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Untersuchungen zum Wellenüberlauf an Deichen mit aufgesetzten senkrechten und geneigten Wänden

Studienarbeit 2012 54 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Leseprobe

Inhalts verzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbole und Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Allgemeines
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Stand der Wissenschaft
2.1 Allgemeines
2.2 Theoretische Grundlagen
2.2.1 Bemessungsformeln für geneigte Oberflächen gemäß EurOtop Manual
2.2.2 Bemessungsformeln für rein vertikale Wände gemäß EurOtop Manual
2.2.3 Bemessungsformeln für zusammengesetzte vertikale Wände gemäß EurOtop Manual

3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
3.1 Versuchsaufbau
3.1.1 Bauwerksgeometrien
3.2 Versuchsdurchführung
3.2.1 Messtechnik

4 Auswertung der Ergebnisse
4.1 Wellen- und Reflexionsanalyse
4.1.1 Spektralanalyse
4.2 Ermittlung der Überlaufmenge
4.3 Darstellung der Messergebnisse

5 Diskussion der Ergebnisse

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1 – Schematische Darstellung des Wellenüberlaufs an einer geneigten und vertikalen (r.) Bauwerksstruktur gemäß Geeraerts et al. (2007)

Abb. 2.2 - Darstellung des Wellenauf- und Wellenüberlaufs sowie relevanter Einflussgrößen (Definitionsskizze) gemäß Schüttrumpf (2001)

Abb. 2.3 – Ursachen eines Deichbruchs durch Versagensmechanismen auf der Außen- und Binnenböschung von Deichen gemäß Oumeraci et al. (1997)

Abb. 2.4 - Darstellung des Wellenauflaufs auf geneigten Geometrien und der dazugehörigen Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Abb. 2.5 - Schematische Darstellung und Klassifizierung der Brecherformen gemäß Battjes (1974)

Abb. 2.6 – Wellenüberlauf an einer vertikalen Wand unter nicht-impulsiven (nicht-brechenden) Bedingungen mit sanftem Überlauf (EurOtop Manual, 2007)

Abb. 2.7 – Wellenüberlauf an einer vertikalen Wand unter impulsiven (brechenden) Bedingungen mit anprallendem Wellenüberlauf (EurOtop Manual, 2007)

Abb. 2.8 - Darstellung des Wellenüberlaufs an rein vertikalen Wänden und der entsprechenden Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Abb. 2.9 - Darstellung des Wellenüberlaufs an zusammengesetzten vertikalen Strukturen und der dazugehörigen Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Abb. 3.1 - Seitenansicht (l.) und Draufsicht des Versuchsmodells im Wellenbecken des Franzius-Instituts in Marienwerder

Abb. 3.2 - Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus mit dazugehöriger Messtechnik am Beispiel von Geometrie 1

Abb. 3.3 - Schematische Darstellung von Geometrie 1 mit der dazugehörigen Messtechnik bestehend aus WP4 - WP6 und WAFO

Abb. 3.4 - Schematische Darstellung von Geometrie 2 mit eingebauter Messtechnik bestehend aus WP4 - WP6 und WAFO

Abb. 3.5 - Darstellung des Überlaufbehälters mit eingebautem WAFO (l.) sowie einer Nahaufnahme des Messinstruments

Abb. 3.6 - Darstellung der verwendeten Wellenpegel während der Kalibrierung (l.) sowie der eingebauten Pegel (WP4 -WP6) im Versuchsmodell

Abb. 3.7 - Darstellung der verwendeten Wellenpegel während der Kalibrierung (l.) sowie der eingebauten Pegel (WP4 -WP6) im Versuchsmodell

Abb. 4.1 - Aufteilung des Wellensignals in eingehende und reflektierte Wellen an Wellenpegel 1 gemäß Mansard und Funke (1980)

Abb. 4.2 - Darstellung des Amplitudenspektrums der durchgeführten Modellversuche am Beispiel von Geometrie 2 (Rc = 0,104 m)

Abb. 4.3 - Darstellung des Energiedichtespektrums der durchgeführten Modellversuche am Beispiel von Geometrie 2 (Rc = 0,104 m)

Abb. 4.4 - Darstellung der WAFO-Messung am Beispiel von Geometrie 2 mit einer Freibordhöhe von Rc = 0,104 m

Abb. 4.5 - Darstellung der Messergebnisse in Bezug auf die mittleren Überlaufe in Abhängigkeit von den Freibordhöhen

Abb. 4.6 - Darstellung der theoretischen Überlaufmenge an Geometrie 1 und Geometrie 2 im Vergleich zur Bemessungsformel für Geometrie 1

Abb. 4.7 - Darstellung der gemessenen Überlaufmengen an Geometrie 1 und Geometrie 2 im Vergleich zur Bemessungsformel für Geometrie 1

Abb. 4.8 - Darstellung einer rein vertikalen Wand und der Definitionen der verwendeten Parameter zur Ermittlung der Überlaufmenge

Abb. 4.9 - Darstellung einer geböschten Bauwerksgeometrie mit aufgesetzter vertikaler Wand und der dazugehörigen Definitionen

Abb. 4.10 - Darstellung einer geböschten Bauwerksgeometrie mit aufgesetzter geneigter Wand und der dazugehörigen Definitionen

Abb. 4.11 - Darstellung der Messergebnisse im Vergleich zu den Bemessungsformeln für Überläufe an rein vertikalen Wänden sowie an Deichen (tan(𝛂) = 1/3) mit aufgesetzten vertikalen Wänden

Abb. 4.12 - Darstellung der Messergebnisse im Vergleich zu den Bemessungsformeln für Überlaufmengen an Deichen (tan(𝛂) = 1/3) mit aufgesetzten vertikalen sowie geneigten Wänden

Abb. 4.13 - Darstellung der gemessenen Reflexionskoeffizienten an Geometrie 2 in Abhängigkeit der relativen Freibordhöhen

Abb. 4.14 - Darstellung der variierenden Wasserstände sowie der an WP1 bis WP3 gemessenen signifikanten Wellenhöhen

Tabellenverzeichnis

Tab. 3.1 – Auflistung des zu analysierenden Wellenspektrums mit Variation der spezifischen Freibordhöhen

Tab. 3.2 – Darstellung der kalibrierten Messgeräte (WP1 - WP6 und WAFO) mit den jeweiligen Kalibrierungsfaktoren

Tab. 4.1 - Gegenüberstellung der angesteuerten Werte im Vergleich zu den gemessenen arithmetischen Mittelwerten der einzelnen Versuche

Symbole und Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammenfassung

Küstenschutzbauwerke, wie z.B. Deiche und Hochwasserschutzwände, haben die Aufgabe das Hinterland vor Überflutungen zu schützen. Für die Ausführungsplanung sind Erkenntnisse über den Wellenüberlauf, der die häufigste Ursache für Deichversagen darstellt, von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden die im Wellenbecken des Franzius-Instituts in Hannover durchgeführten physikalischen Versuche vorgestellt. Dabei wurde ein unidirektionales Seegangsspektrum generiert um das Überlaufverhalten der Wellen auf eine senkrechte und eine geneigte Hochwasserschutzwand in Abhängigkeit variierender Freibordhöhen zu untersuchen. Die Messergebnisse wurden schließlich mit Bemessungsformeln gemäß EurOtop Manual verglichen und analysiert.

Schlagwörter: Wellenüberlauf, Freibordhöhe, Modellversuche, Hochwasserschutzwände

Abstract

The purpose of coastal structures, e.g. dikes and flood walls, is to ensure the protection of the hinterland from flooding. For an economic design the knowledge of the overtopping process, which is the most common cause of dike failure, is of great significance. In this paper physical investigations on wave overtopping on vertical and inclined walls are presented which recently performed in the wave basin of the Coastal Research Centre (FSK) in Hanover, Germany. Here, a unidirectional wave spectrum was generated to investigate the wave overtopping as a function of a varying freeboard. In conclusion, the results were compared with the design equations according to the EurOtop Manual and analyzed afterwards.

Keywords: Wave overtopping, Freeboard, Physical investigations, Flood wall

1 Einleitung

1.1 Allgemeines

In Anbetracht der Tatsache, dass die Mehrheit der Weltbevölkerung in küstennahen Gebieten lebt, ist es von großer Bedeutung den Schutz des Hinterlandes durch Küstenschutzbauwerke, z.B. Deiche oder Hochwasserschutzwände, zu gewährleisten. Vor allem in Hinblick auf Hochwasserereignisse, wie die Flutkatastrophen 1953 in den Niederlanden und 1962 in Deutschland, sind Erkenntnisse über die einwirkenden Belastungen auf Küstenschutzbauwerke äußerst relevant (D’Eliso et al., 2006). Wie von Kortenhaus und Oumeraci (2002) aufgeführt, stellt der Wellenüberlauf die häufigste Ursache für Deichversagen dar. Aufgrund der stochastischen Natur des Seegangs und der Unsicherheiten bei der Festlegung des Bemessungsseegangs können Wellenüberläufe jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden und sind bei der Bemessung zu berücksichtigen (Schüttrumpf, 2001). Um die Überlaufmengen möglichst genau voraussagen zu können, besteht die Möglichkeit empirische Bemessungsformeln zur Abschätzung des Wellenüberlaufs mithilfe von hydraulischen Versuchen zu ermitteln.

Vor diesem Hintergrund wurden in der Vergangenheit bereits einige Modellversuche zum Überlaufverhalten durchgeführt, unter anderem von Owen (1980), De Waal et al. (1992), Franco et al. (1994) sowie von Kramer et al. (2005). Auf Grundlage von Ergebnissen verschiedener physikalischer Versuche zur Abschätzung des Wellenauflaufs und Wellenüberlaufs wurden schließlich empirische Bemessungsformeln entwickelt und von Pullen et al. (2007) im EurOtop Manual festgehalten. In diesem Zusammenhang stellt das EurOtop Manual den aktuellen Stand der Wissenschaft auf europäischer Ebene dar.

In der vorliegenden Arbeit werden im Rahmen einer wissenschaftlichen Studie mit dem Forschungszentrum Küste (FSK) des Niedersächsischen Landesbetriebs für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) zur Unterstützung der Ausführungsplanung von Sturmflutschutzwänden auf Deichen sowie auf reinen Sturmflutschutzwänden physikalische Versuche durchgeführt, um daraus praxisrelevante Parameter und Erkenntnisse für ausgeweitete Bemessungsgrundlagen abzuleiten. Da der Wellenüberlauf an Küstenschutzbauwerken unter anderem durch die Struktur des Bauwerks beeinflusst wird, ist das wesentliche Ziel dieser Arbeit die Analyse des Einflusses von geneigten Hochwasserschutzwänden auf den Wellenüberlauf.

1.2 Aufbau der Arbeit

In den folgenden Kapiteln werden die im Wellenbecken des Franzius-Instituts in Hannover durchgeführten Modellversuche beschrieben und die Ergebnisse analysiert. Dazu werden zunächst vorangegangene Erkenntnisse erläutert, wobei unter anderem die verschiedenen Versagensmechanismen eines Deichbruchs dargestellt werden. Ebenso werden die wesentlichen Bemessungsformeln für den Wellenüberlauf gemäß EurOtop Manual beschrieben. Anschließend wird in Kapitel 3 der Versuchsaufbau näher erläutert, indem u.a. eine Darstellung der untersuchten Bauwerksgeometrien aufgezeigt wird. Im Rahmen der durchgeführten physikalischen Versuche wurde ein unidirektionales Seegangsspektrum generiert und das Überlaufverhalten auf zwei verschiedene Geometrien in Abhängigkeit der variierenden Freibordhöhe untersucht. Eine detaillierte Beschreibung der Versuchsdurchführung und der verwendeten Messtechnik wird in Kapitel 3.2 geliefert. Im Anschluss daran folgt die Auswertung und Darstellung der wesentlichen Messergebnisse in Kapitel 4, dabei werden zunächst die einzelnen Abläufe der durchgeführten Datenauswertung beschrieben. In Kapitel 4.3 werden schließlich die wesentlichen Messdaten unter anderem im Vergleich mit den Bemessungsformeln gemäß EurOtop Manual dargestellt. Abschließend werden die aufgeführten Messergebnisse interpretiert und wesentliche Erkenntnisse zusammengefasst. Zuletzt wird ein kurzer Ausblick auf weiterführende Untersuchungsmöglichkeiten gegeben.

2 Stand der Wissenschaft

Die beim Wellenüberlauf ablaufenden hydromechanischen Prozesse an Deichen und anderen Küstenschutzbauwerken gehören zu den am wenigsten untersuchten Belastungsvorgängen. Für die Abschätzung der auf die Deichoberfläche wirkenden Kräfte ist die Kenntnis dieser Vorgänge jedoch von großer Bedeutung. Daher werden in diesem Kapitel zunächst die wesentlichen Wellenüberlaufarten sowie die maßgeblichen Einflussparameter auf den Wellenüberlauf vorgestellt. Anschließend folgt eine kurze Darstellung von Ursachen eines Deichbruchs. In Kapitel 2.2 werden schließlich Bemessungsformeln für verschiedene Geometrien zur Ermittlung der Überlaufmenge gemäß EurOtop Manual (Pullen et al., 2007) erläutert.

2.1 Allgemeines

Bereits vor mehr als 1000 Jahren wurden an der deutschen Nordseeküste die ersten Deiche zur Abwehr von hohen Wasserständen gebaut. Dabei gehören Deiche und senkrechte Küstenbauwerke zu den wichtigsten Elementen des Hochwasserschutzes. Seither haben sich sowohl die Bauweisen für Küstenschutzbauwerke, als auch die Ansätze für den funktionellen Entwurf und die konstruktive Bemessung permanent verbessert. Der Einsatz von Deichen insbesondere entlang der Küsten Dänemarks, Deutschlands, vielen Teilen Großbritanniens und der Niederlande ist am weitesten verbreitet. An urbanen Fassaden, speziell in der Nähe von Häfen, werden vorwiegend vertikale Hochwasserschutzwände zum Schutz vor Erosion und Überflutung errichtet (Geeraerts et al., 2007).

Um den Schutz des Hinterlandes vor Überflutung und vor Spritzwasser zu gewährleisten, ist es von großer Bedeutung möglichst präzise Vorhersagen zu liefern. Speziell die Ermittlung der Wellenauf- sowie Wellenüberlaufmenge ist für die Abschätzung eines möglichen Deichbruchs äußerst relevant. Da der Schwerpunkt dieser Arbeit hauptsächlich auf der Analyse des Wellenüberlaufs liegt, wird dieser im Folgenden näher erläutert.

Allgemein wird der Wellenüberlauf als die Wassermenge, die über die Krone eines Küstenschutzbauwerks strömt, definiert (vgl. Abb. 2.1). Jedoch können Wellenüberläufe aufgrund der stochastischen Natur des Seegangs und der Unsicherheiten bei der Festlegung des Bemessungsseegangs nicht vollständig ausgeschlossen werden und sind aus diesem Grund bei der Bemessung zu berücksichtigen. Dabei ist sicherzustellen, dass die überlaufenden Wassermassen keine Schäden an der Krone und der Innenseite des Bauwerks bzw. den angrenzenden Flächen verursachen können (Schüttrumpf et al., 2001).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1 – Schematische Darstellung des Wellenüberlaufs an einer geneigten und vertikalen (r.) Bauwerksstruktur gemäß Geeraerts et al. (2007)

Der Wellenüberlauf an Küstenbauwerken wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst, die in Abb. 2.2 schematisch dargestellt sind. Darunter zählen unter anderem Bauwerksparameter wie die Deichneigung α, Vorstrandgeometrie, Oberflächenrauheit, Freibordhöhe Rc sowie die Struktur und Breite der Berme B. Weitere Einflussfaktoren sind hydrographische Parameter, wie die Wellenhöhe H0, Wellenangriffsrichtung, Wellensteilheit s0 und -periode T sowie der Wasserstand d und Windbedingungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2 - Darstellung des Wellenauf- und Wellenüberlaufs sowie relevanter Einflussgrößen (Definitionsskizze) gemäß Schüttrumpf (2001)

In vielen Fällen sind Deichversagen bzw. Deichbrüche die Folge einer Kombination von Wellenüberlauf und anderen negativ beeinflussenden Parametern. Dazu gehören beispielsweise ungünstige Deichgeometrien (steile Böschung, geringer Freibord, etc.), nährstoffarme Böden (lokale Instabilitäten), Installationen innerhalb des Deichkörpers (Kabel, Stufen, etc.), negative biologische Einflussfaktoren (Maulwürfe, Baumwurzeln, etc.) sowie meteorologische Aspekte (Schüttrumpf et al., 2001). Die wesentlichen Versagensmechanismen von Seedeichen werden in Abb. 2.3 aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3 – Ursachen eines Deichbruchs durch Versagensmechanismen auf der Außen- und Binnenböschung von Deichen gemäß Oumeraci et al. (1997)

2.2 Theoretische Grundlagen

Insbesondere durch die Weiterentwicklung der Modelltechnik von hydraulischen und numerischen Modellen konnte in den letzten Jahren der Entwurf und die Bemessung von Deichen und senkrechten Hochwasserschutzwänden verbessert werden. Um die wesentlichen Zusammenhänge nachvollziehen und analysieren zu können, werden gegenwärtig zunehmend hydronumerische Modelle eingesetzt. Dabei können die natürlichen Vorgänge lediglich durch vereinfachte und zum Teil idealisierte Randbedingungen widergegeben werden, wodurch Rückschlüsse auf die eigentlichen Prozessabläufe nur eingeschränkt gezogen werden können (Schüttrumpf, 2011).

In Anbetracht der großen Anzahl relevanter Parameter und der sehr komplexen Wasserbewegung am Bauwerk, sind theoretische Ansätze zum Wellenüberlauf bislang noch unzureichend entwickelt. Aufgrund dessen werden insbesondere physikalische Modelltests zur Ermittlung empirischer Formeln verwendet, um darauf aufbauend eine Abschätzung über den Wellenüberlauf treffen zu können. Auf Grundlage von Ergebnissen verschiedener Modellversuche wurden empirische Bemessungsformeln entwickelt und im EurOtop Manual (2007) zusammengefasst. Derzeit stellt das EurOtop Manual den Stand des Wissens auf europäischer Ebene zur Abschätzung des Wellenauflaufs sowie des Wellenüberlaufs für einige Standardgeometrien dar.

Durch empirische Formeln werden idealisierende Annahmen der natürlichen Prozesse getroffen, die meist in dimensionslosen Gleichungen zur Verknüpfung wesentlicher Reaktionsparameter, wie z.B. die Überlaufmenge, mit entscheidenden Wellen- und Strukturparametern dargestellt werden. Gemäß EurOtop Manual lautet die allgemeine Formel für den Wellenüberlauf:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

gilt. Dabei stellt die dimensionslose Überlaufmenge eine Funktion der signifikanten Wellenhöhe und der mittleren Überlaufmenge q dar. Rcd entspricht dem dimensionslosen Freibord und ergibt sich aus dem Quotienten der Freibordhöhe Rc sowie der signifikanten Wellenhöhe Hm0. Die Koeffizienten a und b wurden durch die Regressionsanalyse verschiedener Messergebnisse ermittelt.

2.2.1 Bemessungsformeln für geneigte Oberflächen gemäß EurOtop Manual

Bei geneigten Deichen treten Wellenüberläufe auf, wenn die Deichkrone niedriger ist als die maximale Wellenauflaufhöhe Ru2%,max. Weiterhin hängt der Wellenüberlauf von der Freibordhöhe Rc ab, die als die Differenz zwischen der Deichkrone und dem Ruhewasserstand definiert wird (vgl. Abb. 2.4), sodass der Wellenüberlauf bei geringerer Freibordhöhe ansteigt.

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Abb. 2.4 - Darstellung des Wellenauflaufs auf geneigten Geometrien und der dazugehörigen Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Darüber hinaus hängt sowohl der Wellenauflauf als auch der Wellenüberlauf bei geneigten Deichen von der Wellensteilheit s0 ab, die das Verhältnis zwischen der Wellenhöhe Hm0 und der Wellenlänge im Tiefwasser Lm-1,0 darstellt,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Tatsache, dass brechende Wellen eine geringere Belastung für das Küstenschutzbauwerk darstellen, weil ein Großteil der kinetischen Energie durch den Brechvorgang dissipiert wird, sollte bei der Konstruktion von Küstenschutzbauwerken ebenfalls berücksichtigt werden. Daher wird zwischen brechenden und nicht-brechenden Wellen in Form der Brecherkennzahl ξ, die auf den Erkenntnissen von Irribarren und Nogales (1949) basiert, differenziert.

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Das Verhältnis zwischen dem Neigungswinkel des Vorlandes α und der Wellensteilheit s0 führt zu unterschiedlichen Brecherformen, die in Abb. 2.5 dargestellt sind. An Brandungsküsten wird zwischen Schwall-, Sturz- und Reflexionsbrechern unterschieden. Bei flachen Sohlneigungen und geringen Wellensteilheiten tritt der Schwallbrecher (spilling breaker) auf, der mit einer Brecherkennzahl von ξm-1,0 < 0,2 klassifiziert wird. Dahingegen wird die Brecherform bei steileren Stränden und größeren Wellensteilheiten (0,2< ξm-1,0 <3) als Sturzbrecher (plunging breaker) und bei sehr steilen Strandneigungen mit einem Brecherparameter von ξm-1,0 > 3 als Reflexionsbrecher (surging breaker) bezeichnet .

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Abb. 2.5 - Schematische Darstellung und Klassifizierung der Brecherformen gemäß Battjes (1974)

Durch unterschiedliche Messergebnisse definiert TAW (2002) den probabilistischen Zusammenhang der dimensionslosen Faktoren aus Gl. 2.1:

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Dabei gilt Gl. 2.7 nur für Brecherparameter ξm-1,0 < 5. Die γ-Werte stehen für Korrekturfaktoren für Bermen (γ b), die Durchlässigkeit bzw. Rauheit des Bauwerks (γ f), die Angriffsrichtung der Wellen (γ β) sowie für den Einfluss aufgesetzter Wände auf die Geometrie (γ ν).

Die deterministischen Zusammenhänge, die ebenso zur Ermittlung der dimensionslosen Überlaufmenge von brechenden und nicht-brechenden Wellen verwendet werden können, lauten wie folgt:

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2.2.2 Bemessungsformeln für rein vertikale Wände gemäß EurOtop Manual

Analog zu geböschten Geometrien, bei denen zur Abschätzung des Wellenüberlaufs die Unterscheidung des Wellenbrechens notwendig ist, muss an steilen und vertikalen Küstenschutzbauwerken zunächst die Interaktion zwischen der Welle und der Struktur ermittelt werden. Dabei wird an steilen und vertikalen Wänden zwischen nicht-impulsiven bzw. pulsierenden und impulsiven Bedingungen unterschieden. Nicht-impulsive Bedingungen treten bei Wellen auf, die relativ klein im Verhältnis zur lokalen Wassertiefe sind und eine geringe Wellensteilheit aufweisen. Hierbei werden die Wellen nicht wesentlich vom Fußpunkt der Bauwerks oder der Neigung des Vorlandes beeinflusst und erreichen die vertikale Wand ohne zu brechen, wie in Abb. 2.6 dargestellt ist. Dies führt zu (relativ) sanft-wechselnden Lasten auf das Bauwerk.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.6 – Wellenüberlauf an einer vertikalen Wand unter nicht-impulsiven (nicht-brechenden) Bedingungen mit sanftem Überlauf (EurOtop Manual, 2007)

Im Gegensatz dazu gelten impulsive Bedingungen, wenn die Wellen im Verhältnis zur lokalen Wassertiefe größer sind und bereits an der naheliegenden Bathymetrie oder am Fußpunkt selbst brechen. Unter diesen Voraussetzungen erfährt das Bauwerk eine Belastung durch Wellenschlag, die 10- bis 40-mal größer ist als bei nicht-impulsiven Bedingungen. Dabei kann der Wellenüberlauf durch einen heftigen, auflaufenden Strahl von (eventuell noch belüftetem) Wasser charakterisiert werden (vgl. Abb. 2.7).

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Abb. 2.7 – Wellenüberlauf an einer vertikalen Wand unter impulsiven (brechenden) Bedingungen mit anprallendem Wellenüberlauf (EurOtop Manual, 2007)

Um Wellenüberläufe an rein vertikalen Bauwerksstrukturen abschätzen zu können, ist es zunächst erforderlich sowohl den Bemessungsseegang als auch den dominanten Überlaufvorgang (impulsiv oder nicht-impulsiv) für eine gegebene Geomtrie festzulegen. Dafür wurde ein Impulsivitätsparameter definiert, der wie folgt lautet:

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Abb. 2.8 - Darstellung des Wellenüberlaufs an rein vertikalen Wänden und der entsprechenden Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Bei nicht-impulsiven Bedingungen ( > 0,3) gilt für die probabilistische Bestimmung der Wellenüberlaufs an vertikalen Wänden:

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2.2.3 Bemessungsformeln für zusammengesetzte vertikale Wände gemäß EurOtop Manual

Viele vertikale Deichwände werden mit Steinschüttungen versehen um den Deichfußpunkt vor Kolkbildung zu schützen. Bereits relativ kleine Bermen können jedoch die Charakteristiken des Wellenbrechens verändern, wodurch die Art und Größenordnung der Wellenbelastung auf das Bauwerk beeinflusst werden (Oumeraci et al., 2001). Aufgrund dessen sollte zwischen rein vertikalen und zusammengesetzten vertikalen Strukturen differenziert werden.

Für letztere Geometrien sollte eine angepasste Version der Bemessung von Überlaufmengen für rein vertikale Wände verwendet werden. Ein modifizierter Impulsivitätsparameter wurde vergleichbar zum Parameter (siehe Gl. 2.9) für zusammengesetzte vertikale Wände definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.9 - Darstellung des Wellenüberlaufs an zusammengesetzten vertikalen Strukturen und der dazugehörigen Definitionen nach EurOtop Manual (2007)

Während nicht-impulsive Bedingungen bei > 0,3 dominieren, treten impulsive Zustände am Bauwerk bei < 0,2 auf. Der Übergang zwischen Bedingungen, bei denen die Wellenüberlaufreaktion durch brechende und nicht-brechende Wellen vorherrscht, liegt bei 0,2 ≤ ≤ 0,3. In diesem Bereich sollte der Wellenüberlauf für beide, nicht-impulsive und impulsive, Zustände bestimmt und der größere Wert davon für die Berechnung verwendet werden. Wenn nicht-impulsive Konditionen dominieren, kann der Wellenüberlauf mit der Bemessungsgrundlage für rein vertikale Strukturen gemäß Gl. 2.10 bestimmt werden. Bei impulsiven Bedingungen kann eine modifizierte Version der Gl. 2.13 und 2.14 verwendet werden, dabei erfolgt die probabilistische Ermittlung des Wellenüberlaufs in Form von

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Im Wellenbecken des Franzius-Instituts in Marienwerder wurden Modellversuche im Rahmen einer grundlegenden wissenschaftlichen Studie zur Unterstützung der Ausführungsplanung von Sturmflutschutzwänden sowohl auf Deichen als auch auf Sturmflutschutzwänden durchgeführt. Anhand dieser Versuche soll insbesondere der Einfluss von geneigten Hochwasserschutzwänden auf den Wellenüberlauf analysiert werden, um daraus praxisrelevante Parameter und Erkenntnisse schließen zu können. Die Modellversuche wurden an zwei unterschiedlichen Bauwerksgeometrien, die in Abb. 3.3 und Abb. 3.4 dargestellt sind, im Maßstab 1:10 durchgeführt. Im multidirektionalen Wellenbecken, das die Maße 24mx35 m aufweist, können mithilfe der Wellenmaschine Seegangsspektren mit Wellenhöhen bis zu 40 cm generiert werden. Durch die aktive Absorption der Wellenmaschine, die mit insgesamt 72 Einzelwellenblättern ausgestattet ist, werden Re-Reflexionen an der Maschine vermieden.

In diesem Kapitel sollen die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellversuche näher erläutert werden. Zunächst erfolgt in Kapitel 3.1 eine Beschreibung des Versuchsaufbaus. Die unterschiedlichen Bauwerksgeometrien werden anschließend in Kapitel 3.1.1 dargestellt. Zum Abschluss folgt in Kapitel 3.2 eine Erläuterung der Versuchsdurchführung sowie der verwendeten Messinstrumente.

3.1 Versuchsaufbau

Für die Simulation eines unidirektionalen Seegangs wurde ein 8,7 m langer und 0,8 m breiter Kanal, entsprechend der Breite zweier Wellenblättern, in das Wellenbecken eingebaut. In Abb. 3.1 wird das Versuchsmodell im Wellenbecken des Franzius-Instituts sowohl in der Seiten- als auch in der Draufsicht gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1 - Seitenansicht (l.) und Draufsicht des Versuchsmodells im Wellenbecken des Franzius-Instituts in Marienwerder

Die Bauwerksgeometrien, die in Kapitel 3.1 genauer beschrieben werden, befinden sich in etwa 7,2 m Entfernung zur Wellenmaschine. Angrenzend an den Kanal wurde ein etwa 90 cm langer Überlaufbehälter, der durch ein mit Löchern versehenes Holzbrett in zwei Bereiche eingeteilt ist, montiert. Während im vorderen Abschnitt des Behälters eine Pumpe platziert wurde, befindet sich im circa 20 cm langen hinteren Teil der sogenannte WAFO, dessen Funktionsweise in Kapitel 3.2.1 näher erläutert wird. Zur Erfassung der Oberflächenauslenkung der generierten Wellen wurden insgesamt sechs Wellenpegel eingesetzt. Drei dieser Pegel, die in Abb. 3.2 als WP1, WP2 und WP3 gekennzeichnet sind, wurden in einem vorher ermittelten Abstand gemäß der Drei-Pegel-Methode nach Mansard und Funke (1980) eingebaut und zur Reflexionsanalyse verwendet. Die Mansard-und-Funke-Methode ist eine Erweiterung des Ansatzes von Goda und Suzuki und kann durch die zusätzlichen Informationen des dritten Pegels den mittleren quadratischen Fehler zwischen der gemessenen Oberflächenauslenkung und dem Ergebnis der Anpassung minimieren. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist, dass die Sensibilität der Reflexionsanalyse gegenüber Rauschen reduziert wird. Analog zum vorangegangenen Ansatz weist die Drei-Pegel-Methode Singularitäten auf. Vor allem wenn sich die Wellenpegel nicht im gleichen Abstand zueinander befinden, ist das Auftreten von Singularitäten sehr komplex und wird in Isaacsen (1991) näher erläutert (Payne, 2008). Das Spektrum unmittelbar an der jeweiligen Bauwerksstruktur wurde durch drei weitere Wellenpegel (WP4, WP5, WP6) aufgezeichnet. Dabei befinden sich jeweils ein Pegel am Fußpunkt des Bauwerks (WP4), ein weiterer mittig über der horizontalen Berme (WP5) und ein dritter direkt vor dem Überlaufbehälter (WP6). Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus ist in Abb. 3.2 anhand der ersten Geometrie dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.2 - Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus mit dazugehöriger Messtechnik am Beispiel von Geometrie 1

3.1.1 Bauwerksgeometrien

Die erste Geometrie besteht aus einer senkrechten Hochwasserschutzwand, vor der eine eingetauchte Berme eingebaut wurde. Für die Errichtung der 80 cm breiten und 96 cm langen Berme wurden KS-Steine mit den Maßen 240x175x113 mm verwendet. Die erste Bauwerksgeometrie ist in Abb. 3.3 grafisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.3 - Schematische Darstellung von Geometrie 1 mit der dazugehörigen Messtechnik bestehend aus WP4 - WP6 und WAFO

Im Vergleich zu Geometrie 1 enthält Geometrie 2 eine um 10° geneigte Hochwasserschutzwand wie in Abb. 3.4 abgebildet ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.4 - Schematische Darstellung von Geometrie 2 mit eingebauter Messtechnik bestehend aus WP4 - WP6 und WAFO

3.2 Versuchsdurchführung

Die durchgeführten Versuche erfolgten in Anlehnung an die bereits abgeschlossenen Modellversuche, in denen zwei verschiedene Seegangspektren mit variierenden Wellenangriffsrichtungen simuliert wurden. Die in dieser Arbeit beschriebenen Modelltests wurden zum Vergleich unidirektional durchgeführt. Dafür wurde zunächst die Generierung der Steuersignale für die Wellenmaschine anhand des vordefinierten Seegangsspektrums vorgenommen. Das zu analysierende Wellenspektrum mit einer signifikanten Wellenhöhe von Hm0 = 0,065 m, einer mittleren spektralen Wellenperiode von Tm-1,0 = 0,73 s sowie die variierenden Freibordhöhen Rc sind in Tab. 3.1 aufgeführt.

Tab. 3.1 – Auflistung des zu analysierenden Wellenspektrums mit Variation der spezifischen Freibordhöhen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zunächst wurden die Versuchsreihen für Geometrie 1, bei der der Ruhewasserstand = 0,638 m beträgt, durchgeführt. Im Anschluss daran wurde das vorgegebene Spektrum auf die zweite Geometrie eingesteuert. Die Freibordhöhen wurden durch die Variation des Ruhewasserspiegels verändert, dafür ist im Wellenbecken ein Spitzentaster angebracht mithilfe dessen der Wasserstand im Wellenbecken reguliert und kontrolliert werden kann. Wie Tab. 3.1 verdeutlicht, wurden insgesamt vier verschiedene Freibordhöhen behandelt, um die Überlaufmenge in Abhängigkeit der Freibordhöhen analysieren zu können. Alle Versuche hatten eine Dauer von 13 min und werden sechsmal wiederholt, um die Qualität der erfassten Daten sicherzustellen. Nach jedem Durchgang wurde der Überlaufbehälter mithilfe der positionierten Pumpe entleert.

Zu Beginn dieser Arbeit bestand die Aufgabe zunächst darin, das Überlaufverhalten anhand von zwei unterschiedlichen Seegangsspektren zu analysieren. Jedoch hat sich im Laufe der Versuche das Problem ergeben, dass bereits nach wenigen Wellen kein langkämmiges Spektrum mehr zu erkennen war. Anstatt dessen traten Querschwingungen im Kanal auf, was dazu führte, dass die Wellenmaschine die Wellen nicht mehr absorbieren konnte und dadurch ein Notstopp hervorgerufen wurde. Aufgrund dessen wurden die Versuche auf das in diesem Kapitel vorgestellte Seegangsspektrum beschränkt. Bei den analysierten Versuchen waren zwar ebenfalls Querschwingungen zu beobachten, jedoch fielen diese durch eine kleinere angesteuerte Wellenhöhe geringer aus. Während der Versuchsdurchführung wurde der Absorptionsfaktor α variiert, um einen Notstopp zu vermeiden. Anhand des Versuchsprotokolls, das Anhang A.3 entnommen werden kann, lässt sich die Änderung des Absorptionsfaktors der einzelnen Versuchen nachvollziehen. Zur Veranschaulichung des Wellenfeldes während der Versuche, wurden Fotos im Anhang A.4 abgebildet, auf denen Querschwingungen im Kanal deutlich zu erkennen sind.

3.2.1 Messtechnik

Zur Erfassung der Messwerte, die mit einer Abtastrate von 100 Hz erfolgte, wurden am Modell insgesamt sieben Messgeräte installiert, die die Daten an eine zentrale Messvorrichtung übertragen. Die Wasserstandsänderungen im Überlaufbehälter wurden mithilfe des WAFO gemessen. Dieses Messinstrument erfasst den Wasserstand durch eine vibrierende Nadel an der Wasseroberfläche, die sich während der halben Vibrationsperiode über Wasser befindet. Sobald sich die Nadel länger als eine halbe Vibrationsperiode unter Wasser aufhält, wird die Höhe der Nadel geändert. In Abb. 3.5 ist zum einen der Überlaufbehälter mit dem eingebauten WAFO zu sehen. Zum anderen ist rechts im Bild eine Nahaufnahme des WAFO dargestellt.

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Wie bereits erwähnt, wurden insgesamt sechs Wellenpegel zur Erfassung der Wellenhöhen und ihrer Perioden eingesetzt. Die Pegel bestehen aus zwei Messelektroden mit einer Länge von 59 cm und einem lichten Abstand von 2 cm. In Abb. 3.6 werden die eingebauten Wellenpegel (WP4 - WP6) über der Berme veranschaulicht. Da Wasser im Gegensatz zu Luft eine höhere Leitfähigkeit aufweist, schließt sich der Stromkreis beim Eintauchen der Metallstäbe ins Wasser. Somit messen die Wellenpegel den elektrischen Widerstand der Stäbe in Abhängigkeit von ihrer Eintauchtiefe. Zusätzlich enthalten die Pegel jeweils eine Elektrode, mithilfe derer die Leitfähigkeitsänderungen kompensiert werden. Während der Versuchsdurchführung wurde stets darauf geachtet, dass sich diese auch im Wellental unter Wasser befinden, um verwendbare Widerstandsmessungen zu erhalten.

Um das Verhältnis zwischen dem gemessenen elektrischen Widerstand und der Oberflächenauslenkung bzw. der Eintauchtiefe der Wellenpegel zu bestimmen, wurde jeder Wellenpegel vor der Versuchsdurchführung einzeln kalibriert, da die Analogie der Messungen sonst durch mögliche Material- bzw. Größenunterschiede beeinflusst werden könnte. Die Kalibrierung erfolgte mit dem Programm „Diadem“ in einer separaten Wassersäule (vgl. Abb. 3.6), indem die Eintauchtiefe des jeweiligen Wellenpegels schrittweise verändert wurde und somit ein Kalibrierungsfaktor für jeden einzelnen Pegel bestimmt werden konnte.

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Abb. 3.6 - Darstellung der verwendeten Wellenpegel während der Kalibrierung (l.) sowie der eingebauten Pegel (WP4 -WP6) im Versuchsmodell

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Abb. 3.7 - Darstellung der verwendeten Wellenpegel während der Kalibrierung (l.) sowie der eingebauten Pegel (WP4 -WP6) im Versuchsmodell

In Tab. 3.2 sind die ermittelten Kalibrierungsfaktoren der Wellenpegel sowie des WAFO zusammenfassend aufgeführt. Während der Versuche an Geometrie 2 traten einige Schwierigkeiten mit dem Wellenpegel 4 (WP4) auf. Infolge dessen wurde dieser auf einen anderen Messkanal umgelegt und neu kalibriert. Somit wurde der Kalibrierungsfaktor von 2,5 bei der anschließenden Auswertung der Messergebnisse für die zweite Geometrie am WP4 nur für den Freibord Rc = 0,117 m verwendet. Für die weiteren untersuchten Freibordhöhen an Geometrie 2 wurde dahingegen ein Kalibrierungsfaktor von 3,5 eingesetzt. Eine genauere Beschreibung des Kalibrierungsvorgangs ist am Beispiel des Wellenpegels 6 (WP6) im Anhang A.2 dargestellt.

Tab. 3.2 – Darstellung der kalibrierten Messgeräte (WP1 - WP6 und WAFO) mit den jeweiligen Kalibrierungsfaktoren

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4 Auswertung der Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Ergebnisse der Modellversuche vorgestellt. Zunächst wird in Kapitel 4.1 die durchgeführte Wellen- und Reflexionsanalyse zur Ermittlung der Wellenparameter beschrieben sowie das gemessene Seegangsspektrum tabellarisch dargestellt. Anschließend wird in Kapitel 4.1.1 die theoretische Beschreibung der spektralen Darstellung von Seegangsspektren näher erläutert. Daraufhin folgt in Kapitel 4.2 eine kurze Beschreibung der Ermittlung der Überlaufmengen. Abschließend werden die wesentlichen Messergebnisse in Kapitel 4.3 dargestellt. Dabei werden unter anderem die Überlaufmengen der beiden Geometrien miteinander verglichen sowie eine Gegenüberstellung der Messwerte mit den Bemessungsformeln gemäß EurOtop Manual vorgenommen.

4.1 Wellen- und Reflexionsanalyse

Zur Bewertung der generierten Wellen wurden die Messdaten zunächst mit Hilfe von Kalibrierungskurven von Volt in cm umgewandelt (vgl. 3.2.1). Anschließend erfolgte die Ermittlung der Wellenparameter mit der Drei-Pegel-Methode nach Mansard und Funke (1980) mittels der eingebauten Wellenpegel.

Dabei wird das erfasste Wellensignal in eingehende und reflektierte Wellen aufgeteilt, wie in Abb. 4.1 veranschaulicht wird. Die eingehenden Wellen werden schließlich zur Analyse der Wellenparameter verwendet.

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Abb. 4.1 - Aufteilung des Wellensignals in eingehende und reflektierte Wellen an Wellenpegel 1 gemäß Mansard und Funke (1980)

Die Analyse der Wellenparameter erfolgte sowohl im Zeitbereich (Zero-Down-Crossing Verfahren) als auch im Frequenzbereich (Fast-Fourier-Transformation). Im Folgenden sind einige wesentliche Faktoren, die auf dieser Grundlage bestimmt wurden, aufgeführt:

- im Zeitbereich: mittlere Wellenperiode Tm signifikante Wellenhöhe H1/3 Anzahl der eingehenden Wellen nw
- im Frequenzbereich: Peakperiode Tp Wellenperiode Tm-1,0 Wellenhöhe Hm0

In Tab. 4.1 ist das angesteuerte Seegangsspektrum im Vergleich zu den gemessenen Parametern aufgeführt. Bei den Messdaten handelt es sich jeweils um die arithmetischen Mittelwerte der Wellenparameter für die einzelnen Freibordhöhen. Die detaillierten Messergebnisse der einzelnen Versuche sind Anhang A.5 zu entnehmen. Da die durchgeführten Modellversuche hauptsächlich Tiefwasserbedingungen ausgesetzt sind und somit die signifikante Wellenhöhe Hm0 im Frequenzbereich in etwa der signifikanten Wellenhöhe H1/3 im Zeitbereich entspricht, wird im Anhang A.5 lediglich letztere aufgeführt (Malcherek, 2010).

Tab. 4.1 - Gegenüberstellung der angesteuerten Werte im Vergleich zu den gemessenen arithmetischen Mittelwerten der einzelnen Versuche

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4.1.1 Spektralanalyse

Unregelmäßige Wellen werden als Überlagerung von sinusförmigen Einzelkomponenten angesehen, daher ist eine Zerlegung des Spektrums, die mithilfe einer Fourieranalyse erfolgen kann, notwendig. Somit kann das Wellenspektrum S(f), welches auch spektrale Dichte genannt wird, aus den durch die Fourieranalyse ermittelten Amplituden berechnet werden:

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Dabei stellt a(f)2 die Wellenamplitude als Funktion der Frequenz und ∆f den Frequenzabstand der Fourierkomponenten dar.

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Details

Seiten
54
Jahr
2012
ISBN (eBook)
9783668705739
ISBN (Buch)
9783668705746
Dateigröße
4.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v425592
Institution / Hochschule
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover – Ludwig-Franzius Hannover
Note
1,7
Schlagworte
Wellenüberlauf Modellversuche Hochwasserschutz Deiche Hochwasserschutzwände Eurotop Wave Overtopping

Autor

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Titel: Untersuchungen zum Wellenüberlauf an Deichen mit aufgesetzten senkrechten und geneigten Wänden