Wissen, wo Kräfte wirken (Teil II) – Der Fangstoß beim Abseilen

Beim Abtragen von Bäumen werden Stammstücke mit großem Eigengewicht über Seilsysteme abgelassen und zu Boden befördert. Das sind häufig kritische Arbeitssituationen. Hier können die Sicherheit der Kletterer erhöht und das Risiko von Sachschäden verringert werden, wenn die Grundsätze der Mechanik, die auch beim Riggen eine enorme Rolle spielen, beachtet werden. Die Software Rigging 1.0 kann das Verständnis dieser Zusammenhänge erleichtern und die Planung der Arbeitsabläufe erheblich verbessern.

Energiebilanz
Soll ein Stück des abzutragenden Stammes nach unten befördert werden, muss aus physikalischer Sicht sein energetischer Zustand verändert werden. Das Gleiche würde gelten, wenn wir es vom Boden in eine gewisse Höhe bringen. Dabei kommen wir ins Schwitzen, weil wir Arbeit verrichten müssen. Wir investieren Energie, um die Position des Stammstückes zu verändern. Diese Energie kann wieder freigesetzt werden, wenn das Stammstück die gleiche Strecke herabfällt.

Wird ein Stammstück ohne Ablasssystem abgeworfen, nimmt der Boden die gesamte freiwerdende Energie auf. Dabei ist in der Regel ein dumpfer Schlag zu hören und der Erdkörper verformt sich – das Holz hinterlässt eine Delle im Boden. Türmt man zuvor Äste und Zweige zu einem Abwurfkissen auf, können diese einen Großteil der Energie aufnehmen. Dabei verbiegen sie sich, brechen und werden anstelle des wertvolleren Englischen Rasens zerstört.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie nicht verloren geht, sondern immer vollständig umgewandelt wird. Beim Rigging geht die Lageenergie des Stammstücks in Bewegungsenergie, Spannenergie und letztendlich durch Reibung in Wärme über. Diese verlässt unser Rigging- Set durch Abstrahlung in Richtung Atmosphäre, bevor sie Verformung oder Zerstörung anrichten kann.

Lageenergie
Betrachtet man die Energiebilanz bei Ablassarbeiten am senkrecht stehenden Stamm unter diesem Aspekt, so verfügt das Stammstück zunächst aufgrund seiner Position über potentielle Energie oder Lageenergie. Wie groß diese ist, hängt lediglich davon ab, wie schwer das Stammstück ist und wie weit es fallen kann, bevor es zur Ruhe kommt.

Lageenergie = Gewichtskraft x Fallstrecke

In unserem Fall heißt das: Als wichtige Ausgangsparameter beeinflussen das Gewicht des Stammstückes und die Fallstrecke zunächst die umgesetzte Energiemenge. Daher ist es besonders wirkungsvoll, kleinere Stammstücke zu schneiden.

Dass das Gewicht auf diese Weise vermindert wird, erschließt sich noch sofort: halbe Länge, etwa halbes Gewicht. Aber durch das Verkürzen des Stammstückes wird automatisch auch die Fallstrecke reduziert und die freigesetzte Lageenergie sinkt nochmals stärker ab (Abb.1).

 

Abb. 1: Die Fallstrecke misst man nicht vom Anbindungspunkt des Seiles, sondern stets vom Schwerpunkt des Stamm- abschnitts aus, der etwa auf der halben Länge liegt. Mit der Halbierung der Länge des Abschnitts reduziert sich beim stehenden Stamm so auch die Fallstrecke erheblich.
Die freigesetzte Lageenergie beträgt damit deutlich weniger als die Hälfte der Energie, die beim Ablassen des ursprünglichen Stammstücks freigesetzt würde (in der Regel noch etwa 30 bis 35 %).

 

Spannenergie
Kippt das Stammstück über die Bruchleiste, wird seine Lageenergie nach und nach in Bewegungsenergie umgewandelt. Das Stammstück fällt immer schneller, bis sich das Seil zu straffen beginnt und es mehr oder weniger rasch abbremst. Dabei wird die Bewegungsenergie nach und nach in Spannenergie umgewandelt, während sich das Seil auf seiner ganzen Länge dehnt. Dass dehnbare Materialien Energie aufnehmen können, lässt sich leicht nachvollziehen. Einen kaum dehnbaren Bindfaden kann man gefahrlos zwischen seinen Händen mit voller Kraft spannen und unter Last durchschneiden. Versucht man das gleiche mit einem Gummiband, könnte der Versuch schmerzhaft enden. Der elastische Gummi gibt dann nämlich die beim Dehnen gespeicherte Energie schlagartig wieder frei.

Spannenergie = _ x dehnende Kraft x Dehnungsweg

Wie bei der Lageenergie wird die Energiemenge also von den zwei Größen Kraft und Weg beeinflusst, hier der dehnenden Kraft und der Verlängerung des Seiles, dem erreichten Dehnungsweg.

Um die Dehnung möglichst gering zu halten, setzt man beim Heben von Lasten mit einer Seilwinde statische Seile ein, Greifzüge werden sogar mit Stahlseilen betrieben. Auf diese Weise können mit möglichst geringem Aufwand schwere Lasten bewegt werden, da wenig Spannenergie im Seil gespeichert wird. Mit einem elastischen Seil müsste enorme Arbeit investiert werden, um die benötigte Kraft mit Hilfe des sich dehnenden Seiles (großer Dehnungsweg) zu übertragen – zugleich stiege im Versagensfall die Gefahr gravierender Schäden, wenn die gespeicherte Energie freigesetzt wird.

Ohne dynamisches Abseilen (blockiertes Ablassgerät) muss eine bestimmte Energiemenge (die Lageenergie) vollständig in Spannenergie umgewandelt werden. Daher muss auf der linken Eingangsseite der obigen Gleichung für die Spannenergie ein fester Wert erreicht werden. Dies ist entweder mit einer geringen Dehnung und einer hohen Kraftspitze, oder aber durch einen großen Dehnungsweg und einen entsprechend kleineren Kraftaufwand möglich (Abb. 2).

Abb. 2: Ein starres Seil weist eine hohe Steifigkeit
(= Seilmodul) auf, die sich in der Grafik als sehr steile Gerade ausdrückt (violett).
Je dehnbarer das Seil ist, desto flacher verläuft die Linie (blau).
Die im Seil gespeicherte Spannenergie wird von den beiden gelben Dreiecksflächen dargestellt.
Obwohl diese gleich groß sind, ergibt sich beim flexiblen Seil ein viel niedrigerer Fangstoß als beim starren Seil. Dies resultiert aus der höheren Dehnung, die das dehnbare Seil beim Abbremsen des fallenden Stammstücks zulässt.

 
 

Durch dynamisches Ablassen wird zum einen der Dehnungsweg vergrößert, zum anderen wird in entscheidendem Maße Energie über die Reibung auf dem Bremsgerät in Wärme umgewandelt. Im besten Fall schafft es ein geübter Bodenmann, das Stammstück abzusetzen, ohne dass ein hoher Fangstoß auftritt. Dabei wird fast die gesamte Lageenergie in Wärme umgewandelt. Obwohl das Stammstück ohne dieses Abbremsen mit großer Wucht am Boden aufschlagen würde, erwärmt sich das Bremsgerät nur vergleichsweise wenig. Dies zeigt, wie wirkungsvoll diese Form der Energieumwandlung ist.

Fangstoß
Die Dehnbarkeit des Seiles entscheidet auch darüber, wie rasch das Abbremsen vor sich geht. Je weniger nachgiebig das Seil ist (= große Steifigkeit, hoher Seilmodul), desto abrupter fällt der Bremsvorgang aus. Wenn das Holzstück aus dem freien Fall von einem flexiblen Seil aufgefangen wird, wird eine viel längere Zeit benötigt, um die Fallbewegung abzubremsen.

Bremsen und Beschleunigen sind physikalisch das Gleiche, aber mit umgekehrtem Vorzeichen. Dabei wird Beschleunigung nicht nur wie im Motorsport als „von Null auf 100 in elf Sekunden“ verstanden, sondern auch umgekehrt, von 100 auf Null in 0,1 Sekunden – wenn der Wagen vor die Wand fährt bzw. das Stammstück im freie Fall gestoppt wird. Die auftretende Kraftspitze, also der Fangstoß, hängt von der Masse des gebremsten Körpers und der (negativen) Beschleunigung ab, die der Körper beim Bremsvorgang erfährt:

Kraft = Masse x Beschleunigung

In den Crashtests der Autohersteller verfälscht dies oft das Ergebnis: leichte Kleinwagen schneiden vielfach besser ab als schwere Limousinen. Weil sie eine geringe Masse aufweisen, erzeugen sie niedrigere Kraftspitzen, wenn sie frontal gegen die Wand fahren. Bei einer Kollision mit einem schwereren Fahrzeug jedoch würden sie total deformiert. In der Baumpflege können wir das Gewicht der Stammstücke nicht beliebig verringern. Beim dynamischen Ablassen ist daher das Ziel, möglichst gleichmäßig und nicht ruckartig abzubremsen, um hohe Kraftspitzen zu vermeiden.

Der maximal mögliche Fangstoß variiert stark mit der Dehnbarkeit des verwendeten Seilmaterials. Stahlseile kommen beim Rigging nicht zum Einsatz – viel zu groß wäre der Fangstoß, wenn das Stammstück beim eventuellen Blockieren des Bremsgerätes ins Seil knallte und dabei seine Geschwindigkeit in Sekundenbruchteilen gestoppt würde. Umgekehrt reduziert sich die auftretende Kraft, je mehr Dehnungsweg möglich ist. Beim Bungee-Jumping überlebt der Adrenalin-Süchtige den Sturz aus 80 Metern Höhe auch nur deshalb, weil extrem dehnbare Seile eingesetzt werden, um die Energie des fallenden Körpers aufzunehmen. Mit einem statischen Seil würden die enormen Kräfte beim Abbremsen des Körpers zu einem sicheren Tode führen.

Rigging 1.0
Diese Fakten und Zusammenhänge wurden erstmals in einer Software integriert, die Praktikern helfen soll, Risiken besser abzuschätzen. Die Schulungssoftware Rigging 1.0 geht vom energietechnischen GAU aus, dem Blockieren des Bremsgeräts. Dies kann auch bei erfahrenen Bodenleuten unbeabsichtigt auftreten oder muss in Einzelfällen aufgrund von Platzmangel bewusst in Kauf genommen werden. Der Einfluss der genannten Ausgangsfaktoren auf den Fangstoß kann in dieser Situation mit den Berechnungen der Spezialsoftware abgeschätzt werden:

• Gewicht des Stammstücks
• Fallstrecke
• Dehnbarkeit des verwendeten Seiltyps, Seillänge

Gleichzeitig sind dies auch jene Parameter, auf die der Baumpfleger selbst Einfluss nehmen kann – durch die Größe des Abschnitts, die Wahl eines geeigneten Seiles und die im Ablasssystem verfügbare Seillänge (Abb. 3).

Wie sich eine Veränderung dieser Größen auf den Fangstoß auswirkt, lässt sich rechnerisch mit Hilfe von Rigging 1.0 durchspielen. Zudem gibt das Programm Hinweise auf eine erhöhte Gefahr des Ankerpunktversagens, wenn z.B. hoch belastbare, aber wenig dehnbare Seile (z.B. aus Dyneema- Fasern) zum Einsatz kommen. An der Umlenkrolle verdoppelt sich rechnerisch die Kraft im Seil, da analog zum Flaschenzugprinzip auf einer Seite der Fangstoß und auf der anderen die haltende Gegenkraft des blockierten Bremsgerätes angreift.

Bereits jetzt aber ist absehbar, dass individuell variable Größen, von der Form des Fällkerbs bis zur Elastizität der Randfasern der entsprechenden Baumart, ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Höhe des Fangstoßes haben. Da sie den Energieumsatz vermindern und Kraftspitzen federnd abdämpfen, wird das Rechenergebnis der Software in der Praxis deutlich nach unten korrigiert. Die Wirkungsweise dieser Faktoren ist aber bislang kaum untersucht, teilweise – wie z.B. die Holzeigenschaften der jeweiligen Baumart – lassen sie sich ohnehin vom Kletterer nicht beeinflussen.

Literaturtipps:
Brudi, E., Detter, A., Bischoff, F.: Neue Schulungssoftware Rigging 1.0, Kletterblatt 2004
Detter, A., Brudi, E., Bischoff, F.: Dehnung und Elastizität – angewandte Physik in Baumpflege und SKT, Sonderausgabe der Baumzeitung 1/2005
Donzelli, P.: Engineering Concepts for Arborists, Arborist News, Feb. 1998
Donzelli, P. & Lilly, S. W., ArborMaster Training Inc.: The Art and Science of Practical Rigging, International Society of Arboriculture, 2001
Gordon, J.E.: Strukturen unter Stress, Spektrum der Wissenschaft, 1987

Rigging 1.0 erhältlich bei Freeworker

Der Autor: Andreas Detter (E-Mail) seit 2001 öbuv Baumsachverständiger, Brudi & Partner – TreeConsult

 

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Wissen, wo Kräfte wirken (Teil I) – Ankerpunktversagen von Bernhard Schütte (Kletterblatt 2005)