PESTAL 2.0: Evaluierung eines Modells zur Schätzung des Verankerungswiderstands von Baum- und Stockankern und Test eines smarten Frühwarnsystems für Ankerversagen

Projektleitung

Karl Stampfer

Forschungseinrichtung

Universität für Bodenkultur - Department für Wald- und Bodenwissenschaften Institut für Forsttechnik

Projektnummer

101588

Projektlaufzeit

-

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Allgemeine Projektinformationen

Schlagwörter (deutsch)

Holzernte, Baum- und Stockanker, Ankerversagen, Steilgelände, seilgestützte Holzernte, traktionswindenunterstützte Holzernte

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

Evaluation of a model for estimation of tree and stump anchorage and test of an smart early warning system for anchor failure

Abstract (englisch)

Tree and stump anchors are the most common type of anchors used in timber harvesting with cable yarders and winch-assisted harvesting systems. Anchor failure presents a serious risk to occupational safety and accidents connected to anchor failure are often associated with severe damage to man and machine. Therefore, selection of suitable anchors is a critical task in operation planning, and has, due to climate change related stress of trees and thus decreasing tree stability, become a more difficult one. Selection of anchors is a considerably complex decision, as anchorage of tree and stump anchors is affected by terrain, tree dimensions, vitality, soil type, soil moisture, force application point and magnitude of applied force. Therefore, it has been tried to boil down this considerably complex decision to rules of thumb or simple formulas, most of them in relation to the diameter of breast height. A recently developed static model may allow to provide a more reliable estimation of the anchorage of tree- and stump anchors through comprehensive assessment of the factors determining anchorage. Further, contrary to previous models, it is applicable to both cable yarding and winch-assisted machinery cases.
The goal of the present project is to evaluate the developed model’s accuracy during empirical field tests and to investigate if anchor failure can be predicted through monitoring of changes in the position of the anchor (movement in horizontal and vertical direction, tilt, rotation). To this end, tree and stump anchors shall be brought to failure with a tractor-mounted winch in ways that represent typical load cases in cable yarding and winch-assisted timber harvesting. The pull force required for anchor failure is measured with a load shackle and recorded alongside changes of anchor position. Data is then merged with tree and soil characteristics and compared to the estimate of the model. Further, positioning data is analysed in relation to tree and soil parameters to investigate if anchor failure can be predicted from this data and if this could find application in a smart, low-cost early warning system.

Projektziele

Das Projekt hat zwei konkrete Ziele, die mithilfe ein und desselben Versuchsaufbaus erreicht werden können:

1) Evaluierung eines in einem Vorprojekt entwickelten statischen Modells zur Schätzung des Verankerungswiderstands von Baum- und Stockankern hinsichtlich seiner Prognosegenauigkeit im Vergleich zur Beobachtung und der Schätzung nach Pestal. Zu diesem Zweck sollen Baum- und/oder Stockanker mithilfe einer Traktorseilwinde zum Versagen gebracht werden. Es sollen dabei verschiedene Belastungsfälle (Seilgerät, traktionwindenunterstützte Maschine) nachgestellt werden. Darüber hinaus soll die Auswirkung dynamischer Belastungen auf den Verankerungswiderstand und dessen Verlauf untersucht werden.

2) Untersuchung des Zusammenhangs von Lageveränderung (horizontale und vertikale Verschiebung, Neigung, Rotation) und des Versagens von Baum- und/oder Stockankern und Prüfung ob diese als Grundlage für ein Frühwarnsystem zur Verhinderung von Ankerversagen dienen könnte; im Erfolgsfall Entwicklung eines Prototyps auf Basis eines Minicomputers.

Praxisrelevanz

Die Forstwirtschaft, und dabei insbesondere die Holzernte, gehört zu den unfallträchtigsten Branchen. Wie eine Untersuchung der Arbeitsunfälle der österreichischen Bundesforste von Tsioras et al. (2014) zeigte, kommt es besonders bei der Seilrückung zu vielen Unfällen. Eiwegger (2009) stellte fest, dass schnellende Seile, fallende Gegenstände bzw. Stützen und Ankerbäume für mehr als 60% der Unfälle verantwortlich waren. Zwar ist das Versagen von Ankerbäumen ein eher seltenes Ereignis, hat aber meist Unfälle von besonderer Schwere zu Folge. Aus diesem Grund ist die Unfallprävention hier von besonderer Bedeutung. Die Ergebnisse des im Rahmen des Projektes evaluierte Modells können den Praktiker dabei unterstützen die Ankerauswahl nach objektiv nachvollziehbaren Kriterien zu treffen und so die Versagenswahrscheinlichkeit zu reduzieren. Sollte es zudem möglich sein, Lageveränderungen von Ankern zur Detektion eines drohenden Ankerversagens zu nutzen, so könnte daraus ein kostengünstiges Frühwarnsystem auf Basis von Minicomputern (z.B. Rasperry Pie) entwickelt werden.

Berichte

Abschlussbericht , 06.11.2023

Kurzfassung

Die seilgestützte und -unterstützte Holzernte benötigt Anker. Bei der Seilrückung werden diese zum Abspannen des Mastes, zur Verankerung des Tragseils am Ende der Seillinie und zum Abspannen von Stützenbäumen entlang der Seillinie benötigt, während bei der traktionswindenunterstützten Holzernte Anker zur hangoberseitigen Befestigung des Windenseils eingesetzt werden. Die Verwendung von Baum- und Stockankern ist eine zeit- und kostensparende Alternative zu künstlichen Ankern. Innerhalb der Verankerungsfällen bei Seilgeräten ist gleich, dass die Zugbelastung des Ankers eine Vertikalkomponente enthält, der Anker also zum Teil aus dem Boden gezogen wird. Im Gegensatz dazu erfolgt der Zug bei traktionswindenunterstützten Maschinen üblicherweise hangparallel. Auf den Anker wirkt also vor allem eine laterale Zugbelastung. Beanspruchungsspitzen auf den Anker entstehen hier während des Ladens sowie bei der unbeladenen Fahrt. Mit Blick auf die Arbeitssicherheit kommt der Stabilität der Anker eine enorme Bedeutung zu, denn neben Seilrissen und herunterfallenden Objekten stellt das Versagen von Ankern die größte Unfallgefahr dar. Umso wichtiger ist es, belastbare Informationen über die Sicherheit eines Ankers zu haben bzw. ermitteln zu können, was Wissenschaft und Praxis allerdings vor große Probleme stellt. Dies vor allem, weil es generell wenig Information über die Widerstandsfähigkeit von Bäumen als Anker gibt (schwierige Erhebung der Verankerung im Boden, mögliche Beschädigungen sind schwer zu detektieren, komplexes System an Einflussfaktoren und Wechselwirkungen usw.). Studien, die sich mit der Widerstandskraft von Bäumen beschäftigen, stehen großteils im Zusammenhang mit der Stabilität gegen abiotische Einflüsse, insbesondere. Dies ist auch ein Grund, warum die Literaturwerte von Pestal (1961), neben persönlichen Erfahrungswerten, immer noch der Stand der Praxis bei der Bewertung der Stabilität von Ankern sind. Dieses Projekt analysiert daher bestehende Ansätze, validiert Modellansätze und ist Ausgangspunkt für zukünftige Frühwarnsysteme.

Berichtsdateien

Endbericht_Pestal_v6.pdf

Abstract (deutsch)


Die seilgestützte und -unterstützte Holzernte benötigt Anker. Bei der Seilrückung werden diese zum Abspannen des Mastes, zur Verankerung des Tragseils am Ende der Seillinie und zum Abspannen von Stützenbäumen entlang der Seillinie benötigt, während bei der traktionswindenunterstützten Holzernte Anker zur hangoberseitigen Befestigung des Windenseils eingesetzt werden.

Die Verwendung von Baum- und Stockankern ist eine zeit- und kostensparende Alternative zu künstlichen Ankern. Innerhalb der Verankerungsfällen bei Seilgeräten ist gleich, dass die Zugbelastung des Ankers eine Vertikalkomponente enthält, der Anker also zum Teil aus dem Boden gezogen wird. Im Gegensatz dazu erfolgt der Zug bei traktionswindenunterstützten Maschinen üblicherweise hangparallel. Auf den Anker wirkt also vor allem eine laterale Zugbelastung. Beanspruchungsspitzen auf den Anker entstehen hier während des Ladens sowie bei der unbeladenen Fahrt.

Mit Blick auf die Arbeitssicherheit kommt der Stabilität der Anker eine enorme Bedeutung zu, denn neben Seilrissen und herunterfallenden Objekten stellt das Versagen von Ankern die größte Unfallgefahr dar. Umso wichtiger ist es, belastbare Informationen über die Sicherheit eines Ankers zu haben bzw. ermitteln zu können, was Wissenschaft und Praxis allerdings vor große Probleme stellt. Dies vor allem, weil es generell wenig Information über die Widerstandsfähigkeit von Bäumen als Anker gibt (schwierige Erhebung der Verankerung im Boden, mögliche Beschädigungen sind schwer zu detektieren, komplexes System an Einflussfaktoren und Wechselwirkungen usw.). Studien, die sich mit der Widerstandskraft von Bäumen beschäftigen, stehen großteils im Zusammenhang mit der Stabilität gegen abiotische Einflüsse, insbesondere. Dies ist auch ein Grund, warum die Literaturwerte von Pestal (1961), neben persönlichen Erfahrungswerten, immer noch der Stand der Praxis bei der Bewertung der Stabilität von Ankern sind.

Dieses Projekt analysiert daher bestehende Ansätze, validiert Modellansätze und ist Ausgangspunkt für zukünftige Frühwarnsysteme.

Abstract (englisch)


Tree and stump anchors are the most common type of anchors used in timber harvesting with cable yarders and winch-assisted harvesting systems. Anchor failure presents a serious risk to occupational safety and accidents connected to anchor failure are often associated with severe damage to man and machine. Therefore, selection of suitable anchors is a critical task in operation planning, and has, due to climate change related stress of trees and thus decreasing tree stability, become a more difficult one. Selection of anchors is a considerably complex decision, as anchorage of tree and stump anchors is affected by terrain, tree dimensions, vitality, soil type, soil moisture, force application point and magnitude of applied force. Therefore, it has been tried to boil down this considerably complex decision to rules of thumb or simple formulas, most of them in relation to the diameter of breast height.

This project therefore analyzes existing approaches, validates model approaches and is the starting point for the development of future early warning systems.

Autor/innen

Hönigsberger, F., Kühmaier, M., Erber, G., Gollob, C., Nemestothy, N., Huber, C., Reisenbichler, M., Stampfer, K.