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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-28448
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2844/


Kalberer, Matthias

Quantifizierung und Optimierung der Schutzwaldleistung gegenüber Steinschlag

Quantification and optimization of the forest protection against rock falls

Dokument1.pdf (10.667 KB) (md5sum: a03330735faaecbc654710c39081d887)

Kurzfassung in Deutsch

Bäume und Wälder besitzen eine gute Schutzwirkung gegenüber Naturgefahren wie Lawinen, Steinschlag und Rutschungen. Der volkswirtschaftliche Wert dieser Schutzwirkung des Schweizer Waldes wird mittlerweile auf vier bis fünf Milliarden Schweizer Franken pro Jahr geschätzt. Die Gefährdung für Menschen, Sachwerte und Infrastrukturen wird dabei im Wesentlichen durch die mechanische Stabilität der Bäume gegenüber Naturereignissen bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurden für den Prozess des Steinschlags baummechanische Grundlagen der Fichte erarbeitet, um die Schutzfunktion von Waldbeständen gegenüber Steinschlag in Abhängigkeit der Waldstruktur zu quantifizieren und durch angepasste waldbauliche Behandlungsweisen zu optimieren.

Mit verschiedenen Experimenten an Bäumen und Baumteilen konnte die mechanische Stabilität der Fichte quantifiziert werden. Die statischen Eigenschaften der Verankerung wurden mit Baumzugversuchen analysiert. Es zeigte sich, dass die Verankerung von Bäumen in Hanglagen in Richtung der Falllinie durch adaptives Wachstum verstärkt wurde. Das maximale Verankerungsmoment steht in enger Relation zum Wurzelquerschnittsareal, welches wiederum stark mit oberirdischen Baumparametern wie Baumgewicht, - volumen oder Durchmesser korreliert. Wie die Untersuchungen zur Bruchschlagarbeit zeigen, können frische Stammabschnitte unter dynamischer Belastung bis rund sechsmal höhere Energiewerte pro Querschnittsfläche absorbieren, bevor sie brechen als dies für genormte, trockene Holzstäbe in der Literatur angegeben wird. Das maximale Energieabsorptionsvermögen bei Steinschlag wurde mit Anprallversuchen an stehenden Bäumen im Wald gemessen. Der Teilprozess der Energieabsorption von Bäumen bei Steinschlag konnte eingehend studiert werden. Rund die Hälfte der Energie wurde von den Bäumen durch die Wurzeln absorbiert. Die maximale Absorptionsenergie pro Grundfläche nahm mit dem Durchmesser linear zu.
Für waldbauliche Fragestellungen wurde die Waldwirkung gegenüber Steinschlag anhand der durchschnittlichen Energieabsorption analysiert. Bei gleicher Bestandesgrundfläche konnte in Abhängigkeit der Gesteinsgrösse ein optimales Verhältnis zwischen Baumzahl und Durchmesser gefunden werden. Bei kleinen Steinen schützen baumzahlreiche Bestände besser als baumzahlarme Bestände mit grossen Durchmessern, welche hingegen bei grösseren Steinen den besseren Schutz bieten. Für unterschiedliche Gesteinsgrössen konnte der Verlauf der nachhaltigen Schutzwirkung mit der Bestandesentwicklung hergeleitet und daraus optimale Produktionszeiten und Zieldurchmesser abgeleitet werden. Vor allem bei Steinschlaggefahr von kleinen Steinen (< 36 cm) scheint eine verkürzte Produktionszeit mit kleinen Zieldurchmessern von rund 20 cm erfolgsversprechend. Mit Durchforstungseingriffen wird die Schutzfunktion durch Baumentnahmen vorerst reduziert. Erst nach langer Zeit und nur bei Steinschlagereignissen mit hohen Energien wirken sich Durchforstungen durch die Erziehung von Bäumen mit grossen Durchmessern positiv auf die Schutzwirkung aus. Je höher die Bonität des Standorts und je geringer das Bestandesalter ist, desto kürzer dauert der negative Einfluss von Durchforstungen auf die Steinschlaggefahr. Folglich sollte die Schutzwaldpflege eher früh als spät ausgeführt werden. Frühe und starke Pflegeeingriffe wirken sich zudem positiv auf die Bestandesstabilität gegenüber Sturm und Schnee aus. Damit Wälder die Schutzfunktion nachhaltig erfüllen können, müssen sie resistent gegenüber Sturm- und Schneeschäden sein. Mit einem mechanischen Modell wurde die Einwirkung von Wind und Schnee auf den Entwurzelungsprozess analysiert. Es zeigte sich, dass vor allem hohe, schlanke Bäume gegenüber Windwurf und schlanke, kurzkronige Bäume mit kleinen Durchmessern gegenüber Schneedruck anfällig sind.

Um für konkrete Situationen die Steinschlaggefahr zu beurteilen wurde ein stochastisches Steinschlagmodell entwickelt, welches in Abhängigkeit der Durchmesserverteilung des Waldbestandes entlang eines Geländeprofils Steinschlagfrequenzen sowie Geschwindigkeiten, Energien und Sprunghöhen von abstürzenden Steinen berechnet. Es gibt Aufschluss über die Streuung der einzelnen Werte des Steinschlagprozesses. Solche detaillierten Angaben bilden die Grundlage für Risikoanalysen, mit welchen die Auswirkungen von waldbaulichen, aber auch technischen und organisatorischen Massnahmen auf das Steinschlagrisiko von bestimmten Schutzzielen analysiert werden kann.

Mit der vorliegenden Arbeit wurden zur Berechnung der Interaktionen zwischen Bäumen und Naturgefahren für die Baumart Fichte wichtige mechanische Grundlagen erarbeitet. Weiter wurden Methoden zur Quantifizierung und Optimierung der Waldwirkung gegenüber Steinschlag entwickelt, dank denen der Prozess der Wald-wirkung analysiert werden kann. Daraus konnten für die Berurteilung der Steinschlaggefahr und die Bewirtschaftung von Steinschlagschutzwäldern relevante Erkenntnisse gewonnen werden.


Kurzfassung in Englisch

Trees and forests significantly reduce the effect of natural hazards like avalanches, rock falls, slope failure and storms. The economic value of the protection forests in Switzerland is estimated to be approximately four to five billion Swiss francs. Danger for humans, materials and infrastructure from natural hazards is essentially controlled by the mechanical stability of trees. Despite the large importance, only qualitative knowledge about the protection function of forest against natural hazards and especially regarding the mechanical stability of a single tree exists. In this work, the fundamental mechanical properties of spruce trees were determined to quantify and adapt the protection effect of forest stands against rock falls in dependency of forest structure.

Through different experiments on trees and tree trunks it was possible to quantify the mechanical stability of spruce trees. The static properties of the anchorage were investigated with winching experiments. It could be shown that trees growing on slopes showed an increased anchorage in fall line direction due to adaptive growth. The maximum anchorage moment strongly correlated with rootcross section area, that in turn correlated with above-ground tree parameters like tree weight, volume and diameter at breast height. Dynamic impact tests shows that tree trunks originating from fresh green trees can absorb six times more energy per cross section area before they fail, compared to dry standardized tree bars for which the values in literature are given. The maximum energy absorption capacity during a rock impact was investigated with full-scale impact tests for a standing tree inside a forest stand. With these tests, the different energy absorption processes could be carefully analyzed. It was shown that approximately half of the absorbed energy was absorbed in the rootsoil structure. Furthermore, the maximum energy absorption capacity per base area increases linearly with diameter at breast height.

To study different forest management strategies, an average energy absorption capacity forest was investigated. With the same stand area, an optimal relationship between rock sizes, number of trees and diameter at breast height was found. For small rocks a high number of trees protects better than a stand with low numbers of trees, which on the other hand protect better for large rocks. Using the tree growth simulator SILVA the stand development as a function of site and thinning could be modeled. It was possible to calculate the development of the protection function for different rock sizes and the optimal production time and diameter at breast height could be calculated. For small rocks (< 36 cm) it seems that a shorter production time with smaller diameter at breast height (approx. 20 cm) is more promising. With different thinning the protection function is reduced because extractions of trees. Only after a long time and only for rock falls with a high energy a positive influence of the thinning was found. It was found for higher site quality and lower stand age, the negative influence of the thinning on the rock fall danger was shorter-lasting. Consequently, the protection forest management should be conducted earlier, rather later. Early and strong thinning shows a posi-tive influence on the stand stability against storm and snow. To achieve a sustainable protection function, a forest must be stable against both wind and snow damage. With a developed mechanical model the influence of wind and snow loads on the uprooting process were investigated. It could be shown that tall thin trees were sensitive to wind throw and that thin trees with a short crown were sensitive to uprooting due to snow pressure.

To assess the rock fall danger, a stochastic rock fall model was developed that was used to calculate the rock frequency, rock velocity, rock energy and the bouncing height for the falling rock as a function of diameter distribution of the forest and the slope profile. The variation of the single values during the rock fall process forms the basics for a risk analysis that could be used to investigate the effect of different forest management strategies, technical protection and organizational measures for different protection goals.

In the present work, the basic mechanical properties used to calculate the interaction between trees and natural hazards were investigated. Furthermore, methods to quantify and optimize the forest protection against rock falls were developed and used to analyze the protection effect. Hence, it was possible to gain relevant knowledge about the forest management for protection forests against rock falls.


SWD-Schlagwörter: Schutzwald , Steinschlag , Verankerung
Freie Schlagwörter (deutsch): Baumstabilität , Energieabsorption , mechanische Baumeigenschaften , Verankerungsstärke
Freie Schlagwörter (englisch): tree stability , energy absorption , anchorage strength , mechanical tree properties
Thesaurus Sozialwissenschaften Forstwirtschaft
Institut: Institut für Waldwachstum
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Spiecker, Heinrich (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.11.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 01.02.2007
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