Rutschfestigkeit von Laufflächen

Im DLG Prüfprogramm (2004) wird die Verformbarkeit von elastischen Auflagen für Laufgänge in Liegeboxenlaufställen, nach Eindruckversuchen mit einem künstlichem Kuhfuß vor und nach der Durchführung einer Dauertrittbelastung (250.000 Betätigungen mit künstlichem Kuhfuß mit 5000 N), wie folgt bewertet:

Bewertung Verformbarkeit vor und nach der Dauertrittbelastung (Eindringtiefe bei 2000 N):

• über 3,0 mm sehr gut ++

• 1,0-2,9 mm gut +

• 0-0,9 mm Standard o

Bei fünf SignumTests (DLG Prüfberichte Nummer 5415, 5405, 5404, 5403, 5603) und vier FokusTests (DLG Prüfberichte Nummer 5355F, 5454F, 5512F, 5531F) von Laufflächenauflagen aus Gummi die vom Testzentrum für Technik und Betriebsmittel der Deutschen Landwirtschafts Gesellschaft durchgeführt wurden folgende Verformbarkeiten gemessen (siehe Tabelle 8).

Tabelle 6: Verformbarkeit der durch die DLG geprüften Laufgangauflagen Prüfbericht Nr. Verformbarkeit (mm)

im Neuzustand

Verformbarkeit (mm) nach Dauertrittbelastung

5654 2,1 2,4

5603 2,25 2,2

5531F 2,2 2,2

5512F 2,2 2,2

5454F 1,7 1,7

5415 1,4 1,4

5405 3,5 3,45

5404 3,85 3,8

5403 4,85 4,75

5355F 4,9 4,7

Die Lauffläche der Milchkuh sollte trocken, griffig und rutschfest sein (Boxberger et al., 1994).

Glatte Laufflächen begünstigen die Gefahr des Ausrutschens und behindern dadurch eine physiologische Bewegung der Tiere (Herrmann, 1996).

Zu extremen Belastungen der Standsicherungssysteme (Fesselträger) kommt es bei zu rutschigem Spaltenboden und hohen Tierkonzentrationen. Der danach zu beobachtende hohe Prozentsatz von zehenweiten Stellungsanomalien, Durchtrittigkeit und Spreizklauenbildung ist auf eine Überlastung der Standsicherungssysteme zurückzuführen. Deshalb sollte der Spaltenboden möglichst rutscharm sein (Heyden u. Dietz, 1990).

Häufiges Ausrutschen gefährdet nicht nur die Klauengesundheit, der resultierende Stress kann als prädisponierend für andere Erkrankungen wie zum Beispiel Fruchtbarkeitsstörungen angesehen werden (Rüsse, 1986).

Der Ausgleitvorgang auf einem nicht ausreichend griffigen Boden ist ein sehr komplexer Vorgang, bei dem sowohl der Haft- als auch Gleitwiderstand der Oberfläche maßgebend sein kann. Die aktivierbaren Reibungskräfte werden dabei stets in hohem Maße vom Zustand der Oberfläche mit beeinflusst (trocken, nass, verunreinigt). Die kritische Phase des Ausgleitens ist das Aufsetzen der Klaue auf den Boden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Horizontalkräfte am Größten. Durch Feuchtigkeit und Schmutz fehlt der direkte Kontakt zum Boden und muss erst hergestellt werden (Richter, 2001 a).

Die Rutschfestigkeit von Laufflächen ist nicht nur für die Tiere, sondern auch für die Betreuer wichtig. Ausrutschen auf Stallböden ist bei Tierhaltern ein besonders häufiger Unfall (Steiner u. Van Caenegen, 2003).

Die Rauhigkeit eines Stallbodens kann nicht unbegrenzt erhöht werden, vor allem unter Berücksichtigung des Abriebs für das Tier. Die Wand und Sohle der Klaue werden schwer belastet, was Lahmheiten verursacht (Nilsson, 1988).

Um die rutschhemmende Wirkung einer verschmutzten Lauffläche sicherzustellen, ist eine minimale Makrorauhigkeit (Grobrauheit) erforderlich (Steiner u. Van Caenegem, 2003).

Untersuchungen von De Belie et al. (2002) zeigen, wie wichtig die Rauheit der Bodenoberfläche für einen sicheren Auftritt der Klauen ist.

Muskelzerrungen, Verstauchungen und sogar Beinbrüche können dann vorkommen, wenn die Trittsicherheit im Laufbereich ungenügend ist. Gussasphalt gewährleistet eine sehr gute Trittsicherheit. Betonböden verlieren mit der Zeit etwas ihre Trittsicherheit, können jedoch aufgefrischt werden, indem sie mit einer Fräse oder mit Säure behandelt werden (Friedli u. Lischer, 2000).

Für das Verhalten der Tiere ist die Rutschsicherheit ausschlaggebend. Eine grobe Oberflächenstruktur ist für die Rutschsicherheit der Gummibeläge auf Spaltenboden nicht erforderlich, da auf nachgiebigem Untergrund das Einsinken der Klauen um ungefähr 4 mm ausreichend rutschhemmend wirkt (Benz, 2002).

Auch im KTBL Heft 60 (2006) und im ART Bericht 690 (2007) wird darauf hingewiesen, dass bei elastischen Materialien die rutschhemmende Wirkung maßgeblich durch das Einsinken der Klauen erreicht wird. Dazu ist jedoch eine Einsinktiefe von 3 bis 4 mm erforderlich.

Die Rutschfestigkeit kann gemessen werden. In der Vergangenheit wurde dabei der so genannte Skid Resistance Tester (SRT-Gerät) herangezogen, bei dem ein Quader aus Gummi über die zu messende Oberfläche schwingt. Je nach Stärke der Abbremsung ergibt sich ein dimensionsloser Wert, der eine Aussage über die Eignung eines Bodens zur Rinderhaltung zulässt (siehe Tabelle 7). Das Gerät ist nur auf planbefestigten, gereinigten und feuchten Strecken einsetzbar und benötigt eine fachkundige Bedienung (Kalibrierung usw.) (Fiedler, 2005).

Tabelle 7: Klassifizierung von Stallböden nach SRT-Werten (Richter, 2001 b) SRT Wert (dimensionslos) Auswirkungen auf Rutschfestigkeit und

Trittsicherheit 70 – 80 sehr gut bis zu rau

60 – 70 gut

50 – 60 gut bis genügend 40 – 50 genügend bis ungenügend 40 und weniger ungenügend bis zu glatt

Ein neu vom DLG Testzentrum für Technik und Betriebsmittel entwickeltes Messgerät kann unter praxisüblichen Bedingungen (keine außergewöhnliche Reinigung der Oberfläche) auch auf perforierten Böden über den Schlitzanteil hinweg eingesetzt werden. Der Schlitzanteil hat bei perforierten Böden eine

erhebliche Bedeutung für die Beurteilung der Rutschfestigkeit. Dabei wird der Gleitreibungswert μ gemessen (Herrmann u. Müller, 2002).

Nilsson (1988) hat bereits 1988 für seine Untersuchungen ein Messgerät entwickelt, das den Gleitreibungswert ermittelt. Auch hier wird ein Prüfkörper der die Größe und Form eines Kuhfußes hat über die Prüffläche gezogen. Der Prüfkörper wurde mit einem Gewicht von 233 kg belastet. Das relativ große Gewicht wurde gewählt um Böden mit weicher Oberfläche zu testen (Bodenbeläge für Liegeboxen).

Müller (2003) beschreibt in seiner Arbeit das von der DLG entwickelte Gerät. Auch hier waren die ersten Überlegungen den Prüfkörper mit dem tatsächlichen Gewicht das eine Kuh auf die Klaue ausübt zu beschweren. Jedoch konnte im Rahmen von Voruntersuchungen das Gewicht auf 10 kg reduziert werden. Es wurde festgestellt, dass die aufzubringenden Zugkräfte sich proportional zum Gewicht verändern, so dass sich keine Veränderungen hinsichtlich des Gleitreibwertes ergeben. Lediglich bei einer weiteren Reduzierung des Gewichtes wären die Messergebnisse verfälscht worden.

Es ist zu unterscheiden zwischen dem Haftreibungskoeffizienten (der Fuß steht) und dem Gleitreibungskoeffizienten (der Fuß ist in Bewegung) (Nilsson, 1988).

Als bisher einziges Messgerät kann das durch die DLG entwickelte Messgerät sowohl Haft- als auch die Gleitreibung gleichzeitig und nacheinander messen (Müller, 2003).

Die physikalischen Einflussfaktoren auf die Rutschfestigkeit von Laufflächen können wie folgt beschrieben werden:

Nach Seibt (1996) ist im allgemeinen Reibung der Widerstand, der dem Versuch des Verschiebens zweier Oberflächen entgegengesetzt wirkt. Er lässt sich in zwei verschiedene Arten unterteilen, die Festkörper- und die Flüssigkeitsreibung.

Während bei der Festkörperreibung ein direkter Kontakt zwischen den Reibpartnern, also der Rinderklaue und der Lauffläche, besteht, befindet sich bei der Flüssigkeitsreibung eine Flüssigkeit zwischen den Kontaktflächen. Auf einem nassen Bodenbelag treten beide Reibungsarten auf. Dabei ist beim Aufsetzen der Klaue oder des Fußes entscheidend, dass der Flüssigkeitsfilm durchstoßen wird und welche Spitzen der Makrorauhigkeit der Fußbodenoberfläche die Klaue beim Aufsetzen noch erreichen. Nach Aufsetzen treten verschiedene Kräfte auf. Zum

einen die zum Fußboden senkrecht wirkende Kraft, die so genannte Normalkraft und zum anderen, Kräfte in horizontaler Richtung. Diese lassen sich wiederum in Kräfte quer und längs zur Laufrichtung unterscheiden. Die Reibkraft und Normalkraft stehen in der Beziehung FNormal = μ * FReibung zueinander, wobei μ den Reibkoeffizienten darstellt. Reibungszahlen werden nach der Haft- und Gleitreibungskraft unterschieden. Die Gleitreibungskraft ist die Kraft, die nötig ist, um einen Körper mit konstanter Geschwindigkeit gleitend zu bewegen. Die Haftreibung ist die Kraft, die überwunden werden muss, um einen ruhenden Körper in gleitende Bewegung zu versetzen.

Die Reibungsarten unterscheiden sich im Reibungskoeffizienten μ. Dieser errechnet sich nach Bähr et al. (1978) mit der Formel:

μ= Aufgewendete Zugkraft

Andrückkraft aus Gesamtbelastung

Das Messverfahren zur Ermittlung des Gleitreibungswerts war in der ehemaligen DDR genormt (TGL 32456, 1983). Der Gleitreibungswert μ ist dort definiert als der Kennwert für die Trittsicherheit von Fußbodenoberflächen unter Berücksichtigung der Beziehung:

μ= Horizontalkraft (Fh) Vertikalkraft (Fv)

In der Norm wurden folgende Grenzwerte angegeben:

Tabelle 8: Grenzwerte Gleitreibungswert μ für eine ausreichende Rutschfestigkeit nach TGL 32456

Tierart Gleitreibungswert μ Planbefestigter Boden

Gleitreibungswert μ Spaltenboden

Milchvieh 0,40 0,30

Jung- Mastrinder 0,35 0,25

Kälber 0,30 0,20

Wander (1970) stellte fest, wenn eine Kuh geht das Verhältnis zwischen horizontaler und vertikaler Kraft zwischen 1:2 und 1:3 liegt. Dies bedeutet ein Gleitreibungskoeffizient von 0,33 bis 0,50 ist notwendig.

Webb und Clark (1981) geben für Kühe Gleitreibungskoeffizienten zwischen 0,2 und 0,6, mit extremen Schwankung während des Gehens, an.

In einer Untersuchung des Bewegungsverhaltens von Kühen auf Böden mit unterschiedlichen Oberflächen stellten Phillips und Morris (2001) fest, dass Kühe auf Böden mit einem Haftreibungskoeffizienten von kleiner 0,4 μ mit schnellen kurzen Schritten laufen. Wenn der Haftreibungskoeffizient auf 0,5 μ ansteigt, dann wächst die Schrittlänge und die Schrittfrequenz verringert sich. Sie folgern, dass der optimale Haftreibungskoeffizient zwischen 0,4 und 0,5 μ liegt.

Gjestang und Loken (1980) stellen fest, dass das Vorkommen von Ausrutschen bei Kühen in Anbindehaltung gering ist, wenn der Haftreibungskoeffizient 0,4 oder höher ist.

Im DLG Prüfprogramm für elastische Laufgangbeläge wird ein Gleitreibbeiwert μ von 0,45 gefordert (DLG Prüfprogramm, 2004).

Bei sechs SignumTests (DLG Prüfberichte Nummer 5415, 5405, 5404, 5403, 5603, 5654) und vier FokusTests (DLG Prüfberichte Nummer 5355F, 5454F, 5512F, 5531F) von Laufflächenauflagen aus Gummi die vom Testzentrum für Technik und Betriebsmittel der Deutschen Landwirtschafts Gesellschaft durchgeführt wurden, wurde bei allen 10 getesteten Produkten ein Gleitreibbeiwert μ über 0,45 gemessen.

Nilssson (1988) kommt zu dem Ergebnis, dass der Reibungskoeffizient 0,35 bis 0,40 sein sollte. Er hat im Labor verschiedene Böden in trockenem, nassen und mit Mist bedeckten Zustand gemessen. Bei harten Materialien war die Haftreibung immer höher als die Gleitreibung. Bei weichen Materialien wie Gummimatten und Liegeboxmatratzen war es umgekehrt.