Grabenrettungsverbau: Mythen oder Wissenschaft? Teil 2

Von RON ZAWLOCKI

Verschiedene Verbaukonstruktionen für die Grabenrettung haben Einzug in die Feuerwehr gehalten. Nur wenige wurden von professionellen Ingenieuren entwickelt oder überprüft, und noch weniger wurden in ihrer Funktionsposition (z. B. in einem Graben) getestet. Mehrere dieser Entwürfe wurden auf Prämissen entwickelt, die nicht auf technischen Prinzipien (Wissenschaft) basieren.

Lesen Sie hier Teil 1.

Die Entwicklung von Bodenrückhaltesystemen muss professionellen Ingenieuren überlassen werden. Feuerwehrleute haben sich „aus ihrer Spur gewagt“, indem sie unerprobte Stützkonstruktionen wie Punktstütz- und Druckblocksysteme gefördert haben. Im Folgenden werden wir zwei solcher Designs untersuchen.

In jüngster Zeit hat eine unwissenschaftliche Praxis begonnen, den Feuerwehr- und Rettungsdienst zu durchdringen. Die Prämisse ist, dass die Verbauung ohne den Einsatz von Paneelen, die so genannte Punktverbauung, eine sichere Praxis bei Grabenrettungseinsätzen sein kann. Es gibt keine technischen Grundsätze oder Praktiken und keine tabellarischen Daten des Verbauherstellers, die den Einsatz von punktueller Verbauung bei den instabilen und dynamischen Bodenbedingungen unterstützen, die mit Grabenrettungsvorfällen einhergehen.

Obwohl punktuelles Verbauen bei eingeschränkten Bodenbedingungen wirksam sein kann, können diese Bedingungen nicht durch schnelle Sicht- oder Feldtests ermittelt werden. Trotz dieser Tatsachen hat die National Fire Protection Association (NFPA) fälschlicherweise die folgende Arbeitsleistungsanforderung in NFPA 1006, Standard for Technical Rescue Personnel Professional Qualifications, Ausgabe 2021, veröffentlicht: „12.3.7, Nutzen Sie Spot-Shoring-Techniken, um den Boden ohne Einbau von Pfosten oder Stützen zu stützen.“ Paneele als Teil des Verbauplans, bei einem Grabenvorfall, Grabenrettungswerkzeugkasten, tabellarische Daten und Grabenverbauplan, damit der Boden nicht einstürzt.“

Der Mythos vom Spot-Shoring geht davon aus, dass Spot-Shoring nur dann eingesetzt wird, wenn die Bodenbedingungen geeignet sind. Damit die Verwendung von Spot-Shoring als sicher gilt, muss ein gut ausgebildeter und erfahrener Mitarbeiter eine umfassende Bodenanalyse durchführen. Ersthelfer können eine visuelle Analyse der Bedingungen durchführen und schnell und genau feststellen, wann die Bodenbedingungen für eine Verbauung ohne Einbau von Pfosten oder Paneelen (punktuelle Verbauung) nicht sicher sind.

(1, 2) Bei der Anwendung auf die instabilen und dynamischen Bodenverhältnisse, die bei den meisten Grabenrettungseinsätzen auftreten, sind Punktufer und orangefarbene Sprühfarbe gleichermaßen unzuverlässig und gefährlich. (Fotos mit freundlicher Genehmigung des Autors.)

Zu diesen Bedingungen gehören alle Anzeichen von aktivem (sich bewegendem) Boden, wie z. B. Einsturz der Grabenwand, Ausbeulung, Heben, Fließen, Ablösen und Aufwirbeln. Wenn diese Anzeichen nicht sofort erkennbar sind, ist es leider nicht möglich, die erforderliche Bodenanalyse durchzuführen, um schnell und genau zu bestimmen, wann die Bedingungen für punktuelle Verbautechniken sicher sind.

Das Personal der Feuerwehr verfügt nie über genügend Erfahrung und wird nie ausreichend unterschiedlichen Bodentypen ausgesetzt sein, um effektiv die Bodenanalysen durchführen zu können, die zur Bestimmung dieser Bodentypen erforderlich sind. Dies führt auch dazu, dass Ersthelfer hochtechnische Entscheidungen treffen, die sich auf die Lebenssicherheit von Rettern und eingeschlossenen Opfern auswirken, ohne über die entsprechende Ausbildung, Erfahrung und Ausrüstung zu verfügen. Die falsche Entscheidung kann tödlich sein.

Laut Gesetz müssen Verbaukonstruktionen von professionellen Ingenieuren (PEs) erstellt werden. Beim Spotshoring handelt es sich um eine Verbaukonstruktion. Bisher konnten wir keinen einzigen PE finden, der einen punktuellen Verbauentwurf für den Einsatz in den schwachen und instabilen Bodenverhältnissen erstellt hat, die bei einem Grabeneinsturz (Rettung) vorgefunden wurden. Die folgenden Gründe für Ersthelfer, keine Spotverbauung zu verwenden, wurden von PEs zusammengestellt, die Experten für die Grabenrettungsverbauung sind.

Geotechnische Grundlagen. Dr. Oliver Taylor (PE/PhD), ein geotechnischer Forschungsingenieur beim US Army Engineer Research and Development Center, führte umfangreiche Untersuchungen zum Spot-Shoring durch. Seine Forschung umfasste fast 75 Jahre geotechnischer akademischer Veröffentlichungen und fand keine Unterstützung für die Verwendung von Punktufern bei kollabierten (schwachen/instabilen) Bodenbedingungen. Tatsächlich kam Taylor zu dem Schluss, dass veröffentlichte und laufende Untersuchungen dringend davon abraten, Punktufer ohne Stützen (Pfosten) oder Paneele in Grabenrettungsszenarien zu verwenden. Im Jahr 2019 sagte er: „Geotechnische Entwurfskriterien sowie verschiedene State Departments of Transportation (DOTs) erlauben die Verwendung von Bodennägeln oder Punktufern für Typ-C-Bodenbedingungen, insbesondere für Böden, die anfällig für Einsturz sind [z. B. einen Graben]. Fehlerbedingung].“

Tabellierte Daten des Herstellers. Nach einer Durchsicht tabellarischer Daten der vier größten Hersteller von pneumatischen Stützen kam PE Craig Dashner zu dem Schluss: „Die einzigen zwei Hersteller, die tabellarische Daten für Spot-Shoring angeben, sind Hurst/Airshore und Prospan. In ihren tabellarischen Daten erfordern beide Produkte die Verwendung von Planen/Verkleidungen bei Böden vom Typ C oder bei Vorliegen von Ausfransungen. Da ein Versagen der Grabenwand als Ausfransungen gelten würde, erfordern die tabellarischen Daten von Hurst/Airshore und Prospan im Wesentlichen in allen Fällen von Grabeneinbrüchen eine Auskleidung. Paratech und ResQtec empfehlen dies nicht die Verwendung von Spot Shores in eingestürzten Gräben, für die keine tabellarischen Daten für diese Verwendung vorliegen. Die Verwendung von Spot Shores bei Grabeneinsturzvorfällen steht im direkten Widerspruch zu allen tabellarischen Daten des Herstellers.“

Zusammenbruch verursachen. Untersuchungen von Dr. Marie LaBaw (PE/PhD) aus dem Jahr 2009 ergaben, dass die Einleitung von Strebenaktivierungskräften über kleine Oberflächenbereiche (punktuelle Uferbasen und Schienen) direkt auf schwache Grabenwände zu Bodenversagen (Einsturz) führen kann, anstatt es zu verhindern. Direkt an der Grabenwand angebrachte Streben (Spot Shore) können zu einem zusätzlichen Versagen führen und den Graben weniger stabil machen, als wenn keine Strebe angebracht wäre. Die Strebe allein reicht nicht aus, um eine Baugrubenwand zu halten, da sie diese Widerstandskraft nur auf einen sehr kleinen Bereich (Strebenbasis) und nicht auf die gesamte Wand ausübt. Das bedeutet, dass es ohne entsprechende Verbauung zu freiliegenden und unberücksichtigten Belastungen an der Grabenfläche kommt. Wenn die innere Festigkeit des Bodens nicht ausreicht, um dem entgegenzuwirken, ist es wahrscheinlich, dass diese freiliegende Kraft die Grabenwand sprengt (dh zum Einsturz bringt). In einem Graben mit instabilen und dynamischen Bodenverhältnissen ist die Folge wahrscheinlich ein fortschreitendes Versagen der Grabenwand.

Strebenintervalle. Punktufer lassen unbefestigten Boden zwischen den Streben zurück. Dashner sagt: „Der Boden zwischen den Ufern ist nicht gestützt und kann bei schwachen Bodenbedingungen zusammenbrechen.“ Taylor fügt hinzu: „Um die sicherste Umgebung für Rettungseinsätze zu schaffen, muss der Grabenverbau den seitlichen Erddruck, den Schubdruck und die durch die Ufer selbst verursachten passiven Drücke ausgleichen. Punktufer ohne Verstärkungen und/oder Paneele können dem seitlichen Erddruck nicht standhalten. erfüllen keine Gleichgewichtsgleichungen und können Schubdrücke nicht auflösen. Darüber hinaus hinterlassen sie ungelöste Momente an der freigelegten Grabenfläche, wo Kräfte nicht offensichtlich oder nachweisbar sind.“ Abschließend sagt Taylor: „Es gibt keine Sicherheitsvorschriften, Konstruktionsrichtlinien oder solide geotechnische Grundsätze, die den Einsatz von Punktverbau in der im NFPA 1006-Standard festgelegten Weise unterstützen.“

Es gibt nur sehr wenige Bodenverhältnisse, die mit „Spot Shores“ sicher abgestützt werden können; diese Bodenbedingungen hängen von einer Vielzahl bodencharakteristischer Eigenschaften ab – zum Beispiel Korngröße, Winkligkeit, Rundheit und Verteilung; Steifheit und Starrheit auf dem intakten Boden; und Umgebungsbedingungen wie Sättigung, Temperatur, Materialheterogenität und Zusatzgewichte von Abraumhalden sowie Aushubgeräten und -materialien, die nicht schnell durch Sicht- oder Feldtests bestimmt werden können und außerhalb der Fähigkeit von Ingenieuren und erst recht von Ersthelfern liegen, diese zu bestimmen Variablen an einer eingestürzten Grabenstelle.

Den Feuerwehrleuten wurden die folgenden Mythen über die Konstruktion von Stützblöcken beigebracht:

Im Folgenden finden Sie die wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Konstruktion von Druckblockverbausystemen.

Zur Abstützung der Innenecke sind keine Diagonalstreben erforderlich. Die häufigste Einsturzstelle bei einem L-förmigen Graben ist die Innenecke, die den schwächsten Abschnitt des Grabens darstellt, da dort zwei nicht unterstützte Bodenflächen (Wände) aufeinander treffen. Das Versagen beginnt mit Rissen entlang der Bodenoberfläche in einem Winkel von etwa 45° zwischen den beiden Wänden. Die Schwerkraft erzeugt dann einen Bruch, der sich von der Oberfläche bis in den Graben fortsetzt und dazu führt, dass der Erdkeil eckig in den Graben kollabiert.

Abbildung 1.Einfaches Traggerüstdesign für Innenecken

Durch die Verwendung hochwertiger Verbundplatten und speziell entwickelter Streben kann diese einfache Traggerüstkonstruktion ein Versagen einer Innenecke abfedern, ohne dass die mit abgewinkelten Streben verbundenen Gleitkräfte (Vektoren) entstehen. (Abbildung von Craig Dashner, PE.)

Figur 2.Druckblock-Verbaukonstruktion (nicht empfohlen)

Abbildung von Craig Dashner, PE.

Abbildung 1 zeigt die Vektoren eines Keilversagens an der Innenecke eines sich kreuzenden Grabens. Dieses einfache Verbaudesign fängt den Boden in der Innenecke ein, indem an der Innenecke angrenzende Paneele mit Paneelen direkt über dem Graben (Außenwände) und senkrecht zu den Wänden angebrachten Streben verwendet werden. Wenn Sie Paneele und Streben verwenden, die stark genug sind, um die Last zu tragen, sind keine Diagonalstreben zur Unterstützung der Innenecke erforderlich. Die Installation von Druckblöcken und Diagonalstreben zur Abstützung einer Innenecke ist eine Verschwendung von Zeit, Ausrüstung und Mühe. Erschwerend kommt hinzu, dass die Vektoren, die mit den Kräften auf Diagonalstreben einhergehen, dazu führen können, dass die Paneele an der Innenecke verrutschen und ein Totalversagen des Verbausystems zur Folge haben kann.

Die Belastung vom äußeren Eckbereich eines L-förmigen Grabens ist einfach, aber wenn sie die abgewinkelten „Druckblock“-Streben erreicht, werden die Vektoren (Richtung und Größe) erheblich komplizierter. Abbildung 2 zeigt den Lastpfad bei einem Außenwandversagen an einem „Druckblock“-Verbausystem. Winkelstreben und Druckblöcke entwickeln sowohl Lager- als auch Gleitkräfte. Wenn die Gleitkräfte den Widerstand überwinden, gleiten die Riegel, Paneele und Streben und bieten kaum oder gar keinen Widerstand gegen das Zusammenfallen. Sobald das Verbaugerät zu gleiten beginnt, nimmt der Reibungswiderstand deutlich ab, sodass die Riegel, Paneele und Streben weiter gleiten, bis das System versagt.

Normalerweise berühren sich die Maschenstäbchen an ihren Enden in der Ecke direkt. Wenn sie jedoch nicht in direktem Kontakt stehen, stellen die äußeren Druckblöcke einen indirekten Kontakt zwischen den Maschenstäbchen her, was zu einer unerwünschten Bewegung beider Maschenstäbchen und der daran befestigten Streben führt. Immer wenn ein System belastet wird, kommt es zu einer Durchbiegung. Jede Ablenkung am Ende von Riegel Nr. 1 drückt Riegel Nr. 2 an der Wand herunter, und jede Ablenkung von Riegel Nr. 2 drückt Riegel Nr. 1 an der Wand herunter.

(3)Bei der Verbaumethode mit Druckblöcken gibt es mehrere Konstruktionsfehler, die zu Systemausfällen führen können.

Foto 4 zeigt das Ergebnis, wenn die Last die Maschenstäbchen von links nach rechts drückt. Die Last beginnt im Boden der äußeren Eckwand und überträgt sich auf die Paneele und dann auf den Riegel Nr. 1. Der äußere Druckblock überträgt dann die Last teilweise auf die Diagonalstreben und teilweise auf Riegel Nr. 2 in den durch die roten Pfeile angezeigten Richtungen. Die Riegel (oben und unten) gleiten nach rechts und nehmen dabei die Streben mit.

(4)Durch die durch das Verrutschen der Riegel gelösten Streben ist die gesamte Wand nicht vor dem Einsturz geschützt.

Die Quintessenz ist, dass die Aktivierungskraft der Streben, die senkrecht zu den Grabenwänden stehen, und der Reibungskoeffizient nicht genügend Widerstand bieten können, um ausreichend zu verhindern, dass die Streben und die Streben selbst an der Wand herunterrutschen. Um zu verstehen, warum das so ist, bedenken Sie, dass die meisten Aktivierungskräfte der Federbeine bei etwa 1.000 Pfund liegen. In diesem Fall könnte man vermuten, dass jede senkrechte Strebe einer von der Seiten- oder Stirnwand ausgehenden Kraft von 1.000 Pfund standhalten könnte. Allerdings haben die Platten hinter den Streben, die die Grabenwand berühren, eine rutschige Oberfläche. Sie haben typischerweise einen Reibungskoeffizienten auf dem Boden von etwa 0,5, was bedeutet, dass nur die Hälfte dieser Kraft aus der Strebenaktivierung einer seitlichen Belastung standhalten kann. Somit widersteht jede senkrechte Strebe, die bei einer Aktivierungskraft von 1.000 Pfund installiert ist, nur einer Gleitkraft von 500 Pfund.

Da alle Rettungsstützsysteme einen Sicherheitsfaktor von mindestens 2:1 haben müssen, können wir uns nur darauf verlassen, dass jede dieser Stützen einer Gleitkraft von 250 Pfund standhält. Im besten Fall kann das Druckblock-Verbausystem nur einigen Hundert Pfund seitlicher Bodenkraft standhalten, die bei einem Einsturz der Außenwand entsteht; Dies ist ein wesentlicher Konstruktionsfehler des Druckblocksystems.

Figur 3.Konstruiertes L-Grabenverbau-Design (empfohlen)

Abbildung von Craig Dashner, PE.

Die derzeitige geotechnische seitliche Bodenkraft, zu der auch Überlastungen gehören, kann viel höhere Kräfte erreichen – 22.000 Pfund über einen 4 × 4 Fuß großen Abschnitt der Grabenwand. Zusätzlicher Widerstand gegen die Gleitkraft sowohl an den Innen- als auch an den Außeneckwänden ist für die sichere Verwendung des Druckblocksystems unerlässlich, wird jedoch selten gelehrt oder bereitgestellt, da es sich um einen schwierigen und sehr zeitaufwändigen Prozess handelt. Der Widerstand gegen diese Gleitkräfte kann durch eine Reihe richtig platzierter Pfosten gelöst werden. Pfosten können jedoch nur verwendet werden, wenn der Graben breit genug ist (Pfahllänge und genügend Platz zum Schwingen von Vorschlaghämmern), um sie anzubringen.

Leider werden diese Informationen von den meisten falsch informierten Ausbildern, die die Druckblockmethode unterrichten, nicht berücksichtigt. Wenn wir die erforderliche Systemfestigkeit mit der Widerstandsfestigkeit des Druckblocksystems vergleichen, sollte klar sein, dass wir mit dem Lehren aufhören und die Druckblock-Verbaukonstruktion nicht mehr verwenden müssen.

Eine einfache Lösung, die die bei abgewinkelten Streben auftretenden Gleitkräfte eliminiert, ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Kapazität dieser Verbaukonstruktion kann leicht erhöht werden, indem die Länge des auskragenden Abschnitts der Riegel verkürzt wird, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Kapazität davon Die Tragfähigkeit des Verbausystems kann um 150 % erhöht werden, indem die Streben in Abständen von 2 Fuß (horizontal) angeordnet werden (Tabelle 1). Dieses konstruierte und getestete Verbaudesign mit 7 x 7 Zoll großen Furnierschichtholzstäben (LVL) ist eine „Best Practice“ für L-förmige Gräben.

RON ZAWLOCKI ist ein 48-jähriger Feuerwehrveteran, der seine Feuerwehrkarriere 1974 bei der Feuerwehr von Detroit (MI) begann. 1977 trat er der Feuerwehr von Pontiac (MI) bei und arbeitete dort bis zu seiner Pensionierung als Bataillonschef im Jahr 2007. Er ist Leiter eines Rettungsteams bei der Urban Search and Rescue Task Force (MI-TF1) in Michigan. Zawlocki war Mitglied lokaler, bundesstaatlicher und nationaler Ausschüsse für Feuerwehrsicherheit und technische Rettung und leistete Pionierarbeit bei der zerstörerischen Prüfung von Grabenrettungsverbausystemen zur Validierung von Sicherheitsfaktoren. Er hat fast 1.000 Schützengräben gesichert. Vor kurzem hat Zawlocki mit einem Team professioneller Ingenieure von USACE und FEMA sowie einem SUSAR-Strukturspezialisten einen Leitfaden für die Verbauung von Grabenrettungen entwickelt. Zawlocki hat einen Bachelor-Abschluss in Sekundarschulbildung mit einem Aufbaustudium in Erwachsenenbildung und Kursentwicklung. Er unterrichtet seit fast drei Jahrzehnten Brand- und Rettungskurse in den Vereinigten Staaten, Kanada, Mexiko und im Nahen Osten, hat mehrere technische Rettungsschulungsprogramme entwickelt und ist Mitautor des Buches „Trench Rescue: Principles and Practice for NFPA Standards 1006 and 1670“. verfasste Lehrbücher sowie Artikel, die in nationalen Feuerwehr- und Rettungsdienstzeitschriften veröffentlicht wurden.