Küstenschutzbauwerke Wellenbrecher (Böschungsbauweise) Büsching, F.: Küsteningenieurwesen 2002/17.1

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1 üstenschutzbauwerke ellenbrecher (Böschunsbauweise) Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.1

2 Mölichkeiten des Bauwerksversaens: 1 Verlust oder Beschädiun von Armierunsblöcken 2 Gleiten v. Armierunsblöcken ippen o. Gleiten der rone 4 Erosion durch ellenüberlauf 5 Erosion an der Stützberme 6 Sackunen, Setzunen; Grundbruch 7 Ausspülen v. ernmaterial 8 Beweunen infole Porenwasserüberdruckes 9 Fußerosion Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.2

3 üstenschutzbauwerke ellenbrecher (Caisson - Bauweise) Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.

4 Mölichkeiten des Bauwerksversaens: 1 Gleiten 5 Sackunen, Setzunen der 2 Bruch der Fußstruktur Fußstruktur ippen 6 Gründunsversaen, 4 Erosion der Fußschürze Grundbruch Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.4

5 Steinschütt-Deckwerk Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.5

6 Stabilität von Böschunsbauwerken / ellenbrechern Die Aufabe eschütteter ellenbrecher (aus Bruchsteinen) oder anderer wallarti eschütteter/eschichteter Böschunsbauwerke (aus Betonblöcken) mit rauher Oberfläche (Rubble-Mound Structures) besteht darin, einen mölichst roßen Anteil der ellenenerie durch den Brechvoran der ellen in Turbulenz und schließlich in ärme umzusetzen, verl. auch Partielle Reflexion. Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.6

7 Für die Stabilität derartier Bauwerke een die ellenwirkunen sind ausreichende Eienewichtskräfte der Baukomponenten (Schüttsteine, Betonformkörper) auf eneiter Unterlae entscheidend. Insbesondere wird untersucht, unter welchen Bedinunen die Reibkräfte zwischen Einzelblöcken und deren Unterlae ausreichen, um ein Abrutschen zu verhindern. Diesbezüliche Daten bzw. Erfahrunen sind in der Veranenheit vielfach esammelt worden. Ein empirischer Ansatz für die Bemessun, der den komplexen Randbedinunen weitehend Rechnun trät, stammt von IRRIBARREN (ab 198) und HUDSON (ab 195). Erforderliches Blockewicht in kn: k H 1 Dichte der Blöcke D Dichte des Meerwassers cot Erdbeschleuniun H Entwurfswellenhöhe, Böschunsneiun Stabilitätskoeffizient (Form, Rauhikeit, Laeverbund) D ( ) k 1 Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.7

8 Als wesentliche Einflussrößen bezülich der stabilen Lae der Baukomponenten sind in der Formel die nachfolenden raftwirkunen berücksichtit: 1. Hydrodynamische Auftriebskräfte (Liftforces) infole wellenerzeuter asserbeweunen (aschbeweun bestehend aus ellenauflauf und -ablauf) auf der Böschun, 2. Hydrostatischer Auftrieb. Reibkräfte jeder Art,- insbesondere zwischen den Baukomponenten und an deren Unterlae. Von roßer Bedeutun ist, dass die ellenhöhe H H S mit der Potenz in die Formel eineht. Das wird nachfolend ezeit! Staudruckkräfte infole von Stoßwirkunen bleiben indessen ebenso unberücksichtit wie etwa eine Abhänikeit von der ellenperiode T. Anwendunsfreundliche Auswertunen der Formel befinden sich in Shore Protection Manual, CERC 1984 oder jüner. Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.8

9 Gewichtskraft Hanabtriebskraft. sin Normalkraft. cos Grundlaen zur HUDSON-Formel: örper auf einer eneiten Ebene (Böschun) bleiben in ihrer Position, wenn die Reibkraft zwischen den örpern und der Unterlae rößer ist als die Hanabtriebskraft der örper. (Hinsichtlich der Stabilität ünstie echselwirkunen zwischen den Einzelkörpern sollen hier unberücksichtit bleiben.) enn die Einzelkörper am Rollen ehindert sind, ist die Reibkraft nach Coulomb: R µf N µ cos. Stabilitätskriterium: R µ cos > sin bzw. µ > tan Dieses riterium wird bei Böschunen 1:n 1: oft als erfüllt anesehen. Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.9

10 Bei wellenbelasten örpern müssen zusätzlich hydrostatische und hydrodynamische Auftriebskräfte berücksichtit werden. F A F L Gewichtskraft Der hydrostatische Auftrieb F A wirkt der Eienewichtskraft enteen. Da die durch das ellenbrechen erzeute aschbeweun etwa böschunsparallel erfolt, kann der hydrodynamische Auftrieb als so. Liftkraft F L senkrecht dazu anenommen werden. Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.10

11 F R F L Gewichtskraft F H F R F A F N Die aus, F A und F L ebildete Resultierende F R hat einen wesentlich kleineren Betra als die Gewichtskraft (die bei unbenetzter Böschun ausschließlich wirksam ist) und weicht von der Vertikalen in Richtun der Falllinie (böschunsabwärts) ab. Dies hat die Fole, dass die Hanabtriebskraft F H hier in Relation zur Normalkraft F N und damit auch zur Reibkraft rößer wird. Damit ist die Gleitsicherheit eenüber der unbenetzten Böschun bei leichen Reibunsverhältnissen wesentlich eriner!! Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.11

12 F R β Stabilitätskriterium: R µ F R cos β > F R sin β bzw. µ > tan β > tan Gewichtskraft Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.12

13 Die Eienewichtskraft des örpers ist V Da die Form von Bruchsteinen (oder Betonformkörpern) unreelmäßi ist, wird das Volumen V in Anlehnun an dasjenie eines ürfels formuliert. Ist die Seitenfläche des ürfels ( Projektionsfläche) A, kann eschrieben werden: ( ) 2 A A V ird die Unreelmäßikeit durch einen oeffizienten k 1 berücksichtit ist 2 k1 A (1) Für die unbekannte Liftkraft, für die eine Abhänikeit von der ellenhöhe H vorausesetzt wird, kann ein Ansatz etwa lauten: F L k 2 H ( m. a p. A) A (2) Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.1

14 Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.14 A H k F 2 L (2) Darin ist formal H die hydrostatische Druckspannun an der Oberfläche oder einer Projektionsfläche A des örpers infole der ellenhöhe H. Mit dem oeffizienten k 2 wird der tatsächlich hydrodynamische Charakter der raft berücksichtit. Für F L kann eine Abhänikeit zur Gewichtskraft über die in beiden Formulierunen enthaltene Fläche A herestellt werden. Aus Gleichun (1): 2 k 1 A einesetzt in (2): L H k k H k F ()

15 Die hydrostatische Auftriebskraft ist FA V und hat eine der Gewichtskraft verleichbare Struktur. Hier kann eine Abhänikeit der Auftriebskraft von der Gewichtskraft über das in beiden Formulierunen enthaltene Volumen V herestellt werden: V F A Stabilitätsbedinun für das Gleiten auf der Böschun: ährend die Resultierende aus Eienewichtskraft und Auftriebskraft F A () Beiträe zur Hanabtriebskraft F H und zur Normalkraft F N liefert, vermindert die Liftkraft F L () die Normalkraft, verl Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.15

16 Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.16 A 1 F Resultierende aus Eienewichtskraft und Auftriebskraft F A (): Hanabtriebskraft F H (): sin 1 F H Normalkraft F N (): 2 N H k cos 1 F Reibkraft R µ. F N > F H : (-Liftkraft ()) > µ sin 1 H k cos 1 2 Erforderliche Gewichtskraft: ( ) ( ) ( ) sin cos 1 sin cos 1 µ µ µ µ > H N H k

17 Hier wird über den Stabilitätsbeiwert N einer Abhänikeit von der ellenläne bzw. Periode Rechnun etraen. Dies ist für den D -ert der heute verwendeten HUDSON-Formel, verl nicht der Fall! aus: Maens,.: Seean und Brandun für Planun und Entwurf im Seebau und üstenschutz Mitt. d. Franzius-Inst. H.14, Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.17

18 Brechende ellen: Nicht brechende ellen: Quelle: CERC 1977 Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.18

19 aus: Maens,.: Seean und Brandun für Planun und Entwurf im Seebau und üstenschutz Mitt. d. Franzius-Inst. H.14, Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.19

20 Das nach HUDSON / IRIBARREN efundene Blockewicht ilt (nach den zuehörien Versuchen und den Empfehlunen des CERC) für Standorte mit brechenden ellen sowohl für die esamte seeseitie Böschun als auch für die esamte leeseitie Böschun, während bei Bauwerken, an denen ellen nicht brechen (und die nur selten überströmt werden), in rößerer assertiefe kleinere Blockewichte ausreichen, verl Nach IRIBARREN sind die berechneten Blockewichte nur bis zu einer Tiefe NN -H/4 erforderlich, verl Für rößere assertiefen kann (entsprechend der hier kleineren Orbitalbahnen und -eschwindikeiten) zur Bestimmun der kleineren Blockewichte eine kleinere ellenhöhe H in der Formel verwendet werden. Diese eribt sich entsprechend zu: H L 0 2 π H 2 2 π d sinh L Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/

21 Aufbau der Deckschichten: Empfehlun mindestens Blockdicken bei Bruchsteinen oder mindestens 2 Blockdicken bei künstlichen Armierunsblöcken. Das ernmaterial muss een Ausräumun eschützt werden. Für die ornabstufun der Schichten ilt die Reel, dass die ornröße unter jeder -laien Schicht mindestens 1/ der orröße der darüberlieenden betraen soll. Alle Schichten mit zum ern hin abnehmenden orrößen sollen ebenfalls -lai auseführt werden, verl ird die Blockform durch ürfel bzw. ueln anenähert, eribt sich die antenläne bzw. der Durchmesser δ i (einer Lae) zu : i δ i γ (ürfel) bzw. δi 6 γ Büschin, F.: üsteninenieurwesen 2002/17.21 i π (uel) Der Durchmesser der darunterlieenden ornstufe ist 1 δ i + 1 δ und das zuehörie Blockewicht i i + 1 γ δi+ 1