Rucklasten in Kronen- und Fangsicherungen - VTA (Visual Tree Assessment)

Kronensicherungen sollen in erster Linie das zu sichernde Baumteil vor Bruch schützen. Falls durch erhöhte Belastungen wie z.B. bei einen Sturm die Festigkeit der gesicherten Kronen überschritten wird, müssen die eingesetzten Verseilungen darüber hinaus auch die herabstürzenden Kronenteile sicher auffangen können, um Sach- und Personenschäden zu vermeiden.

Es ist problematisch, wenn man Kronensicherungen lediglich nach dem statischen Gewicht des zu sichernden Kronenteiles dimensioniert, und dabei vernachlässigt, dass die beim Ausbrechen und Fallen auftretende dynamische Belastung ein Vielfaches davon beträgt. Der dynamischen Überhöhungsfaktor „k“ beschreibt, um wie viel größer die Belastung eines Seils ist, wenn ein fallendes Gewicht aufgefangen werden muss im Vergleich zum statisch vom Seil gehaltenen Gewicht. Nachfolgende Betrachtungen gelten für konstante Federraten (Federkonstante), d. h. lineare Kraft-Weg-Beziehungen.

Abbildung 1 zeigt den dynamischen Überhöhungsfaktor k für verschiedene Massen m und Freifallhöhen h über der Federkonstanten c. Mit zunehmender Federkonstante und Freifallhöhe steigt der Überhöhungsfaktor.

Abb. 1: Dynamische Kraftüberhöhung beim Absturz von gesicherten Kronenteilen mit 1 bzw. 5 m Freifallhöhe.

Ein prinzipieller Nachteil von Kronensicherungen, die Schwingungen begrenzen, ist, dass sie die gesicherten Baumteile entlasten und damit die mechanisch stimulierten Holzzuwachsraten geringer ausfallen, d. h. dass die Reparatur schwacher Stellen gegebenenfalls unterbleibt. Anderseits müssen Schwingungen zumindest begrenzt werden, wenn der Kronenausbruch verhindert werden soll.

Um dies zu kompensieren werden verschiedene Strategien verfolgt. So wird z. B. auf die geringere Steifigkeit von Kunststoff- gegenüber Stahlseilen verwiesen, welche größere Auslenkungen erlaubt. Weiterhin wird die Verdrillung von Gurtbändern empfohlen [SINN] um deren Steifigkeit zu mindern. Häufig werden Kronen­sicherungen auch mit Dämpfern ausgestattet und damit die Federrate der Verseilung reduziert.

Was beim Einbau der Dämpfer beachtet werden sollte, ist deren Auswirkung auf die Seilkräfte im Falle eines Astbruches und nachfolgender dynamischer Belastung der Verseilung. Im Allgemeinen wurde bisher davon ausgegangen, dass Dämpfer die dynamische Beastung reduzieren und damit zu geringeren Seilkräften führen. Im folgenden wird gezeigt, dass Dämpfer die Seilbelastungen nur unter bestimmten Umständen reduzieren und darüber hinaus zu erhöhten Seilbelastungen führen können.

Die Auswirkung eines Dämpfers auf die Seilkraft im Falle eines Kronenausbruchs ist von verschiedenen Faktoren, wie maximale Auszugs- bzw. Wirklänge des Dämpfers, Freifallhöhe und Masse des fallenden Astes, abhängig. Dies wird anhand von Fallunterscheidungen, unter Annahme von konstanten Federraten (Federkonstante), d. h. linearen Kraft-Weg-Beziehungen von Seilen und Dämpfern diskutiert.

Der Dämpfer hat keine Auswirkung auf die Belastung des Seiles, da der dynamische Überhöhungsfaktor in diesem Fall immer 2 beträgt, unabhängig von der Steifigkeit der Verseilung, also auch unabhängig von der Existenz eines Dämpfers. Es ist lediglich darauf zu achten, dass der Dämpfer keinen Schwachpunkt in der Kette darstellt, also dessen Einbau das Seil nicht schwächt.

Hier ist eine weitere Fallunterscheidung erforderlich, da zwei Zustände eintreten können. Im Fall a) wird die fallende Masse zum Stillstand gebracht, bevor die Feder vollständig ausgelenkt ist (siehe Abbildung 2, links). Im Fall b) (siehe Abbildung 2, rechts) wird die Abwärtsbewegung der Masse erst nach vollständiger Auslenkung des Dämpfers gestoppt. Mit zunehmender Freifallhöhe und Masse des Astes wird der Fall b) wahrscheinlicher.

Abb. 2: Modell einer am Seil mit Dämpfer befestigten fallenden Masse.

Abb. 3: Zusätzliche Fallhöhe infolge eines Ruckdämpfers.

Untersucht wurden neben verdrillten Gurtbändern und Dämpfern für den Einsatz mit Kunststoffseilen auch ein Dämpfer, der in der Regel bei Stahlseilen verwendet wird. Bis auf den Cobra Dämpfer handelte es sich um Leihgaben, so daß, um Schädigungen zu vermeiden, nicht alle Dämpfer bis zur maximalen Auszugslänge bzw. Seilbruch belastet werden konnten.

Um den Einfluss der Verdrillung auf die Steifigkeit und Tragfähigkeit von Gurtbändern zu prüfen, wurden unverdrillte und mit bis zu 12 Wendelungen pro Meter Seil gewendelte Gurtbänder (siehe Abb. 4) in einer Zugprüfmaschine bis zum Versagen belastet und dabei die Kraft und Verlängerung aufgezeichnet.

Abbildung 5 zeigt Kraft-Verlängerung Kurven von verdrillten (bis zu 12 Wendelungen pro Meter Seillänge) Gurtbändern und einem unverdrillten Gurtband. Mit zunehmender Verdrillung nimmt die maximale Verlängerung der Gurte und damit die Fallhöhe zu während die zum Zerreißen benötigte Kraft abnimmt.

In Abbildung 6 sind die Mittelwerte der an drei unverdrillten und an jeweils 2 verdrillten Proben gemessenen Bruchkräfte eingetragen.

Abbildung 7 zeigt den untersuchten Stahlseilruckdämpfer. Dieser ist als Metallfederdämpfer ausgebildet und wird mit einem Überlastschutz in Form eines parallel laufenden Seils montiert. Der Federweg des Dämpfers beträgt ca. 150 mm.

Der Metallfederdämpfer wurde nach der Demontage der Stahlseilkonfiguration direkt in die Zugprüfmaschine eingespannt. Die Messkurve (Abbildung 8) zeigt einen rauen Verlauf, da die interne Feder des Dämpfers nach anfänglichem Stocken an den Führungen entlang gleitet. Die Fläche unter der Kurve entspricht der im Dämpfer gespeicherten Energie. Wird beim maximalen Federweg die gespeicherte Energie gleich der potentiellen Energie gesetzt, erhält man als Grenzmasse 89 kg. D. h. hat der fallende Ast eine Masse von mehr als 89 kg, so führt der Dämpfer zu einer zusätzlichen Seilbelastung. Dann wirkt der Dämpfer als Ruckverstärker!

Neben dem Cobra Dämpfer der speziell für Kronensicherungen mit dem Cobra System vorgesehen ist wurden Kunststoffseilruckdämpfer der Hersteller Aronowitsch&Lyth AB und Forsheda zur Verwendung mit beliebigen Rundseilen untersucht. Um den Einfluss der Seile auf die gemessene Steifigkeit gering zu halten, wurden diese möglichst nahe des Dämpfers in die Maschinenaufnahme eingespannt.

Tabelle 1: Bungy Dämpferwerte laut Hersteller.

Abb. 10: Kraft-Verlängerung Schrieb eines Bungy Dämpfers, 1 cm-Kästchen entspricht horizontal 1,66 mm Längung und vertikal 0,2 kN Kraftanstieg.

Abb. 9: Seil mit Bungy Dämpfer. Der Dämpfer wurde bis 3 kN auf Zug belastet. Der Verlauf der progressiven Kraft-Verlängerung Kurve ist in Abb. 10 dargestellt.

Zur Ruckdämpfung werden ein oder mehrere Gummidorne in das Hohltau geschoben. Der Hersteller gibt für die Dämpfer, ohne Definition des Lastbereiches, eine Niedriglastschwingbreite von 200 mm an, ein Wert der u. E. nur zusammen mit mehreren Metern Seil erreicht werden kann.

Abb. 12: Kraft-Verlängerung Kurven von Cobra Seilen mit und ohne Dämpfer.

Abb. 11: Cobra Dämpfer.

Abb. 13: Cobra Seil Probe mit Dämpfer. Der Pfeil weist auf die Versagensstelle.

Abb. 14: Seil mit Forsheda Dämpfer, Typ 1

Tabelle 2: Maximaler Federweg und maximale Federkraft des Forsheda Dämpfers nach Herstellerangaben.

Abb. 15: Kraft-Verlängerung Schrieb eines Forsheda Dämpfers Typ1, 1 cm-Kästchen entspricht horizontal 1,66 mm Längung und vertikal 0,2 kN Kraftanstieg.

Bis auf den Metallfederdämpfer weisen alle untersuchten Dämpfer eine progressive Kraft-Weg Kurve auf (Abbildung 16). Im Vergleich zu linearen oder gar degressiven Verläufen hat ein progressiver Anstieg den Nachteil, dass bei gleicher Kraft und Auszugslänge weniger Energie im Dämpfer gespeichert wird. Dies kommt insbesondere bei einem Kronenausbruch zum Tragen, wo ein Dämpfer zusätzliche Fallhöhen bedingt und dabei die entsprechende potentielle Energie speichern muss, um die dynamische Seilbelastung nicht zusätzlichen zu erhöhen.

Alle untersuchten Dämpfer weisen geringere Federwege auf als von den Herstellern angegeben. Ursache hierfür sind zum einen die in den hier vorgenommenen Versuchen kurz gehaltenen Seile, die selbst wenig Längung beitragen, und die leichte Straffung der Seile bei Versuchsbeginn, die der Montagepraxis entspricht, wo das Eigengewicht des Dämpfers und Seiles zu einer Zugvorspannung des Seiles führt.

Im Lastbereich bis 3 kN weist der Forsheda Dämpfer Typ 1 den größten Federweg mit ca. 170 mm auf, gefolgt vom Metallfederdämpfer, dessen Auszug auf ca. 150 mm begrenzt ist. Bungy und Cobra Dämpfer haben in diesem Lastbereich ähnliche Kraft-Weg Kurven, wobei der Federweg des Bungy Dämpfers bei 3 kN geringfügig kleiner ist.

Abb. 16: Kraft-Verlängerung Kurven von verschiedenen Dämpfern im Lastbereich bis zu 3 kN.

Kronensicherungen lediglich nach dem statischen Gewicht des zu sichernden Kronenteiles zu dimensionieren, birgt die Gefahr des Seilversagens insbesondere im Falle eines Kronenausbruches, da die dynamischen Kräfte um mindestens den Faktor 2 größer sind als die statischen. Dieser Faktor 2 gilt auch bei Verwendung von Ruckdämpfern.

Beim Einsatz von Ruckdämpfern oder starker Verdrillung von Gurtbändern ist zu beachten, dass diese zum Einen eine Störung im Seil darstellen und die Tragfähigkeit des Seiles reduzieren können und zum Anderen zu einer höheren dynamischen Seilbelastung führen können.

Es sollte hinsichtlich der Dimensionierung und der Art des Einbaues mehr zwischen Kronensicherungen, die den Ausbruch verhindern sollen und reinen Fangsicherungen, die das Herabstürzen nach (!) erfolgtem Ausbruch verhindern sollen, unterschieden werden, um Gefahren für Personen und Sachen abzuwenden!

Die Autoren wollen keinesfalls mit dieser Arbeit eine vollständige Verdammung der Kronensicherungssysteme — egal welchen Typs — bewirken. Sie halten vielmehr die Verwendung von Kronensicherungen im Einzelfall für sinnvoll, insbesondere in Fällen wo ausreichende Schnittmaßnahmen nicht möglich sind. Schnittmaßnahmen als alte gärtnerische Technik sind aber u. E. baumnäher. Das Anliegen dieser Arbeit ist, ein Gefühl für die enormen Belastungen in Kronensicherungssystemen zu vermitteln, auf die unterschiedliche Dimensionierung von Fang- und Ausbruchssicherungen hinzuweisen, die Vorteilhaftigkeit von Ruckdämpfern in ihren Grenzen zu relativieren und damit Schaden von Personen und Sachen abzuwenden. Ein Seilhersteller reagiert bereits mit einem 14-Tonnen Seil auf diese Erkenntnisse.