Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen

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1 Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf; BAW-DH Dr.-Ing. Martin Pohl; BAW-DH Dipl.-Phys. Rahula Zierach; BAW-Ilmenau Kontakt: AK - K2 / Folie-Nr. 1 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

2 Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen Lage des Untersuchungsgebietes Veranlassung Untersuchungskonzept Erste Untersuchungsergebnisse - geotechnische Untersuchungen - Schwingungen - Grundwasserstandsschwankungen - Sturmflutseegang Zusammenfassung AK - K2 / Folie-Nr. 2 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

3 Lage des Untersuchungsgebiets Altenbrucher Bogen AK - K2 / Folie-Nr. 3 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

4 Veranlassung Im Altenbrucher Bogen wurden in den vergangenen Jahren die folgenden Erscheinungen festgestellt: Deichsetzungen Ursache (Vermutung Deichverband): - Schiffserzeugte Schwingungen im Deich - Wasserstandsschwankungen im Deich Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): - Reduktion der Deichsicherheit AK - K2 / Folie-Nr. 4 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen; Foto: HDU: 2002

5 Veranlassung Im Altenbrucher Bogen wurden in den vergangenen Jahren die folgenden Erscheinungen festgestellt: Deichsetzungen Deckwerksschäden (Umlagerung von Schüttsteinen) Ursache (Vermutung Deichverband): - Schiffswellen Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): - Reduktion der Deichsicherheit AK - K2 / Folie-Nr. 5 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen; Foto: BAW: 2004

6 Veranlassung Im Altenbrucher Bogen wurden in den vergangenen Jahren die folgenden Erscheinungen festgestellt: Deichsetzungen Deckwerksschäden (Umlagerung von Schüttsteinen) Erosion der Unterwasserböschung Wattabtrag Mögliche Ursache (Vermutung Deichverband): - Schiffswellen - Veränderte Strömungsbelastung Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): Mögliche Folge (Vermutung Deichverband): - Erhöhte Seegangsbelastung von Deich und Deckwerk und Reduktion der Deichsicherheit AK - K2 / Folie-Nr. 6 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen; Foto: HDU: 2002

7 Untersuchungskonzept AP1: Beschreibung der Wirkzusammenhänge zwischen schiffserzeugten Belastungen und dem Deich im Altenbrucher Bogen AP2: Geotechnische Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit Partner: BAW-K1, K2 Harms Brunnenbau Ziel: Geotechn. Beurteilung des Deichquerschnitts im heutigen Zustand und nach Vertiefung AP3: Schiffserzeugte Einflüsse auf den Deich Partner: BAW-BD, K1, K2, Ing.-büro Fittschen Ziel: Beurteilung der Wirkung von Schiffswellen auf Deich und Deckwerk AP4: Sturmflutsicherheit Partner: BAW-K2, K3 Ziel: Einfluss einer Watterosion und Erosion der Unterwasserböschung auf den Deich bei Sturmflut Beurteilung der Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen AK - K2 / Folie-Nr. 7 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

8 Vorgehensweise AP2 - Geotechnische Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit - Zielsetzung: Wie wird die geotechnische Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit durch Schiffe beeinflusst? Ermittlung der geotechnischen Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit für den Ist-Zustand für ausgewählte Querschnitte Beurteilung des Deichaufbaus in Hinblick auf die geotechnische Standsicherheit für ausgewählte Querschnitte Durchführung von Bohrungen, Sondierungen und Laboruntersuchungen für ausgewählte Querschnitte Festlegung des Untersuchungsrahmens für zusätzliche Bohrungen, Sondierungen und Laboruntersuchungen (für ausgewählte Deichquerschnitte) (optional) Analyse der verfügbaren geotechnischen Untersuchungen und geologischen Untersuchungen für den Deich und den Deichuntergrund AK - K2 / Folie-Nr. 8 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

9 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - geotechnische Untersuchungen - Zielsetzung: Wie wird die geotechnische Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit durch Schiffe beeinflusst? Baugrundmodell Belastungsgrößen - Tideschwankungen - Sturmflutwasserstände - Schiffswellen k f» m/s Widerstände - Kleiqualität der Deichabdeckung - Deichaufbau (Geometrie, Drainage, etc.) k f» m/s - Deichuntergrund AK - K2 / Folie-Nr. 9 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

10 Vorgehensweise AP3 - Ermittlung der schiffsdynamischen Einflüsse auf den Deich - Zielsetzung: Können schiffsinduzierte Schwingungen und Grundwasserstandsschwankungen die Deich- und Deckwerksstabilität gefährden? Ermittlung der schiffsdynamischen Einflüsse für den Ist-Zustand Festlegung der Wirkzusammenhänge zwischen schiffsdynamischer Belastung und schiffsinduzierten Prozessen im Deich unter besonderer Berücksichtigung des Deichaufbaus Durchführung von Naturuntersuchungen zur Ermittlung der schiffserzeugten Belastungen auf den Deich sowie der hydraulischen Prozesse im Deich Aufstellen eines Untersuchungsprogramms zur Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen schiffserzeugten Belastungen und schiffserzeugten Wasserspiegelschwankungen und Schwingungen im Deich Analyse der verfügbaren Informationen zu schiffserzeugten Belastungen auf die Deiche im Altenbrucher Bogen AK - K2 / Folie-Nr. 10 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

11 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Schwingungen - Zielsetzung: Können schiffsinduzierte Schwingungen die Deichstabilität gefährden? Messaufbau Erschütterungsquellen Schiffspassage Schiffswellen Windwellen Bahn Landfahrzeuge Fußgänger Grundschwingungen Messbereich Hz AK - K2 / Folie-Nr. 11 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

12 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Schwingungen durch Schiffswellen - Schwinggeschwindigkeit in mm/s Schwinggeschwindigkeit [mm/s] Messpunkt 1 Deckwerksfuß Messpunkt 2 Vorland Messpunkt 3 Deichfuß Messpunkt 4 Deichkrone :30Uhr Vorbeifahrt Garden 0 Datei v1-n Zeit in s Zeit [s] AK - K2 / Folie-Nr. 12 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

13 Schwinggeschwindigkeit [mm/s] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Schwingungen - Gemessene Maximalwerte / Erschütterungsquelle an der Deichkrone bodenmechanische Kornumlagerungen = 1,5mm/s Fühlschwelle = 0,2mm/s Schiffsantrieb Schiffswellen Bahn Trecker Jogger Erschütterungsquelle AK - K2 / Folie-Nr. 13 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

14 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Grundwasserstandsschwankungen - Zielsetzung: Welchen Einfluss haben Grundwasserstandsschwankungen im Deich auf die geotechnische Stabilität? Messaufbau Quellen Schiffswellen Tidewelle Sturmflut Abtastrate 20 Hz PWD PWD PWD PWD PWD PWD AK - K2 / Folie-Nr. 14 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen; PWD = Porenwasserdruckmessdose PWD PWD PWD

15 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Grundwasserstandsschwankungen PWD_5_1 600 k f m/s PWD_5_2 [PN] 400 k f m/s PWD_5_ PWD_5_1 PWD_5_2 PWD_5_3 Wasserstand 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Datenquelle Grundwasserstandsschwankungen: Fittschen AK - K2 / Folie-Nr. 15 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

16 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Grundwasserstandsschwankungen - Fortpflanzung der Tidewelle im Untergrund (vereinfachte Darstellung): 3,0 m = 0 m 1,8 m 1,8 m 0,8 m 0,3 m 1,2 m 1,2 m 1,2 m AK - K2 / Folie-Nr. 16 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

17 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Grundwasserstandsschwankungen - Fortpflanzung der Schiffswelle (Absunk) im Untergrund (Vereinfachte Darstellung): 35 cm 9 cm 6 cm 2 cm 0 cm 5 cm 2 cm 1 cm AK - K2 / Folie-Nr. 17 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

18 Vorgehensweise AP4 - Sturmflutseegang - Zielsetzung: Welchen Einfluss hat eine Erosion der Unterwasserböschung auf den Sturmflutseegang am Deichfuss? Beurteilung der Sicherheit gegen Sturmflut im Altenbrucher Bogen als Folge einer Erosion der Unterwasserböschung Sensitivitätsstudien zum Einfluss eines Wattabtrags und zur Erosion der Unterwasserböschung auf die Deichbelastung bei Sturmflut Ermittlung der Seegangsbelastung bei Sturmflut im Ist-Zustand (für ausgewählte Deichquerschnitte) Aufstellen eines Untersuchungsprogramms zur Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen Erosion der Unterwasserböschung und Seegangsbelastung am Deichfuß Analyse der verfügbaren Informationen zur Bemessung der Elbdeiche im Bereich Otterndorf AK - K2 / Folie-Nr. 18 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

19 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Sturmflutseegang - Zielsetzung: Welchen Einfluss hat eine Erosion der Unterwasserböschung auf den Sturmflutseegang am Deichfuss? Modellgebiet Fernfeldmodell Randbedingungen Topographie: Planerischer Ist-Zustand Nahfeldmodell Wasserstand: 5,9mNN (BWS für Altenbruch) Wellenparameter: Wellenhöhe: H S = 3,5m Wellenperiode: T p = 9,0s Wellenrichtung: θ = 315 Spreading: s = 10 Eingesetztes Modellverfahren SWAN BUNDESANSTALT 40.41A FÜR WASSERBAU AK - K2 / Folie-Nr. 19 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen; Windparameter: Geschwindigkeit: U 10 = 20m/s Windrichtung: θ U10 = 315 Strömung: keine

20 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Sturmflutseegang BWS=5,9mNN Szenario 0 (Ist-Profil) Szenario 1 (1/n = 1/20) Szenario 2 (1/n = 1/15) Szenario 3 (1/n = 1/10) [mnn] Variation der Neigung der Unterwasserböschung -20 AK - K2 / Folie-Nr. 20 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

21 Untersuchungsergebnisse (beispielhaft) - Sturmflutseegang - Delta [m] = H S (Szenario 2) - H S (Szenario 0) 0,1 0,05 0 Deckwerk Deich Vorland BWS=5,9mNN Vorstrand Bemessungswasserstand: 5,90mNN (Szenario 2 (1/10)) - Szenario 0 [m] Wassertiefe [m] Wassertiefe [m] -0,05 Seegangsmodellierung mit SWAN -20 AK - K2 / Folie-Nr. 21 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

22 Zusammenfassung - bisheriger Untersuchungsergebnisse - Geotechnische Untersuchungen Heterogener Aufbau des Deichs mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten im Deichuntergrund Schiffsinduzierte Schwingungen Schiffsinduzierte Schwingungen haben keinen signifikanten Einfluss auf die Deichstandsicherheit! Grundwasserstandsschwankungen Schiffsinduzierte Grundwasserstandsschwankungen sind gering im Vergleich zu den Grundwasserstandsschwankungen infolge Tide! Sturmflutseegang Eine Erosion der Unterwasserböschung führt zu einer höheren Wellenbelastung von Deichvorstrand und Deckwerk! AK - K2 / Folie-Nr. 22 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

23 Vielen Dank!!... an die beteiligten Kollegen... und an Sie fürs Zuhören... der BAW... der WSÄ... der Ing.-büros AK - K2 / Folie-Nr. 23 Vortrag Schüttrumpf; Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Altenbrucher Bogen;

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