Einwirkungen auf Schutzdämme infolge von Felsstürzen

Abstract

Naturgefahren im alpinen Raum und im speziellen Sturzprozesse führen regelmäßig zur Gefährdung von Infrastruktur, Leib und Leben. Um die Gesellschaft und deren nach einer Risikobewertung als schützenswert eingestuften Errungenschaften vor Sturzprozessen wie beispielsweise Steinschlägen oder Felsstürzen schützen zu können, sind meist umfangreiche geologische und geotechnische Bewertungen und im Anschluss aufwendige Baumaßnahmen mit teilweise großen Einschnitten in die umgebende Natur erforderlich. Im Bereich des technischen Steinschlagschutzes werden sowohl primäre als auch sekundäre Sicherungsmaßnahmen je nach Anforderung eingesetzt.Zur Planung der Schutzmaßnahmen gegenüber Sturzprozessen ist die Erhebung der maßgebenden Einwirkung auf die Schutzbauwerke essenziell, denn ohne diese Größe ist die nachhaltige Planung und Ausführung von Schutzbauwerken nicht möglich. Geht man davon aus, dass die Einwirkungsenergie auf das Schutzbauwerk Dimensionen erreicht, welche von Steinschlagschutznetzen und vergleichbaren Konstruktionen nicht mehr aufgenommen werden können, so wird ein Damm erforderlich. Um die Reaktion des Dammes auf Einwirkungen zufolge Sturzprozessen simulieren zu können, kommen immer häufiger numerische Verfahren zum Einsatz. Die in den Berechnungsansätzen implementierten Kontaktmodelle müssen jedoch in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit der Rückhaltebauwerke kalibriert werden, um die durchgeführten Berechnungen und deren Ergebnisse als zuverlässig einstufen zu können. In dieser Diplomarbeit wird neben einer Recherche der Grundlagen von Sturzprozessen und deren Erläuterung ebenfalls ein kritischer Blick auf die in Österreich gültigen technischen Regelwerke und Normen auf dem Gebiet der technischen Sicherungsmaßnahmen gegenüber Steinschlag und Felssturz geworfen. Im Anschluss wird ein Zusammenhang zwischen der Federsteifigkeit eines Schutzdammes, der Eindringtiefe und dem Durchmesser des Bemessungsblockes unter Berücksichtigung eines linearen Feder Dämpfer Modelles in der DEM-Software PFC 3D 7.0 bei unterschiedlichen Restitutionskoeffizienten aufgezeigt und ein Diagramm zur Ermittlung der Federsteifigkeit des Kontaktmodelles zufolge der Eindringtiefe des Bemessungsblockes als Funktion des Blockdurchmessers entwickelt. Die mit diesem Diagramm ermittelte Federsteifigkeit führt zu realistischen Kontaktkräften und somit Eingangsgrößen für die Bemessung von Schutzdämmen. Die Grundlage der hergestellten Zusammenhänge zwischen Eindringtiefe und Bemessungsblockdurchmesser sind multiple Simulationen unter Variation der Eingangswerte, Randbedingungen und der Kontaktparameter in DEM-Software (PFC 3D 7.0 von Itasca International Inc.). Somit lässt sich für beobachtete Einschläge, und dadurch auch messbare Eindringtiefen und Bemessungsblockgrößen, die Reaktion des Modelles in der DEM - Software mit dem bereits implementierten LSD-Kontaktmodell simulieren.Abschließend wird für unterschiedlich große Blöcke exemplarisch eine statische Ersatzkraft nach ONR ermittelt und mit Ergebnissen von Fallversuchen verglichen.

Natural hazards in alpine regions, particularly rockfall processes, regularly pose a threat to infrastructure, human life, and safety. To protect society and its assets deemed worthy of protection after a risk assessment from rockfall processes such as rockfalls or landslides, extensive geological and geotechnical assessments and subsequent costly construction measures with sometimes significant impacts on the surrounding nature are usually required.In the field of technical rockfall protection, both primary and secondary safety measures are used depending on the requirements. They serve to reduce the dangers resulting from rockfall and rockfall processes.In order to plan protective measures against fall processes, it is essential to determine the decisive impact on the protective structures, as sustainable planning and execution of protective structures is not possible without this parameter. If it is assumed that the impact energy on the protective structure reaches dimensions that can no longer be absorbed by rockfall protection nets and comparable constructions, a dam becomes necessary. Depending on the chosen design of the protective dam, the materials used may be subject to fluctuations in their mechanical, which makes dimensioning even more difficult. To simulate the response of an embankment to impacts caused by rockfall processes, numerical methods such as DEM Software is being used more and more. However, the contact models implemented in the software must be calibrated due to the commonly used multi-layer construction method of the structures to ensure that the calculations and results obtained are reliable. This thesis not only includes a review of the fundamentals of rockfall processes and their explanation, but also critically examines the technical regulations and standards applicable in Austria for technical protective measures against rockfall. Subsequently, the relationship between the spring stiffness of a protective embankment, penetration depth, and the diameter of the design block is analyzed using a linear spring-dashpot model (LSD-Model) in Discrete Element Method software (PFC 3D 7.0, Itasca International Inc.) under different restitution coefficients. A diagram is developed to determine the spring stiffness of the contact model based on the penetration depth of the design block as a function of block diameter. The basis of the established relationships between penetration depth and design block diameter are multiple simulations with variations of input values, boundary conditions and contact parameters in DEM software. Thus, for observed impacts, and therefore measurable penetration depths and design block sizes, the reaction of the model in the software PFC 7.0 with the already implemented LSD contact model can be simulated. Finally, the dimensioning of a protective measure against rockfall is carried out exemplarily using the previously determined relationships.