Beanspruchungen und abgeleitete Querschnittsabmessungen

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Karoline Giese
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1 Beanspruchungen und abgeleitete Querschnittsabmessungen Schiffserzeugte Strömungen Schraubenstrahlerosionen Wellenschlag (vergl. Dichtungen und Deckwerke) Wellensunk (vergl. Dichtungen und Deckwerke) Eiswirkungen (vergl. Dichtungen und Deckwerke) Auftrieb (bei künstlichen Dichtungen, vergl. Dichtungen und Deckwerke) Sedimentation (Verschlammungen, Ablagerungen) Unfälle (Schiffsauflauf, Notankerungen, vergl. Dichtungen und Deckwerke) Alle genannten Einflüsse sind bestimmend für Querschnittsform und -größe. Von besonderer Bedeutung sind bei künstlichen Wasserstraßen aber die schiffserzeugten Strömungen. Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.1

2 Schiffserzeugte Rückströmungen a = eingetauchter Schiffsquerschnitt A = gesamter Querschnitt des Profils Flächenverhältnis: Empfohlene Werte: Stichkanäle: zweischiffige Kanäle: zweischiffige Kanäle m. schnellem Verkehr (Kl. IV/Vb): n = Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.2 A a n 3,5 n 5 n 7

Begründung für das Flächenverhältnis: Verdrängtes Wasservolumen bei der Fortbewegung um L ist näherungsweise: V a L (Völligkeit bei Binnenschiffen 80-95%) L Mit T = Zeit für die Fortbewegung um L

3 Begründung für das Flächenverhältnis: Verdrängtes Wasservolumen bei der Fortbewegung um L ist näherungsweise: V a L (Völligkeit bei Binnenschiffen 80-95%) L Mit T = Zeit für die Fortbewegung um L wird v = T Rückstrom Q (entgegen der Schiffsgeschwindigkeit v): a L Q = a v = ist auf den Restquerschnitt (A - a) zu beziehen. T Die Rückstromgeschwindigkeit u wird demnach: Q a v v A v u = = = Mit n = wird u = A a A a A a 1 a n 1 Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.3

4 Für n = 7 bleibt bei den zugelassenen Fahrgeschwindigkeiten der Betrag der Rückströmung deutlich unter u = 1 m/s. Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.4

5 Beispiel: v = 10 km/h = 2,78 m/s 2,78 n = 3,5: u = = 1,11m / s 3,5 1 n = 5: n = 7: 2,78 u = = 0,695m / s 5 1 2,78 u = = 0,46m / s 7 1 Einfluss auf die Feststoffbewegung (Erosion) an ungeschützter Sohle: p Näherungsformel: u u c q = q (auch im Küsteningenieurwesen 0!) q = Feststofftransport [m 3 /s] c q 0 = Bodenkonstante [m 3 /s] u = Strömungsgeschwindigkeit [m/s] u c = krit.strömungsgeschwindigkeit [m/s] für Feststoffbewegung p = dimensionsloser Exponent; meist p = 4 gesetzt. u Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.5

6 Beispiel: Fahrgeschwindigkeit v = 10 km/h = 2,78 m/s, obiges Beispiel. Kritische Geschwindigkeit für Sand u c = 0,30 m/s Es werden die Feststofftransporte für n = 3,5 mit dem für n = 7 sowie für n = 5 mit demjenigen für n = 7 verglichen: q( n = 3,5) q( n = 7) q( n q( n = = 5) 7) = = 1,11 0,3 0,46 0,3 0,695 0,3 0,46 0, Ein Kanal mit Flächenverhältnis n = 3,5 hat also etwa den 660- fachen Feststofftransport (= Sohlenangriff) desjenigen eines Kanals mit n = 7. Bei n = 5 beträgt er noch immer etwa das 37-fache. Wie ändern sich die Zahlen, wenn die Fahrgeschwindigkeit nur 8 km/h beträgt? Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.6

7 Außer der mittleren Rückstömgeschwindigkeit u spielen eine Rolle: das Stromlinienbild, vergl. links die Beschleunigung die Kornzusammensetzung, Durchmesser d die Querschnittsform Allgemein δu q = f u,, d, A δ t jedoch u = f(n) am stärksten. An Böschungen verursacht Waschbewegung und Schwerkraft eine Materialverlagerung nach unten. Ablösungen, Schraubenturbulenz, Wellen Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.7

8 Beispiel NOK Längsschnitt Nord-Ostsee-Kanal Beanspruchungen vornehmlich durch Schiffsbewegungen. Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.8

9 Erosionen und Sedimentationen am Nord-Ostsee-Kanal (schematisch). Erosionen haben generell an anderen Stellen Sedimentationen (Ablagerungen, Verschlammungen) zur Folge. An strömungsgeschützten Stellen (Ausweichstellen, Schleusenvorhäfen etc.) werden kostspielige Baggerungen erforderlich. Gemessene Sedimentationsraten (Heinrich (1976)): Dortmund-Ems-Kanal (Münster) bis 4,8 cm/monat Rhein-Herne-Kanal (Herne) bis 3,5 cm/monat Wesel-Datteln-Kanal (Hünxe) bis 3,0 cm/monat Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.9

10 des Nord-Ostsee Kanals Muldenprofil Muldenprofil Trapezprofil n 7 Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.10

11 Querschnitte am ESK. Großmotorgüterschiff: n =? Rückströmung u =? n = 7 für 1350t-Schiff Büsching, F.: Verkehrswasserbau 2000/08.11

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