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1 Inhalt Anmerkung: Topographie mnn Die Bereitstellung der folgenden Vortragsfolien ist als Service für die Teilnehmer des Kolloquiums gedacht. Die Folien ersetzen nicht das gesprochene Wort. - Schutz- und Sicherheitshafen Helgoland - Gliederung BAW-Kolloquium am 15. März km Einführung Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Bauwerksbelastung und Standsicherheit Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte

2 Konzeption und Umfang des Projekts Seegangshindcast + Extremwertanalyse küstennahe Seegangsumformung Seegangsbelastung H bem Nordseegebiet Helgoland-Modell Bauwerk

3 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts Seegangsklimatologie für die Deutsche Bucht Seegangshindcast über 40 Jahre Institut für Küstenforschung (ehem. Institut für Gewässerphysik) ( ) GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH Seegangshindcast vom Februar 1999

4 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts Randbedingungen für den Bemessungsfall Für definierte, seltene Eintrittswahrscheinlichkeiten gesucht: Seegang bei 1, 2, 3, 4 Signifikante Wellenhöhe H s 4 1 Peakperiode T p Windgeschwindigkeiten Wasserstände 3 2 Alle Parameter als Funktion der Seegangsrichtung!

5 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts Beispiel: Extremwerte nach Richtungen für: signifikante Wellenhöhe H s Hochwasserstände Thw

6 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts N NNW 10.0 NNE H s in [m] NW 8.0 NE WNW ENE W E 3.8 WSW ESE SW SE 100 Jahre (Basis GKSS-Hindcast) SSW SSE 50 Jahre (Basis: GKSS-Hindcast) S LWI, 1983 Signifikante Wellenhöhen, Helgoland-SW, Ergebnis

7 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts NNW 4.00 N NNE Thw in [m HN] NW 3.00 NE WNW 2.00 ENE 1.00 W 0.00 E WSW ESE SW SE 100 Jahre SSW SSE 50 Jahre S Wasserstände, Ergebnis

8 Extremwertanalysen auf Basis des GKSS-Hindcasts RICHTUNGEN nach nautischer Definition N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW WASSER STÄNDE in [m HN] WINDGESCHWINDIG- KEITEN in [m/s] Pos. Nordost 2231 Pos. Südost 2332 Pos. Südwest 2233 Pos. Nordwest 2132 Hs in [m] Tp in [s] Hs in [m] Tp in [s] Hs in [m] Tp in [s] Hs in [m] Tp in [s] Randbedingungen für 100 jährl. Wiederkehr

9 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Seegangshindcast + Extremwertanalyse küstennahe Seegangsumformung Seegangsbelastung H bem Nordseegebiet Helgoland-Modell Bauwerk

10 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Seegangsmodell SWAN Simulating WAves Nearshore (Delft University of Technology) Seegangsmodell der 3. Generation berechnet 2-D-Energiedichtespektren auf Grundlage der Energietransportgleichung berücksichtigt: Refraktion, Shoaling, Strömung, Wellenbrechen, Bodenreibung, wave set-up, Transmission bei Wellenbrechern berücksichtigt nicht: Diffraktion, Reflexion Seegangsmodell SWAN

11 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Erstellung des Helgoland-Modells topographische Grundlagen: Peilungen des BSH Peilungen des WSA Tönning Photogrammetrie Ufer und Felswatt ufernahe Fächerpeilung Grundkarten 1 : 5000 Modell: Gesamtgebiet rd. 11 km * 12 km, Auflösung 100 m genesteter Innenbereich 5 km * 5 km, Auflösung 20 m

12 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Hs [m] Signifikante Wellenhöhe ( Peakrichtung: > ) Simulation naturnah? Simulation: Sturmflut Seegang um 15 Uhr

13 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung [rad] Messung: [digits] Sturmflut Seegang um 21 Uhr

14 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Hs [m] Signifikante Wellenhöhe ( Peakrichtung: > ) Ostkaje Westmole Seegang aus WNW Eintrittswahrscheinlichkeit 100 Jahre

15 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Seegangsatlas

16 Modellierung der küstennahen Seegangsumformung Seegangs richtung Berechnungs punkt Xp Yp Hsig PkDir Tpeak Depth W len Steepn [m ] [m ] [m ] [degr] [sec] [m ] [m ] [ ] N N N N N N N N N N N N NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE Seegangsdaten an den8.27referenzpunkten NE

17 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Standsicherheitsbetrachtung an 2 Beispielen: Westmole Ostkaje Seegangsbelastung H bem Bauwerk

18 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit H bem p 0 η h c Der Ansatz berücksichtigt: natürlichen Seegang Belastung durch stehende Wellen Belastung durch brechende Wellen kein Druckschlag p 1 Seegangsparameter: H Bem Bemessungswellenhöhe (Abstand 5H S ) d T Bem H Bem = H 1/250 ~ 1,8 H 1/3 ~ 1,8 H S zugehörige Wellenperiode h h b L Bem β T Bem = T 1/3 ~ [0,9... 0,95] T P zugehörige Wellenlänge Wellenangriffswinkel Kipp- und Gleitsicherheit: η > 1,2 p 3 p u Seegangsbelastung nach GODA

19 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit 487 Ostkaje 0,50 Brüstungsmauer +3,40 5,50 1,15 NN + 3,40 m 5,10 MThw = NN + 0,74 m NN + - 0,00 m oberer Drehp. unterer Drehp. 0,30 6,80 8,00 4,65 MThw = NN - 1,58 m 0,90 0,50 Stahlbetondielen NN - 6,30 m Berechnungspunkte Ostkaje

20 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Wellenhöhe [ m ] Bemessungs- Wellenhöhe Wasserstand Wasserstand [mhn] signifikante Wellenhöhe Süd West Nord Ost Süd O s t k a j e, Wellenhöhen

21 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Moment [knm/m] Moment aus Seegangsbelastung Moment aus Eigengewicht Sicherheit Sicherheitsfaktor Süd West Nord Ost Süd O s t k a j e, Kippmomente

22 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Westmole Foto: WSA Tönning +7,00mHN Brüstungsmauer 8,00 n. Becker 1959 Block 6000 t/ 28,0 m G = 2140 KN/m ohne Trümmer -5,0m MThw + 0,81 MTnw - 1,58 Betonbrocken in Beton Betonbrocken in Sand Schwimmkasten (5*H S ) -8,95 Kontraktorbeton Sand und Felsschutt Grundschwelle -8,95mHN Berechnungspunkt Westmole

23 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit 1.0 Transmissionskoeffizient C t Relative Kronenhöhe R c /H s Wellentransmission bei einem Unterwasser-Wellenbrecher nach van der Meer / CIRIA-Manual 1991

24 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit 10 9 Bemessungs- Wellenhöhe Wasserstand 4 Wellenhöhe [ m ] ohne Trümmermole signifikante Wellenhöhe -Trümmerauf+1mHN Wasserstand [mhn] 2 1 -Trümmerauf0mHN Ost Süd West Nord Ost W e s t m o l e, Wellenhöhen

25 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit ohne Trümmermole Moment aus Seegangsbelastung Moment [knm/m] Moment aus Eigengewicht 4 3 Sicherheit Sicherheitsfaktor 1 0 Ost Süd West Nord Ost Westmole, Momente 0

26 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Trümmer auf 0 m HN Moment aus Seegangsbelastung Moment [knm/m] Moment aus Eigengewicht 4 3 Sicherheit Sicherheitsfaktor 1 0 Ost Süd West Nord Ost Westmole, Momente 0

27 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Trümmer auf +1 m HN Moment aus Seegangsbelastung Moment [knm/m] Moment aus Eigengewicht 4 3 Sicherheit Sicherheitsfaktor Ost Süd West Nord Ost W e s t m o l e, Kippmomente

28 Ermittlung der Bauwerksstandsicherheit Für den Bemessungsfall ist rechnerisch keine Standsicherheit vorhanden. Moment [knm/m] Moment aus Seegangsbelastung Moment aus Eigengewicht aber: Die Standsicherheit ließ sich auch für die Sturmflut vom nicht nachweisen ( η =0,87). 6 quantifiziert werden konnten. 7 Es Trümmer gibt somit auf +1Standsicherheitsreserven, m HN die nicht Sicherheit Sicherheitsfaktor Ost Süd West Nord Ost 0

29 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Moment [knm/m] Moment aus Seegangsbelastung Welche Sicherungskonzepte 5 ergeben sich Moment aus Eigengewicht Sicherheitsfaktor 2000 Was kann man tun, wenn ein Molenbauwerk 1000 Sicherheitsfaktor als nicht standsicher eingestuft werden η 1 muß? Trümmer auf +1 m HN 4 3 Sicherheit Moment [knm/m] Moment aus Seegangsbelastung Moment aus Eigengewicht Wie sind die betrachteten Molen tatsächlich 7 einzustufen? daraus? Süd West Nord Ost Süd Sicherheit Ost Süd West Nord Ost

30 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Grundsätzliche Möglichkeiten zur Sicherung vorhandenener Molenbauwerke

31 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Verbreiterung / Vorsatzwand (Vergrößerung des Eigengewichts) H bem p 0 p 1 h h b p 3 p u

32 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte H bem p 0 p 1 h h b p 3 Abdichtung des Untergrundes (Minderung des Sohldrucks)

33 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte H bem p 0 Binnenseitige Stützböschung p 1 d h h b Vorteil: p 3 Wellendämpfung im Hafen Nachteil: große Bewegungen zur Mobilisierung des passiven Erddrucks erforderlich Liegeplatz geht verloren p u

34 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Seeseitige Böschungsvorlage H bem Vorteil: Entlastung des Molenbauwerks Nachteil: große Stein-/Formsteingewichte u. große Massen erforderlich

35 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte vorgelagerter Wellenbrecher (Dämpfung der Bemessungswelle) H bem p 1 h Nachteil: große Stein-/Formsteingewichte erst bei hoher Krone effektiv, somit große Massen erforderlich

36 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Ostkaje: Die rechnerische Kippsicherheit ist knapp (η ~1,0). H Bem > Soll: η 1,2! = rd. 10 m Reserven: 8,0 m GODA-Ansatz ergibt ca. 10% zu große Belastung (van der Meer 1995) die tatsächlich günstigere Wellenhöhenverteilung mindert die Belastung (10%?) aber: geschwächte Bauwerkssubstanz

37 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Ostkaje: Erhöhung der Kippsicherheit (η >1,2). H Bem rd. 10 m Problemlösung: 8,0 m Verstärkung (Vorsatzwände): - Erhöhung des Eigengewichts (rückdrehendes Moment) - Sicherung der Bauwerkssubstanz evtl. zusätzl. Untergrunddichtung: - Minderung des Wellendrucks in der Sohlfuge alternativ: Vorböschung

38 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Westmole (Standsicherheit rechn. nicht nachweisbar.) Offene Fragen: Verteilung der Belastung in Längsrichtung (Annahme: gleichmäßige Seegangsbelastung, Wahrheit: abhängig von der Länge der Wellenkämme, zusätzlich durch Trümmerlagen beeinflußt) Lastabtragung in Längsrichtung (Kraftübertragung auf weniger belastete Nachbarsenkkästen) Sonstige statische Tragfähigkeitssreserven horizontale Verteilung der Belastung Bauwerksmessungen an der Westmole

39 Schlußfolgerungen und Instandsetzungskonzepte Westmole (Standsicherheit rechn. nicht nachweisbar.). Konzept: 1.) Bauwerksmessungen: Standsicherheitsniveau quantifizierbar? 2.) ggf. Kalibrierung des Berechnungsansatzes 3.) Entwurfsaufstellung und Variantenvergleich: Variante: kalibrierter Berechnungsansatz Ist-Zustand X? Gewichtserhöhung X X Stützung (binnen) X X Kostenvergleich der standsicheren Varianten Vorböschung (Schüttsteinbemessung) X

40 Ergebnisse Ergebnisse des Projekts Seegangsbelastung der Molen (Gutachten und Daten-CD): Die maßgebenden Seegangsparameter in Bauwerksnähe wurden ermittelt. (Wiederkehrperioden 20, 50, 100 Jahre). Die Verfahren zur Berechnung der Bauwerksbelastung wurden festgelegt und erläutert. (GODA-Ansatz für senkrechte Bauwerke). Mögliche Instandsetzungskonzepte wurden vorgeschlagen. Westmole: Die Frage nach der horizontalen Lastverteilung und -abtragung blieb noch offen.

41 Resümee Randbedingungen (Seegangshindcast, Extremwertanalyse) Erstmals konnten für das Seegebiet Helgoland fundierte Berechnungen (Hindcast) herangezogen und statistisch nach Seegangsrichtungen ausgewertet werden. küstennahe Seegangsumformung (Modellierung, Messung) Mit Hilfe der HN-Modellierung wurde die küstennahe Seegangsumformung entsprechend dem Stand der Wissenschaft berücksichtigt. Vom geförderten Radar-Meßverfahren sind zukünftig wertvolle Daten zu erwarten (Verifikation, Weiterentwicklung). Bauwerksbelastung und Standsicherheit Zur Überprüfung der Standsicherheit bestehender Bauwerke sind besonders genaue Verfahren erwünscht, um unnötige Verstärkungsmaßnahmen zu vermeiden. Im Küstenwasserbau wird es auch in Zukunft eine besondere Herausforderung sein, solche Bedingungen mit hoher Genauigkeit zu berechnen.

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