Geosynthetics In Civil Engineering Dipl.Ing. Klaus Oberreiter, MBA 17.-18.Juni 2011 Teil 3 2011: Wasserbau, Erosionsschutz, Dränagesysteme Wasserbau Erosionsschutz Dränagesysteme 1
Erosionschutz Arten von Erosion 1. Externe Erosion (Oberflächenerosion) 2. Interne Erosion (Wasserbau, Küstenschutz) Interne Erosion Typische Schadensbilder 2
Interne Erosion Küstenschutz, Wellenbrecher, Dammbau,. Interne Erosion Aktiv- vs. Passivfilter Aktiver Filter Bodenfilter Aufbau eines natürlichen Korngerüsts Unterstützt natürliche Gewölbebildung Wirkt dauerhaft, muss (kann) nicht gewechselt werden Passiver Filter Industrielle Filter, Kaffeefilter, Luftfilter, Rückhalten von Feinteilen die in einem bestimmten Medium transportiert werden Regelmäßiges Auswechseln 3
Interne Erosion Bodenfilter: Funktion Ohne Filtersystem: Bodenpartikel werden ausgespült Destabilisierung des Korngerüstes Mit Filtersystem Bodenkörner werden stabilisiert Dauerhafter Wasserdurchfluss Aktiver Filter Interne Erosion Bodenfilter: Wirkungsweise 1) Bodenstabilisierung; Stabilisierung des Korngerüstes 2) Ausschwemmung von Feinteilen, die im direkten Kontakt mit dem Filter sind 3) Gewölbeausbildung 4) Dauerhafter und stabiler natürlicher Kornfilter 4
Interne Erosion Bodenfilter: Valcros Damm 1992 Filtergeotextil nach 22 Jahren Gebrauchsdauer im Dammfuß Interne Erosion Bodenfilter: Bemessung 1. Art der Anwendung 2. Art der Funktion 3. Definition der Eigenschaften 4. Planung und Ausschreibung Die wichtigsten Eigenschaften sind bekannt. Sie müssen nun definiert werden. 5
Interne Erosion Filtergeotextil: Eigenschaften / Kriterien Funktionale Kriterien Filteröffnungsweite Anzahl der Constrictions Flexibilität Wasserdurchlässigkeit / Permeabilität Eigenschaften während des Einbaus Maximale Dehnung bei Höchstzugkraft Maximale zu absorbierende Energie Resistent gegen Durchstanzen Eigenschaften der Haltbarkeit UV-Schutz Interne Erosion Kriterien Filtergeotextil: FÖW Filteröffnungsweite : FÖW Definition : Wird durch das größe Korn bestimmt, dass durch ein bestimmtes Produkt durchwandernkann. Design : Der Filter soll den Boden stützen, und die Ausbildung eines Aktiven Filters sicherstellen. Rückhalteregel : d30 2 C = FÖW d Skelett = C x d D10*d60 85 6
mm 20.06.2011 Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: FÖW Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Anzahl der Constrictions 0 1 2 Bodenseite 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ein Bodenpartikel trifft mehrere «Tore» auf dem Weg durch das GTX. Die Dicke eines GTX kann ebenfalls über die Anzahl der «Tore» definiert werden. Tore <25 Unzureichende Bodenstabilität Tore >40 Erhöhtes Risiko des Verstopfens 7
Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Anzahl der Constrictions m 1 Porosität Dicke Fiberstärke Nach Dr. J.P. Giroud Internationale Konferenz Geofilter 96 Montréal. Die Anzahl der «Tore» ist ein dimensionsloser Parameter, welcher die Eigenschaften des Filtergeotextils (Dicke, Porosiät, Fiberstärke) definiert Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Flexibilität Mechanisch verfestigtes Gtx Thermisch verfestigte Geotextilien Mechanisch verfestigtes Spinnvlies Thermisch verfestigtes Gtx 8
Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Wasserdurchlässigkeit Durchlässigkeitsregeln : Die Durchlässigkeit von Filtersystemen muss größer sein als die des Bodens. (10-100X) Allgemeine Durchlässigkeitsregel K Filter Systeme >> k Boden KFilter Systeme > 10*i*kBoden (Giroud) i schwankt zwischen 1-10 1-1,5 für Seitendrainagen und Fundamententwässerungen 3-10 für Dammentwässerungen 10 für Küstenschutz KFilter Systeme >> 20*kBoden nach Lafleur KFilter systeme >> 50*kBoden (schluffigen Boden) nach. BAW KFilter systeme >> 10*kBoden (hart schluffigen Boden) Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Hohe Einbaubeanspruchung - Einfluß der Fallenergie - Bodensteifigkeit 9
Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Maximal absorbierbare Energie Produkt mit niedrigem Dehnungspotential Produkt mit hohem Dehnungspotential Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Prüfnormen 1. Funkionale Eigenschaften Norm Anforderung Filter Öffnungsweite Anzahl der Constrictions Flexibilität Wasserdurchlässigkeit 2. Verhinderung vor Beschädigung während des Einbaus Dehnung bei Höchstzugkraft Absorbierende Energie CBR Stempeldurchdrückkraft 3. Eigenschaften der Haltbarkeit EN ISO 12956 0,08mm Acc. Giroud 25-40 Abhängig von Produktionsart EN ISO 11058 EN ISO 10319 >30mm/s EN ISO 10319 > 60% >9KN/m EN ISO 12236 >3000N UV Schutz EN 12 224 >80% 10
Interne Erosion Filtergeotextil Kriterien: Allgemeiner Produktvergleich Gewebe z.b.geolon PP Stapelfaser Grobfaservlies, dick Optimales Filtervlies 2-lagig, 25-40 constrictions Stapelfaser Feinfaservlies, dünn Thermisch Verfestigte Vliese z.b. Typar z.b. Polyfelt F Sehr hohe Wasserdurchlässigkeit Sehr hohe Wasserdurchlässigkeit Sehr hohe Wasserdurchlässigkeit Optimaler Gute Wasserdurchlässigkeit Geringe Wasserdurchlässigkeit Ausschwemmung Ausschwemmung Bodenrückhalt ohne Verstopfen Neigt zum Verstopfen Neigt zum Verstopfen Interne Erosion Filtergeotextil: Produktvergleich Endlosfaser vs. Stapelfaser Stapelfaserprodukte (z.b. NAUE) haben gewöhnlich einen größeren Faserdurchmesser und eine kleinere Dichte, (Wert Dicke/Masse) als dünnere Endlosfaser Produkte, wie z.b. TC Polyfelt F. Weiters ist die Filterporosität größer (n>0.92) als für TC Polyfelt F (n<0.88). Der Faserabstand ist daher größer, deshalb benötigen Stapelfaserprodukte mehr Dicke. (oder eine höhere Anzahl an Constriction) Durch die größere Dicke und Anzahl der Constrictions besteht die Gefahr des Zusetzens innerhalb des Produktes. 11
Interne Erosion Filtergeotextil: Produktvergleich Endlosfaser vs. Thermisch verfestigte Vliese Während des Produktionsprozesses werden die Fasern bis zum Schmelzpunkt erhitzt, und dadurch ineinander verklebt. Durch diese Verschmelzung der Fasern wird die Verfestigung erreicht. So gesehen kann die Anzahl der Constrictions nicht durch eine Schicht an Fasern definiert werden. Durch die Verklebung der Fasern besteht ein Constriction oftmals aus 2 oder 3 Fasern. Thermisch verfestigte Geotextilien brauchen mehr Fasern (oder Dicke) als mechanisch verfestigte Geotextilien zur Erreichung von 25-40 Constrictions. Gefahr des Ausbildens eines Filterkuchens an der Kontaktfläche Gtx/Boden und damit verbundenes Verstopfen. Interne Erosion Filtergeotextil: Filterverlust durch Bodenausschwemmung Ursachen : * Öffnungsweite des Filters > Bodenkörner * Beschädigung während des Einbaus Löcher Lösungen : * Passender Entwurf nach geltenden Richtlinien * Hohes Dehnunspotential der verw. Produkte * Resistent gegen mechanische Beschädigung 12
Interne Erosion Filtergeotextil: Filterverlust durch Zusetzen/Verstopfung Ursachen : * Bodengerüst ist instabil * Öffnungsweite des Filters < Bodenkörner * Schlechter Kontakt Boden/Filter Lösungen : * Passendes Design * Hohe Flexibilität des Filters Interne Erosion Filtergeotextil: Dränagesystem vs. Küstenschutz Anwendung: Dränagesystem Wasserandrang in eine Richtung Niedrige mech. Beanspruchung (Kies <40mm Durchdrückkräfte bei Einbau zw. TS 20 und TS70 ist ausreichend; bei einseitigen Wasserandrang soll m>11) Produkt TS20 TS30 TS50 TS70 Dichte der Fasern kg/m 3 910 910 910 910 Faserdurchmesser µm 37 37 37 37 Masse g/m 2 125 155 200 325 Dicke bei 2kPa tg 1,2 1,3 1,9 2,9 Porösität - 0,89 0,89 0,88 0,88 Anzahl der Constrictions - 11 14 17 28 Anwendung: Küstenschutz kontinuierlicher Wasserandrang in zwei Richtungen Hohe mech. Belastung während des Einbaus Produkt F60 F70 F80 Dichte der Fasern kg/m 3 910 910 910 Faserdurchmesser µm 27 27 27 Mass (Filter only) g/m 2 256 312 348 Masse g/m 2 400 600 800 (Filter+Schutzschicht) Dicke bei 2kPa tg 2,2 2,3 2,5 Porösität - 0,87 0,85 0,85 Anzahl der Constrictions - 29 33 36 13
Einbau von Geotextilien Unterwasserbefestigung Ponton Ponton 1. Auflast mit Stahlstangen 2. Fortführendes Belasten Ponton 3. Befestigung mit Taucher 4. Abrollen am Grund und Belasten Einbau von Geotextilien Unterwasserbefestigung Eisenstange Detail: Sand/Schotter Schweißen, od. Vernähen 1. Auflast und Ballast 2. Positionieren und Belasten 14
Einbau von Geotextilien Unterwasserbefestigung / Überlappung Verlegerichtung Fließrichtung Auflast Überlappen >1m Trockene Verhältnisse: auch Schweißen möglich; Materialeinsparung! Überlappung etwa. 10cm Ablauf des Einbaus (Schwimmende Methode) 1 2 Befestigung von Metallstangen Positionieren mittels Schwimmen Transport zur Einbaustelle 4 3 15
Ablauf des Einbaus (Schwimmende Methode) 5 6 Positionieren Befestigung im oberen Bereich Einbau von Blockwurf 8 7 Einbau Geotextilien (Kopfbefestigung) 1. Humus Depending on local situation 2. 3. 16
Einbau von Geotextilien (Fußbefestigung) 1. Blockwurf 2. 3. Donaukraftwerk Greifenstein, 1981, Austria 17
Kraftwerk Blanca, Slowenien Hochwasserschutzdamm Mauthausen 18
Donauradweg Süd Aggsbach-St.Johann Piatowsky Kanal, Polen 19
Bostanj, Slowenien Shuweihat Harbour, Dubai 20
Geosysteme Geobag System Geotube System Geocontainer System Geosysteme sind mit Sand gefüllte Elemente, aus speziell für diese Anwendungen produzierten Geweben. Geotube and Geocontainer, Geobags Anwendungen 21
Geobags Künstliche Inseln Geotube Bemessung von Geotubes: Umfang und Höhe 22
Geotube Schutz Cameron Island Geotube Küstenschutz L Amélie, Frankreich 23
Geotube Kern für Wellenbrecher Geotube Hafenerweiterung Le Havre / Yachthafen Médoc 24
Geotube Kern für Wellenbrecher Geotube Positionierung / Befüllung mit Tauchpumpen 25
Geotube Temporärer Damm in Marokko Geotube Naviduct: größtes Geotube Projekt in Europa, Holland 26
Geotube Naviduct: größtes Geotube Projekt in Europa, Holland Geotube Naviduct: größtes Geotube Projekt in Europa, Holland 27
Geotube Amwaj Islands Project, Bahrein 2001 Geotube Amwaj Islands Project, Bahrein 2001 28
Geotube Wellenbrecher unter Wasser Brechende Welle über Geotube Wellenhöhe nach dem Wellenbrecher H 2 <H s Wellenhöhe (H s ) Geotube Geotube Wellenbrecher unter Wasser: Alassio, Italien, 2003 29
Geocontainer Anwendungen: Kern für Dämme und Deiche Unterwasserberme Füllung von Erosionslöchern Geocontainer Geocontainers are big sandbags, that are placed in a splitbarge and filled with sand. The container will than be dumped on the bottom. Capacity varies from 120 m 3 till 1000 m 3 Geocontainers are taylor-made for a given splitbarge. 30
Geocontainer Absenkvorgang Geocontainer 31
Wasserbau Sonderanwendungen: Hydrocomp, Hafen Ravenna Wasserbau Sonderanwendungen: Hafen Rotterdam 32
Wasserbau Sonderanwendungen: Uferschutz mit Faschinen Wasserbau Sonderanwendungen: Ingenieurbiologische Maßnahmen 33
Erosionsschutz Erosionschutz Arten von Erosion 1. Externe Erosion (Oberflächenerosion) 2. Interne Erosion (Wasserbau, Küstenschutz) 34
Externe Erosion Typische Schadensbilder Externe Erosion Typische Schadensbilder 35
Externe Erosion Typische Schadensbilder Externe Erosion Der Vorgang im Detail ohne Erosionsschutz Primäre Erosion Sekundäre Erosion Tropfen-Effekt (Aufprall eines Regentropfens auf den Boden) Fließ-Effekt Oberflächenabfluss parallel zur Böschung verursacht Eroison Boden Boden 36
Externe Erosion Der Vorgang im Detail mit Erosionsschutz keine primäre Erosion verhindert sekundäre Erosion Tropfen-Effekt (Aufprall eines Regentropfens auf den Boden) Erosionsschutzmatte Fließ-Effekt Erosionsschutzmatte Wasserabfluss Boden Boden Externe Erosion Produktanforderungen Aufgaben eines Oberflächenerosionsschutzes Minimierung des dynamischen Aufpralls von Tropfen Minimierung der Mobilität der Bodenkörner Pflanzenwachstum zulassen und fördern Produktanforderungen geschlossene Oberfläche 3-dimensionale Struktur offene (poröse) Oberfläche 37
Externe Erosion Produkte Externe Erosion Einbauanleitung: Envirofelt CO 38
Externe Erosion Einbauanleitung: Polymat Sanierung Autobahn A1/Wien-Linz/Austria 39
Sanierung Autobahn A1/Wien-Linz/Austria Abschnitt Enns: September 2003 Sanierung Autobahn A1/Wien-Linz/Austria Abschnitt Enns: Mai 2004 40
Auffangbecken A1, Amstetten, Austria Autobahn Banja Luka, Bosnien 41
Böschungssicherung Geozellen Klagenfurt, Austria Lake Chabarovice, Tschechien 42
Böschungssicherung Fotky, Tschechien Eisenbahnerweiterung Hornchurch/London/UK 43
Hochwasser-Retensionsbecken Lafnitz, Heiligenkreuz, Austria Dränagesysteme 44
Anwendungsgebiete Dränagegräben Oberflächendränage z.b. Sportplätze Böschungsdränage Anwendungsgebiete Oberflächendränage von Deponien Dachdränage Kellerdränage 45
Anwendungsgebiete Schwergewichtsmauern bewehrte Erdstützkonstruktionen Gabionenwände Dränage Systeme Funktion 46
Drainage Bemessung Einflussfaktoren Regenmenge (Niederschlag) Höhe des Grundwasserspiegels Abstand zwischen den Sammlern Vegetation, Verdunstung,... Art der Oberfläche Abfluss an der Oberfläche Durchlässigkeit des Bodens (K v -Wert) Böschungsneigung (Gradient) Sicherheitfaktor: Durchlässigkeit nach Koerner Der Sicherheitsfaktor wird wie folgt definiert : SF = q erf / q zul (1) q zul.. zulässiges Ableitvermögen (Durchfluss pro Breiteneinheit), gewonnen aus dem abgeminderten Versuchswert; [m²/s] q erf.. erforderliches Ableitvermögen (Durchfluss pro Breiteneinheit), [m²/s] SF.. Sicherheitsfaktor [-] 47
Abminderungsfaktoren Die Abminderung wird mittels 4 Abminderungsfaktoren bestimmt. Einen Rückschluss auf die Abminderungsfaktoren kann man auch mittels Ausgrabungen erhalten. RF IN... Reduktionsfaktor für die elastische Deformationen RF KR...Reduktionsfaktor für die Kriechdeformationen der Dränagematte RF CV...Reduktionsfaktor für die chemische Verstopfung RF BV...Reduktionsfaktor für biologische Verstopfung Zulässiges Ableitvermögen 48
Dränage Bemessungsrichtlinien Dränage Bemessung allgemein Die erforderliche Transmissivität der Dränmatte errechnet sich zu: 49
Drainage Bemessung Vertikaldrainage Drainage Bemessung Horizontaldrainage 50
Böschungsstabilität Designprinzip: Hangentwässerung Allgemein: Q=q*L/i i=sinarctan(1:n) Kritischer Parameter: Regenspende: e.g. 155 l/s*ha Annahme: 10% der Regenmenge muss dräniert werden q=0,0016 l/sm² Einbau Allgemeiner Einbauablauf 51
Einbau Allgemeiner Einbauablauf Einbau Allgemeiner Einbauablauf 52
Klassische Dränagegräben Klassische Dränagegräben 53
Tunnel in offener Bauweise A9 - Österreich Gran Via, Madrid, Spain 54
Autobahnbrücke Kodersdorf BAB A4 - Deutschland Unterführung Magdeburg - Deutschland 55
Metro Porto, Portugal Dränage hinter Spritzbetonwand - Deutschland 56
Dränagegraben neben Straße - Deutschland Böschungsdränage neben Autobahn A2 - Österreich 57
Oberflächendränage von Sportplätzen - Australien Pferderennbahn - Melbourne Golfplatz Brisbane Oberflächendränage von Sportplätzen: Poze Lia Manoliu 58
Oberflächenabdeckung Deponie Timelkam - Österreich Spezialanwendung: Vertikaldränagen 59
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