Stein-, Block und Eisschlag

Bildquelle: C. Wendeler

Grundlagen

Der Überbegriff Sturzprozesse umschreibt das Abstürzen von Steinen, Felsblöcken oder Eismassen im freien Fall sowie springend, gleitend oder rollend an steilen Hängen. Mit Stein- und Blockschlag sind Sturzkörper von einigen Zentimetern bis wenigen Metern Durchmesser gemeint, die mehr oder weniger isoliert talwärts stürzen und gegebenenfalls Personen oder Infrastruktur gefährden können. Das Auftreten von Stein- und Blockschlag lässt sich räumlich eingrenzen, sofern Angaben zur Sturzmasse sowie zu möglichen Sturzbahnen vorliegen. Diese Angaben können den Intensitätskarten und dem technischen Bericht zur Gefahrenkarte entnommen werden.

Stark gefährdete und nicht gefährdete Bereiche liegen oft sehr nahe nebeneinander. Das Meiden gefährdeter Grundstücke ist generell die bedeutendste Schutzstrategie. Wald ist vielerorts der wichtigste Schutz vor Stein- und Blockschlag, wie auch vor Lawinen. Bauliche Massnahmen wie Auffangdämme oder Schutznetze bieten zusätzlichen Schutz für grosse Flächen (Arealschutz), Verkehrswege oder einzelne Gebäude.

Empfohlenes Schutzziel: Das Gebäude bleibt bis zum 300-jährlichen Ereignis intakt und schützt die sich darin befindenden Personen.

Fachbegriffe

Die Sturzkomponenten sind entweder Steine, Felsblöcke oder Eis.

Bei Stein- und Blockschlag stürzen einzelne Steine (mittl. Durchmesser < 0.5 m) oder Blöcke (mittl. Durchmesser > 0.5 m) talwärts. Die Gesamtvolumina betragen maximal 100 m3. Ursache für diesen wiederholt oder mit saisonalen Spitzen ablaufenden Prozess ist der stetige, durch die örtliche Geologie und Verwitterung bestimmte Zerfall einer Aus-/Abbruchstelle (Sturzquelle), beispielsweise einer Felswand. Je nach Bewegungsform (Fallen, Gleiten, Springen und Rollen) und Fallhöhe entlang der Sturzbahn liegen die Geschwindigkeiten zwischen 5 bis über 30 m/s. Bei Hangneigungen von weniger als 30° werden Steine und Blöcke im Allgemeinen langsam abgebremst. Dabei verkleinert sich die  laufend. Dicht bestockter Wald kann zusätzlich Energie abbauen. Die Einwirkung auf Objekte geschieht durch die Stosskraft (Aufprallenergie) der Einzelkomponenten. Massgebend sind hierbei sind die Translationsgeschwindigkeit und die Masse, respektive die kinetische Energie. Beim Springen und Rollen setzt sich die kinetische Energie zusätzlich zur Translationsenergie auch aus der Rotationsenergie zusammen.

Eisschlag (abstürzende Eismassen) tritt beispielsweise auf, wenn Wasser an Felswänden herunterrinnt, festfriert und plötzlich abbricht. Das Raumgewicht von Eis ist 2-3 Mal geringer (ca. 920 kg/m3) als jenes von Gestein. Zudem kann Eis beim Aufprall spröde zerspringen. Bei dieser Verformung des Sturzkörpers wird wesentlicher mehr kinetische Energie abgebaut als bei Sturzmassen aus Gesteinsmaterial.

Sturzvolumen von mehr als 100 m3 Gesteinsmaterial gehören in die Kategorie Felssturz, bei mehr als 1000 m3 spricht man von Bergsturz. Die dabei auftretende Aufprallenergie ist derart gross ((Ekin>>300 [kJ]), dass sämtliche Objektschutzmassnahmen versagen würden. Zum Schutz von Gebäuden vor Fels- und Bergsturz kommen deshalb nur raumplanerische Massnahmen in Frage.

Bergsturz am Piz Cengalo im August 2017
Bergsturz am Piz Cengalo im August 2017 (Bildquelle: VKG)

Intensitätsparameter zur Bemessung

Zur Bemessung von Objektschutzmassnahmen bedarf es Angaben zur Bewegungsform, Sprunghöhe, Masse, und Translationsgeschwindigkeit der Sturzkomponenten. Als Alternative zu Masse und Translationsgeschwindigkeit kann die zu erwartende kinetische Energie (Translations- und Rotationsenergie) verwendet werden. Diese Angaben lassen sich in der Regel aus den Intensitätskarten und dem technischen Bericht zur Gefahrenkarte ableiten. Existieren keine Intensitätsangaben, so sind diese durch eine Fachperson zu bestimmen.

Translationsenergie Etrans [kJ] von kugelförmigen Sturzkomponenten in Abhängigkeit ihrer Masse und Translationsgeschwindigkeit (unter Vernachlässigung der Rotationsenergie)

Der Anprall von Stein-, Block- und Eisschlag stellt eine aussergewöhnliche Einwirkung auf das Tragwerk dar. Zusätzlich zur Stosskraft ist auch das Verformungs- und Dämpfungsverhalten des Sturzkörpers und des betroffenen Objekts relevant.

Zerstörungspotential und mögliche Schutzmassnahmen bei verschiedenen Translationsenergien

Ausgangsgrössen

Bezeichnungen

hf [m] Freie Fallhöhe der Sturzkomponente
hg [m] Gebäudehöhe
hs [m] Sprunghöhe der Sturzkomponente
s [m] Sprungweite der Sturzkomponente
r [m] Radius der Ersatzkugel der massgebenden Sturzkomponente
d [m] Durchmesser der Ersatzkugel der massgebenden Sturzkomponente
lh [m] Dicke der Stahlbetonwand
ls [m] Spannweite der Stahlbetonwand
t [m] Eindringtiefe der Ersatzkugel in das Eindeckungsmaterial
le [m] Mächtigkeit der Eindeckung
m [t] Masse der für die Bemessung massgebenden Sturzkomponente
mk [t] Charakteristischer Wert der Masse der Sturzkomponente
v [m/s] Geschwindigkeit der Sturzkomponente (Translationsgeschwindigkeit)
vk [m/s] Charakteristischer Wert der Aufprallgeschwindigkeit
ω [1/s] Eigenrotation der Sturzkomponente (Rotationsgeschwindigkeit)
I [tm2] Massenträgheitsmoment
Etrans [kJ] Translationsenergie
Erot [kJ] Rotationsenergie
Emax [kJ] maximal aufnehmbare Energie bei Stahlbetonwänden
amax [m/s2] maximale Verzögerung
α [°] horizontaler Ablenkwinkel der Flugbahn in Bezug auf das Objekt
φk [°] Charakteristischer Wert des Reibungswinkel des Eindeckungsmater
ME,k [kN/m2] Charakteristischer Wert des statischen Zusammendrückungsmodul des Eindeckungsmaterials
A [m2] Fläche der einwirkenden Einzellast (Anprall)
g [m/s2] Erdbeschleunigung (10 m/s2)
qe [kN/m2] Statischer Ersatzdruck der Einzellast (Anprall)
Qe [kN] Statische Ersatzkraft
Fk [kN] Charakteristischer Wert der Kraft am Aufprallort
Stein- und Blockschlag

Gefährdungsbilder

Gefährdungsbild 1: Steine/Blöcke rollen oder gleiten gegen das Gebäude

Die Sturzkomponenten bewegen sich rollend oder gleitend auf das Gebäude zu. Als Einwirkung ist die Anprallkraft der bewegten Masse m auf das Gebäude zu berücksichtigen. Diese Anprallkraft wird durch einen statischen Ersatzdruck qe repräsentiert, welcher über eine Fläche A einwirkt. Der vertikale Wirkungsbereich wird ab Terrainoberfläche bis zur Wandhöhe als 3⋅r angenommen. Aufgrund des Ablenkwinkels α ist zu eruieren, welche Wände von der Einwirkung betroffen sein können.

Gefährdungsbild 2: Steine/Blöcke springen bis Wandhöhe

Die Sturzkomponenten bewegen sich springend auf das Gebäude zu. Ihre Bewegungsenergie setzt sich aus Translations- und Rotationsenergie zusammen. Die Sprunghöhe hs ist kleiner als die Gebäudehöhe hg. Dadurch sind ausschliesslich Wände betroffen. Als Einwirkung ist die Anprallkraft der bewegten Masse auf das Gebäude zu berücksichtigen. Diese Anprallkraft wird durch einen statischen Ersatzdruck qe repräsentiert, welcher über eine Fläche A einwirkt. Der vertikale Wirkungsbereich wird ab Terrainoberfläche bis zur Sprunghöhe hs angenommen. Aufgrund des Ablenkwinkels α ist zu eruieren, welche Wände von der Einwirkung betroffen sind.

Gefährdungsbild 3: Steine/Blöcke fallen oder springen über die Gebäudehöhe

Die Sturzkomponenten bewegen sich springend oder fallend auf das Gebäude zu. Beim Fallen bildet sich die Bewegungsenergie allein aus der Translationsenergie, während beim Springen die Rotationsenergie hinzukommt. Die Sprunghöhe hs, resp. die Fallhöhe hf ist grösser als die Gebäudehöhe hg. Dadurch sind sowohl Wände wie auch das Dach betroffen. Die massgebende Einwirkung ist die Anprallkraft der bewegten Masse auf das Gebäude. Diese Anprallkraft wird durch einen statischen Ersatzdruck qe repräsentiert, welcher über eine Fläche A einwirkt. Aufgrund des Ablenkwinkels α ist zu eruieren, welche Wände von der Einwirkung betroffen sind.

Einwirkungen

Translations- und Rotationsenergie

Gleitet ein Sturzkörper auf einer geneigten Ebene, so wirkt lediglich die Translationsenergie:

`E_(trans)=0.5*m*v^2 [kJ]`

Rollt ein Sturzkörper auf einer geneigten Ebene, so wirkt neben der Translationsenergie zusätzlich die Rotationsenergie:

`E_(rot)=0.5*l*omega^2 [kJ]`

Das Massenträgheitsmoment einer Kugel I ist definiert als:

`l=0.4*m*r^2 [t*m^2]`

Als Richtgrösse kann angenommen werden, dass die Rotationsenergie beim Rollen rund 40 % der Translationsenergie beträgt.

Beim Springen setzt sich die Bewegungsenergie analog wie beim Rollen aus der Translations- und der Rotationsenergie zusammen. Als Richtgrösse kann angenommen werden, dass die Rotationsenergie beim Springen 10-20 % der Translationsenergie beträgt. Während eines Stosses (Bodenkontakt, Baumkontakt) zwischen zwei Flugphasen wird ein Teil der Bewegungsenergie durch Reibungsvorgänge zwischen Boden und Stein und durch Verformungen des Bodens abgebaut.

Beim Fallen berechnet sich die Bewegungsenergie ausschliesslich aus der Translationsenergie des freien Falles:

`v=(2*g*h_f)^0.5 [m/s]`

Anprallkraft bei ungeschützten Stahlbetonwänden:

Beim Aufprall eines Steines oder Blockes auf eine Stahlbetonwand mit einer Geschwindigkeit von 2.5 m/s bis 40 m/s handelt es sich um den sogenannten harten Stoss. Es treten Kontaktdeformationen auf der Wandaussenseite und Abplatzungen auf der Wandinnenseite auf. Lokales Durchstanzen ist in der Regel das massgebende Versagen . Beim harten Stoss handelt es sich um ein sehr komplexes Problem. Details der Bemessung sind der Publikation Matrisk 2017 zu entnehmen.

Der Anprall von Einzelkomponenten auf eine Betonplatte mit einer Spannweite ls = 2.5 m und einer Dicke von lh = 30 cm erzeugt statische Ersatzkräfte Qe [kN] gemäss:

Anprallkraft bei erdüberdeckten Stahlbetonwänden:

Für erdüberdeckte Betontragwerke konnte aufgrund von ausgedehnten Modellversuchen ein Bemessungsansatz hergeleitet werden (ASTRA 2008). Die statische Ersatzkraft wird durch die Wirkung eines Ersatzkörpers der Form einer Kugel mit der Masse mk beschrieben. Die Lastverteilung infolge der Eindeckung wird unter der Annahme eines Ausbreitungswinkels von 30° angenommen. Die für die Bemessung zu verwendende Flächenlast qe wird auf der Einflussfläche als gleichmässig verteilt eingeführt.

Die erforderliche minimale Mächtigkeit der Eindeckung le soll grösser sein als die doppelte Eindringtiefe t resp. grösser als 0.5 m. Die statische Ersatzkraft Fk und die Eindringtiefe t werden wie folgt ermittelt:

`F_k=2.8*e^-0.5*r^0.7*M_E^0.4*tan(phi_k)*(0.5*m_kl*v_k^2)^0.6 [kN]`
`t=m_k*v_k^2/F_k [m]`

Die Anprallkraft kann durch die allgemeine Formel

`F_k=m_k*a_max [kN] (1)`

beschrieben werden, wobei amax [m/s2] der maximalen Verzögerung entspricht.

Formel für die Eindringtiefe gemäss ASTRA:

`t=(m_k*v_k^2)/F_k [m] (2)`

Formel (1) in Formel (2) eingesetzt ergibt den Zusammenhang (Formeln 3 und 4) zwischen Eindringtiefe und maximaler Verzögerung:

`t=v_k^2/a_max [m] (3)`

und

`a_max=v_k^2/t [m/s^2] (4)`

Schadenarten/-ursachen

Wanddurchbruch infolge Anpralls

Göschenen 2001: Blockanprall auf armierte Betonwand mit Durchstanzen

Schaden infolge Steinschlags - Durchschlag Wand
Göschenen, 2001: Blockanprall auf armierte Betonwand mit Durchstanzen (Foto: Urs Thali, Göschenen)

Durchschlag Dach

Ein Felsblock ist auf Gebäude gesprungen; er hat Dach und Wände beschädigt und teilweise durchschlagen.

Schaden infolge Steinschlags - Durchschlag Dach

Schutzmassnahmen

Durch konzeptionelle und verstärkende Massnahmen können Sie bei Gefährdung durch Stein- und Blockschlag das Personen- und Sachwertrisiko erheblich senken, beispielsweise indem das Gebäude optimal geschützt in das Gelände eingepasst wird oder durch geeignete Verschalungen und Verstärkungen der betreffenden Gebäudeteile. Vermeiden Sie Öffnungen in der bergseitigen Aussenwand oder schützen Sie sie entsprechend. Planen Sie zudem angrenzend an betroffene Aussenwände ausschliesslich Räume mit kurzer Aufenthaltsdauer und treffen Sie auch im Aussenraum Massnahmen zur Risikoreduktion.

Schutzmassnahmen zu einzelnen Bauteilen und zum konzeptionellen Vorgehen: Gebäudeschutz

Normen und Richtlinien

Allgemeine Bau- und Tragwerksnormen

Allgemein

SIA 480 (2016): Wirtschaftlichkeitsrechnung für Investitionen im Hochbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich.

Tragwerksnormen

SIA 260 (2013): Grundlagen der Projektierung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261 (2014): Einwirkungen auf Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261/1 (2003): Einwirkungen auf Tragwerke – Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA D 0188 (2006): Wind – Kommentar zum Kapitel 6 der Normen SIA 261 und 261/1 (2003) Einwirkungen auf Tragwerke. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269 (2011): Grundlagen der Erhaltung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269/1 (2011): Erhaltung von Tragwerken - Einwirkungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich

SIA 465 (1998): Sicherheit von Bauten und Anlagen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 469 (1997): Erhaltung von Bauwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

ISO 4354 (2009): Actions du vent sur les structures.

Technische Richtlinien (Auswahl)

Allgemein

HEV (2016): Paritätische Lebensdauertabelle. Hauseigentümerverband Schweiz / Schweizerischer Mieterinnen und Mieterverband. (Online-Tool)

SVGW (2010): Richtlinie für Gasleitungen. Richtlinie G2. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.

SVGW (2013): Richtlinie für Wasserverteilung. Richtlinie W4 - Planung, Projektierung sowie Bau, Betrieb und Unterhalt von Trinkwasserversorgungssystemen ausserhalb von Gebäuden. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.

Entwässerung

Suissetec (2016): Richtlinie „Dachentwässerung“ . Schweizerisch-Liechtensteinischer Gebäudetechnikverband, Suissetec. (auch als Web-App erhältlich)

Suissetec/VSA (2012): SN 592000:2012: Anlagen für die Liegenschaftsentwässerung – Planung und Ausführung.

VSA (1996): Planung der Liegenschaftsentwässerung. Informationsforum der VSA Fachgruppe „Liegenschaftsentwässerung“, Olten.

VSA (2002): Regenwasserentsorgung: Richtlinie zur Versickerung, Retention und Ableitung von Niederschlagswasser in Siedlungsgebieten. Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute, Zürich. (Update 2008 zur Richtlinie)

Literatur

Allgemein

ASTRA (2012): Naturgefahren auf den Nationalstrassen: Risikokonzept. Methodik für eine risikobasierte Beurteilung, Prävention und Bewältigung von gravitativen Naturgefahren auf Nationalstrassen, Bundesamt für Strassen, Bern.

BAFU [Hrsg.] ( 2016): Schutz vor Massenbewegungsgefahren. Vollzugshilfe für das Gefahrenmanagement von Rutschungen, Steinschlag und Hangmuren. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Vollzug Nr. 1608: 98 S.

Egli, Th. (2005): Wegleitung Objektschutz gegen gravitative Naturgefahren. Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, Bern.

PLANAT (2009): Risikokonzept für Naturgefahren. Nationale Plattform Naturgefahren, Bern.

Präventionsstiftung der Kantonalen Gebäudeversicherer (2014): Prevent-Building – eine Methodik und ein Werkzeug zur Beurteilung der Wirksamkeit und Zumutbarkeit von Objektschutzmassnahmen an Gebäuden gegen gravitative und meteorologische Naturgefahren. Bericht Phase 1 mit Anpassungen aus Phase 2. Arbeitsgemeinschaft Prevent-Building: WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Egli Engineering AG, Geotest AG, B,S,S,. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)

Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.

Staub, B. (2017): Gebäudeschutz gegen Naturgefahren. FAN Agenda 2/2017. Fachleute Naturgefahren Schweiz. (Download)

Steinschlag

ASTRA (2008): Einwirkungen infolge Steinschlags auf Schutzgalerien. Bundesamt für Strassen ASTRA in Zusammenarbeit mit SBB AG Infrastruktur, Bern.

ASTRA (2014): Management von Naturgefahren auf den Nationalstrassen. Richtlinie, Ausgabe 2014 V1.00. Bundesamt für Strassen ASTRA, Bern.

Baumann, R. (2018): Grundlagen zur Qualitätsbeurteilung von Steinschlagschutznetzen und deren Fundation. Anleitung für die Praxis. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 1805: 42 S.

CEB (1988): Concrete Structures under Impact and Impulsive Loading. Synthesis Report, Comité Euro-International du Béton, Lausanne.

ETAG 027 (2012): Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits. European Organisation for Technical Approvals. Edition September 2012, Amended April 2013, Brussels.

Gerber, W. et al.(1995): Schutzmassnahmen gegen Steinschlag. FAN-Kurs 1995, Eidg. Forschungs-anstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Birmensdorf

Gerber, W., Volkwein, A. (2010): Impact loads of falling rocks on granular material. In: Darve, F.; Doghri, I.; El Fatmi, R.; Hassis, H.; Zenzri, H. (eds) Euromediterranean Symposium on Advances in Geomaterials and Structures. Third Edition, Djerba, 2010. 337-342.

Heierli et al. (1985): Schutz gegen Steinschlag. Forschungsarbeit 21/83 auf Antrag der Vereinigung Schweizerischer Strassenfachleute, 2. Auflage, Bundesamt für Strassenbau, Bern.

Schellenberg, K. (2009): On the design of rockfall protection galleries. Dissertation Nr. 17924, ETH Zürich.

Tissières, P. (1996): Résistance d'un mur d'habitation à l'impact d'un bloc. Bericht zuhanden: Service des routes et cours d'eau Géologue cantonal, unveröffentlicht, Martigny.