Wechselwirkung Schiff / Wasserstraße Berlin 21.09.2006 Dr.-Ing. R. Soyeaux
Gliederung (1) Phänomen (2) Begriffe (3) Einflussgrößen (4) Zusammenhänge (5) Porenwasserüberdruck (6) Messungen (7) Trassierung
Phänomen: Schiff im Fluss Absunk Bugwelle 1. Wellental Wellenkämme Sekundärwellen Heckwelle + Schraubenstrahl Bug Blickrichtung Heck Luftbild
Phänomen: Schiff im Kanal Naturversuch Wesel-Datteln-Kanal (Oktober 2002) Fahrt der MS Main Fahrt-Nr.: MSb_100 nahe der kritischen Schiffsgeschwindigkeit leer böschungsnah am 27.10.02
Phänomen: Schiff im Kanal MSb_100 am 27.10.02 leer, böschungsnah Wiederauffüllungsströmung = Rollbrecher RWS Bugabsunk schneller Wasserspiegelabsunk Porenwasserüberdruck im Boden Heckabsunk RWS Absunkmulde Absunkmulde
Schiffsinduzierte Wellen im Kanal Wesentliche Begriffe Wasserspiegelanspannung vor dem Bug Gb_100 am 24.10.02 voll, böschungsnah Schraubenstrahl Rückströmung Heckabsunk tiefer als Bugabsunk! Absunkmulde Heckquerwelle Wiederauffüllungsströmung = Rollbrecher
Schiffswellen Prinzip Primärwelle Schiffsumströmung und Wellenbildung Kanalufer Sekundärwellen
Sekundärwellen Sekundärwellensystem Zusammensetzung und Überlagerung Querwelle Interferenzlinie Schrägwelle
Typische Wasserspiegeländerung Wellenmessung am Ufer / charakteristische Größen 38,00 Bugstau Heckquerwelle 37,80 RWS RWS Höhe in m+nn 37,60 37,40 Wasserspiegelanspannung H Bem Sekundärwellen 37,20 1. Absunktal 2. Absunktal 37,00 Primärwelle 41375 41385 41395 41405 41415 41425 41435 41445 41455 Zeit [Sek]
Zusammenhänge Hauptabhängigkeiten vs. Absunk, Heck- und Sekundärwellenhöhe, Geschwindigkeiten der Rück- und Wiederauffüllungsströmung Schiffsgeschwindigkeit kritische Schiffsgeschwindigkeit v krit v Wiederauf H Heck v Rück
Zusammenhänge Zusammenhang Schiffsgeschwindigkeit - Absunk hier: Einfluss der Gewässerbreite (Anwendung des GBB) 20 18 16 14 GMS (110m x 11,4m x 2,8m) (δ 1H =0,19m, A SH =35,15m 2 ) T-Profil - 50 % b WS = 400 m 200m 150 m 100 m v S km [ ] h 12 10 8 12 km/h 9 km/h 75 m 55 m 6 4 2-75 % 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Δh [ m]
Zusammenhänge Zusammenhang Schiffsgeschwindigkeit - Absunk hier: Einfluss der Wassertiefe (Anwendung des GBB) 20 18 16 GMS (110m x 11,4m x 2,8m) T-Profil (δ 1H =0,19m, A SH =35,15m 2 ) b WS = 400m 200m 14 150m 100m v S km [ ] h 12 10 8 12 km/h 9 km/h 75m 55m 6 4 Wassertiefe 4,00 m Wassertiefe 3,50 m 2 + 20 % 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Δh [ m]
Abklingen von Absunk o.ä. (z.b. zum rechten Ufer) Abklingverhalten (Ergebnis der Fahrversuche WDK 2002) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,0 60 % 20 % 3 % L eff /B=10 0,9 GMS 3,0 2,0 1,5 1,25 0,8 b r =L 0,7 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,6 b r =2L 0,25 u r,rts /b r 0,2 0,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 L eff /b r 0,15 0,4 0,3 b r =5L 0,1 0,2 0,05 0,1 0,0 1 - u r,lks /b r Verhältnis mittlerer Wasserspiegelabsunk am Ufer zu der am Schiff = f (Abstand des Schiffs vom Ufer) Einfluss der Gewässerbreite, Schiffslänge
Abklingverhalten Heckwelle steuerbord backbord Fahrt eines Aufsichtsbootes Wuster-Durchstich: UHW-aufwärts steuerbord extrem ufernah Fahrgeschwindigkeit ca. 20 km/h
Wesentliche Einflussgrößen Gewässergeometrie / Schiffsabmessung und -position Gewässer: -Breite - Tiefe, Profil - Böschungsneigung Schiff: - Länge, Breite, Tiefgang - Beladungszustand - Uferabstand Luftbild: Fahrgastschiff (FGS) und Großmotorgüterschiff (GMS) auf der Saar Untere Havel-Wasserstraße
Boden element Korn/ Wasser/ Luft Porenwasserüberdruck Phänomen Wasserspiegeländerung [cm] 20 ta 0-20 za -40-60 -80 50 60 70 80 90 100 Zeit [s] Mehrphasensystem: Wasser- Spiegel- Verlauf schneller Druckabfall Aufgrund der Volumenausdehnung der Luft ist bei einer Druckänderung ein Wassertransport erforderlich. Die Strömungsgeschwindigkeit ist von der Durchlässigkeit des Bodens abhängig.
Porenwasserüberdruck 20 Phänomen 0.1 Zunahme der Tiefe Wasserspiegeländerung [cm] t a 0-20 z a -40-60 -80 50 60 70 80 90 100 Wasserspiegeländerung Δh [m] 0.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8 Welle Randbedingung z = -3.5 cm) z = -14.5 cm) z = -31 cm) z = -72.5 cm) PWÜD Zeit [s] z a 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0 Zeit [s] PWÜD
Naturuntersuchung Übersicht über Messstelle WDK-km 46,500 23.10.02 Steinbewegung Wasserspiegel 19.10.02 24.10.02 19.10.02
Naturuntersuchung Anordnung der Messgeräte Sohle WDK-km 46,500 Druckdosen N Sohle Geschwindigkeitssonden Geschiebefallen mittige Fahrt aussermittige Fahrt ADCP GPS - Antennen Sohle böschungsnahe Fahrt Drehzahlmessgerät Wellensonden Kraftmessung Deckwerksstein Bauwagen Massstab Maßstab Kamera Deckwerksversuchsfelder Geschiebefänger
Trassierung Fahrspurbreiten in Abhängigkeit von Schiffstyp, Kurvenradius und Fließgeschwindigkeit 1. Generierung der Hüllkurven je Fahrtrichtung zu Tal zu Berg Deetzer Knie 2. Ermittlung der Verkehrsfläche
Trassierung Fahrspurbreiten in Abhängigkeit von Schiffstyp, Kurvenradius und Fließgeschwindigkeit 3. Ermittlung der der Abtragsvolumen Sohle Böschung
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