenen Gefahren ausgesetzt, z.B. Steinschlägen, Lawinen oder Schlammlawinen. Murenanpralle haben einen substanziellen Anteil an den Einstürzen von Brücken im Gebirge. Durch miniaturisierte Versuche und Versuche in realer Grösse wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten die Anprallkräfte für die Brückenpfeiler und Widerlager ermittelt. Allerdings können Muren auch Kräfte auf den Überbau von Brücken ausüben. Solche Einwirkungen auf Überbauten sind z.B. für Schiffsanpralle oder Tsunamiwellen bekannt. Dort haben die Einwirkungen z.B. Einsturz von Brücken geführt. Auch bei Murenanprallen gibt es Schäden am Überbau. Für die Bemessung des Überbaus von Brücken bei Muren liegen keine Grundlagen vor. Im Rahmen dieses Projektes sollen die Kräfte auf den Überbau von Brücken durch Murenanpralle experimentell untersucht werden. Im Gegensatz zum Pfeileranprall entstehen hier neben der reinen horizontalen Anprallkraft auch Auftrieb und Reibung.

Brücken tragen wesentlich zum Funktionieren der modernen Gesellschaften indem sie die Funktionsfähigkeit des Infrastruktursystems aufrechterhalten. Ihr Wiederbeschaffungswert, vor allem in Industrieländern, ist beträchtlich. Die höchste Brückendichte findet sich aufgrund der Topographie in Gebirgsregionen, wo sie allerdings durch eine Reihe von Naturgefahren wie Steinschlag, Lawinen oder Murgänge gefährdet sind. Klimawandel sowie zunehmende Besiedelung lassen in Zukunft auf eine steigende Gefährdung von Brücken schließen. Dies gilt besonders für gravitative Massenbewegungen wie Muren. Diese aus Fein- und Grobsedimenten sowie Wasser bestehende talwärts fließenden Massen, erweisen sich in der Natur aufgrund der möglichen unterschiedlichen Zusammensetzung als sehr komplex. So kann das Fließverhalten von Muren im gleichen Einzugsgebiet allein aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts völlig unterschiedlich sein. Bezogen auf eine mögliche Auswirkung auf Brücken ist dies höchst relevant, da grobkörnigere Muren zu größeren Schäden oder zur Zerstörung der Brücke führen, während stärker "fluidisierte" Muren das Abflussprofil der Brücke gefahrlos passieren können. Auswirkungen von Muren auf Brückenpfeiler sind bereits untersucht, aber die Mechanismen und Folgen der Auswirkungen von Muren auf Brückenüberbauten sind noch unbekannt. Im Zuge dieses Projektes wurde daher ein neues, allgemein anwendbares Belastungsschema zur Identifikation der unterschiedlichen Aufprallkräfte auf verschiedene Brückenüberbauten entwickelt, und mehr als 100 Laborversuche mit einem innovativen Versuchsaufbau im Maßstab 1:30 durchgeführt. Der erste Teil des Projekts konzentrierte sich auf den Bau einer kleinskaligen Murenversuchsrinne und die Erzeugung eines entsprechenden prototypischen Murengemisches. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der maximale Aufpralldruck solcher prototypischen Muren auf der Grundlage der Aufpralldynamik berechnet werden kann, wodurch sich Aufprallkräfte auf der Grundlage von dokumentierten Anprallhöhen zurückrechnen lassen. Weitere Tests konzentrierten sich ausschließlich darauf, wie unterschiedliche Brückenüberbauten die Auswirkungen von Murgängen beeinflussen. Dafür wurden sechs verschiedene Brückenüberbauprofile kleinmaßstäblich nachgebaut und experimentell beaufschlagt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Form des Brückenprofils die Größe der effektiven Frontalaufprallkräfte beeinflusst - während das Vorhandensein oder Fehlen eines Brückenpfeilers nur die Richtung der effektiven Frontalaufprallkraft beeinflusst, aber nicht unbedingt ihre Größe. Die Ergebnisse wurden auch im Zusammenhang mit dem vorhandenen Wissen über die Auswirkungen von ähnlichen Fließprozessen und dem Anprall auf Brücken in Gebirgsregionen diskutiert. Die Ergebnisse konnten im Rahmen einer umfassenden Untersuchung von Murenereignissen mit Brückeneinstürzen analysiert und publiziert werden. Dabei wurden auch Empfehlungen für den Entwurf von Brückenüberbauten, welche durch Muren gefährdet scheinen, erarbeitet. Abschließende Tests untersuchten den Effekt von Unholz in der Murenmischung. Vor allem in waldreichen Gebieten wie Österreich ist der Anteil an großen Totholzteilen bei manchen Muren ein nicht zu unterschätzender Faktor. Brücken sind hier sensible Bereiche, in denen der Einfluss von Treibholz nicht nur zu direkten Zerstörungen, sondern auch zu Verstopfungen und Folgeschäden führen kann. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die maximale frontale Aufprallkraft auf Brückenüberbauten erheblich durch Treibgut beeinflusst wird. Darüber hinaus beobachteten wir höhere Auftriebskräfte durch Baumstämme, die auf die Unterseite der Brücke aufprallten.