Eisstraße - Ice road

Für den Film 2021 siehe The Ice Road .

Eisstraße am Saimaa-See in Finnland .
LKW auf der ehemaligen Winterstraße zwischen Inuvik und Tuktoyaktuk .

Eine Eisstraße , auch Eisbrücke genannt , ist eine von Menschenhand geschaffene Struktur, die auf einer gefrorenen Wasseroberfläche (einem Fluss, einem See oder einer Meerwasserfläche) verläuft. Eisstraßen sind normalerweise Teil einer Winterstraße , können aber auch einfache eigenständige Strukturen sein, die zwei Küstenlinien verbinden. Eisstraßen können so geplant, gebaut und gewartet werden, dass sie sicher und effektiv bleiben, und eine Reihe von Richtlinien mit diesbezüglichen Informationen wurden veröffentlicht. Eine Eisstraße kann Jahr für Jahr gebaut werden, zum Beispiel um den Bedarf der Gemeinde im Winter zu decken. Es könnte auch ein oder zwei Jahre dauern, um bestimmte Betriebe wie ein Wasserkraftprojekt oder Offshore-Bohrplätze zu versorgen.

Eistragfähigkeit

Die Drücke des Wassers, verbunden mit dem Eisauftrieb , bilden bei kurzfristiger vertikaler Belastung eine Eisdecke (nach ). Nicht maßstabsgetreu — nur zur Veranschaulichung.

Die Fähigkeit einer vereisten Straße, das Gewicht eines Fahrzeugs (oder andere darauf aufgebrachte Lasten) sicher zu tragen , die als Tragfähigkeit bezeichnet wird , ist das Hauptanliegen bei der Planung, dem Bau und der Verwendung dieser Struktur. Im Allgemeinen reagiert eine vertikal belastete Eisdecke auf zwei Arten: 1) sie sinkt und 2) sie biegt sich durch Biegung. Um die Eistragfähigkeitskriterien zu erfüllen, darf die Oberfläche nicht unter die Wasserlinie absinken und die aufgebrachte Biegespannung darf die Biegefestigkeit des Eises nicht überschreiten . Drei Beladungsregime müssen berücksichtigt werden: a) maximales Gewicht für den normalen Gebrauch oder für das Parken während einer kurzen Dauer; b) eine Last, die über einen längeren Zeitraum stationär bleibt; und c) dynamische Belastung der Eisdecke von einem fahrenden Fahrzeug.

Maximales Gewicht

Für Standardverkehrsaktivitäten verwenden Richtlinien typischerweise eine einfache empirische Formel, um das maximale Fahrzeuggewicht zu bestimmen, das auf einer vereisten Straße erlaubt sein sollte. Diese Formel, die ursprünglich 1971 vorgeschlagen wurde, wird oft als Goldsche Formel bezeichnet :

wobei P die Last ist, h die Dicke und A eine Konstante mit einer Druckeinheit ist. Es kann mit einer idealisierten elastischen Reaktion der Eisdecke verbunden sein:

, oder

wobei σ max die maximale Zugfestigkeit am Boden einer unendlichen Eisplatte ist, die auf einem elastischen Fundament ruht. Der Parameter C basiert auf der Theorie der dicken Platten . Daher mit dieser idealisierten Formulierung A ist die Eisdecke Zugfestigkeit repräsentativ. Obwohl empfohlene Werte für A im Bereich von 3,5 bis 10 kg/cm 2 (~50-150 lbs/in 2 ) liegen, sind die unteren Grenzwerte im Allgemeinen diejenigen, die aus Sicherheitsgründen verwendet werden. Dieses Maß an Konservativität ist gerechtfertigt, da Natureisdecken im Gegensatz zu menschengemachten Materialien wie Stahl oder Beton von Natur aus viele strukturelle Mängel (Brüche, Wasser- und Lufteinschlüsse) aufweisen. Für eine relativ unkontrollierte öffentliche Straße bringt eine solche Vorgehensweise zudem einen hohen Sicherheitsfaktor gegen Durchbrüche und ist daher wünschenswert. Bei Industriestraßen kann das Design weniger konservativ sein, um ihren funktionalen Anforderungen gerecht zu werden, dh es können höhere A- Werte verwendet werden, jedoch unter genauer Aufsicht eines professionellen Ingenieurs.

Maximale Ladezeit

Freibord auf einer Eisstraße in verschiedenen Zeitabständen.

Bei der Gold-Formel wird von einer rein elastischen Reaktion ausgegangen, die definitionsgemäß augenblicklich und unabhängig von der Ladezeit ist. Eis existiert jedoch von Natur aus bei einer hohen homologen Temperatur , dh nahe seinem Schmelzpunkt. Wie bei jedem anderen Material unter dieser Bedingung ist die Reaktion auf Belastung nicht nur elastisch, sondern umfasst auch andere Komponenten, nämlich:

  1. Eine zeitabhängig rückgewinnbare Komponente - dies verursacht die Entwicklung von Mikrorissen, die zu Brüchen und schließlich zum Durchbruch führen können;
  2. Eine zeitabhängige, nicht wiederherstellbare Komponente – diese wird allgemein als Kriechen bezeichnet , was mit den für den Gletscherfluss verantwortlichen Mechanismen zusammenhängt.

Somit kann eine Eisdecke ein Fahrzeug sicher tragen, aber wenn sie zu lange auf dem Eis bleibt, wird sich die Verformung durch Mikrorisse fortsetzen, was zum Zusammenbrechen der Eisdecke unter dem Fahrzeug führt. Es gibt unterschiedliche Empfehlungen, wie dies vermieden werden kann. Einige Quellen schreiben für eine stationäre Belastung maximal zwei Stunden vor, was auch Gold empfiehlt. Andere empfehlen, den Freibord des Eises als Indikator zu verwenden, was durch Bohren eines Lochs und Überwachung des Abstands zwischen dem Wasser im Loch und der Eisoberfläche erfolgen kann. Das Fahrzeug sollte entfernt werden, bevor das Wasser in diesem Loch die Oberfläche erreicht. Ein weiterer Grund, warum die Menge an Freibord von Bedeutung ist, ist, dass wenn das Wasser auf die Eisoberfläche gelangt (durch Risse und Spalten), die Tragfähigkeit der Eisdecke schnell nachlässt, was den Durchbruch beschleunigen kann. Bei Langzeitbelastungen muss ggf. ein Fachingenieur hinzugezogen werden.

Dynamisches Laden

Eiswellen durch ein fahrendes Fahrzeug - Die zur Veranschaulichung stark übertriebene vertikale Verschiebung der Eisfläche (siehe vertikale Skala rechts) ist als Funktion des Abstands zum Fahrzeug angegeben. Angepasst von und basierend auf Satellitenbildern.

Wenn ein Fahrzeug auf der Straße fährt, wird ein dynamisches Belastungsregime auf die Eisdecke ausgeübt. Unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit, die als kritisch bezeichnet wird , nimmt die Eisdecke unter dem Fahrzeug die Form einer Schüssel an, die sich mit dem Fahrzeug bewegt und das Wasser um sich herum wegdrückt, wie es der Kiel eines Bootes tut. Bei (und darüber) der kritischen Geschwindigkeit bildet sich eine Reihe von Wellen hinter und vor dem Fahrzeug. „Wenn die Geschwindigkeit dieser Wellen gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, werden die Durchbiegung und die Spannungen im Eisschild verstärkt, ähnlich der Resonanz in einem schwingenden System“ (S. 8-10). Die kritische Geschwindigkeit hängt von der Eisdicke und der Wassertiefe ab. Ein weiteres Problem, das auftaucht, ist die Reflexion dieser Wellen von der Küstenlinie zurück zum Fahrzeug. Dies kann zu zusätzlichen Belastungen des Eises führen – eine Möglichkeit, dieses Problem zu mildern, besteht darin, eine Annäherung an die Küstenlinie im 90-Grad-Winkel zu vermeiden. Die kritische Geschwindigkeit bestimmt die Geschwindigkeitsbegrenzung für Fahrzeuge, die auf vereisten Straßen fahren. Diese Grenze kann zwischen 10 km/h (6,2 mph) und 35 km/h (22 mph) liegen. Die dynamische Belastung der Eisdecke kann auch einen Mindestabstand zwischen den Fahrzeugen vorschreiben.

Um diese Dynamik besser zu verstehen, wurden Feldtests durchgeführt. Überzeugende Beweise für solche Wellenmuster wurden durch Satellitenbilder erfasst.

Planung und Bau

Eine Pumpe mit niedriger Förderhöhe, die zum Fluten einer Eisoberfläche verwendet wird.
Klares Eis überlagert von konstruiertem Weißeis (Hand/Fuß für Skala rechts).
Bruchflächen in klarem Eis - Stiefel für Skala unten links. Beachten Sie die Reifengewindeabdrücke unten rechts.
Schneemobile wurden verwendet, um einen Schlitten zu ziehen, auf dem sich ein bodendurchdringendes Radar befindet, um ein kontinuierliches Eisdickenprofil zu erhalten.

Wenn eine Eisstraße Teil einer Winterstraße ist , wie es üblich ist, wird deren Gestaltung und Bau in die Gesamtstraßenplanung, dh in Verbindung mit den Überlandsegmenten, einbezogen. In jedem Fall sind folgende Faktoren vor dem Bau zu berücksichtigen:

  • Zeitplan und Betriebsfenster : Der Einsatzbeginn, dh der Arbeitsbeginn der Außendienstmitarbeiter, ist abhängig von der natürlich erreichten Eisdicke (typischerweise unter einer Schneedecke). Diese Dicke muss ausreichen, um dem Gewicht von leichten Geräten standzuhalten, die dann verwendet werden, um die Schneedecke zu entfernen. Dieser Schnee wirkt als Isolator und seine Entfernung beschleunigt das Eiswachstum an der Eis-Wasser-Grenzfläche (entlang der Unterseite der Eisdecke).
  • Verkehrsart und -volumen : Hier geht es um die Bestimmung des Transportbedarfs für die Betriebssaison (zB Ausrüstung, Vorräte, Kraftstoff) und Mittel zur Übermittlung dieses Materials (zB Fahrzeugtypen, Gewicht, Verkehrsaufkommen).
  • Straßenvorfahrt : Dies bezieht sich auf die Straßenbreite, die erforderlich ist, um den Verkehr aufzunehmen. Dieser kann zwischen 30 m (98 Fuß) und 60 m (200 Fuß) liegen. Idealerweise muss es breit genug sein, um auf beiden Seiten Platz für Schneebänke und Schneeverwehungen zu lassen, mit zusätzlichem Abstand zwischen diesem Schnee und der eigentlichen Fahrspur.
  • Umwelt- und behördliche Anforderungen : Lizenzen und Genehmigungen variieren von einer Gerichtsbarkeit zur anderen. Beispiele können befristete Landnutzungsgenehmigungen und der Zugang zu Wasserquellen (zum Schutz von Seen und Flüssen) sein.

Folgende Faktoren müssen bei der Routenwahl berücksichtigt werden:

  • Tieferes Wasser ist vorzuziehen, um Probleme im Zusammenhang mit dynamischer Belastung zu vermeiden. Eis entlang von Küstenlinien und über Untiefen ist anfällig für Brüche.
  • Vermeiden Sie Gebiete mit starken Wasserströmungen oder an der Mündung kleiner Flüsse und Bäche. Die Temperatur an der Eis-Wasser-Grenzfläche beträgt 0 °C (32 °F), ein Wasserfluss mit einer etwas höheren Temperatur wird diese Grenzfläche thermisch erodieren, wodurch die Eisdicke verringert wird.
  • Berücksichtigen Sie die Auswirkungen von Wasserstandsänderungen, beispielsweise stromaufwärts eines durch Dämme regulierten Wasserkörpers.
  • Eine Überprüfung der historischen Eisbedingungen unter Verwendung von lokalem Wissen und Satellitenbildern kann helfen, wiederkehrende problematische Bereiche wie Eisgrate zu entschlüsseln.

Vor dem ersten Betreten des Eises müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

  • Es ist gebührende Vorsicht geboten – dazu gehören angemessene persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie eine Auftriebsvorrichtung, eine angemessene Ausbildung und das Arbeiten zu zweit.
  • Um die Sicherheit weiter zu optimieren, sollten Ausrüstung und Zubehör Folgendes umfassen: Funkgeräte, Amphibienfahrzeuge, Winden an Radfahrzeugen.
  • Die Eisdicke kann mit Eisbohrern, in erforderlichen Abstandsintervallen oder mit einem bodendurchdringenden Radar (GPR) gemessen werden . Dies ist wichtig, da die Dicke einer Eisdecke über einige hundert Meter bis zu 70 % variieren kann und die minimale Eisdicke verwendet wird, um die Tragfähigkeit der gesamten Eisdecke zu bestimmen.
  • Bohrlochbohrungen können verwendet werden, um Kerne des Eises zu sammeln, um seine innere Struktur zu schätzen, zB weißes Eis gegenüber klarem Eis.

Das Entfernen der Schneedecke ist die erste größere Operation in einem vereisten Straßenbauprojekt. Sie darf erst beginnen, wenn die Eisdicke die für diesen Vorgang verwendete Maschine sicher tragen kann. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu tun, abhängig von der verfügbaren Ausrüstung und dem Stand der Praxis für diese bestimmte Straße. Eine besteht darin, die Schneeschicht bei Raupenfahrzeugen in eine dünne Schicht zu packen, wodurch ihre Dichte erhöht und ihre Isoliereigenschaften verringert werden. Die andere besteht darin, ihn vollständig zu entfernen, typischerweise bei Fahrzeugen, die mit einem Schneepflug ausgestattet sind .

Sobald das Eis die Zieldicke erreicht hat (durch beschleunigtes Wachstum nach Beseitigung der Dämmwirkung des Schnees), kann der Straßenbau per se beginnen. An diesem Punkt kann das Eis die für diese Phase erforderliche schwerere Ausrüstung, die meist aus einer künstlichen Eindickung mit einer Pumpe oder einem Sprühsystem besteht, sicher tragen. Ziel ist es, die Dicke auf das zu bringen, was für die schwersten Fahrzeuge erforderlich ist, die bei Öffnung der Eisstraße zu erwarten sind.

Nutzung und Wartung

Fahrzeuge, die auf einer vereisten Straße fahren, umfassen gewöhnliche Personenkraftwagen und Lastkraftwagen verschiedener Größen und Gewichte. Standard-Winterreifen sind ausreichend, dh Stollen und Reifenketten können die Fahrbahn beschädigen. Für Notfälle können jedoch Reifenketten im Fahrzeug aufbewahrt werden; Sie können sich auch auf Winterstraßen mit Steigungen von mehr als 8 % auf Überlandabschnitten als nützlich erweisen. Die Beschilderung kann Geschwindigkeitsbegrenzungen anzeigen, zum Beispiel maximal 25 km/h (16 mph) und Abstände zwischen Fahrzeugen, zum Beispiel 500 m (1.600 ft) für Lasten von mehr als 12.500 kg (27.600 lb). Diese Beschränkungen sollen das Risiko einer Beschädigung der Eisdecke verringern, die ihre Fähigkeit beeinträchtigen würde, das Gewicht, für das sie ausgelegt ist, zu tragen.

Die Wartung umfasst zwei Hauptaufgaben:

  • Eisdickenüberwachung : Dies kann mit Bohrlöchern oder einer Bodendurchdringung mit einem bodendurchdringenden Radar (GPR) erfolgen.
  • Überwachung der Befahrbarkeit : Die Eisoberfläche kann sich mit der Nutzung verschlechtern. Es kann auch durch natürliche Prozesse wie Rillen und Risse beschädigt werden, die typischerweise durch starke Temperaturänderungen induziert werden.

Strassensperre

"Im Allgemeinen werden die meisten Eisabdeckungen aufgrund einer sich verschlechternden Lauf- oder Betriebsoberfläche gezwungen sein, sich zu schließen, lange bevor die Eisintegrität der Abdeckung gefährdet ist." Dies kann passieren, wenn die Eisoberfläche zu weich wird oder zu viel Schmelzwasser auf der Oberfläche ist. Straßensperrungen in der Zwischensaison können auch aus ähnlichen Gründen und auch aufgrund von schlechtem Wetter wie einem Schneesturm auftreten. Wenn die Eisstraße Teil einer Winterstraße ist, kann die Sperrung auch auf einen unbrauchbar gewordenen Überlandabschnitt zurückzuführen sein.

Medienreferenzen

  • Der Film Frozen River aus dem Jahr 2008 erzählt die Geschichte zweier Frauen, die in den Handel mit illegalen Einwanderern aus Kanada in die Vereinigten Staaten verwickelt sind, indem sie sie in ihrem Auto über den zugefrorenen St. Lawrence River fahren.
  • Der Thrillerfilm The Ice Road aus dem Jahr 2021 zeigt prominent Eisstraßen, während Trucker durch Nordkanada fahren, um nach einer Explosion in einer Mine Vorräte zu liefern.

Siehe auch

Verweise

Externe Links