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Hans Starl simuliert mit seiner Hagelkanone Unwetter © EPZ/IBS/BVS Linz
Hans Starl simuliert mit seiner Hagelkanone Unwetter © EPZ/IBS/BVS Linz

Kooperationsmeldung

Hagelforschung: Aus Schaden wird man klug

24.04.2018

Diese Meldung ist Teil der Reportage-Reihe "APA-Science zu Besuch ..."

Was hier erforscht und getestet wird, ist eine Katastrophe - im wahrsten Sinn. Denn es geht um Brände, Stürme und Hagelunwetter. Vor allem letztere haben es Hans Starl vom Elementarschaden Präventionszentrum (EPZ) angetan: Der Bauingenieur schießt mit einer eigens konstruierten Hagelkanone auf Dachziegel, Fassadenelemente, Windschutzscheiben und Co. Aber nicht aus Jux und Tollerei, sondern um zu simulieren, wie die einzelnen Baustoffe auf die Naturgewalten reagieren.

"Über Hochwasser, Schneedruck und Sturm weiß man bereits viel. Hagel war da bisher ein Stiefkind", verweist der Leiter der Abteilung für Naturkatastrophenprävention am EPZ in Linz auf eine Forschungslücke. Und da Hagelschäden richtig viel Geld kosten, sind naturgemäß auch die Versicherungen an den Ergebnissen interessiert. So hat im Jahr 2000 ein 40 Minuten dauernder Hagel im Gebiet Gmunden/Ohlsdorf (Oberösterreich) rund 400 Mio. Euro an Gebäudeschäden verursacht. "Das sind zehn Millionen Euro pro Minute", so Starl im Gespräch mit APA-Science. Den Herstellern kann mit den Tests dabei geholfen werden, ihre Produkte zu optimieren.

Lange wurde an der Hagelkanone getüftelt, optimiert und getestet. Jetzt dient sie dazu, "echte" Schäden zu simulieren - und das reproduzierbar. "Wichtig ist, dass wir am Montag dasselbe Ergebnis erzielen wie am Freitag", erklärte Starl. Konkret werden genormte Eiskugeln mit einem Durchmesser von bis zu sieben Zentimeter mit bis zu 140 km/h auf Objekte geschossen. Die Geschwindigkeiten entsprechen den natürlichen Fallgeschwindigkeiten von Hagelkörnern ähnlicher Durchmesserklassen. Inzwischen erreiche man bei den Beschüssen eine "erschreckend genaue Übereinstimmung mit der Natur".

Kaputte Windschutzscheiben und Schlüsselbeine

Während bei Körnern mit drei Zentimeter Durchmesser (Hagelwiderstandsklasse 3; HW3) wenig bis keine Gebäudeschäden zu erwarten sind, zeigt sich bei Autos schon ein typisches leichtes Wellenmuster. HW4 entspricht Tischtennisball-Größe, bei HW5 brechen Windschutzscheiben und mit HW6-Hagelkörnern könne man problemlos einen Fahrradhelm durchschießen. "Wenn die Leute bei Hagel rauslaufen und beispielsweise noch schnell ihr Auto abdecken wollen, können ernsthafte Verletzungen wie beispielsweise Knochenbrüche passieren", wies der gebürtige Steirer auf die enormen Kräfte hin.

"Ich will jetzt nicht sagen, dass die Arbeit nicht hin und wieder Spaß macht", so Starl beim "Aufmunitionieren" der rund 1,7 Meter hohen Kanone, die von regionalen Spezialisten in der Garage entwickelt wurde. Auch die Eiskugeln stammen aus der Umgebung - vom Konditor und Eiskünstler Hannes Lubinger, der gemeinsam mit dem Schwesterinstitut IBS (Institut für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung) auch ein Patent auf den Herstellungsprozess angemeldet hat. Zuvor waren mehrere Anläufe gescheitert, exakt gleich schwere Kugeln ohne Risse oder Lufteinschlüsse zu produzieren. Jetzt werden in einer Wanne mit Glykol Eisblöcke hergestellt, die von unten nach oben durchkühlen. Diese werden dann in Würfel geschnitten und mit zwei Halbschalen zu Kugeln geschmolzen.

Die jeweilige Kugel wird - natürlich mit Handschuhen - in ein Kunststoffrohr eingelegt und abgefeuert. Bei den anfänglich eingesetzten Aluminiumrohren sind die Kugeln laut Starl "rausgeronnen". Der zum Erreichen der jeweiligen Geschwindigkeit notwendige Luftdruck wird vom System automatisch auf das Gewicht der Kugeln abgestimmt. Entwickelt wurde diese Funktion in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule (FH) Wels. Vom Rausnehmen aus dem Kühlbehälter, in dem es minus 20 Grad hat, bis zum Beschuss darf maximal eine Minute vergehen. Nach dem Versuch wird das Bauteil einer Hagelwiderstandsklasse zugeordnet und erforscht, wie man das Produkt resistenter machen kann.

Mehr als 12.000 Eiskugeln verschossen

Zwar gebe es inzwischen insgesamt vier entsprechende Geräte in Europa, die Konkurrenz hinke aber deutlich hinterher. Sie würden größere Schwankungsbreiten bei den Ergebnissen aufweisen und weniger rasch hintereinander Schüsse abgeben können. Größere Unternehmen kommen rund zwei Mal im Jahr zum EPZ testen. Insgesamt habe man schon mehr als 12.000 Kugeln verschossen, erklärte Starl, der seine Diplomarbeit zum Thema Naturkatastrophenprävention an der Technischen Universität (TU) Graz geschrieben hat.

Hagel trete heutzutage nicht unbedingt häufiger, aber intensiver auf. Konkret gebe es die Tendenz, dass die Hagelkörner auch aufgrund der klimatischen Veränderungen größer werden. Dadurch steigen auch die Schadenssummen und die Anforderungen an Bauteile. Die Durchschnittsschäden bei Sturm und Hagel seien auf zehn, fünfzehn Jahre gerechnet ungefähr gleich hoch, "weil der Sturm kommt halt drei Mal in der Zeit, macht dabei aber weniger kaputt".

Teurer kommen Hagelunwetter auch durch aktuelle Trends im Bauwesen und veränderte ästhetische Anforderungen an Gebäude. So würden momentan sehr viele Wärmedämmverbundfassaden mit wenigen Millimetern Putzschicht im Rahmen von thermischen Sanierungen verbaut, die deutlich empfindlicher als herkömmliche Fassaden sind. "Außerdem kann man die Wärmedämmverbundsysteme nicht punktuell reparieren, weil man die Farbgebung nicht mehr hinbekommt und die ästhetischen Anforderungen an Gebäude enorm gestiegen sind. Das wird fast schon wie ein Kratzer im Auto gesehen", so Starl.

Die größten Hagelzonen würden sich in Österreich in etwa dort befinden, wo die Besiedelung am dichtesten sei, verwies der Experte auf die Hagelkarte der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG). "Anhand dieser Hagelkarte kann der Häuslbauer feststellen, ob er ein Hagelwiderstand 3- oder Hagelwiderstand 5-Produkt braucht." Für die Auswahl stehe ein eigenes Hagelregister zur Verfügung, das inzwischen mehr als 450 Baumaterialien umfasst, die auf Hagel-Resistenz geprüft worden sind.

Bitteres Versagen in der letzten Minute

Getestet werden Bauprodukte und Baustoffe im IBS aber nicht nur auf Hagel, sondern auch auf Feuerwiderstand und Brandverhalten. Dafür steht unter anderem ein Ofen bereit, mit dem bis zu neun Meter hohe Bauteile geprüft werden können. Hier zeigt sich, ob ein Tunneltor tatsächlich 90 Minuten bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad aushält. Zehn Gasbrenner liefern die notwendige Energie. "Für die Hersteller ist es natürlich bitter, wenn ihre Produkte bei einer Prüfdauer von 90 Minuten gerade in der letzten Minute versagen", so Starl gegenüber APA-Science.

Die Kunden können die Prüfkörper - beispielsweise Fassaden- oder Schiebetorelemente - während der Tests von hinten oder vorne filmen. Außen darf die Temperaturerhöhung maximal 140 Grad betragen, so dass sich brennbare Materialien (etwa Vorhänge) nicht entzünden würden. Mit einem Wattebausch wird das getestet. Derzeit gehe der Trend aber auch in Richtung von Simulationen.

Dieses Themenfeld will das IBS als Mitglied des Forschungsnetzwerks Austrian Cooperative Research (ACR) in einem Projekt mit der TU Graz vorantreiben. Zwar sei eine Realprüfung nicht ersetzbar, "aber ein Großteil der Fehlprüfungen könnte vermieden werden", ist der Experte überzeugt. Derzeit liege die Rechendauer aber noch im Bereich von mehreren Tagen.

Ein weiteres, höchst aktuelles Forschungsfeld ergibt sich aus dem Trend zur E-Mobilität: Hier könnten Akkumulatoren als stationäre Energiespeicher im Keller eingesetzt werden, wenn ihre Leistung nicht mehr befriedigend für einen Betrieb im Fahrzeug ist. "Aber wie sieht es da mit der Brandgefahr, dem Löschen und der Produkthaftung aus, wenn ich die Ölheizung durch ein Akkupack ersetze? Wird bei einem Brand dadurch die Feuerwehr gefährdet? Hier sind noch viele Fragen offen", so Arthur Eisenbeiss, Geschäftsführer der BVS Brandverhütungsstelle Oberösterreich, Mutter der IBS.

Große Fortschritte bei Hangwasser-Simulation

Intensiv beschäftigen würde man sich am EPZ auch mit dem Thema Hangwasser - ausgelöst durch beispielsweise Starkregen. "Besonders in der der Simulation haben wir sehr große Fortschritte gemacht. Man weist dem Boden Sickerungsfähigkeiten und Rauigkeitsbeiwerte zu - eine Straße hat beispielsweise praktisch keine Versickerung und sehr wenig Rauigkeit, so dass das Wasser hier schnell abfließt. Dann lässt man es draufregnen und sieht wie sich die Hauptzuflusswege und natürlichen Speicher füllen bis sie überfüllen und dann meist unkontrolliert abfließen", sagte Starl, der über dieses Thema gerade seine Dissertation schreibt. Indem man tatsächliche Ereignisse nachrechne, könne man feststellen, wie weit die Simulation noch von der Realität entfernt sei. Auch hier forsche man zusammen mit dem ACR.

Da entsprechende Daten beinahe flächendeckend vorhanden seien, könnte man die jetzt punktweise durchgeführten Berechnungen auch für das ganze Bundesland machen. Im urbanen Gebiet stehe man aber vor Herausforderungen, "weil jede Gehsteigkante, jede Gartenmauer zu massiven Veränderungen führt. Da ist die Frage, ob sich das rentiert." Aber bis zu den Grenzen der Gemeinden, wo die Bebauung dichter wird, "stimmen die Berechnungen brutal". Abseits der Forschung seien viele Schäden auch mit gesundem Hausverstand vermeidbar: "Wasser fließt bergab und wenn wer anruft und sagt, er wohnt in der Au, 'Am Moos' oder Ried (althochdeutsch für 'sumpfige Wiese') weiß man meist, welches Problem er haben wird. Flurnamen sind ja nicht von den Bauern zufällig vergeben worden", erklärte Starl.

Von Stefan Thaler / APA-Science

Service: Videos: https://www.youtube.com/watch?v=MT3t8Cfjy2Y, https://www.youtube.com/watch?v=AXvYEdgXAso&feature=youtu.be

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