Zum Einfluß des Bodens auf die Standsicherheit von BäumenThomas Sinn Im Boden wird das Haltesystem eines Baumes ausgebildet. Die Wurzel-Bodenmatrix, ein komplexes Schwergewichts-, Zuganker- und Druckplattensystem, gibt dem Baum den notwendigen Widerstand gegen die durch äußere Einwirkungen (zum Beispiel Wind) ausgelösten Zug-, Druck-, Schub- und Torsionskräfte (ziehende, drückende, schiebende und drehende Bewegungen). Hier spielen vor allem das Eigengewicht des Bodentellers infolge seiner Zusammensetzung und Lagerungsdichte sowie seine Scherfestigkeit (eine Funktion aus Kohäsion und Reibung), die durch ein dichtes Wurzelnetz erheblich erhöht wird, eine Rolle. Der intensiv durchwurzelte Boden innerhalb des sogenannten statisch wirksamen Wurzelraumes hat insbesondere bei bindigen Böden in frischem bis trockenem Zustand in der Regel eine stabile, blockartige Konsistenz. Er stellt unter anderem in Verbindung mit der Gewichtskraft des oberirdischen Baumes ein Gegengewicht zur Windlast dar. Seine Eingrenzung (Kippkante) findet der statisch wirksame Wurzelraum im peripheren Bereich abnehmender Wurzelquerschnitte und verminderter Festigkeit des Wurzelholzes (KOLLMANN 1941). Die über den oberirdischen Baum in das Wurzelsystem eingeleiteten Kräfte können dort nicht mehr abgetragen werden. Die Wurzel-Bodenmatrix reißt und bricht auseinander, der Baum kippt. Der statisch wirksame Wurzelraum bezeichnet nur den Bereich, der beim Kippversagen aus dem umgebenden Boden herausgelöst wird. Er kann durch eine Gleichgewichtsberechnung (nach G. SINN 1986) nachgewiesen werden. Selbverständlich wirkt aber das gesamte Wurzel-Bodensystem an der Baumstabilität mit. Wurzelsystemausbildung und Standsicherheit Die in statischer Hinsicht überhöhten Sicherheitsreserven erklären sich aus der Tatsache, daß das Pflanzenwachstum allein auf physiologischen Vorgängen beruht und vor allem in der Gestaltausprägung mechanisch lediglich stimuliert werden kann. Dies gilt insbesondere für das Wurzelwachstum (ABETZ 1991; RENGER u. WESSOLEK 1990; TH. SINN 1987, 1991). Auf ungünstigen Standorten (zum Beispiel physiologisch flachgründig oder vernässungsgefährdet) können die Sicherheitsreserven gegen Kippversagen allgemein geringer sein. Die für die Standsicherheit wichtige Tiefenausbildung von Wurzeln hängt von mechanischen Widerständen (zunehmende Lagerungsdichte im Unterboden), von den Durchlüftungsverhältnissen (Bodenluft) und den hydrologischen Bedingungen ab. Daher kann die nur oberflächennahe Verankerung (sogenanntes Tellerwurzelsystem) von Fichten auf physiologisch flachgründigen Standorten unzureichend sein (ABETZ 1991). Die Stützfunktion des Tellerwurzelsystems ist nur sehr begrenzt, der Biegedruck unter Windbelastung kann nur 2 - 3 m vom Stamm fort übertragen werden (ABETZ 1991). Bei Douglasien zum Beispiel wurde beobachtet, daß bei tiefer Wurzelsystemausbildung (auf physiologisch tiefgründigen Sandböden) eine doppelt so große Zugkraft (= 1384 kg) zum Umreißen des Baumes aufgebracht werden muß, als bei nur oberflächennaher Wurzelsystemausbildung (auf physiologisch flachgründigen Tonböden). Auf diesen war nur eine Zugkraft von 704 kg zum Umreißen notwendig (MITSCHERLICH 1981). MITSCHERLICH (1981) unterscheidet je nach der physiologischen Gründigkeit daher zum Beispiel für Fichten in labile Standorte (physiologisch flachgründig, Tellerwurzelsystem) und stabile Standorte (physiologisch tiefgründig, Wurzelsystemausbildung bis zu 2,50 m Tiefe). Die Untersuchungen beziehen sich allerdings auf Bäume in einem Waldbestand. Solitärbäume und insbesondere Laubbäume entwickeln in der Regel auf flachgründigen Böden ein horizontal weit ausgebreitetes, stabiles Wurzelsystem mit hoher Widerstandskraft gegen Windwurf. So konnte von G. SINN (1981) bei der Untersuchung von etwa 10 m hohen Robinien auf Tiefgaragen-Dachstandorten (Nord-Weststadt Frankfurt/M.) mit geringer Bodenauflage zwischen 0,31 m und 0,64 m Tiefe eine radiale Wurzelausbreitung von 8 - 10 m festgestellt werden. Die geringe Baumhöhe (niedriger Schwerpunkt) und das Gegengewicht der Wurzel-Bodenmatrix gewährleisten auch unter hohem Windeinfluß eine hohe Kippsicherheit. Dies kann durch Gleichgewichtsbetrachtungen zwischen Windlast und Gewichtskraft des Baumes einschließlich seines statisch wirksamen Wurzelraumes nachgewiesen werden (G. SINN 1981). Der Boden als Widerlager gegen windinduzierte Wurzelbewegungen Seine Konsistenz kann sich daher im jahreszeitlichen Verlauf ändern, im Extremfall bei feiner texturierten Böden von betonartiger Konsistenz bis zu der einer weichen Paste. Die Gefügestabilität eines Bodens und damit die Stabilität des Widerlagers für die Wurzeln wird vor allem durch den Scherwiderstand, das heißt den Widerstand von Bodenteilchen oder Aggregaten gegen eine Bewegung, bestimmt. Er läßt sich durch die Coulomb-Gleichung beschreiben: -4- Dabei ist die Kohäsion, der Winkel der inneren Reibung und die Normalspannung. Der Scherwiderstand ist von großer Bedeutung für die Standsicherheit eines Baumes. Je fester der Zusammenhalt und damit der Widerstand gegen windinduzierte Bewegungen des Wurzel-Bodensystems (sowohl vertikal als auch horizontal wirkende Kräfte), um so standsicherer ist der Baum. Kräfte, die in die Coulomb-Gleichung eingehen, sind: A: Kohäsion und Adhäsion: B: Winkel der inneren Reibung x Normalspannung: C: Lagerungsdichte: D: Wassergehalt: SCHEFFER u. SCHACHTSCHABEL (1979) beschreiben für manche Tone die Eigenschaft der Thixotropie: Werden diese bei hohen Wassergehalten intensiv gerüttelt, gehen sie in eine flüssige Phase über. Reine Tone kommen natürlicherweise allerdings nur sehr sporadisch vor und sind aufgrund ihrer Eigenschaften für ein Pflanzenwachstum äußerst ungeeignet. Mit zunehmendem Feinkornanteil an der Sieblinie eines Bodens verstärken sich jedoch die zuvor genannten Eigenschaften. So maßen EICHKORN u. WOLFART (1991) zitiert in ABETZ (1991) an Fichten-Waldbäumen bei feuchtem Bodenzustand eine um 10 % erhöhte Schwingungsamplitude gegenüber dem Schwingungsverhalten bei trockenem Boden. Der Scherwiderstand und damit die Bodenstabilität wird desweiteren von stabilisierenden Stoffen, wie organischen Stoffen (vor allem in Sand), Al- und Fe-oxiden sowie hohen Ca-Gehalten erhöht. Außer der Windlast und den bodenphysikalischen Eigenschaften bestimmen auch das Eigengewicht des Wurzel-Bodenkörpers und das Baumgewicht sowie dessen Exzentrizität zum Lastschwerpunkt (Stammneigung) den Grad der Standsicherheit eines Baumes. Das Eigengewicht des Wurzel-Bodenkörpers wird von der Masse der Wurzeln und deren Gesamtgewicht sowie dem Gewicht des Bodens (je nach Körnung, Material und Lagerungsdichte) einschließlich des Bodenwassers in den Hohlräumen bestimmt. Externe Einflüsse auf das Pflanzenwachstum Hier sind nur die bedeutendsten, das Pflanzenwachstum beeinflussenden Umwelteinflüsse genannt, modifizierend wirken ebenfalls Schadstoffe, mechanische Widerstände im Boden, das Edaphon, die Mykorrhiza, der Humusgehalt, usw. Nicht zu vergessen die soziale Stellung der Pflanze, zum Beispiel dominant oder unterdrückt im Bestand. Der jeweilige Einfluß ist je nach Pflanzenart und deren Lebensraumansprüchen unterschiedlich. Die Bodeneigenschaften und -bedingungen werden von den klimatischen Faktoren mehr oder weniger beeinflußt oder sind durch diese bedingt. Zum Einfluß des Wurzelwerkes auf den Boden Unter Windeinfluß werden auf der zugbelasteten Luvseite die stärksten (stammnahen) Wurzeln angehoben, sie verbiegen sich dabei kaum. Dünnere und weiter vom Stamm entfernte Wurzeln werden dabei in Form von axialem Zug belastet, dies führt zu einem "Losrütteln" der nächsten Wurzelumgebung und damit zu einer Bodenlockerung. Auf der druckbelasteten Leeseite kommt es zu einer vertikalen Pressung und Verdichtung des Bodens, die mit einer zunehmend horizontalen Ausprägung des Wurzelwerkes zunimmt. So kann es zur Bildung regelrechter Verdichtungshorizonte unter dem Wurzelsystem kommen. Fazit Allgemein besteht bei hoher Windlast auf unversiegelten, physiologisch flachgründigen und vernässungsgefährdeten, bindigen Böden, zum Beispiel in Senken und über Stauwasserhorizonten, eine erhöhte Kippgefährdung von Bäumen bei Starkregenereignissen und unter hoher Windbelastung. Auf solch einem Standort ist es denkbar, daß die Messung der Standsicherheit bei sommerlicher Trockenheit und bei niedrigen Bodenwassergehalten (hohe Festigkeit des Boden-Widerlagers) einen sicheren Baum ergibt, der dann trotz der in die Messung einbezogenen Sicherheitsabstände bei Vernässung des Standortes zum Beispiel in einem Herbststurm umstürzt. Allerdings gibt es auch bestimmte Baumarten, die in Überschwemmungsgebieten (zum Beispiel Auewäldern) ständiger extremer Wechselfeuchte ausgesetzt und trotzdem sicher verankert sind. So war eine im Kurpark von Bad Homburg v.d.H. als Problembaum angesehene, aber als standsicher gemessene Silberpappel während eines Orkans am 20.08.92, mit Windgeschwindigkeiten bis 160 km/h (Windstärke 14 nach Beaufort), trotz Vernässung des Bodens in einer Senke nicht umgefallen, während eine ungeprüfte Linde mit arttypischer Wurzelentwicklung in der Nachbarschaft aus ihrer flachen Bettung ausgehoben wurde. Bäume auf versiegelten Standorten, die in der Regel nicht vernässen (zum Beispiel im Straßenraum der Städte), sind solchen Gefahren nicht ausgesetzt. Bei der beschriebenen Bodenvernässung in Senken oder bei starkem Frost (gefrorener Boden mit betonartiger Konsistenz) sollten Standsicherheitsmessungen nicht durchgeführt werden. Die Standfestigkeit von Bäumen hängt in erster Linie von den Umgebungsbedingungen (exponierte Lage, gedeckt im Bestand), der Anströmfläche und Höhe der Baumkrone, dem Baumeigengewicht, der Morphologie des Wurzelsystems, dem Massenverhältnis Wurzel zu Krone, der Zug- und Druckfestigkeit des Wurzelholzes, den Wurzelquerschnitten und dem Boden und seiner Eignung als Widerlager für die Wurzeln ab. Dies ist äußerst komplex miteinander verwoben, so daß für jeden Baum auch immer eine andere Standfestigkeit zu erwarten ist. Dies äußert sich an seiner individuellen "Lebenslinie" (Kraft-Neigungskurve unter Zugbelastung). Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3 LITERATUR ABETZ, PETER: Sturmschäden aus waldwachstumskundlicher Sicht. Allgemeine Forstzeitschrift (AFZ), 12 (1991) S. 626 - 629. HARTGE, K.H. u. H. BOHNE: Zur gegenseitigen Beeinflussung von Baum und Bodengefüge. Allgemeine Forstzeitschrift (AFZ) 11 (1985) S. 235 - 237. HERBIG, ASTRID; GÜNTER SINN; LOTHAR WESSOLLY: Zur Standsicherheit von Bäumen im städtischen Bereich. Mitteilungen des Sonderforschungsbereich 230 - Natürliche Konstruktionen - der Universitäten Stuttgart und Tübingen, Heft 1. Selbstverlag, Stuttgart 1988. KOLLMANN, F.: Die Esche und ihr Holz. Erster Band aus der Schriftenreihe "Eigenschaften und Verwertung der deutschen Nutzhölzer". Verlag von Julius Springer, Berlin 1941. Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik (KWF): Bodenbelastung durch Befahren. 11. KWF-Tagung 1992. Allgemeine Forstzeitschrift (AFZ) 9 (1992) S. 495 - 497. MITSCHERLICH, GERHARD: Wald, Wachstum und Umwelt - 2. Band (Waldklima und Wasserhaushalt). 2. überarbeitete Auflage. J.D. Sauerländer`s Verlag, Frankfurt am Main 1981. RENGER, M. u. G. WESSOLEK: Vorlesungsskript für das Wahlpflichtfach Bodenökologie. Technische Universität Berlin, Fachbereich 14, Institut für Ökologie, Fachgebiet Bodenkunde (1990). SCHEFFER; F. u. P. SCHACHTSCHABEL: Lehrbuch der Bodenkunde. 10. Auflage. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1979. SINN, GÜNTER: Berechnungen zur Statik von Parkbäumen. Heft G 4, SVK-Verlag, Wilnsdorf 1982. SINN, GÜNTER: Baumstatik und Standsicherheit. Garten + Landschaft 4 (1986) S. 54. SINN, GÜNTER u. THOMAS SINN: Kippversuche an Bäumen. Das Gartenamt 40 (1991) November, S. 706, 707. SINN, GÜNTER u. THOMAS SINN: Weitere Kippversuche an Bäumen. Das Gartenamt 40 (1991) Dezember, S. 777, 778. SINN, THOMAS: Zur Ausbildung des Wurzelwerkes bei Bäumen nach morphologischen Gesichtspunkten und die verschiedenen Einflüsse darauf. Studienarbeit an der Technischen Universität Berlin, Fachbereich 14, Institut für Ökologie, Fachgebiet Botanik (1987). SINN, THOMAS: Ökologische Untersuchungen zur Ausbildung der Wurzelsysteme von Pflanzen arider Gebiete (Diplomarbeit). Referent: Prof. Dr. R. BORNKAMM. Technische Universität Berlin, Fachbereich 14 (Landschaftsentwicklung), 1991. WHIPPLE, A.B.C.: Stürme. Aus der Reihe der Time-Life Bücher "Der Planet Erde", Amsterdam 1985. ZOLLER, WILHELM u. KLAUS KÖHLER: Fachstufen Bau - Tiefbau. Verlag Handwerk und Technik GmbH 1982. |