Untersuchungen zur Lagestabilität von Ufersicherungen an Seeschifffahrtsstraßen

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1 an Seeschifffahrtsstraßen BAW-Kolloquium , Dienststelle Hamburg Bundesanstalt für Wasserbau, Referat K1 Dipl.-Ing. Livia Mittelbach

2 Gliederung Motivation FuE-Projekt Naturmessungen Numerische Modellierung Deckwerk Hydraulische Einwirkungen Boden / Filter Modellversuche Strömungsrinne Messsystem Deckwerksstein Ausblick Seite 2

3 Deckwerkselemente: Deckwerkssteine Hydraulik (Wellen / Strömungen) Kornfilter Boden Bemessung von Deckwerken (Binnenbereich): Grundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlsicherungen (GBB) Merkblatt für Regelbauweisen (MAR) Tide- und Küstenbereich? Seite 3

4 Motivation FuE-Projekt Tide- und Küstenbereich: Schiffswellen / -strömung (Hansen 1985) Tideströmung / -wasserstände Neue Seeschiffsformen/Seeschiffswellendynamik Sturmfluten (EAK 2002): Windwellen, Druckschläge Deckwerksbemessung Tideinduzierte Grundwasserstände Geschichteter Baugrund Porenwasserüberdrücke / variierende Gewässerquerschnitte / differenzierte Steinformen, -größen, Deckschichten / Filter / Uferneigungen Seite 4

5 Motivation FuE-Projekt Tide- und Küstenbereich: Sichere und wirtschaftliche Deckwerksbemessung für lokale Randbedingungen differenzierte Deckwerksausbildung über Länge + Tiefe Naturmessungen Erfassung der Zustände im Feld Numerische Simulationen Sensitivitätsanalysen Seite 5

6 Naturmessungen Elbinsel Lühesand Messquerschnitt Fahrrinne Seite 6

7 Naturmessungen Porenwasserüberdrücke Strömungen Wellen Grundwasser (Porenwasserdrücke) Seite 7

8 Naturmessungen Grundwasserstände Sand Klei Drückendes Grundwasser MThw Sand MTnw Sand + Kies Seite 8

9 Naturmessungen Wellen NN -7 m Primärwelle ca. 0,9 m NN -3 m Primärwelle ca. 1,3 m Seite 9

10 Naturmessungen Strömung ca. 0,6 m/s NN -7 m Strömungsgeschwindigkeiten Strömung ca. 1,4 m/s NN -3 m Seite 10

11 Naturmessungen Videometrische Erfassung der Wellenbilder Seite 11

12 Numerische Modellierung Kooperation mit TU Bergakademie Freiberg Wasser / Hydraulische Einwirkungen Computational Fluid Dynamics (CFD) Kopplung Deckwerkssteine Diskrete Elemente Methode (DEM) Filterschicht, unterlagernder Boden Finite Differenzen Methode (FDM) Validierung Simulationsergebnisse anhand Daten aus Naturmessungen Seite 12

13 Numerische Modellierung Deckwerk Numerische Simulation Deckwerkssteine: Diskrete Elemente Methode (DEM) Programm PFC3D (Particle Flow Code 3D) Grundlage: Kraft-Verschiebungs-Gesetz Bewegungsgesetz Freie Bewegung im Raum balls clump Seite 13

14 Numerische Modellierung Deckwerk Größen- und Formklassen Steinformen Generierungsalgorithmus Dauer Deckwerksgenerierung (6 Variable) ~ 1 Woche > 1 Monat vereinfacht 4 Kugeln/Clump detailliert 60 Kugeln/Clump Seite 14

15 Numerische Modellierung Deckwerk Steinformen Wasserbausteinklassen LMB 5/40 Dauer Deckwerksgenerierung Numerisches Deckwerk ~ 1 Woche > 1 Monat LMB 10/60 vereinfacht 4 Kugeln/Clump detailliert 60 Kugeln/Clump Numerisches Deckwerk Seite 15

16 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen Numerische Strömungsberechnung: Computational Fluid Dynamics Programm CCFD (Coupled Computational Fluid Dynamics) fluiddynamischer Berechnungscode Grundlage: Navier-Stokes-Gleichung Kontinuitätsgleichung + Porositäts-Term (Berechnung von Fluidkräften auf Partikel) Kopplung CFD + DEM Seite 16

17 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen Kopplung CFD - DEM Modellgeometrie, Anfangs- und Randbedingungen Vernetzung (Fluidzellen) Initialzustand Modellpartikel (DEM) Porosität in Fluidzellen mind. 5 % Seite 17

18 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen CFD Simulation von Wellenbelastungen Randbedingungen: hier rechter Modellrand Strömungsrandbedingung Wasserstand t Seite 18

19 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen CFD Simulation von Wellenbelastung Zeitabhängige Randbedingungen (Strömungsrandbedingung) Seite 19

20 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen CFD Simulation von Wellenbelastung 3D Bsp. Sekundärwellen Seite 20

21 Numerische Modellierung Hydraulische Einwirkungen CFD Simulation von Strömungen Seite 21

22 Numerische Modellierung Boden / Filter Programm FLAC3D Finite Differenzen Methode (FDM) Berechnung von nichtlinearen, instabilen Vorgängen Seite 22

23 Modellversuche Strömungsrinne Kalibrierung Parameter für numerische Deckwerkssteine Normal-/Schubsteifigkeit Oberflächenreibungskoeffizient Detailgenauigkeit Steinabbildung Verzahnung Seite 23

24 Modellversuche Strömungsrinne große Strömungsrinne BAW-DH, v max = 1,5 m/s Untersuchung der Lagestabilität loser Deckwerkssteine bei Strömungsbelastung 8 m Seite 24

25 Modellversuche Strömungsrinne Vorversuch Strömungsgeschwindigkeit v max 2 m/s Wasserspiegel Seite 25

26 Modellversuche Strömungsrinne Vorversuch Wasserbausteinklasse CP 90/250, ρ S = 2,3 2,6 t/m³ Seite 26

27 Messsystem Deckwerksstein Instrumentierung von Deckwerkssteinen mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren Aufzeichnung der Beschleunigung / Lageänderung infolge Wellen- und Strömungsangriff Seite 27

28 Messsystem Deckwerksstein Instrumentierte Deckwerkssteine in Strömungsrinne Seite 28

29 Messsystem Deckwerksstein Messergebnis Strömungsrinne Winkelgeschwindigkeit [rad/s] Strömungsgeschwindigkeit ~ 1,7 m/s -Gierwinkel - Rollwinkel - Nickwinkel Zeit Seite 29

30 Ausblick Fortsetzung Naturmessungen (Multiparametersonde, Sensor Deckwerksstein) Messungen! Seite 30

31 Ausblick Optimierung der realitätsnahen 3D-Modellierung von Wellen- und Strömungsangriff Porenwasserüberdrücke Modellanpassungen: variierende Deckwerksarten, Buhnen, biologische Ufersicherung, Seite 31

32 Danke für das Interesse und die Aufmerksamkeit! Dank für die Unterstützung an: WSA Hamburg, Abz. Wedel, Taucher WSA Brunsbüttel, Kollegen K1, K2 Seite 32

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