INTBEM B Mathematische Modellierung der hydrodynamischen Belastungen von See- und Ästuardeichen

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1 INTBEM B Mathematische Modellierung der hydrodynamischen Belastungen von See- und Ästuardeichen Arbeitsgruppe: Dipl.-Ing. Cordula Berkenbrink Dipl.-Ing. Ralf Kaiser Dipl.-Ing. Hanz Dieter Niemeyer KFKI-Seminar,

2 Projektziele INTBEM Entwicklung einer integrierten Bemessung von See- und Ästuardeichen Berücksichtigung der hydrodynamischen Belastung, der Deichgeometrie und der Eigenschaften des verwendeten Erdbaustoffes Deiche können zukünftig sicherer und wirtschaftlicher dimensioniert werden Sicherheitsreserven bzw. Sicherheitsdefizite bestehender Deiche können quantifiziert werden Erstellung von Prioritätskatastern für zukünftig notwendige Deichverstärkungen im Insel- und Küstenschutz

3 Arbeiten von INTBEM B Mathematische Modellierung der hydrodynamischen Belastung (Wellenauflauf, Wellenüberlauf, Auf- und Rücklaufgeschwindigkeiten, Schichtdicken, etc.) Verifikation des Modells auch an Hand komplexer Geometrien Nachweis der Erforderlichkeit eines Modells ins Besondere im Hinblick auf die Verfügbarkeit umfangreicher empirischer Gleichungen

4 Bemessung von Seedeichen in Niedersachsen nach Lüders u. Leis 1964, ML 1973 und Niemeyer 2000 e) g 2π rechnerische Bestickhöhe A 97 = 1.62 Hm0 Tm 1,0 tanα γ R Bemessungswasserstand d) säkularer Anstieg + Klimazuschlag c) Maximaler Stau; ergibt sich aus HHThw - MThw b) Größte Springerhöhung MThw Mittleres Tidehochwasser a) der letzten 5 Jahre 0 bezogen auf NN NN MTnw

5 Bemessungskonzept INTBEM Meeresspiegelanstieg (Entwicklung MThw) Entwicklung der Sturmintensität Bemessungswasserstand Spektrum Bemessungsseegang Modelle für komplexe Deichgeometrien Identifizierung der bodenmechanische Prozesse Wellenauflauf und -überlauf in Abhängigkeit von der Deichgeometrie Quantifizierung der Widerstandsfähigkeit der Böden Deichgeometrie in Abhängigkeit der spezifischen Eigenschaften des Bodens Quantifizierung von Sicherheitsreserven zur Erstellung von Prioritätskatastern für zukünftige Deichverstärkungen

6 Wellenüberlauf - Belastungsreserven Derzeit angesetzte Überlaufsicherheiten 3% aller Wellen (TWB 1967) Niedersachsen 2 l/(m s) Generalplan Schleswig-Holstein 0,1-1,0 l/(m s) Niederlande Ergebnisse der Überlauftests in Delfzijl Keine Schäden an der Grasnarbe bis 50 l/(m s) Funktionserhalt bis 50 l/(m s) nach künstlicher Vorschädigung

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8 Überlauftoleranz und Bemessungswasserstand 18 2, ,60 m BWSt (mnn) 2,31

9 Mathematische Modellierung OTT-1D Flachwassergleichungen (Impuls- und Massenerhaltung) explizite Lösung über FVM nach dem Godunov-Verfahren Maximaler Rechenzeitschritt wird durch CFL-Kriterium beschränkt Wellenbrechen ist implizit durch Borenbildung enthalten effizient und stabil wenige Modelleinstellungen nötig

10 Eingabe OTT Wasserstand Seegang Bauwerk numerische Größen RWS Zeitreihe Spektrum Einzelwelle Geometrie Rauhigkeitsbeiwert Start-/Endpunkt Diskretisierungs- / Zeitschritte u.a. Ausgabe OTT Horizontale Geschwindigkeit Schichtdicke Wasserspiegelauslenkung Wellenüberlauf

11 OTT-1D original OTT-1D modifiziert

12 Vorgehen 1) alle Daten aus den verfügbaren Wellenkanalversuchen werden mit OTT-1D modelliert 2) Validierung des Modells mittels Regression Die Regressionsgerade sollte möglichst nah an der Referenzlinie liegen Die Streuung sollte möglichst gering sein 0,9 < R² <= 1,0 sehr gut bis perfekt 0,8 < R² <= 0,9 gut bis sehr gut

13 Vorgehen 1) alle Daten aus den verfügbaren Wellenkanalversuchen werden mit OTT-1D modelliert 2) Validierung des Modells mittels Regression 3) Vergleich mit empirischen Formeln speziell auf die Daten aus den jeweiligen Kanalversuchen angepasste Formel allgemeine Wellenüberlaufformel aus EurOtop 2007

14 empirische Formeln: Grundgleichung: mit: Q * R * Q 0 und b Q * = Q 0 exp (-b * R * ) dimensionsloser Wellenüberlauf dimensionslose Freibordhöhe empirische Beiwerte Anpassung der Beiwerte bis berechnete und gemessene Werte bestmöglich übereinstimmen unterschiedliche Berechnung: Norderney Weststrand: Norderney Nordstrand: EurOtop: nur von Seegang abhängig keine Geometrie von Seegang und äquivalenter Deichneigung abhängig keine exakte Geometrie, keine Rauhigkeit nahezu alle denkbaren Einflussfaktoren enthalten, jedoch mit gewissen Einschränkungen

15 Vorgehen 1) alle Daten aus den verfügbaren Wellenkanalversuchen werden mit OTT-1D modelliert 2) Validierung des Modells mittels Regression 3) Vergleich mit empirischen Formeln speziell auf die Daten aus den jeweiligen Kanalversuchen angepasste Formel allgemeine Wellenüberlaufformel aus EurOtop ) Kalibrierung des Modells

16 verfügbare Daten zur Validierung und Kalibrierung einfache Geometrie: Deich Großer Wellenkanal Hannover (2000) Wellenkanal Franzius Institut (2007) komplexe Geometrie: Deckwerk Wellenkanal Leichtweiß-Institut Norderney Weststrand (2003) Wellenkanal Leichtweiß-Institut Baltrum Weststrand (2006) Großer Wellenkanal Hannover Norderney Nordstrand (1999)

17 Versuchsanordnung im GWK (2000) nach Oumeraci et al. 2001

18 Vergleich: OTT-1D mit gemessenen Daten 20 OTT-1D gemessen = berechnet 15 q berechnet [l/(ms)] 10 5 R 2 = q gemessen [l/(ms)]

19 Vergleich: angepasste empirische Formel mit gemessenen Daten 20 Oumeraci et al. (2001) gemessen = berechnet 15 q berechnet [l/(ms)] 10 5 R 2 = q gemessen [l/(ms)]

20 Grundgleichung: Q * = Q 0 exp (-b * R * ) dimensionslose Parameter Q * = q 2 g H 3 m0 1 ξ d R * = R H m0 c ξ d empirische Beiwerte: Q 0 0,038 b 3,25 (offene Küste) 4,32 (Wattenmeer)

21 Vergleich: EurOtop mit gemessenen Daten 20 EurOtop (2007) gemessen = berechnet 15 q berechnet [l/(ms)] q gemessen [l/(ms)] R 2 =

22 Grundgleichung: Q * = Q 0 exp (-b * R * ) dimensionslose Parameter Q * = q g H m0 Hm0 /L tanα 0 1 γ b R * = R H c m0 Hm0 /L tanα 0 γ b 1 γ f γ θ γ υ empirische Beiwerte: Q 0 0,067 b 4,75

23 20 Vergleich: berechnete und gemessene Wellenüberlaufrate OTT-1D Oumeraci et al. (2001) EurOtop (2007) 15 gemessen = berechnet q berechnet [l/(ms)] q gemessen [l/(ms)] R 2 = R 2 = R 2 =

24 Vergleich: berechnete und gemessene mittlere Wasserüberdeckung 1.4 OTT-1D Oumeraci et al. (2001) 1.2 EurOtop (2007) gemessen = berechnet 1 d berechnet [cm] R 2 = d gemessen [cm] R 2 = R 2 =

25 Norderney Weststrand 3 Profile mit je 3 Wasserständen N16bg schmale breite Berme Berme kleine hohe Wand Wand Norderney N09bg N09sg Kortenhaus et al., 2004

26 Vergleich: OTT-1D mit gemessenen Daten 8 7 alle Profile schmale Berme, niedrige Wand breite Berme, niedrige Wand q OTT-1D [l/(sm)] breite Berme, hohe Wand gem = ber 2 R 2 = q gemessen [l/(sm)] R 2 = R 2 = R 2 =

27 Vergleich: angepasste empirische Formel mit gemessenen Daten 8 7 alle Profile schmale Berme, niedrige Wand breite Berme, niedrige Wand 6 5 breite Berme, hohe Wand gem = ber q Owen [l/(sm)] q gemessen [l/(sm)] R 2 = R 2 = R 2 = R 2 =

28 Grundgleichung: Q * = Q 0 exp (-b * R * ) dimensionslose Parameter Q * = g H m0 q T m 1,0 R * = T m 1,0 R c g H m0 empirische Beiwerte: Q 0 0,0081 b 45,447

29 Formel vom Weststrand am Nordstrand angewendet Owen gemessen = berechnet qowen [l/(s m)] q gemessen [l/(s m)] R 2 =

30 Vergleich: EurOtop mit gemessenen Daten 8 7 alle Profile schmale Berme, niedriege Wand breite Berme, niedriege Wand q EurOtop [l/(sm)] breite Berme, hohe Wand gem = ber q gemessen [l/(sm)] R 2 = R 2 = R 2 = R 2 =

31 Grundgleichung: Q * = Q 0 exp (-b * R * ) dimensionslose Parameter Q * = q g H m0 Hm0 /L tanα 0 1 γ b R * = R H c m0 Hm0 /L tanα 0 γ b 1 γ f γ θ γ υ empirische Beiwerte: Q 0 0,067 b 4,75

32 Weitere übergebene Belastungsgrößen Wellenauf- bzw. Wellenüberlauf Schichtdicken auf Außenböschung, Krone und Binnenböschung mittlere Wasserüberdeckung Strömungsgeschwindigkeiten Auflauf- bzw. Ablaufgeschwindigkeiten Überlaufgeschwindigkeiten

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