AKTUELLE FORSCHUNGSVORHABEN
Stoßartige Belastung von Steinschlagschutzfundierungen
Steinschlagschutznetze sind eine gute Maßnahme zum Schutz von Siedlungsgebieten und Infrastrukturanlagen. Verschiedene Hersteller bieten solche Steinschlagschutznetze als Systemlösungen an. Für eine erfolgreiche CE-Zertifizierung werden diese Systeme mit standardisierten Tests geprüft. Die konstruktive Ausbildung und Dimensionierung der Steinschlagschutzfundierung ist jedoch nicht Bestandteil der Zulassung und muss in Abhängigkeit von den Bodeneigenschaften und den geltenden Normen (Eurocodes) erfolgen. Als Fundament eines Steinschlagschutznetzes werden häufig Mikropfähle verwendet, die im Steinschlagereignis stoßartig belastet werden. Dieser Umstand wird im Rahmen eines Forschungsprojektes am Arbeitsbereich für Geotechnik der Universität Innsbruck untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein 12 m hoher Rahmen konstruiert, an dem ein 1000 kg bzw. 2850 kg schweres Gewicht angebracht wurde. In den vergangenen Jahren wurden so über 65 Stützenfundierungen und 50 einzelne Mikropfähle stoßartig belastet.
Ermittlung von Auslaufbereichen und Einwirkungen auf Schutzbauwerke infolge
fließähnlicher gravitativer Massenbewegungen
Für die Betrachtung fließähnlicher gravitativer Massenbewegungen stehen aktuell verschiedene empirische und numerische Berechnungsmethoden zur Verfügung. Mithilfe der empirischen Modelle wie z.B. NGI-model, Energy line model oder UBCD flow können Einflussgebiete, Ablagerungsort sowie die Fließtiefe abgeschätzt werden. Die Ergebnisse beruhen meist auf der Datenauswertung von bereits erfolgten geologischen Massenbewegungen. Mit num-erischen Programmen wie DAN3D, RAMMS, R.AVAFLOW, MassMov2D oder FLO2D stehen dem Anwender weitaus komplexere Berechnungsverfahren, welche meist auf Grundlage der Kontinuumsmechanik beruhen, zur Verfügung.
Im Rahmen der Forschungsarbeit sollen Ansätze zur Bestimmung der Auslaufbereiche von schnellen gravitativen Massenbewegungen wie Murgänge, Schuttströme und Felslawinen –in Form von Fels- und Bergstürze– sowie deren Einwirkungen auf Schutzbauwerke untersucht werden. Die Ermittlung der maßgebenden Parameter, wie z.B. die statischen und dynamischen Komponenten der Einwirkung, werden mithilfe von Modellversuchen kalibriert und anschließend mit den unterschiedlichen numerischen Softwareprogrammen verglichen.
Bearbeiter: R. Hofmann, S. Berger
Forschungsschwerpunkt: Alpiner Raum, Geotechnik und Naturgefahren
Untersuchung der Erosionsproblematik im Dammbau
Die Erosionsproblematik im Untergrund tritt speziell im Dammbau auf. Es wurden mehrere Dammbauwerke, aufgrund von Erosion in ihrer Standsicherheit beeinträchtigt. In Zusammenhang einer unzureichenden Untergrundabdichtung, kann es im Dammbau zu Sickerströmungen kommen. Diese Strömungen bewirken eine Kornumlagerung und können zum sogenannten Erosionsgrundbruch führen, welcher den Verlust der Schutzwirkung des Bauwerkes zur Folge hat.
Mit dieser Masterarbeit werden Vorversuche im Labor mit einer Spezial-Erosionsprüfanlage zum Thema Erosion mit verschiedenen Böden durchgeführt und ausgewertet. Es werden dabei Kornverteilungen bestimmt und analysiert.
Bearbeiter: R. Hofmann, A. Steinwender
Forschungsschwerpunkt: Alpiner Raum, Geotechnik und Naturgefahren
Steinschlagsimulationen
Ein weiteres Forschungsprojekt am Lehrstuhl für Geotechnik bezieht sich auf Steinschlagsimulationen. In Zusammenarbeit mit der WLV (Wildbach- und Lawinenverbauung) werden mit gängiger Software Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Die Analyse wird mit unterschiedlichen Massen bzw. unterschiedlicher Anzahl von Blöcken bzw. Steinen durchgeführt. Weiters wird der Einfluss der Oberflächenform, des Anprallwinkels und der Materialparameter des Untergrundes untersucht. Die Ergebnisse können dann für zukünftige Berechnungen und Untersuchungen in der Praxis verwendet werden.
Einwirkungen auf Konsolidierungssperren
Konsolidierungssperren verhindern im steilen Gelände der alpinen Täler die Erosion des Wildbaches. Wir untersuchen dabei den Wasserdruck, der auf solche Konsolidierungsbauwerke wirkt. Die Auswertung von Schäden und Felduntersuchungen zeigen, dass das gestaute Erdmaterial in vielen Fällen nicht wassergesättigt ist. Folglich müsste der volle Wasserdruck bei der statischen Bemessung nicht berücksichtigt werden. Die damit verbundene Unklarheit spiegelt sich auch in den verschiedenen Bemessungsempfehlungen wider. Die Feldbeobachtungen lassen sich durch den Aufbau des gestauten Bodens, aber auch durch eine Betrachtung der Verteilung der Energiehöhe erklären. Wir schlagen eine empirische Zuordnung der auf Sturzbachsperren wirkenden Lasten vor, die die Wahrscheinlichkeit der verschiedenen Lasten und Einwirkungen berücksichtigt.
Neue Erosionsanlage
Erosion im Untergrund tritt vor allem bei Dammbauwerken auf und beeinträchtigt deren Stabilität erheblich. In Verbindung mit einer unzureichenden Abdichtung kann das durchströmende Wasser eine Kornumlagerung verursachen, was auf Dauer zur inneren Erosion führt und anschließend eine Katastrophe verursachen kann. Im Labor wird eine neue Prüfanlage zur Untersuchung der Erosionsstabilität verschiedener Böden eingesetzt. Die Versuchsanlage wurde konzipiert, um die Erosion von Böden bei unterschiedlichen Spannungszuständen zu untersuchen. Die Basis der Anlage bilden zwei vollautomatische Universalprüfmaschinen mit Kraft- und Wegsteuerung. Der große Prüfrahmen mit einer Axialbelastung von bis zu 250 kN bietet die Möglichkeit, Probekörper bis zu Ø 300 mm einzubauen, der kleinere Prüfrahmen mit bis zu 60 kN ist für Probendurchmesser bis Ø 150 mm geeignet. Eine Zelle ist mit einer Messtechnik zur Erfassung der Durchströmung über die Zeit (Wellenausbreitung) durch ein Ultraschallsystem ausgestattet. Zusätzlich kann die Verformung gemessen werden. Eine zweite innovative Prüfzelle dient der Validierung der Prüfergebnisse mittels Computertomographie, die durch die neu entwickelte Röntgentransparenz der Prüfzelle eine Messung unter vorhandenem Spannungszustand ermöglicht wird. An beiden Prüfzellen können Normalspannungen, Porendrücke und hydraulische Gradienten angepasst werden. Für die Durchlässigkeitsmessungen sind druckfeste Vorratsbehälter bis zu 500 l vorgesehen. Zur Erfassung des erodierten Materials und zur Bestimmung der Korngröße ist ein druckfestes Messsystem integriert. Die Apparatur ist mit einer automatischen Druckregelung zur Erzeugung der Zell- bzw. Porendrücke sowie der hydraulischen Gradienten ausgestattet. Alle Systemmodule sowie alle Versuchsabläufe werden vollautomatisch über die Steuerungs- und Datenerfassungssoftware GEOSYS gesteuert.
Geotechnik-Ingenieurwesen-Biologisches Böschungslabor = digitale Böschung
Straßenböschungen sind vor allem nach intensiven Regenereignissen erheblichen Schäden ausgesetzt. Die hohen Sanierungskosten hängen mit der Straßenentwässerung, der Regenwassermenge, der Verzahnung der Oberbodenschicht mit dem Böschungsmaterial, der Böschungsneigung, dem Wasserrückhaltevermögen (der Humusschicht und des Böschungsmaterials), der Wartung, der Bepflanzung usw. zusammen. In diesem Zusammenhang ist die biologische Abbaubarkeit von Naturfaserprodukten für den Erosionsschutz von entscheidender Bedeutung. Um die Schäden an Autobahnen zu reduzieren, werden der Schutz vor Oberflächenerosion durch Begrünung sowie der Oberflächenschutz in Abhängigkeit von Dammaufbau, Böschungsneigung und Exposition in einem Forschungsprojekt näher behandelt. In dessen Rahmen wird das erste geotechnisch-ingenieur-biologische Böschungslabor unter natürlichen Bedingungen mit einem hohen Digitalisierungsgrad konzipiert. Ein wesentlicher Punkt ist, dass der entscheidende Faktor Niederschlag und der damit verbundene Wasserhaushalt des Dammes, mittels Bewässerung modelliert werden kann. Alle Parameter werden automatisch und in Echtzeit erfasst (=digitale Böschung). Ziel des Forschungsvorhabens ist es, verschiedene Bauweisen unter vergleichbaren und wiederholbaren Bedingungen hinsichtlich des Erosionsschutzes bzw. der Erosionsanfälligkeit zu untersuchen. In einem Feldversuch soll herausgefunden werden, welche Erdbaumaßnahmen in Kombination mit welchen ingenieurbiologischen Sicherungsmaßnahmen die Hangerosion am nachhaltigsten verhindern bzw. reduzieren.
Digitalisierung der Pfahlproduktion
In Zusammenarbeit mit der Industrie ist das Ziel, einen Zusammenhang zwischen den Herstellungszeiten von verrohrten Bohrpfählen und den Eigenschaften des Baugrundes zu ermitteln. Eine Betrachtung der verschiedenen Bohrkronen, Verrohrungssysteme sowie der Bohrausrüstung ist die Grundlage der Auswertungen. Die verschiedenen Herstellungsprotokolle von Pfählen in unterschiedlichen geologischen Verhältnissen werden ausgewertet. Ergänzende geotechnische Laborversuche und Modellversuche sind geplant. Dokumentationen und Probenahmen auf aktuellen Pfahlbaustellen dienen der Verbesserung der Interpretation. Auf der Grundlage der Leistungsnachweise bei der Herstellung von verrohrten Bohrpfählen, der Bodeneigenschaften und der Bohrausrüstung soll in Verbindung mit numerischen Berechnungen eine Prognose über das Verhalten der Pfähle erstellt werden.