Physik: Wenn die Barriere zur Billardkugel wird

Poller aus Beton stehen mittlerweile vor etlichen Weihnachtsmärkten

(Foto: picture alliance / Daniel Bockwo)

• Viele Städte lassen vor Weihnachtsmärkten Betonsperren errichten - sie sollen heranrasende Lastwägen aufhalten.
• Bei Versuchsreihen konnten Experten jedoch zeigen, dass die Betonquader teilweise wenig helfen. Manchmal wurden die Barrieren sogar selbst zur Gefahr.
• Mittlerweile erproben Forscher neue Konzepte: zum Beispiel die Verkettung von Barrieren, oder die Absicherung von Zufahrtswegen.

Wenn Politik und Polizei nicht mehr weiterkommen, muss die Physik ran. Zum Beispiel, wenn es um den Schutz von Weihnachtsmärkten und Volksfesten vor möglichen Anschlägen mit Fahrzeugen geht. Ein Jahr nach der Attacke am Berliner Breitscheidplatz, nach ähnlichen Angriffen in Nizza, Stockholm, London und Barcelona, stehen vor den Glühwein- und Holzspielzeugbuden vieler Märkte Betonsperren. Oft sind es überdimensionale massive Quader, gelegentlich Wassertanks oder auch Behälter mit Sand.

In München verwendet die Stadtverwaltung auf den Zufahrtsstraßen der Christkindlmärkte Betonzylinder und sechseckige Blumenkübel, die mit Erde gut zwei Tonnen wiegen. Sei seien "geeignet, um ein ungehindertes und ungebremstes Einfahren auf die Marktflächen zu verhindern", beteuert das zuständige Kreisverwaltungsreferat. Wie in anderen Städten ist das Ziel, heranrasende Lastwagen abzuhalten.

Doch sind auch die Paragrafen der physikalischen Gesetze nicht allmächtig. Das hatten im Frühjahr 2017 Versuchsreihen auf dem Testgelände der Dekra in Neumünster gezeigt, die auf eine Anfrage des Fernsehsenders MDR zurückgingen. Ein Zehntonner fuhr dort, von einer Seilwinde auf 55 Kilometer pro Stunde beschleunigt, auf eine Lücke zwischen zwei Betonquader zu. Diese zerstörten das Fahrzeug zwar, aber stoppten es nicht. Stattdessen rutschte das Wrack noch 25 Meter weiter und krachte mit Schwung in die Begrenzung des Testgeländes. Beim Aufprall in einem spitzen Winkel traf der steife Rahmen des Lkw einen der Betonklötze sogar wie ein Queue eine Billardkugel; das vermeintliche Hindernis schlitterte wie ein Geschoss über den Asphalt.

"Ich hatte mir schon gedacht, dass die Quader nicht so viel helfen würden, aber das Ergebnis hat mich doch überrascht", sagt Marcus Gärtner von der Dekra, der die Versuche leitete. Er ist bei der Prüfstelle für die Erprobung sogenannter passiver Schutzeinrichtungen zuständig.

Die entscheidenden Gesetze der Physik sind jene von der Impuls- und Energieerhaltung. Würde ein 20-Tonnen-Lkw seinen Impuls vollständig auf einen zwei Tonnen schweren Poller übertragen, wäre das Hindernis nach dem Aufprall mit der mehrfachen Geschwindigkeit des Lastwagens unterwegs. Allerdings stößt ein Lkw nicht wie ein Queue auf einen Billardkugel-Poller. Es kommt eher zu einem sogenannten inelastischen Stoß, bei dem sich Lkw und Hindernis verkeilen und ihre Massen vereinigen. Ist der Lkw deutlich schwerer als der Poller, verliert er dabei nur wenig Energie.

Dortmund setzt auf Antirutschmatten

Wichtig ist daher die Frage, wie die ursprüngliche Bewegungsenergie des Fahrzeugs, die proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, abgebaut werden kann. Einiges geht beim Aufprall in die Verformung des Fahrzeugs. Aber vor allem muss die Bodenreibung helfen. Die Reibung hängt vom Gewicht der Hindernisse und der Art der Kontaktfläche ab.

Um die Reibung von Klötzen auf Asphalt zu steigern, setzt zum Beispiel die Stadt Dortmund auf sogenannte Antirutschmatten. Man habe die darauf stehenden Betonquader mit einem großen Gabelstapler getestet, sagt Feuerwehrchef Dirk Aschenbrenner. Auf Asphalt könne der solche Klötze leicht verschieben, dank der Matten habe sich nichts bewegt. Doch das ist ein realitätsferner Rutschtest: Wenn eine Maschine im Stand gegen einen Poller drückt, überträgt sie kaum Bewegungsenergie. Damit wird nur die Haftreibung des Blocks erprobt, nicht die deutlich geringere Gleitreibung. "Antirutschmatten helfen vielleicht bei einer Beschleunigung von einem oder zwei g, also bis zum Zweifachen der Erdbeschleunigung. Aber bei einem aufprallenden Lkw gibt es leicht 20 oder 30 g", sagt Marcus Gärtner.

Mehr Erfolg brächte es, die effektive Masse der Sperren zu vergrößern. Quergestellte Lastwagen, große Polizeifahrzeuge oder Container mit Bauschutt wären ein wirkungsvolleres Hindernis als ein Klotz. Sie behindern und verunsichern allerdings auch die Besucher der Weihnachtsmärkte.

Ein weiteres Rezept könnte sein, die Masse des anfahrenden Lkw selbst zu nutzen. Wenn er mit den Vorderrädern auf eine kleine Rampe fährt, bevor er die Sperre trifft, dann lastet ein Teil seines Gewichts auf der Bodenplatte - und erhöht deren Reibung.

So weist die Firma truckbloc.com darauf hin, dass sie eine Sperre hat testen lassen, die die Eigenmasse des LKW nutzt, um die Schutzwirkung zu verbessern. Das Fahrzeug fährt mit seinen Vorderrädern über eine flache Rampe etwa zwei Meter weit auf eine Bodenplatte, bevor es daraus senkrecht aufragende Poller trifft. Sie zerstören das Fahrerhaus. Der LKW schiebt auch diese Konstruktion weiter in Fahrtrichtung, aber die Reibung wird durch das Gewicht deutlich verstärkt. Das Design wurde bei einem Crashtest-Center in Münster mit einem Laster von 7,5 Tonnen getestet, der auf 80 Kilometer pro Stunde beschleunigt worden war. Er hat dann fast die doppelte kinetische Energie wie ein Fahrzeug von 10 Tonnen, das 50 km/h fährt. Mit diesen Werten waren frühere Tests gemacht worden. Eine internationale Norm (ISO IWA 14-1) sieht aber für Tests an fest verankerten wie mobilen Barrieren die höhere Belastung vor. Die Barriere habe sich deutlich besser bewährt als einzelne Betonklötze, heißt es beim Hersteller, Einzelheiten möchte die Firma aber nicht veröffentlichen.

Schon die Zufahrtswege zu Weihnachtsmärkten werden häufig verschwenkt

Auch die in München platzierten sechseckigen Blumenkübel können die effektive Masse erhöhen. Stehen sie direkt nebeneinander, wie es Fotos vom Oktoberfest zeigen, würde ein heranrasender Wagen mehrere von ihnen bewegen. Die Stadt Magdeburg wiederum hat inzwischen für 40 000 Euro Betonquader mit Stahlseilen angeschafft, berichtete der MDR vor Kurzem. Damit werden die rot und grün angemalten Klötze miteinander verkettet - ein aufprallender Lkw müsste also fünf oder mehr von ihnen in Bewegung setzen. Die Energie verteilt sich auf mehr Masse und auch die Reibung nimmt entsprechend zu. Bei einem ersten Test eines solchen Designs sind allerdings die Kopplungselemente gerissen. "Das war schlecht befestigt. Das erste Seil muss 50 oder 60 Tonnen Zugkraft aushalten", sagt Eckhard Scholz von der Hochschule für Technik in Leipzig.

Der Forscher ist inzwischen dabei, die verschiedenen Varianten mit einer Software durchzurechnen. Trifft etwa ein Zehntonner mit 50 Kilometern pro Stunde auf einen einzigen konventionellen Betonblock, so wie beim ursprünglichen Dekra-Test, so kann die verkeilte Masse beider noch 50 Meter weit rutschen. Lastet der Lkw hingegen mit seinem halben Gewicht auf dem Block oder einer damit verbundenen Rampe, dann ist nach 16 Metern Ende. Und eine Kette gekoppelter Quader könnte das Fahrzeug nach zwei bis drei Metern zum Stehen bringen.

Ein wichtiges Element der Sicherheitskonzepte sollte auch sein, die Sperren in möglichst großem Abstand von den Buden aufzustellen. "Außerdem sollte man die Zufahrten verschwenken, damit der Lastwagen nicht so schnell werden kann", sagt Scholz. Auch das ist reine Physik: Die Geschwindigkeit geht zum Quadrat in die Rechnung ein - doppelt so viel Tempo bedeutet viermal so viel kinetische Energie.

Die zweite Methode, die Fahrzeuge von Angreifern zu bremsen, ist, die Bewegungsenergie durch Verformung von Material zu verzehren - das Modell Knautschzone. Dabei hilft schon, den Block vor einen Bordstein zu stellen, sodass ein Teil der Energie von der Kante aufgenommen wird, die dabei zerbröselt. Zudem werden etliche Sperren aus Metall erprobt, deren Querschnitt einem L, X oder einem Dreieck ähneln. Wenn Sie vom Lkw getroffen werden, sollen sie umfallen oder sich verdrehen, sich zwischen Unterboden und Asphalt verkeilen und den Lkw in die Höhe katapultieren, von wo er auf den Boden zurückkracht. Wie ein guter Judokämpfer nutzen sie den Schwung ihres Gegners gegen ihn.

Eine Konstruktion wird auf Beschluss des bayerischen Innenministeriums seit einer Woche in einem Feldversuch in den Städten München, Nürnberg und Augsburg getestet. Sie besteht aus drei 1,20 Meter hohen Stelen, weiß lackiert mit drei roten Streifen, die aus einer Bodenplatte herausragen (siehe Bild); hergestellt wird sie von der Eisengießerei Torgelow in Vorpommern. Das Gebilde wiegt 880 Kilogramm und "auch fünf kräftige Männer können es nicht umwerfen", sagt der Geschäftsführer, Peter Krumhoff. Dabei geht es ihm wohl um angetrunkene Volksfestbesucher, denn die Konstruktion hat einen recht hohen Schwerpunkt. Die Stelen sind oben massiv und unten hohl. Das ist für die Funktion wichtig.

Filme von einem Crashtest auf dem Dekra-Gelände Neumünster zeigen, wie ein Lkw eine solche Sperre umwirft und dann von ihr in die Luft geschleudert wird, während das Metallgebilde sich unter ihm durchwälzt. Der Laster kommt noch 16 Meter weit, bevor er stehen bleibt. Der Motorraum unterhalb der Fahrerkabine ist zertrümmert, der Rahmen verbogen. Man müsse die Sperren in zwei Reihen versetzt aufstellen, sagt der Firmenchef, damit kein Angreifer eine Lücke findet. Auf eines ist Krumhoff besonders stolz: "Die Sperre war nach dem Crashtest zwar ordentlich warm, weil sie viel Energie aufgenommen hat. Aber Ultraschall- und Magnettest haben gezeigt, dass sie keinerlei strukturelle Schäden genommen hat." Man könne sie also einfach wieder aufstellen. 24 Stück zu jeweils 3650 Euro haben die Bayern bislang gekauft.