Holzsperren – Entwurf und Konstruktion

Im vorliegenden Aufsatz wird auf die wichtigsten konstruktiven Vorgaben zur Konstruktion von möglichst dauerhaften Holzsperren eingegangen. Da Holz ein biogener Werkstoff ist, ist beim Entwurf und bei der Ausführung die Problematik des biogenen Holzabbaus zu berücksichtigen. Des Weiteren sind durch Abrasion stark beanspruchte Bereiche leicht austauschbar zu gestalten. Der korrekten Ausgestaltung der Abflusssektion, den Verbindungen des Holzkastens und den Ausfachungen ist besonderes Augenmerk zu schenken. Im Aufsatz sind die dafür relevanten konstruktiven Lösungen aus der Literatur und aus den Ergebnissen eines Expertenseminars zusammengestellt.

Timber checkdams – design and construction

This article focuses on the most important design specifications for a durable construction of timber barriers. Since wood is a biogenic material, the fact of biogenic wood degradation must be considered in the design and construction. Furthermore, areas that are heavily stressed by abrasion must be designed replaceable. Particular attention should be paid to the correct design of the flood section, the connections of the timber components and the infills. The relevant constructive solutions from the literature and from the results of an expert seminar are summarized in this article.

Stichworte Holz; Holzsperren; Wasserbau; Wildbachverbauung; Querbauwerke; Sperrenbauwerke; Holzkasten; Konsolidierungssperren Keywords timber; barriers; dams; checkdams; water engineering; torrent control

Bild 1 Beispiele für Holzsperren: a) neu errichtete Holzsperre mit Flügeln aus Wasserbausteinen, b) eingewachsene Holzsperre mit Vorfeldischerung mit Wasserbausteinen Examples of timber barriers

1 Einleitung

Holzsperren (Bild 1) zählen zu den ältesten Bautypen im Wasserbau. Spätestens im 19. Jahrhundert wurden sie nachweislich im Alpenraum systematisch eingesetzt. Obwohl sich im darauffolgenden Jahrhundert zuerst das Zementmauerwerk, unbewehrte Betonsperren und danach die Stahlbetonkonstruktionen durchgesetzt haben, werden nach wie vor Holzsperren errichtet. Holzsperren lassen sich rasch und mit einem günstigen KostenNutzenVerhältnis realisieren. Laut der Bauwerksdatenbank des österreichischen forsttechnischen Dienstes für Wildbachverbauung (WLV) sind in Österreich von 24.000 bestehenden Konsolidierungssperren 6000 Holzsperren, also 25%. Des Weiteren ist Holz ein biologischer, nachwachsender und damit auch nachhaltiger Baustoff. Da er aus diesem Grund auch von unterschiedlichen Organismen abgebaut werden kann, ergeben sich daraus besondere Anforderungen an die Bauwerkserhaltung. Dies beginnt bei einer möglichst dauerhaften Konstruktion des Sperrentragwerks. Die wichtigsten konstruktiven Vorgaben dazu aus der Literatur, aus den Ergebnissen eines Fachseminars in Sarnen (Schweiz) [1] und aus eigenen Erfahrungen sollen hier zusammengestellt werden.

Holzsperren werden als Vollwandsperren (d.h. öffnungsfrei) eingesetzt. Sie erfüllen (laut [2]) die Funktion der Stabilisierung/Konsolidierung. Die Stabilisierung umfasst alle Maßnahmen, die dazu dienen, die Sohle und die Ufer von Gewässern, inkl. der seitlichen Hänge in der bestehenden Lage, zu sichern und gegen Seiten und Tiefenerosion zu schützen. Durch die Abtreppung der Bachsohle mit Sperren reduziert sich das Sohlgefälle und es bilden sich freie Überfälle (Abstürze) aus (Bild 3). Dies führt zu einer Verringerung der Fließgeschwindigkeit und einer Reduktion der Energie des Fließprozesses. Damit verbunden ist eine Reduktion der Geschiebetransportkapazität, die entweder zu einer Verringerung der Erosionsleistung oder zur temporären Ablagerung (Sedimentation) transportierter Feststoffe führt. Die Reduktion des Verlandungswinkels (bzw. des Grenzgefälles) bewirkt eine Stabilisierung der Sohle. Erfolgt gleichzeitig eine Verbesserung der Standsicherheit der seitlichen Hänge, wird dies als Konsolidierung bezeichnet. Konsolidierungssperren aus Holz sind für Hochwasserabfluss und bei entsprechender Konstruktion in schmäleren Bächen auch für stärker geschiebeführende Prozesse einsetzbar.

3 Maßgebliche Schäden und Schadmechanismen an Holzsperren

Bei einer Holzsperre (Konsolidierungssperre) kann man laut [1, 3] vier Bereiche unterscheiden, die während der Nutzungsdauer typischerweise beschädigt werden (Bild 2).

In den seitlichen Einbindungen (Bild 2 – Bereich A) gibt es hauptsächlich Probleme mit Erosionen im Flügelbereich und verstärktem Holzabbau durch wechselfeuchte Bedingungen. Durch luftseitige Erosionen sinkt die Tiefe der seitlichen Einbindung der Sperre. Durch den Holzabbau reduziert sich die Tragfähigkeit der Holzquerschnitte.

Bild 2 Schematischer Überblick über Sperrenbereiche, die während der Nutzungsdauer typischerweise beschädigt werden [4] Schematic overview of areas that are typically damaged during service life [4] Diese Umstände können zu einem Abtrag der oberen Flügel und zu einem Verlust des luftseitigen Flankenwiderstands führen. Letztgenannter liefert einen wesentlichen Beitrag zur Standsicherheit der Sperre. Sind Flankenwiderstände nicht mehr vorhanden, ist die Sicherheit gegen Gleiten und insbesondere gegen Kippen herabgesetzt.

Im luftseitigen Sperrenvorfeld (Bereich B) gibt es hauptsächlich Probleme mit übermäßiger Kolkausbreitung und genereller Sohlabsenkung. Beides reduziert den luftseitigen Widerstand der Sperre im Bereich der Sohle. Dies kann zu einer Unterströmung der Sperre und zu Stabilitätsproblemen in den Hängen führen, da die stützende Wirkung der Sohle entfällt. Des Weiteren wird die Sicherheit gegen Gleiten, Kippen und mechanischen Grundbruch reduziert.

In der Abflusssektion (Bereich C) gibt es hauptsächlich Probleme infolge Hydroabrasion. Dabei gilt es laut [5] zwischen schleifender und schlagender Abrasion zu unterscheiden. Die schleifende Abrasion reduziert je nach Geschiebeanteil kontinuierlich die angeströmten Holzquerschnitte. Die schlagende Abrasion findet bei fluviatilem Feststofftransport und Murgang statt und ist in der Lage, Holzteile in kurzer Zeit zu zerstören. Versagen die Holzquerschnitte (besonders die Längshölzer), wird die Verfüllung des Holzkastens erodiert. Biogener Holzabbau begünstigt diesen Mechanismus.

Die Verfüllung (Bereich D) des Holzkastens wird hauptsächlich durch Erosion in Mitleidenschaft gezogen. Die Erosion kann durch den zerstörten Holzkasten oder durch zerstörte Ausfachungen (innere Erosion) ausgelöst werden. Dabei wird die Verfüllung des Kastens ausgeschwemmt. Dadurch kommt es zu einem Verlust der Gebrauchstauglichkeit und bei weiterem Fortschreiten der Erosion zu einem Verlust der Standsicherheit durch reduziertes Eigengewicht.

4 Bautechnische Bemessung

Konsolidierungssperren sind prozessseitig durch Erd und Wasserdrücke beansprucht. Die Wasserdrücke resultieren aus Hangwässern unter der Bachsohle und den Abflüssen im Bach mit unterschiedlich hohem Feststoffanteil. Auf die Sperre wirken einerseits statische Wasserdrücke bis zur Oberfläche des Abflusses und andererseits dynamische Wasserdrücke an allen direkt angeströmten Bereichen.

Bei der Bemessung sind die Grenzzustände der Tragfähigkeit (innere und äußere Tragsicherheit), der Gebrauchstauglichkeit (z.B. hydraulische Bemessung) sowie der Dauerhaftigkeit zu berücksichtigen. Letztere wird durch konstruktive Vorgaben erreicht. Für die äußere Tragsicherheit (Nachweise Gleiten, Kippen, Grundbruch) werden Holzsperren als Gewichtsmauern betrachtet. Die Widerstände resultieren hauptsächlich aus der Geometrie

in Verbindung mit dem Eigengewicht und dem daraus resultierenden rückdrehenden Moment. Widerstände in den seitlichen Einbindungen sollten vorsichtig angesetzt werden. Beim Nachweis der inneren Tragsicherheit ist bei der Festlegung der Bemessungswerte der Festigkeiten immer von der Nutzungsklasse 3 laut [6] auszugehen. In der Praxis werden Holzsperren in den meisten Fällen ohne statischen Nachweis aufgrund von erprobten Bautypen errichtet. Als Faustformel für standsichere zweiwandige Holzkästen mit einem luftseitigen Anzug von 5:1 wird in [7] empfohlen, die Basisbreite (B) mit der halben Sperrenhöhe (H) bis OK Flügel anzunehmen. Übliche Durchmesser der Längshölzer und Zangen sind in Abschn. 5.2 zusammengestellt. Eine leichte bogenförmige Ausgestaltung des Grundrisses der Sperre (polygonal angenähert) erhöht die Standsicherheit. Einwirkungsmodelle und die Vorgehensweise bei der Bemessung einer Sperre finden sich in [7–9].

5 Konstruktion und Anwendung von Sperrenbauwerken aus Holz

5.1 Einsatz von Holzsperren

In der Praxis werden Holzsperren in schwer zugänglichen Gräben eingesetzt, da sich die Rundhölzer leicht transportieren oder teilweise nahe des Verwendungsorts gewinnen lassen. In Bezug auf die Lebensdauer der Werke gibt es gemäß [10] Standortunterschiede. Kühle, schattige Standorte wie nord bis ostexponierte Runsen und solche in höheren Lagen sind diesbezüglich vorteilhaft. Aufgrund der kurzen Bauzeit dienen Holzsperren auch als Sofortmaßnahme nach Ereignissen. In Wildbachgerinnen mit sehr instabilen Hängen, an denen mit seitlichem Hangdruck [3, 11] zu rechnen ist, werden die relativ flexiblen Holzsperren als Konsolidierungsmaßnahme eingesetzt. Nach dem Ende der Nutzungsdauer der Holzsperren und einem Beruhigen der Einhänge werden Beton oder Stahlbetonsperren vorgesetzt.

5.2 Holzwahl

Bei der Holzwahl muss ein Kompromiss zwischen dauerhafter Holzart, deren Verfügbarkeit und den erforderlichen Stammlängen gefunden werden. Da die sehr dauerhaften Hölzer wie Eiche, Edelkastanie und Robinie relativ teuer sind und häufig gebogene Stämme aufweisen, die schwer zu verarbeiten sind, werden diese nur selten und bei kleineren Werken eingesetzt. Sehr häufig wird Lärchenholz verwendet, aber auch Tanne, Kiefer oder Douglasie. Fichtenholz wird nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Ein anderes Bild zeigt sich in der Schweiz. Dort zieht man niedrige Erstellungskosten durch Holzgewinnung in Projektnähe der Wahl dauerhafter Holzarten häufig vor und setzt deshalb oft Fichte oder Tanne ein. Dies bedingt jedoch eine besonders sorgfältige Evaluierung der Standorteignung für Holzsperren. Je nach Größe des Werks werden für Längshölzer Durchmesser zwischen 25 und 60 cm (häufig 25–35 cm) verwendet, für Schwerböden und Querhölzer häufig Durchmesser 15–20 cm. Die Stämme werden entrindet oder nicht entrindet eingesetzt. Um das holzabbauende Pilzwachstum zu verzögern, sollte das verbaute Holz möglichst nass gehalten werden [10, 12]. Im Bereich der Abflusssektion ist dieser Umstand meist erfüllt. Im Flügelbereich kann man die Holzfeuchtigkeit mittels Beschattung durch entsprechende Bepflanzung erhöhen [10].

5.3 Anordnung der Sperren im Bach

Sperren sind möglichst im rechten Winkel zur Fließrichtung anzuordnen. In den meisten Fällen werden Holzsperren als Sperrenstaffel (Serie von regelmäßig angeordneten Querwerken) eingesetzt (Bild 3). In diesem Fall stellt sich zwischen den Sperren einer Staffel im Vergleich zum Gefälle des unverbauten Wildbachs ein geringeres Gefälle ein. Dieses Verlandungsgefälle hängt von der Kornzusammensetzung der Bachsohle und der Art des Fließprozesses ab. Es lässt sich bspw. nach [7] über die Sieblinie des Bachmaterials bestimmen. In der Praxis kommen häufig Werte zwischen 0 und 7% vor.

Beim Entwurf der Staffel (Bild 3) muss ein Optimum zwischen Sperrenhöhe Hs und Sperrenabstand L gefunden werden. Der Abstand L der Sperren innerhalb einer Staffel muss laut [8] mind. der Länge des Kolks Lk entsprechen. Kolklängen können nach hydraulischen Gesetzmäßigkeiten (z.B. Wurfparabel [13]) oder nach [7] berechnet werden. Die erforderliche Sperrenhöhe ergibt sich aus dem Schnittpunkt zwischen der ursprünglichen Sohle und dem angenommenen minimalen Verlandungsgefälle zwischen den Sperren. Ab diesem Schnittpunkt muss die Sperre 1–1,5 m (T) tief gegründet werden (Richtwert laut [7] mind. 1 m). Weiter muss das maximal mögliche Verlandungsgefälle abgeschätzt werden. Die Abflusssektion der obenliegenden Sperre muss mind. 0,5 m (h) aus der Bachsohle ragen, da sonst eine Konzentration des Abflusses nicht mehr gewährleistet werden kann.

In Bild 4 ist der Zusammenhang zwischen dem Sperrenabstand L infolge des angenommenen Verlandungsgefäl

Bild 3 Längsschnitt durch eine Sperrenstaffel Longitudinal section through a barrier stepping

Bild 4 Berechnete Kolklänge (rote Linie) und Sperrenabstand (schwarze Linie) als Funktion der Nutzhöhe Dh für folgendes Fallbeispiel: Länge des horizontalen projektierten Bachabschnitts: 100 m, ursprüngliches Sohlgefälle: 0,15, spezifischer Abfluss q: 9 m2/s, Korngröße 95 % quantil, d95: 0,35 m, Korngröße 90 % quantil, d90: 0,1 m Calculated scour length (red line) and checkdam distance (black line) as a function of effective height Dh

Bild 5 Gängige Bautypen von Holzkästen: (A) einwandig, (B) zweiwandig, (C) dreiwandig (Details: A – Bild 7, B – Bild 8, C – Bild 10); die Ansichten der Sperren sind je nach Art der Flügel in Bild 9 dargestellt Construction types of timber barriers: (A) single-walled, (B) double-walled, (C) three-walled (details: A – Fig. 5, B – Fig. 6, C – Fig. 8)

les L sowie der Kolklänge LK mit der Nutzhöhe Dh dargestellt. Die Kolklänge wurde laut [7], S. 41 berechnet. Nutzhöhen/Sperrenabstände zwischen roter und schwarzer Linie rechts der gestrichelten Linie können ohne Erosionsschutz zwischen den Sperren errichtet werden.

5.4 Konstruktion der Holzkästen

Ein Holzkasten (Bild 5) besteht aus miteinander verbundenen Längs und Querhölzern (Zangen). In den durch diesen Kasten gebildeten Hohlraum wird Material eingefüllt. Dieses Füllmaterial erhöht das Eigengewicht der Holzkastenkonstruktion und erzeugt so ein entgegen den Einwirkungen aus Erd und Wasserdrücken drehendes Moment. Somit wirken diese Konstruktionen als Gewichtsmauer bzw. sperre. Bei zweiwandigen Sperrentragwerken, wenn unvermeidliche Stöße der Längshölzer versetzt werden und die Einbindung der Sperre in den seitlichen Flanken ausreichend tragfähig ist, kann der Holzkasten auch eine horizontale Tragwirkung ausüben.

Je nach der Anzahl der Ebenen von Längshölzern werden ein und zweiwandige Holzkästen unterschieden (Bild 5). Einwandige Konstruktionen bestehen aus Längshölzern, die mit Zangen im Erdreich verankert werden (Bild 5 – A). Der zweiwandige Holzkasten besteht aus zwei Ebenen parallel angeordneter Längshölzer, welche durch Querhölzer (Zangen) verbunden sind (Bild 5 – B).

Einwandige Holzkästen werden bis Nutzhöhen von 2 m, zweiwandige bis 5 m errichtet. Fallweise werden für spezielle Anwendungen dreiwandige Holzkästen eingesetzt. Hier können Höhen über 10 m erreicht werden. Der luftseitige Sperrenanzug sollte für eine bessere Benetzung der Längshölzer unterhalb der Abflusssektion eher flacher gewählt werden ([10] empfiehlt als Maximum 5:1). Aus statischen Gründen wird für zweiwandige Systeme 7:1 (laut [7]) und für einwandige (mit luftseitigen Piloten) 10:1 (laut [10]) als Maximum empfohlen.

Die Längs und Querhölzer müssen an den Knotenpunkten tragfähig miteinander verbunden werden. Dies erfolgt mittels Nägel, Holzschrauben, Gewindestangen mit Muttern an beiden Seiten oder geschmiedeter Stahlklammern. Am häufigsten werden 0,6–1 m lange Nägel eingesetzt. Dazu werden Bewehrungsstäbe (∅14 bis ∅20) ungespritzt oder mit geschmiedeter Spitze verwendet. Die meisten Praktiker [10] empfehlen, die Nagellöcher 1–2 mm unter dem Nageldurchmesser vorzubohren und dann den Nagel hydraulisch einzurammen. Durch das

Quelle: Jürgen Suda

Quelle: Jürgen Suda

Bild 6 Häufige Ausführungen der Verbindungen der Längshölzer: (A) gerader Schnitt, (B) schräger Schnitt, (C) Überblattung Common designs of longitudinal beam joints: (A) straight cut, (B) oblique cut, (C) overlapping

Vorbohren wird ein Aufreißen des Holzes durch die Vernagelung vermieden, denn die Lebensdauer einer Holzkonstruktion hängt im Wesentlichen von der Qualität der einzelnen Verbindungen und Anschlüsse ab.

Da ein Teil der Schubbeanspruchung durch Reibung infolge des vertikalen Drucks aufgenommen wird, ist es statisch günstig, die Zangen auszukehlen. Eine Empfehlung aus der Praxis ist, nur die Unterseite der Zangen auszufräsen. Die maximale Frästiefe soll ¼ des Zangendurchmessers nicht überschreiten. Die Zangen werden auf das darunterliegende Längsholz gesetzt und vernagelt. Das darüberliegende Längsholz wird wiederum mit einem neuen Nagel verbunden usw. Wichtig ist generell eine saubere „fachwerksmäßige“ Verbindung aller Holzteile.

Stöße von Längshölzern sind möglichst einfach auszuführen. Von der Haltbarkeit her haben sich in der Praxis einfache gerade oder schräge Schnitte bewährt, zeitweise werden auch Überblattungen ausgeführt (Bild 6). Bei Stößen ist direkt darunter oder besser links und rechts des Stoßes ein Querholz anzuordnen. Bei Sperren sollten die Querhölzer zumindest im Bereich der Abflusssektion übereinander angeordnet werden, um laut [7] die Angriffsfläche für herabfallendes Geschiebe zu minimieren (Bild 9). Diese Anordnung ist auch für einen möglichst linearen Kraftabtrag auf das Fundament, ohne zusätzliche Momente infolge Geschiebeanpralls auf die vorstehenden Querhölzer, vorteilhaft. Aus Erfahrungen hat sich die Verbindungsart Bild 6 – A bewährt. Im Bereich des Überfalls sollten keine Stöße angeordnet werden.

5.5 Verfüllung und Ausfachungen

Ein leerer Holzkasten hat eine sehr geringe Steifigkeit, da statisch gesehen die Knoten Gelenke darstellen. Die erforderliche Steifigkeit erlangt das System erst durch die Verfüllung der Hohlräume mit groben Steinen, GrobkiesSandgemischen oder dem Aushubmaterial. Werden Füllmaterialien mit hohem Feinanteil verwendet, sollten die Ritzen z. B. mit Schafwollzöpfen ausgestopft werden.

Um die Verfüllung des Holzkastens einzubauen, müssen zuvor die verbleibenden Öffnungen zwischen den Längshölzern geschlossen werden. Diese Ausfachungen werden sehr häufig aus Holz hergestellt. Die Ausfachung mit Holz parallel zum Längsholz kann auf zwei Arten erfolgen (Bild 7 – B, C). Bei der ersten Variante werden die Hölzer mit demselben Durchmesser wie die zu verfüllenden Öffnungen verwendet (Bild 7 – B). Diese Rundhölzer werden an die Längshölzer genagelt. Bei der zweiten Variante verwendet man Hölzer mit einem größeren Durchmesser als die zu schließenden Ausfachungen und verfüllt damit die Öffnung von hinten (Bild 7 – C). Dabei ist der Nagelaufwand deutlich geringer, allerdings können sich die eingelegten Hölzer durch nachträgliche Setzungen verschieben. Eine in der Westschweiz häufig umgesetzte Ausfachung wird aus parallel zu den Zangen eingelegten Rundhölzern oder Holzscheiten hergestellt (Greyerzersystem (Bild 7 – D)). Der Vorteil einer Steinausfachung

Quelle: Jürgen Suda

Bild 7 Ausfachung von Holzkästen (Detail A): (A) mit Steinen, (B), (C) mit Rundhölzern parallel zu den Längshölzern, (D) mit Rund- oder Spalthölzern parallel zu den Querhölzern Infill of timber boxes (detail A): (A) with stones, (B), (C) with round timbers parallel to the longitudinal timber beams, (D) with logs parallel to the crossbars

Quelle: Jürgen Suda

Bild 8 Ausführung der Abflusssektionen (Detail B): (A) Rundholzabdeckung, (B) Auspflasterung, (C) Kronsteine, (D) Stahlblechabdeckung Construction types of flood sections (detail B): (A) log cover, (B) paving, (C) crown stones, (D) steel sheet cover

liegt in der höheren Steifigkeit und in der längeren Lebensdauer, der Nachteil im deutlich höheren Arbeitsaufwand. Die Steine werden so in die Ausfachung eingebaut, dass sie nicht herausfallen können (Bild 7 – A). Nach [7] soll die erste Lage aus Steinen, die sich in der Öffnung verkeilen können, bestehen. Nach den Ausfachungssteinen sollte idealerweise eine durchgehende Wand aus Steinen trocken aufgemauert werden.

5.6 Abflusssektion

Die Abflusssektionen sind hydraulisch auf den Bemessungsabfluss auszulegen (z.B. nach [8]). Die Breite der Unterkante der Abflusssektion (bA) soll ca. der mittleren Gerinnebreite bachaufwärts entsprechen. Die Abflusssektionen der Holzsperren unterliegen je nach Geschiebetrieb einer Beanspruchung durch Abrasion. Zur Erhöhung der Lebensdauer sind die Abflusssektionen mit einem durchgehenden Abrasionsschutz auszustatten. Der am häufigsten ausgeführte Abrasionsschutz ist jener mit Rundholz (Bild 8 – A). Weiter kann die Oberseite des obersten Kastens mit plattigen Steinen abgepflastert werden (Bild 8 – B). Darunter kann auch ein noch bachaufwärts gezogener Teppich aus Geotextil eingebaut werden. Da die Längshölzer hier ungeschützt sind, sollte hier an der Vorderkante ein zweites Längsholz angeordnet werden. Die Krone im Bereich der Abflusssektion kann auch mit behauenen Steinen (oder Betonelementen (Bild 8 – C)) oder mit mind. 8 mm starkem Stahlblech (Bild 8 – D) abgedeckt werden. Für die Instandhaltung ist es wichtig, dass der Abrasionsschutz leicht ausgetauscht werden kann.

5.7 Sperrenflügel

Um den Abfluss in Bachmitte zu zentrieren, muss mittels Sperrenflügel eine Abflusssektion ausgebildet werden (Bild 9). Um ein Überströmen der Sperrenflügel möglichst zu verhindern, wird in [8] empfohlen, die Krone der Flügel mit einem Flügelanzug von mind. 10% auszustatten, aber nicht geringer als das maximale Verlandungsgefälle im betrachteten Bachabschnitt. Die Sperrenflügel können unterschiedlich ausgeführt sein.

In der derzeitigen Praxis werden vorwiegend Holzflügel gebaut. Diese werden häufig als Holzkästen errichtet (Bild 9 – D). Um den Widerstand zu erhöhen, können die Flügel auch ein Stück bachaufwärts verlängert werden. Eine Verbindung mit der darüberliegenden Sperre ist auch möglich. Einen von Haus aus höheren Widerstand gegen Abscheren bieten Einsteckflügel. Hier werden, wie in Bild 9 – B dargestellt, die Rundhölzer der Flügel zwischen die Längs und Querhölzer gesteckt. Bei schmäleren Bächen können die Flügel auch wie in Bild 9 – A dargestellt ausgeführt werden.

Um der Problematik der verkürzten Lebensdauer der Holzkonstruktionen im Einbindebereich zu begegnen, können laut [7] die Flügel mit Drahtsteinkörben (Bild 9 – E) oder geschlichteten Wasserbausteinen (Bild 9 – C) ausgeführt werden. Hier gilt es zu beachten, dass durch die weniger gute Verbindung mit dem Sperrenkörper diese durch den Abfluss leichter von der Sperre heruntergeschoben werden können. In der Praxis hat sich gezeigt, dass wasserseitig angeböschte Flügel oder im Grundriss Vförmig zulaufende Flügel evtl. auch kombiniert mit seitlichen Leitwerken die Nutzungsdauer deutlich erhöhen.

Die Sperrenflügel bzw. Längshölzer sollten seitlich 1,2–1,5 m (bei Murgängen mind. 2 m) in die Flanken eingebunden sein. [7] empfiehlt bei einwandigen Sperren eine seitliche Einbindung von mind. 1 m.

5.8 Fundierung

Holzkästen müssen nach [4] auf einer sauber ausgeglichenen und tragfähigen Aufstandsfläche fundiert werden. Die Sperrenbauwerke sollten zur Erhöhung der Robustheit auf einen Schwerboden (Prügelboden) gestellt werden. Dieser besteht aus dicht an dicht verlegten Rundhölzern und lagert luftseitig auf einem Längsholz. Ein

Quelle: Jürgen Suda

Bild 9 Ausbildung der Sperrenflügel (dargestellt sind die luftseitigen Ansichten von Holzsperren): (A), (B) Einsteckflügel, (C) Blocksteinflügel, (D) geneigte und horizontale Holzflügel, (E) Flügel aus Drahtsteinkörben Construction types of dam wings: (A), (B) insert wings, (C) block stone wing, (D) inclined and horizontal timber wings, (E) wire stone basket wings

Schwerboden verhindert ein Ausspülen der Verfüllung des Holzkastens und reduziert die Gefahr der inneren Erosion erheblich. Anstelle des Schwerbodens werden auch Packungen aus feinem Geäst oder Reisigmaterial in den untersten Lagen der Konstruktion eingebaut.

5.9 Sicherung des Sperrenvorfelds

Durch den Überfall und die Erosionskapazität in Abhängigkeit vom Fließprozess entsteht vor der Sperre ein Kolk. Der Wasserpolster im Kolk wirkt sich günstig auf die Energieumwandlung beim Überfall aus. Die einfachste Form der Ausgestaltung des Sperrenvorfelds ist der freie Kolk. In diesen Fällen müssen die Entwurfsregeln in Abschn. 5.3 eingehalten werden. Weiter wird empfohlen, die Breite des Vorfelds mit 1,2–1,5 × bA auszuführen (bA laut Bild 12). Je höher beim Entwurf der minimale Verlandungswinkel angenommen wird bzw. wenn die Entwurfsregeln aus Abschn. 5.3 nicht eingehalten werden können (z.B. Gerinne zu steil), umso wahrscheinlicher sind Erosionen im Sperrenvorfeld. Dieses muss dann konstruktiv gesichert werden. Bei Holzsperren sind Sohlsicherungen durch Wasserbausteine (Bilder 10 – A, 1b), mittels Vorkasten oder Vorsperre (Bild 10 – D), mittels Rundholzboden (Bilder 10 – C, 11) oder liegendem Holzrost mit Steinausfachung (Bild 10 – B) üblich. Seitlich können die Kolke mittels Leitwerken aus Holzkästen (Bild 11) oder Grobsteinschlichtungen begrenzt werden. Die überwiegende Zahl der Praktiker empfiehlt, die Vorfeldsicherung konstruktiv unabhängig von der Sperre auszubilden, um Setzungen nicht auf die Sperre zu übertragen. Des Weiteren lassen sich eigenständige Konstruktionen besser warten.

5.10 Ausführungen bei höherer Beanspruchung

In der Regel wird der Bautyp Holzkastensperre nicht in murfähigen Bächen eingesetzt [14]. In Sonderfällen bei eher schlammigen Muren werden fallweise trotzdem Holzsperren verwendet, da man durch eine geschickte Konstruktion den Widerstand erhöhen kann. Bei einer eher geringeren Frequenz der Murgänge (30–100 Jahre) ist das KostenNutzenVerhältnis von Holzssperren immer noch sehr gut. Generell sind bei Murgängen vor

Bild 10 Gebräuchliche Bautypen von Vorfeldsicherungen bei Holzsperren (Detail C): (A) Wasserbausteine, (B) Holzrost, (C) Rundholzboden, (D) Vorkasten(-sperre) Construction types of downstream zone protection measures: (A) blockstones, (B) timber grate, (C) log floor, (D) front barrier

Quelle: Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung

Bild 11 Verbundene Sperrentreppe Connected barrier stepping

stehende Teile im Abflussbereich zu vermeiden. Weiter ist bei Murgängen unbedingt das Sperrenvorfeld zu sichern (Abschn. 5.9). Als besonders widerstandsfähig haben sich Sperren erwiesen, die luft und wasserseitig kraftschlüssig seitlich über die Flügel und an der Sohle mit dem Schwerboden verbunden sind (verbundene Sperrentreppe (Bild 11)). Es sollten Einsteckflügel verwendet werden (Abschn. 5.7). Wichtig ist dabei, dass die Flügel nahtlos in prozessseitige Leitwerke übergehen und nicht vorstehen. Mit Rundhölzern abgedeckte Abflusssektionen haben sich als sehr widerstandsfähig erwiesen, besonders wenn man sie oberwasserseitig verlängert und mit der oberen Sperre verbindet. Dadurch kann man (laut [7]) eine zusätzliche Rückverankerung erreichen. Eine solche Lösung kommt nicht infrage, wenn im Verlandungsbereich größere Bodensetzungen zu erwarten sind. Bei dieser Konstruktion muss jedoch bewusst sein, dass spätere Wartungen eines höheren Aufwands bedürfen, da in sich verbundene Holzteile schwer zu tauschen sind.

6 Zusammenfassung

Die maximal möglichen Bauhöhen von Quer und Längsbauwerken orientieren sich nach der Bauart der Holzkästen. Einwandige Holzkästen sind bis zu einer Bauhöhe von 1,5 m, unter optimalen Bedingungen bis 2 m Höhe möglich. Doppelwandige Holzkästen können bei sorgfältiger Bauweise eine Höhe bis zu 4 m, bei besonders guten Bedingungen 5 m erreichen. Maximal baubare Breiten ergeben sich aus den verfügbaren Stammlängen. Hier

Tab. 1 Konstruktive Empfehlungen für Holzsperren laut [1] Design recommendations for wooden barriers [1]

Nr. Beschreibung Bereich

11) Berücksichtigung des maßgebenden Fließprozesses (Hochwasser bis Murgang) und grundsätzliche Eignung von Holzsperren A bis C

21) Konservative Abschätzung des minimalen Verlandungswinkels 31) Tiefe der seitlichen Einbindung mind. 1,5 m (bei Murgang mind. 2 m) B

A

41) Leicht wechselbarer Abrasionsschutz

C 51) Sorgfältige Ausgestaltung der Ausfachung, eventuell auch seitliche und rückwärtige Ausfachung D 6 Schwerboden gegen innere Erosion D 7 Bepflanzung der Einhänge, möglichst dauerhafte Beschattung der Flügelbereiche, reduziert die Feuchtigkeitsschwankungen und den biogenen Holzabbau A 8 Wasserseitig abgeböschte und/oder eingesteckte Flügel A 9 Bemessung der Abflusssektion auf Bemessungsereignis A 10 Berechnung der Kolkgröße und/oder Vorfeldsicherung A 11 Anordnung von Vorfeldwangen, Leitwerke A 12 Breite UK Abflusssektion (bA) ca. mittlere Gerinnebreite C 13 Breite Vorfeld 1,2–1,5 × bA (Breite UK Abflusssektion) A 14 Sperrenabstand ein bis zweifache Kolklänge B 15 Sperrenhöhe max. 5 m B 16 Geotextil in der Bachsohle im Bereich der Abflusssektion D

17 Keine überstehenden Bauteile C

18 Abflusssektion als Trapezprofil ausführen, seitlicher Flügelanzug mind. 10% (bei Murgängen mind. 15%) C

sind oft 6 m in Verwendung. Einwandige Holzkästen sind durch diese Längen begrenzt. Bei zwei und dreiwandigen Systemen können die Stöße erd und luftseitig versetzt werden. Oder es gelangen lang ausgehaltene Stämme bis 10 oder 12 m, abwechselnd ausgerichtet, zum Einsatz. Es hat sich gezeigt, dass Holzsperren bei granularen Murgängen mit größeren Blöcken oder bei großvolumigen Murgängen nicht ausreichend standsicher sind. Besonders anfällig sind die Hölzer gegen anprallende Blöcke. Für die Instandhaltung und auch im Zuge der KostenNutzenUntersuchung [15] bei der Projektierung wird bei Holzsperren von einer Nutzungsdauer von 40 Jahren ausgegangen. Je nach Umgebungsbedingungen am Sperrenstandort können diese unter oder deutlich überschritten werden. Günstige Umgebungsbedingungen für Holzsperren sind schattige, dauerfeuchte/nasse Standorte. An häufig sonnigen und regelmäßig austrocknenden Runsen haben Holzbauwerke eine recht kurze Lebensdauer (oft nur wenige Jahre). Abgesehen davon ist der Bereich der seitlichen Einbindungen (wechselfeuchte Zone) immer limitierend für die Nutzungsdauer, da dort meist Umgebungsbedingungen herrschen, die sich optimal auf das Pilzwachstum auswirken.

Auf Basis der Ausführungen in den Abschn. 3, 4 und auf Basis von [1] können die wichtigsten Empfehlungen zur

Bild 12 Konstruktive Empfehlungen für Holzsperren Design recommendations for wooden barriers

Konstruktion von möglichst dauerhaften Holzsperren in Tab. 1, Bild 12 zusammengefasst werden. Weiter ist eine regelmäßige Überwachung und Instandsetzung dieser Bauwerke zur Erreichung der vorgesehenen Nutzungsdauer erforderlich. In Österreich werden solche Schutzbauwerke nach ONR 24803 [16] überwacht. Dabei ist ein Inspektionsintervall von sechs Jahren vorgesehen.

Literatur

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Wien: Austrian Standards. Ausgabe Nov. 2011. [3] Suda, J. (2012) Instandhaltung von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren. Wien: GuthmannPetersen. [4] Suda, J.; Hübl, J. (2007) Schäden und Schadensmechanismen an Schutzbauwerken der Wildbachverbauung. Wildbach und Lawinenverbau 155, H. 71, S. 56–83. [5] Jacobs, F.; Winkler, K.; Hunkeler, F.; Volkhart, P. (2001)

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Empfehlungen. Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen

Technischen Hochschule Zürich. Zürich: Eigenverlag. [6] ÖNORM EN 199511 (2019) Eurocode 5: Bemessung und

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Austrian Standards.

Autoren

Priv.-Doz. DDI Dr. Jürgen Suda (Korrespondenzautor) juergen.suda@gmail.com Lehrbeauftragter am Department für Bautechnik und Naturgefahren, BOKU ALPINFRA Lilienberggasse 13/2 1130 Wien, Österreich

BSc BFH Walter Krättli walter.kraettli@fobatec.ch Fachstelle forstliche Bautechnik Försterschule 2 7304 Maienfeld, Schweiz

Dr. Massimiliano Schwarz massimiliano.schwarz@bfh.ch Berner Fachhochschule Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Fachbereich Waldwissenschaften Länggasse 85 3052 Zollikofen, Schweiz

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Suda, J.; Krättli, W.; Schwarz, M. (2022) Holzsperren – Entwurf und Konstruktion. Bautechnik 99, Sonderheft Holzbau, Ausgabe 2, S. 66–75. https://doi.org/10.1002/bate.202200026 Dieser Aufsatz wurde in einem PeerReviewVerfahren begutachtet. Eingereicht: 18. März 2022; angenommen: 29. August 2022.

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