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Neue Methode für Berechnung von Lawinendruck entwickelt
Welchen Druck üben Lawinen auf Hindernisse aus? Diese Frage beschäftigt Forschende seit jeher. Am SLF wurde nun eine neue Berechnungsmethode entwickelt, die verschiedene Fliesstypen berücksichtigt. Diese soll bei der Planung von Schutzmassnahmen helfen.
Quelle: Pierre Huguenin, SLF
Lawinenablagerungen am Wandhindernis im Vallée de la Sionne. Bild a zeigt eine Seitenansicht der Wand mit den Ablagerungen einer «warmen» Lawine vom 15. Januar 2021. Bild b zeigt eine Frontalansicht der Wand mit den Ablagerungen einer typischen «kalten» Staublawine vom 16. Dezember 2018.
Bisherige Berechnungen zur Beurteilung des Lawinendrucks beruhten auf Modellen, die Fliesslawinen zwar gut repräsentieren würden, den Druck durch langsam fliessende Nassschneelawinen aber unterschätzen könnten, wie das Institut für Schnee und Lawinenforschung SLF in einer Mitteilung von Montag schreibt. In der Praxis, etwa bei der Umsetzung geeigneter Schutzmassnahmen an Gebäuden, sei es wichtig, Lawinen mit verschiedenen Fliesstypen zu berücksichtigen.
SLF-Forscher haben vor diesem Hintergrund die Prozesse untersucht, die bei der Wechselwirkung zwischen Hindernissen und Lawinen mit verschiedenen Fliesstypen auftreten, und eine neue Berechnungsmethode für den Lawinendruck entwickelt. Dafür berücksichtigte das Team verschiedene Faktoren wie etwa das Verhalten der Lawine während des Fliessvorgangs und die Kohäsion des Schnees. Mit der neuen Methode soll es nun möglich sein, Druckwerte genauer zu bestimmen.
Lawinen-Simulationen am Computer
Die Untersuchung der physikalischen Prozesse zwischen Lawinen und Hindernissen erfolgte gemäss Mitteilung mit der Diskreten Element Methode (DEM). Dabei wird eine Lawine als granulare Strömung modelliert, die je nach Zusammensetzung und Temperatur sehr unterschiedliche Fliesseigenschaften hat. Eine langsam fliessende Nassschneelawine baue in Bodennähe beispielsweise mehr Druck auf, als an der Oberfläche, weil der Druck vom Gewicht des darüber liegenden Schnees abhänge.
Ausserdem nimmt der Lawinendruck mit der Geschwindigkeit proportional im Quadrat zu, was insbesondere bei schnelleren Lawinen relevant ist, wie das SLF festhält. Die Forscher liessen in Computersimulation zahlreiche virtuelle Lawinen auf Hindernisse mit verschiedenen Formen prallen. Auf Basis dieser Ergebnisse leiteten sie dann Berechnungsmethoden für den Druck ab, die sie schliesslich mit Messungen realer Lawinen an Hindernissen verglichen.
Quelle: Pierre Huguenin, SLF.
Simuliertes Hindernis (a) und Mast im Testgelände Vallée de la Sionne (b). Das Hindernis in der Simulation hat denselben Querschnitt und dieselbe Sensorgeometrie wie der Stahlpylon im Vallée de la Sionne. Der einzige Unterschied zwischen dem realen Mast und der modellierten Struktur besteht darin, dass die Druckmesssensoren im Modell mit kleineren vertikalen Abständen als in der Realität verteilt sind, um eine höhere räumliche Auflösung des Druckprofils zu erreichen.
Maximale Aufpralldrücke von 1200 kPa
Für die realen Messungen stand dem Team ein grosser Datensatz aus dem Lawinentestgelände des SLF im Vallée de la Sionne in der Walliser Gemeinde Arbaz zur Verfügung. Dort registrieren zahlreiche Messinstrumente seit über 20 Jahren verschiedene Lawinenkenngrössen. Unter anderem sind dafür an einem 20 Meter hohen Masten Drucksensoren, eine Hochgeschwindigkeitskamera und Geschwindigkeitssensoren installiert.
Zwei Keile mit unterschiedlichen Formen liefern zudem Daten zum Lawinendruck. Die maximalen gemessenen Aufpralldrücke liegen gemäss SLF bei 1200 kPa, respektive 120 Tonnen pro Quadratmeter. Vergleiche zwischen simulierten und echten Lawinen hätten gezeigt, dass die Messungen mit der neuen Berechnungsmethode gut reproduziert werden können. Bevor die Methode aber in die Praxis übertragen werden kann, sind laut SLF weitere Untersuchungen nötig.
Quelle: zvg, SLF
Sicht auf eine Lawine, die den Masten im Vallée de la Sionne umströmt. Die obere Hälfte zeigt ein Bild, das von einer auf dem Masten montierten Kamera aufgenommen wurde. Die untere Hälfte zeigt ein Beispiel einer DEM-Simulation, bei der die Partikel entsprechend der Geschwindigkeit eingefärbt sind, wobei Rot für hohe und Blau für niedrige Geschwindigkeiten steht.
Experimente mit grösseren Hindernissen
Denn die Objekte, die im Lawinenhang des Testgeländes im Wallis stehen sind schlank. Um die Wirkung einer Lawine auf eine breite Hauswand zu berechnen, sind daher noch weitere Experimente mit grösseren Hindernissen nötig. Mit der bisherigen Forschung sei der Grundstein dafür gelegt, heisst es weiter.
In Zukunft könnte die neue Berechnungsmethode laut dem Institut zudem auch zur Aktualisierung bestehender Normen sowie zu einer verbesserten Bemessung von Schutzmassnahmen und damit zur Lawinensicherheit beitragen. Das Bedürfnis nach genaueren Methoden, um den Lawinendruck zu berechnen, sei bei Fachleuten auf jeden Fall vorhanden. (mgt/pb)
Zur Mitteilung des SLF: www.slf.ch