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Geotechnik Herausforderungen beim Bauen in Boden und Fels

Das Fachgebiet Geotechnik des Kompetenzzentrums Gebäudehülle und Ingenieurbau beschäftigt sich mit den natürlichen Baustoffen Boden und Fels und ihren Einfluss auf die Erstellung von Bauwerken.

Zu den Themenfeldern der Geotechnik gehören Bodenmechanik und Grundbau, Felsmechanik und -bau, Tunnelbau im Fest- und Lockergestein, Geomesstechnik und zerstörungsfreie Prüfverfahren und Umweltgeotechnik. Des Weiteren werden Themenfelder aus dem Bereich Naturgefahren bearbeitet, wie z.B. die Durchführung von Steinschlag-Simulationen und die Konstruktion von Steinschlag-Schutzdämmen.

In den heute meist sehr komplexen Aufgabenstellungen in der Geotechnik, die eine komplexe Geometrie, unterschiedliches Verhalten von Baustoffen, die Abbildung von Bauabläufen und die Interaktion von Bauwerk und Baugrund berücksichtigen müssen, werden zudem häufig numerische Berechnungsverfahren eingesetzt.

Darstellung des Einflusses von Gebirgsankern in der Firste auf die Verformungen nach dem Stollenausbruch.

Beispiel einer numerischen Berechnung für eine Machbarkeitsstudie für einen Überleitungsstollen. Dargestellt sind die Beträge der Verschiebungen in einem Hang nach dem Stollenausbruch.

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Aufgabenstellungen

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Beurteilung von Schutzbauwerken gegen Naturgefahren

Im Rahmen der Überarbeitung der Gefahrenkarte im Gebiet der Gemeinden Brienz, Schwanden, Hofstetten und Brienzwiler wurde unter anderem eine Beurteilung des Zustandes und der Standsicherheit der rund 100-jährigen Geschiebesperren im Lammbach vorgenommen.

Die Gruppe zur Geotechnik des Kompetenzzentrums übernahm diese Teilaufgabe im Gesamtprojekt «Überarbeitung der Gefahrenkarte».

Im Einzelnen wurden folgende Aufgaben ausgeführt, die sich an der allgemeinen Vorgehensweise zur Beurteilung und Wirkung von Schutzbauwerken gegen Naturgefahren der Nationalen Plattform Naturgefahren (PLANAT) orientieren:

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Ermittlung der Grundlagen: Sichtung vorhandener Unterlagen zu den Bauwerken, der Geologie des Gebiets, der Topographie, der stattgefundenen Murgänge, usw.
Prozessbeurteilung: Aufstellen der potentiellen Versagensmechanismen und der Gefährdungsbilder sowie Ermittlung der Einwirkungen auf die Bauwerke.
Massnahmenbeurteilung: Einschätzung der Funktionsfähigkeit der rund 100-jährigen Geschiebesperren aus Natursteinmauerwerk (Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit).
Wirkungsbeurteilung: Gefahrenbeurteilung und Einschätzung von Unsicherheiten.
Umsetzung: Einbringen der aus den vorgenannten Stufen gefundenen Erkenntnisse in die Ausarbeitung der neuen Gefahrenkarte.

Zur Beurteilung der Geschiebesperren aus Natursteinmauerwerk wurde das «Luzerner Rating System» für Natursteinmauerwerk verwendet. Dieses Rating-System wurde an der

Hochschule Luzern – Technik & Architektur entwickelt. Es berücksichtigt die speziellen Eigenschaften von Natursteinmauerwerk und beurteilt sowohl die konstruktiven Eigenschaften des Bauwerks als auch dessen Zustand. Des weiteren werden in einem dritten Teil des «Luzerner Rating Systems» Bewuchs an und auf dem Bauwerk, Wasser, Topographie und Geologie mit einbezogen.

Aufgrund der komplexen Geometrie und der Lastfälle wurden bei zwei der grossen Geschiebesperren numerische Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente durchgeführt.

Die Untersuchungen halfen, die Szenarien, welche der Gefahrenkarte zugrunde liegen, einzugrenzen und führten zu einer Verkleinerung der «roten Zone» in der Gefahrenkarte.

Die Sperre III im Lammbach ist vollständig mit Lockergestein hinterfüllt.

Datenaufnahme vor Ort an der Sperre III im Lammbach

Messung der Fugentiefe an der freigelegten Rückseite der Sperre IVa

Verformung des Mauerwerks nach dem Volleinstau des Bauwerks und der Überströmung durch einen Murgang

Die Rückseite der Sperre IVa wird freigelegt.

3D-FE-Netz der Sperre IVa für die numerischen Berechnungen mit 25‘160 3D-Elementen, 49 Ankerelementen, 1‘393 Interface-Elementen und 20 verschiedenen Materialien.

Die Rückseite der Sperre IV wird freigelegt.

Projektbeispiel Geschiebesperren im Berner Oberland

(1.4 MB) .PDF

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Erarbeitung von Grundlagen zur Bemessung von Steinschlagschutzdämmen

Für die Bemessung eines Steinschlagschutzdammes ist es gängige Praxis, die statische Ersatzkraft für den Lastfall «Impakt» nach der Richtlinie «Einwirkungen infolge Steinschlags auf Schutzgalerien» des Bundesamts für Strassen (ASTRA) zu ermitteln. Das entspricht jedoch nicht den Gegebenheiten beim Impakt eines Blocks auf ein Dammbauwerk. Insbesondere bestehen erhebliche Unterschiede bei der Geometrie und den Randbedingungen zwischen Galeriebauwerk und Schutzdamm. Zudem gibt es widersprüchliche Auffassungen zur Ausbildung des Bruchkörpers in einem Damm beim Impakt.

Das ASTRA und die SBB fördern das aktuelle Forschungsprojekt. Dieses soll die bisher fehlenden Grundlagen für die Bemessung von Steinschlagschutzdämmen schaffen. Im Einzelnen sind folgende Untersuchungen vorgesehen:

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Zur Abklärung des Bruchvorgangs und der Form des Bruchkörpers infolge eines Impakts auf einen Dammquerschnitt wurden kleinmasstäbliche quasi 2D-Versuche durchgeführt. Der Impaktvorgang wird bei diesen Versuchen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Die Bilderfolge wird mit der Methode der Particle Image Velocimetry analysiert. Der Einfluss unterschiedlicher Dammgeometrien, verschiedener Impaktenergien und Blockgrössen wurde untersucht.
Durch halbmasstäbliche 3D-Versuche werden die 2D-Versuche ergänzt. Sie dienen zum einen der Ermittlung der Geometrie des Bruchkörpers in der dritten Dimension, zum anderen sollen bodenmechanische Parameter an den Modelldämmen ermittelt werden. Dafür werden verschiedene Messverfahren verwendet. Die Parameter können als Grunddaten für die Ableitung eines Bemessungsansatzes dienen.

Die Ergebnisse des Projekts sollen die Grundlage zu einer neuen und realistischeren Bemessung von Steinschlagschutzdämmen bilden.

Verschiebungsfeld in einem Versuchsdamm nach dem Impakt eines achteckigen Körpers

Aufnahme des Impakts einer Betonkugel auf den Versuchsdamm

Impakt-Körper für die quasi-2D-Impakt-Versuche an Modelldämmen

Versuchseinrichtung zur Durchführung von quasi-2D-Impakt-Versuchen auf Modelldämme auf dem Campus der Hochschule Luzern – Technik & Architektur

Modelldamm für die halbmassstäblichen 3D-Versuche

Verschiebungsfeld in einem Versuchsdamm nach dem Impakt eines zylinderförmigen Körpers

Projektbeispiel Erarbeitung von Grundlagen zur Bemessung von Steinschlagschutzdämmen in Theorie und Experiment

(158.4 KB) .PDF

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Zerstörungsfreie Prüfverfahren für Natursteinmauerwerk

Im Rahmen des Verkehrswegebaus im 19. Jahrhundert wurde in der Schweiz eine sehr grosse Anzahl von Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk erstellt. Diese heute rund 100-jährigen Bauwerke werden immer noch rege genutzt. In der Schweiz wird die Anzahl dieser Bauwerke auf mindestens 18'000 geschätzt.

Ein schneller Ersatz dieser grossen Anzahl von «betagten» Bauwerken ist nicht finanzierbar und auch volkswirtschaftlich nicht vertretbar. Folglich muss es das Ziel sein, die Nutzungsdauer dieser Bauwerke zu optimieren.

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Der erste Schritt hierzu liegt in der Beurteilung des Zustandes der Bauwerke und des sich daraus ergebenden Handlungsbedarfs. Da Angaben zu den konstruktiven Eigenschaften dieser alten Bauwerke meist fehlen, jedoch bei der Beurteilung von grosser Bedeutung sind, war es im Rahmen dieses Projektes das Ziel, eine Messmethodik auf der Basis von zerstörungsfreien Messverfahren zu entwickeln, die eine einfache und kostengünstige Bestimmung von konstruktiven Eigenschaften der Bauwerke, d.h. dem Querverband des Mauerwerks und der Wandstärke beziehungsweise der Querschnittsform der Stützbauwerke erlaubt.

Im Rahmen des Forschungsprojekts, welches von der Gebert Rüf Stiftung und dem Kanton Uri gefördert wird, wurden Messverfahren mit akustischen Wellen – Ultraschall-Impuls-Messverfahren mit s-Wellen, Impact Echo-Verfahren mit p-Wellen, Spektralanalyse von Oberflächenwellen mit Rayleigh-Wellen sowie das Georadar mit elektromagnetischen Wellen – bezüglich ihrer Tauglichkeit für diese Aufgabenstellung untersucht.

Auf dem Campus der Hochschule Luzern – Technik & Architektur ist für diese Messungen extra ein Mauerwerksprobekörper nach historischem Vorbild erstellt worden. Abschluss des Projektes bilden Messungen an einer bestehenden Stützmauer, um die als geeignet befundenen Verfahren auch in situ zu testen.