Lifeline im Härtetest

Wenn technische Maßnahmen wie Seitenschutz oder Auffangsysteme begründbar nicht anwendbar sind, können entsprechend der Maßnahmenhierarchie nach Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG), Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) und Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) auch persönliche Schutzausrüstungen (PSA) gegen Absturz eingesetzt werden, um Absturzgefahren zu begegnen. Ein Verfahren zur temporären Sicherung mit PSA gegen Absturz sind Lifeline-Systeme, welche oberhalb der zu sichernden Person befestigt werden. Ob dieses System eine abstürzende Person auffangen würde und welche Kräfte dabei wirken, wurde im Rahmen eines wissenschaftlichen Projekts ermittelt.
 

Bei einem Lifeline-System trägt die Person einen Auffanggurt und sichert sich mit einem Höhensicherungsgerät an der vorgespannten Lifeline (Abb. 1).
 

Ausgangslage bei der Auslegung von Lifeline-Systemen 

Bisher erfolgt die Auslegung von Lifeline-Systemen größtenteils versuchsbasiert. Neben dem wesentlichen Ziel – zu ermitteln, ob das System eine abstürzende Person auffangen würde – werden auch die durch den Sturz auftretenden, dynamischen Systemkräfte und die Größe des unter der Arbeitsebene benötigten Freiraums betrachtet. In der Regel werden diese Versuche in Laboren unter reproduzierbaren Bedingungen als „worst case“-Szenario durchgeführt. Hierzu werden die Systeme an nicht nachgiebigen Anschlagpunkten befestigt und mit einem Gewicht in einem dynamischen Lastfall beansprucht. Diese Art und Weise von Versuchen stellt sicher, dass die Systeme bei jeder bestimmungsgemäßen Verwendung die abstürzende Person auffangen. Leider bilden diese Versuche selten die Realität ab. Einfluss auf die Fallstrecke und die hierbei auftretenden Kräfte haben insbesondere folgende Randbedingungen: die Fallhöhe, die Vorspannung der Lifeline und die Nachgiebigkeit der Konstruktion, an welcher die Lifeline befestigt wird.
 

Über das wissenschaftliche Projekt 

Ziel war es, ein numerisches Verfahren zu verifizieren, mit dem es möglich ist, unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen die Verformung der Lifeline und die dabei auftretenden Kräfte infolge eines Auffangvorganges zu berechnen. Hierzu wurde an der Technischen Hochschule (TH) Köln unter Beteiligung des Referates Hochbau der BG BAU ein wissenschaftliches Projekt im Masterstudiengang Bauingenieurwesen gestartet. Inhalt dieses Projektes war ein Großversuch, bei dem ein Lifeline-System mit allen Komponenten (integrierter Systemfalldämpfer, Höhensicherungsgerät) aufgebaut und einem Falltest unterzogen wurde. Während des Versuches wurden die Kräfte und die Verformungen des Systems messtechnisch erfasst und ausgewertet. Im nächsten Schritt wurde ein digitales Modell des Versuchsaufbaus erstellt und der Falltest numerisch analysiert. Schlussendlich wurden die Ergebnisse des Versuches und der Berechnung miteinander verglichen.

Großversuch 

Im Großversuch wurde ein vollständiges Lifeline-System zwischen zwei Auflagern installiert. Diese Auflager wurden speziell für den Versuch dimensioniert. 

In das System integriert waren: 

• ein horizontal gespanntes Seil (Lifeline),
• ein Höhensicherungsgerät,
• Messsensoren zur Erfassung der Kräfte. 

Zur Versuchsdurchführung kam ein Prüfgewicht von etwa 100 kg zum Einsatz. Dieses wurde mithilfe eines Krans aus einer definierten Höhe fallengelassen. Parallel erfassten Messboxen die Kräfte im System, während eine Hochgeschwindigkeitskamera den Bewegungsablauf aufzeichnete (Abb. 2).

Digitales Modell 

Für die numerische Simulation des Verhaltens des gesamten Systems, bestehend aus Seil, Höhensicherungsgerät und Falldämpfer, wurde das Programm Easy der technet GmbH genutzt. Das Rechenprinzip basiert auf der Weggrößenmethode, wie sie bei Stabwerken für statische Berechnungen angewandt wird. Ziel war es, die im Großversuch gemessenen Kräfte und Verformungen rechnerisch nachzuvollziehen und die Aussagekraft des Modells zu überprüfen. 

Modellierung eines komplexen Systems 

Die Grundlage der Simulation bildet ein detailliertes Rechenmodell, in dem alle relevanten Parameter definiert werden. Dazu gehören die Geometrie des Systems, die Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten sowie die äußeren Einwirkungen durch das fallende Prüfgewicht. Die Berechnung erfolgt iterativ, wobei die Ergebnisse sowohl direkt im Programm als auch über eine Ausgabedatei analysiert werden können.

Ein entscheidender Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der Möglichkeit, unterschiedliche Lastfälle zu untersuchen, ohne den physikalischen Aufbau verändern zu müssen. Während System und Materialkennwerte konstant bleiben, kann die Belastung gezielt variiert werden.

Energie als Schlüssel zum Verständnis 

Das Rechenmodell basiert auf einem grundlegenden physikalischen Prinzip: dem Energieerhaltungssatz. Dieser besagt, dass die Summe aus potenzieller Energie, kinetischer Energie und gespeicherter Verformungsenergie im System konstant bleibt, vorausgesetzt, Energieverluste, die z. B. reibungs- und temperaturbedingt sind sowie durch plastische Verformungen entstehen, werden vernachlässigt. 

Im konkreten Fall wird ein Prüfgewicht aus 1,5 m Höhe fallen gelassen. Zu Beginn liegt die gesamte Energie als potenzielle Energie vor. Während des Falls wandelt sie sich in kinetische Energie um. Sobald das Höhensicherungsgerät eingreift, wird diese Bewegungsenergie durch Verformung in Federenergie überführt. Dieser Energiefluss von Lageenergie über Bewegungsenergie hin zur gespeicherten Verformungsenergie bildet den Kern der Analyse. Ziel ist es, einen Gleichgewichtszustand zu finden, in dem die äußere Energie der inneren Energie des Systems entspricht. Hierzu wird die Belastung im Rechenmodell so lange iterativ gesteigert, bis das Gleichgewicht der Energien erreicht ist. Abb. 5 zeigt diesen Vorgang. Gleichgewicht ist bei einer vertikalen Verschiebung der Lifeline von 1,16 m erreicht. Abb. 6 zeigt die Kraft-Verschiebungsbeziehung der Lifeline. Die 4,1 kN werden über das Höhensicherungsgerät in die Lifeline eingeleitet und stimmen ziemlich exakt mit dem Ergebnis aus dem Großversuch (Abb. 4) überein.

Aufteilung der Energie im System 

Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Frage, wie sich die Energie innerhalb des Systems verteilt. Das Modell zerlegt die Konstruktion in einzelne Komponenten, für die jeweils die gespeicherte Energie berechnet wird. Dabei zeigt sich, dass der Großteil der Energie in den beiden Seilabschnitten gespeichert wird, während der Systemfalldämpfer ebenfalls einen signifikanten Beitrag leistet. Das Höhensicherungsgerät hingegen nimmt nur einen vergleichsweise kleinen Anteil auf. Diese Aufteilung verdeutlicht, dass die elastische Nachgiebigkeit des Seils eine zentrale Rolle für die Energieaufnahme spielt – ein Ergebnis, das bereits im Großversuch beobachtet wurde.

Dynamik des Sturzvorgangs 

Die Auswertung zeigt zudem anschaulich den zeitlichen Ablauf des Sturzvorgangs. Zu Beginn dominiert die potenzielle Energie, die mit zunehmender Fallhöhe abnimmt. Gleichzeitig steigt die kinetische Energie an, bis sie kurz vor dem Eingreifen des Sicherungssystems ihr Maximum erreicht. Anschließend wird diese Energie in Form von Verformungsarbeit im System gespeichert. Das Ende des Sturzvorgangs ist durch die maximale Verschiebung des Systems gekennzeichnet.
 

Fazit 

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass numerische Modelle ein leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse komplexer Lifeline- Systeme darstellen. Die enge Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment bestätigt die Validität des gewählten Ansatzes. Insbesondere der Energieansatz erweist sich als geeignet, um den Sturzvorgang physikalisch zu beschreiben und die Verformungen im System vorherzusagen. Gleichzeitig macht die Untersuchung deutlich, wie entscheidend das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ist. 

Für die Praxis bedeutet dies: Mithilfe solcher Modelle können Lifeline-Systeme nicht nur besser verstanden, sondern auch gezielt optimiert werden.¹