Numerische Simulation von flexiblen Steinschlagschutzsystemen

Die Leistungsfähigkeit der heutigen flexiblen Steinschlagschutzverbauungen konnte in den letzten Jahren dermassen gesteigert werden, dass eine Weiterentwicklung für noch höhere Energien einen grösseren Aufwand zur Folge hat.  Die numerische Simulation von flexiblen Steinschlagschutzverbauungen erlaubt eine effizientere Entwicklung von neuen Barrieren durch eine reduzierte Anzahl von aufwändigen und kostenintensiven Prototypversuchen. Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts wurden Verbauungen bestehend aus sog. vierfach verhängten Ringnetzen, auf- bzw. abgespannt durch Stützen und Stahlseile mit integrierten Bremselementen, untersucht. Im Unterschied zu den starren Verbauungen können die flexiblen den Steinschlag mit einem langen Bremsweg von $3-10m$ sanft abbremsen. Dies wiederum reduziert die Belastungsspitzen aller Verbauungskomponenten  sowie der oftmals sehr teuren Verankerungen. 

Das entwickelte explizite Finite-Element-Programm {\sc Faro} simuliert in sehr kleinen Zeitschritten den dynamischen  Abbremsprozess eines kugelförmigen Steins in einer solchen Verbauung.  Damit erhält man eine Offenlegung der dynamischen Vorgänge innerhalb der modellierten Verbauung sowie Aussagen über deren Be- bzw. Auslastung. Die Simulationsergebnisse werden anhand von im Rahmen des  Forschungsprojekts durchgeführten Feldversuchen validiert. 

Die einzelnen Verbauungskomponenten werden durch  diskrete Elemente abgebildet, welche nichtlineares Materialverhalten und durch die verbauungsbedingten grossen Verformungen auch geometrische Nichtlinearitäten aufweisen. Speziell entwickelt wurden dabei Elemente zur Simulation der Netzringe und der Seile welche diverse Gleitprozesse auch über längere Distanzen abbilden können. Dazu gehören die Ausrichtung der Netzringe entsprechend ihrer Belastung innerhalb des Ringnetzes, der sog. Vorhangeffekt beim Ausrichten der Ringe entlang der Tragseile sowie das Gleiten der Tragseile über  Stützenköpfe oder Bodenverankerungen, wenn sich die angehängten Bremselemente verlängern. Die Gleitprozesse an den Tragseilen können auch reibungsbehaftet modelliert werden. 

Der fallende Stein wird als Starrkörper unter Berücksichtigung von grossen Drehungen im Raum beschrieben. Ein spezieller Kontaktalgorithmus regelt die Interaktion zwischen Stein und Modell der Verbauung  respektive den Elementknoten unter Berücksichtigung der dabei auftretenden Reibung. Eine eingeführte sehr dünne elastische Hülle um den Stein herum reduziert nur in der Simulation und nicht in der Realität  auftretende Spitzen in der Verzögerungskurve des Steins. 

Mit Hilfe des Simulationsprogramms ist es möglich, neue Verbauungen zu entwerfen, bestehende Systeme zu optimieren oder besondere Lastfälle und lokale Anforderungen an eine projektierte Verbauung zu überprüfen. Eine stete Kontrolle der Berechnungsergebnisse mit durchgeführten Versuchen oder realen Steinschlagereignissen verbessert die numerische Modellerstellung und erlaubt eine  Plausibilitätsschätzung der Ergebnisse.