15
Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungen an Binnenwasserstraßen Info-Blatt: Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer F & E – Projekt (BAW – BfG) Stand: November 2016 BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE Koblenz

BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 1

Untersuchungen zu alternativen,technisch-biologischen

Ufersicherungen anBinnenwasserstraßen

Info-Blatt:Ermittlung von

Schiffswellenhöhenam Ufer

F & E – Projekt(BAW – BfG)

Stand: November 2016

BUNDESANSTALTFÜR WASSERBAU

Karlsruhe

BUNDESANSTALTFÜR GEWÄSSERKUNDE

Koblenz

Page 2: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 0

Inhalt

1 Berechnung nach dem GBB

2 Anpassung des GBB an beliebige Profile

2.1 Ersatztrapezprofil

2.2 Abklingverhalten

3 Literatur

Page 3: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 1

1 Berechnung nach dem GBB

Die Grundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnenwasser-straßen (GBB 2004) wurden erstmals im Mai 2004 als BAW-Mitteilungsblatt Nr. 87 veröffent-licht (BAW, 2004) und sind Anfang 2011 in einer stark überarbeiteten, aktualisierten Versionals GBB 2010 erschienen (BAW, 2001). Darin werden ausführlich Konzept, Grundlagen undBemessungsansätze zur Dimensionierung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Bin-nenwasserstraßen, insbesondere an künstlichen Wasserstraßen beschrieben. Neueste For-schungsergebnisse und internationale Fachliteratur sind im GBB 2004 bzw. GBB 2010 be-rücksichtigt. Voran stehen ausführliche Begriffsdefinitionen und Gedanken zum Sicherheits-und Bemessungskonzept. Den ersten Schwerpunkt des GBB bildet die Ermittlung hydrauli-scher Belastungsgrößen aus schiffserzeugten Wellen und Schiffsantrieb sowie deren Ver-wendung für die Festlegung von Steingröße und Schichtdicke loser Deckwerke. Windwellenwerden nur in GBB 2004 vorgestellt. Der zweite Schwerpunkt ist die geotechnische Bemes-sung der Steinschüttung unter Berücksichtigung von Deckwerksaufbau und Fußstützung.Einen schematischen Überblick zur Hauptstruktur des GBB für die Dimensionierung von lo-sen Deckwerken gibt Bild 1.

Bild 1: Hauptstruktur des GBB für die Dimensionierung von losen Deckwerken

Ermittlung der hydraulischen Belastung

Hydraulische Bemessung loser Deckwerke aus Wasserbausteinen

inf. Querwellen / Schrägwellen / Windwellen /Rückströmung / Wiederauffüllungsströmung / Propulsion

Geotechnische Bemessung loser Deckwerke aus Wasserbausteinen

Standsicherheit / Fußsicherung / Deckwerksdicke

Festlegung der Eingangsdaten

Gewässer / Schiff / Geotechnik

Normalfahrt

(Absunk, Rückströmung, Wiederauffüllungsströmung)

Manöverfahrt

(Propulsion)

Page 4: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 2

Das GBB bietet die Möglichkeiten, folgende Einflussgruppen für die Bemessung von Ufer-deckwerken einzubeziehen:

· Schiffstyp, Schiffsabmessung und Abladetiefe· Schiffsgeschwindigkeit, Fahrposition, Vertrimmung und Fahrsituation· Form und Hauptabmessungen des Kanalquerschnittes, Böschungsneigung· Primär- und Sekundärwellen· Rück- und Wiederauffüllungsströmung· Deckwerksteinklasse, zulässige Kornverteilungsband, Rohdichte

Im Folgenden wird der Weg zur Ermittlung der hydraulischen Belastungsgrößen anhand dereinzelnen Schritte und nur mit einem Minimum an Formeln kurz skizziert (vergl. Bild 2). De-tails dazu sind im GBB 2004 und GBB 2010 zu finden.

Bild 2: Ablauf der Berechnungen zur Ermittlung der hydraulischen Belastungen fürdie Dimensionierung von losen Deckwerken nach dem GBB

(1) Kanal-/Gewässerquerschnitt

(2) Bemessungsschiff, Fahrposition und Geschwindigkeit

(4) kritische Schiffsgeschwindigkeit vkrit

(3) hydraulisch wirksamer Kanal- und Schiffsquerschnitt

(5) mittlere Werte von Absunk und Rückströmungsgeschwindigkeit(mittige F.)

(6) Bug- und Heckabsunk sowie Rückströmungsgeschwindigkeit (ohne Exzentrizitätseinfluss)

(7) Maximalwerte Bug- und Heckwellenhöhe bei exzentrischer Fahrt

(8) maximale Geschwindigkeit in der Wiederauffüllungsströmung

(9) Absunkgeschwindigkeiten und -zeiten

(10) Sekundärwellenhöhe

Berechnungsweg

Page 5: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 3

(1) Kanal-/Gewässerquerschnitt

Zunächst wird der betrachtete Kanal- bzw. Gewässerquerschnitt festgelegt. Dieser kann ei-nem IST-Zustand entsprechen, wenn Nachrechnungen durchgeführt werden, oder aber ei-nem SOLL-Zustand, wenn eine Planung betrachtet wird. Hierbei ist darauf zu achten, dassKanalquerschnitte meist voll berücksichtigt werden, Fluss und besonders Seenquerschnitteaber nur mit einem wirksamen Anteil (s. (3)).

(2) Bemessungsschiff, Fahrposition und Geschwindigkeit

Vor jeder Berechnung sind ein oder mehrere Bemessungsschiffe zu definieren und damitderen Abmessungen, Bug-, Rumpf- und Heckform sowie Tiefgänge festzulegen. Sollen auchManöversituationen rechnerisch erfasst werden, so sind technische Daten zu Antrieben undRudern zu bestimmen.

Die Fahrposition, also der Abstand zwischen Schiffsachse und Ufer, ist entscheidend für dieGröße der Uferbelastung. Je näher das Schiff am Ufer fährt, umso größer ist die hydrauli-sche Belastung. In Kanälen ist es meist so, dass Einzelfahrer annähernd mittig fahren unddass ufernahe Positionen nur in der Vorbereitung von Begegnungen oder bei Überholungenvorkommen.

Auch die Wahl der relevanten Schiffsgeschwindigkeit ist von wesentlichem Einfluss. Je näherdie gewählte Geschwindigkeit an der kritischen Schiffsgeschwindigkeit liegt, umso größersind die Auswirkungen. Im GBB wird für Ausbaubemessungen generell 97 % der kritischenSchiffsgeschwindigkeit empfohlen. Bei anderen Fragestellungen kann auch die zulässigeSchiffsgeschwindigkeit Grundlage der Ermittlungen sein, wenn sichergestellt ist, dass ihreEinhaltung gewährleistet ist. Auch geringere Prozentsätze der kritischen Schiffsgeschwindig-keit sind anwendbar, z. B. um technisch-biologische Uferschutzmaßnahmen bei entspre-chenden Randbedingungen möglich zu machen. Zudem muss in einigen Fällen die vorhan-dene Leistung des Schiffsantriebs beachtet werden, aufgrund derer vielleicht nur eine be-grenzte Schiffsgeschwindigkeit erreicht werden kann.

(3) Hydraulisch wirksamer Kanal- und Schiffsquerschnitt

Der maßgeblich an Absunk und Rückstrom beteiligte Bereich des Gewässerquerschnitts, derdas wirksame (= äquivalente) Kanalprofil bestimmt, ist abhängig von der rechnerischen Ge-wässerbreite br = A/h (s. Bild 3), der wirksamen Einflussbreite des Rückströmungsfeldes bE

und der Schiffsposition (= Exzentrizität) innerhalb des Gewässerquerschnitts. Dabei ergebensich drei grundsätzlich verschiedene Breitenfälle (s. Bild 3): Kanalfall, Flachwassersituationund Übergangssituation.

Page 6: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 4

Bild 3: Grundfälle für das Verhältnis von Einflussbreite des Rückströmungsfeldes bE

zur rechnerischen Gewässerbreite br nach dem GBB 2010 (BAW, 2011)

Für bE gilt folgender, vom Schiffstyp abhängiger Ansatz:

)(2 BE BfLb +=p

Der Einfluss des Schiffstyps wird über einen Faktor fB erfasst, der für übliche Binnenschiffebei fB = 3 liegt. Fahren diese Schiffe in Kanälen, so gilt Breitenfall A, fahren sie jedoch in brei-ten Flüssen oder Seen, so müssen die Breitenfälle B oder C beachtet werden. Die Behand-lung solcher Querschnittsbedingungen wird in GBB 2010 unter 5.5.1.1 weiter betrachtet undhier unter 2.2 kurz erläutert.

Bei der Anwendung der 1D-Kanaltheorie werden Energieverluste vernachlässigt, die in einerGrenzschicht entstehen, die sich bei der Umströmung zwischen Bug und Heck aufbaut. Umdiese Effekte zu erfassen, wird eine effektive Schiffsquerschnittsfläche AS,eff definiert, die ihrMaximum am Heck (Index H) hat und wie folgt berechnet wird:

Page 7: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 5

( )mm1HHS,Heff,S, 2TBAA ++= d

HHHS,H gBTA =

5,2

SS

H10H1H log62,189,1645,0

-

÷÷ø

öççè

æ+=

KL

Ld

Berücksichtigt werden hier die Querschnittswerte am Heck (BH, TH) und die mittlerenSchiffsabmessungen (Bm, Tm), die Entwicklungslänge der Grenzschicht zwischen Bug undHauptspantende (LH) und die äquivalente Sandrauheit der Schiffshaut (KSS) sowie der Völlig-keitsgrad des Schiffsquerschnitts im Heckbereich (gH).

(4) Kritische Schiffsgeschwindigkeit vkrit

Ein charakteristischer Wert bei der Interaktion Schiff/Wasserstraße ist die kritische Schiffs-geschwindigkeit vkrit. Dafür und für den zugehörigen mittleren Wasserspiegelabsunk krithD

gelten folgende Gleichungen:

mkritkrit hxh =D

mkritkrit ghyv =

Die Berechnung der Größen xkrit und ykrit erfolgt iterativ über mehrere Hilfsfunktionen, die mitfolgenden Kennwerten des Kanals und des Schiffes verbunden sind:

AK,äqui äquivalenter Kanalquerschnitt [m2]AS,eff effektiver Schiffsquerschnitt [m2] unter Berücksichtigung von Grenzschichteffekten

an Bug und Heckb WS Wasserspiegelbreite [m]; b WS = b WS,äqui

hm mittlere Wassertiefe [m], hm = AK,äqui / b WS,äqui

m Böschungsneigung [-]; m = mK,äqui

n Querschnittsverhältnis [-]; n = näqui =AK,äqui / AS,eff

Verdränger (also z. B. Güterschiffe) können diesen hydraulischen Grenzwert i. d. R. nichtüberschreiten. Je näher die Schiffsgeschwindigkeit an vkrit liegt, umso höher ist der Leis-tungsbedarf. Mit der Annäherung an vkrit steigen auch sämtliche damit verbundenen Effektewie Absunk, Wellenbildung, Rückströmung und Wiederauffüllungsströmung überproportionalstark an. Ein typisches Diagramm zum Zusammenhang zwischen steigender Schiffsge-schwindigkeit und mittlerem Absunk ist auf Bild 4 wiedergegeben.

Page 8: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 6

Bild 4: Zusammenhang zwischen Schiffsgeschwindigkeit vS und mittlerem AbsunkDh im Regel-Trapez- und Rechteck-Trapez-Profil, berechnet nach der 1D-Kanaltheorie für die Fahrt eines GMS (L = 110 m, B = 11,4 m, T = 2,8 m,

1Hd = 0,19 m)

(5) mittlere Werte von Absunk und Rückströmungsgeschwindigkeit

In jedem Fall wird nun zunächst auf der Basis der o. g. Größen für eine gewählte Bemes-sungsgeschwindigkeit des Schiffes vS die mittlere Wasserspiegelabsenkung hD für die mitti-ge Fahrt bestimmt:

1

22

1

S

-÷÷ø

öççè

æD-

D=

AAA

hgv

a

Die Lösung dieser Gleichung erfolgt iterativ. Verwendete Größen sind der Kanalquerschnitt(A), die Querschnittsreduzierung im Kanal infolge Schiffsquerschnitt und Absunk (ΔA) sowieeines Korrekturbeiwertes ( 1a ), der Effekte der Nähe der gefahrenen zur kritischen Schiffsge-

schwindigkeit beschreibt.

Daraus lässt sich die querschnittsgemittelte Rückströmungsgeschwindigkeit rückv für die

mittige Fahrt errechnen:

Srück vAA

AvD-

D=

Page 9: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 7

Zwischen Schiff und Ufer macht sich bei den Werten für die Rückströmungsgeschwindigkeitund den Absunk ein Abklingverhalten (s. 2.2) bemerkbar, was am Ufer zu entsprechend ver-

ringerten Werte urück,v und uhD führt, die in die weitere Berechnung eingehen.

(6) Bug- und Heckabsunk sowie Rückströmungsgeschwindigkeit (ohne Exzentrizitäts-einfluss)

Im folgenden Schritt werden die maximalen Wasserspiegelabsenkungen in Höhe von Bugbzw. Heck im Uferbereich – zunächst ohne Exzentrizitätseinfluss – bestimmt. Am Bug gilt

u,Bugu,Bug 1,1ˆ hh D=D

mit dem mittleren Wasserspiegelabsunk im Uferbereich am Bug ( u,BughD ). Am Heck gilt

u,HeckHHeck,uˆ hCh D=D

mit dem mittleren Wasserspiegelabsunk im Uferbereich am Heck ( Hecku,hD ). Der Faktor CH

erfasst Effekte von Schiffstyp, Abladung, Vertrimmung und Wasserspiegellängsgefälle.

(7) Maximalwerte Bug- und Heckwellenhöhe bei exzentrischer Fahrt

Im Folgenden findet die Exzentrizität Eingang in die Berechnung. Mit zunehmender Ufernähesteigen die Werte der Wellenhöhe an der Böschung stark an. Der Anstieg der Wellenhöhe istabhängig vom Verhältnis der Querschnittsfläche zwischen Schiff und Ufer zum Kanalquer-schnitt (bei Flachwasserfahrt zu einer äquivalenten Kanalquerschnittsfläche). Für den Maxi-malwert der Bugwellenhöhe am schiffsnäheren Ufer bei exzentrischer Fahrt gilt

Bugu,Bugu,ˆ)'22,0( h

AAH D-=

und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend

u,Hecku,Heckˆ)'20,2( h

AAH D-=

mit dem Querschnittsverhältnis A'/A entsprechend den Fallunterscheidungen in Bild 3.

Der Einfluss der Ufernähe auf die Rückströmungsgeschwindigkeit ist gering und wird ver-nachlässigt.

Page 10: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 8

(8) maximale Geschwindigkeit in der Wiederauffüllungsströmung

In brechenden Heckwellen, bei ungebrochenen hohen Heckwellen und bei ufernaher Fahrttritt eine uferparallele Wiederauffüllungsströmung an der Böschung auf. Die Fließgeschwin-digkeit umax darin, die in Höhe der Deckwerkssteine auftritt, erreicht bei sehr großen Wellen-höhen maximal die Schiffsgeschwindigkeit vS. Für kleinere Wellenhöhen ist sie maßgeblichvom Verhältnis der Schiffsgeschwindigkeit zur Wellenfortschrittsgeschwindigkeit, der Froude-

Zahl rF~ abhängig. Die entsprechenden Gleichungen lauten:

smax 3,0 vu » für 83,1~ 2 >rF

svrFvu ÷÷ø

öççè

æ --+»

12,171,0~

17,03,02

smax für 83,1~71,0 2 ££ rF

smax 0,1 vu » für 71,0~ 2 <rF

(9) Absunkgeschwindigkeiten und -zeiten

Im Ablauf der Berechnungen folgt nun die Ermittlung der Absunkzeiten, getrennt für denBug- und Heckabsunk, und der damit verbundenen Absunkgeschwindigkeiten. Diese Wertesind wesentliche Eingangsgrößen für die geotechnische Bemessung, deren Zusammenhangauf Bild 5 zu sehen ist.

Bild 5: Prinzipieller Zusammenhang zwischen Absunk za,B am Bug bzw. za,H am Heck,den entsprechenden Absunkzeit ta und den Absunkgeschwindigkeiten

Page 11: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 9

Der maximale schnelle Wasserspiegelabsunk an Bug za,B bzw. Heck za,H ergibt sich nach

( )BWAhBuguBa fHz

,09,091,0,, D+=

qSekHeckuBuguhHa HHHfzBWA ,,,, ,

,2110 -+= D

Mit den Maximalwerten der Wellenhöhen am schiffsnäheren Ufer bei exzentrischer Fahrt anBug bzw. Heck (Hu,Bug bzw. Hu,Heck), einem Faktor zur Reduzierung des Einflusses der Was-serspiegelanspannung vor dem Bug ( ) und für das Heck einem Anteil der Sekundärwel-lenhöhe reiner Heckquerwellen (HSek,q). Details hierzu s. Kap. 7.1.2 in GBB 2010.

Für große, moderne Güterschiffe gehören dazu folgende Absunkzeiten an Bug ta,B und Heckta,H

SüG

effBa, 1,7

vu

t »

SüG

prisa,Ba,H v

Ltt +»

abhängig vom effektiven Uferabstand (ueff; Abstand Schiffsachse - rechnerische Uferlinie beiRWS) und der Schiffsgeschwindigkeit über Grund (vSüG). Details dazu und Angaben zu Ab-sunkzeiten von Sekundärwellen finden sich in Kap. 5.5.4.8 in GBB 2010 (BAW, 2011).

(10) Sekundärwellenhöhe

Neben den Primärwellenhöhen, die in den meisten Fällen der Bemessungswellehöhe ent-sprechen, spielen manchmal auch die kleineren und kurzperiodischeren Sekundärwellen, diean Bug und Heck ausgelöst werden, eine Rolle. Die Sekundärwellenhöhe, die ihr Maximumauf der Interferenzlinie von Bug- und Heckschrägwellen erreicht (s. Bild 6), berechnet sichnach folgender Gleichung:

cr3

13

4

38

sWSek

)'(gf

u

vAH =

Hierin finden der Wellenhöhenbeiwert AW, der abhängig von Schiffsform, Schiffsabmessun-gen, Abladetiefe und Wassertiefe ist, die Schiffsgeschwindigkeit vS, der Abstand Schiffswand- Uferlinie u' und ein Geschwindigkeitsbeiwert fcr, der ab 80% der kritischen Schiffsgeschwin-digkeit deren zunehmend starken Einfluss berücksichtigt, Eingang.

B,WAhfD

Page 12: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 10

Im Falle reiner Heckquerwellen gilt für die Sekundärwellenhöhe:

( )λcr

212

sWqSek, 2

ffu

Bg

vAH +÷÷

ø

öççè

æ=

Als andere wichtige Eingangsgrößen kommen hier die Schiffsbreite B, der Abstand u zwi-schen Schiffsachse und Uferlinie sowie ein Wellenlängenbeiwert fl, mit dem die Überlage-rung von Heckquerwellen und Bugquerwelle erfasst wird, zur Geltung.

Bild 6: Sekundärwellensystem für Froudesche Tiefenzahl 8,0h £Fr

2 Anpassung des GBB an beliebige Profile

2.1 Ersatztrapezprofil

Um die Berechnungsverfahren aus dem GBB auf freie Fließgewässer anwenden zu können,müssen natürliche Querprofile (QP) durch geometrisch vereinfachte Ersatztrapezprofile(ETP) ersetzt werden. Da das ETP die Flächen des natürlichen Querprofils bei verschiede-nen Zuständen repräsentieren soll, müssen bei jedem einzelnen Querprofil ggf.

- verschiedene Untersuchungszustände wie z. B. Ausgangs-Zustand und Geometrie gemäßPlanung und

- unterschiedliche Wasserstände wie z. B. Niedrig-, Mittel- und Hochwasser, Wasserständeim Sommer und Winter oder oberer und unterer Betriebswasserstand BWo und BWu

berücksichtigt werden, d. h. ein jeweils eigenes ETP muss erstellt werden.

Page 13: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 11

Das Ersatztrapezprofil muss folgende Kriterien erfüllt:

· Flächengleichheit von ETP und Original-QP (beschränkt auf Einflussbreite); dabeimuss vor allem die Flächengleichheit des Rückstromfeldes eingehalten werden

· ca. Sohlhöhengleichheit im Bereich der Fahrrinne· Flächen, die hinter lokalen Untiefen liegen, werden als hydraulisch unwirksam be-

trachtet (Annahme: Sie werden von der Strömung nicht erreicht)

Bild 7: Prinzipskizze zum Ersatztrapezprofil am Bsp. von UHW-km 39,300; außerdemErläuterung zum Ergänzen der Querprofile mit Uferpunkten außerhalb des DGM

Bild 7 zeigt als Beispiel die Festlegung eines Ersatztrapezprofils an der Unteren Havel-Wasserstraße, wofür eine spezielle Software entwickelt wurde, die die o. g. genannten An-forderungen erfüllt. Die Anwendung dieser Software ist in (BAW, 2008) näher erläutert.

2.2 Abklingverhalten

Für Situationen, die nicht wie überwiegend üblich kanalähnlich sind, muss die Veränderungder berechneten Schiffswellenhöhen zwischen Schiff und Ufer berücksichtigt werden. Esliegen die Breitenfälle B (Flachwasser) und C (Übergangssituation) vor (s. Bild 3). Je weiterweg das Schiff vom Ufer ist, umso mehr klingen die Größen ab. Dieses Abklingverhalten wirdim GBB 2010 (BAW, 2011) in Kap. 5.5.1.1 erklärt.

An dieser Stelle soll ein Diagramm für ein GMS den Effekt verdeutlichen (Bild 8). Das Dia-gramm wurde für eines GMS mit Leff » 110 m und B = 11,50 m erstellt, sodass als Kurven-scharparameter Leff/B » 10 gilt. Das Verhältnis ur,rts/br gibt den Abstand des Schiffes zumrechten Ufer an (ur,rts - rechnerischer Abstand zum rechten Ufer, br - rechnerische Breite des

Querprofil-Nr. 67 ( UHW-km 39.300 )

Ergänztes Querprofil Querprof il im DGM Ersatztrapezprof il Fahrrinne (Baggerlinie) BWmEinflussbreite

Abstand vom linken Hektometerpunkt800.0700.0600.0500.0400.0300.0200.0100.00.0-100.0

Höh

e[m

üN

N]

29.5

29

28.5

28

27.5

27

26.5

26

ETP einpassen

Profil gemessen

Profil ergänzt

Fahrrinne

Einflussbreite

Page 14: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 12

Gewässers). Bei ur,rts/br » 0 findet eine Fahrt nah am rechten Ufer, bei ur,rts/br » 1 dagegeneine Fahrt fern vom rechten Ufer statt. Fährt das Schiff nah am rechten Ufer, so ist nur beigroßen Gewässerbreiten ein schnelles Abklingen zu erkennen (z. B. bei br = 5 L). Je engerder Querschnitt wird, umso später macht sich mit dem Entfernen vom rechten Ufer das Ab-klingen bemerkbar. Im engen Regel-Trapez-Profil (br = 1/2 Leff) ist nur ein geringes Abklingenvon 5% zu verzeichnen. Mit zunehmender Gewässerbreite gegenüber der Schiffslängenimmt das Abklingen einer durch ufernahe Fahrt am gegenüberliegenden Ufer erzeugtenWelle zu:

br = ½ Leff entspr. Regel-Trapez-Profilè Abklingen auf 95 %

br = Leff entspr. Gewässerbreite = Schiffslängeè Abklingen auf 60 %

br = 2 Leff entspr. Gewässerbreite = doppelte Schiffslänge è Abklingen auf 20 %

br = 5 Leff entspr. Gewässerbreite = fünffache Schiffslänge è Abklingen auf 3 %

Bild 8: Diagramm zum Abklingverhalten (Erläuterungen im Text)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,20,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

1 - ur,lks/br

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

ur,rts/br

Lef f/B=10

Leff/br

0,05

2,0

0,2

1,25

1,0

0,5

0,4

0,3

0,80,7

0,6

0,9

1,5

3,0

0,45

0,35

0,250,15 0,1

GMS

br=L60 %

br=2L

20 %br=5L

3 %

br= ½ L

95 %

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,20,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

1 - ur,lks/br

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

ur,rts/br

Lef f/B=10

Leff/br

0,05

2,0

0,2

1,25

1,0

0,5

0,4

0,3

0,80,7

0,6

0,9

1,5

3,0

0,45

0,35

0,250,15 0,1

GMS

br=L60 %

br=2L

20 %br=5L

3 %

br= ½ L

95 %br=L

60 %br=L

60 %br=2L

20 %

br=2L

20 %br=5L

3 %

br=5L

3 %

br= ½ L

95 %

Page 15: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE FÜR WASSERBAU · (2,0 2 ') hˆ A A H = - D und für den Maximalwert der Heckwellenhöhe entsprechend u,Heck u,Heck (2,0 2 ') hˆ A A H = - D mit

Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesanstalt für Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungenan Binnenwasserstraßen (F&E-Projekt)

Ermittlung von Schiffswellenhöhen am Ufer______________ __.

Stand: November 2016 BAW – C. Gesing, R. Soyeaux Seite 13

3 Literatur

(BAW, 2004) Bundesanstalt für WasserbauGrundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlsicherungen anBinnenwasserstraßen (GBB 2004)BAW-Mitteilung Nr. 87Eigenverlag, Karlsruhe 2004

(BAW, 2011) Bundesanstalt für WasserbauGrundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlsicherungen anBinnenwasserstraßen (GBB 2010)BAW-MerkblattEigenverlag, Karlsruhe März 2011

(BAW, 2008) Bundesanstalt für WasserbauAusbau der Unteren Havel-Wasserstraße (UHW-km 32,610 – 54,250)– Schiffs- und winderzeugte Wellenhöhen –Gutachten BAW-Nr. 3.04.06303.01 (Text- und Anlagenband)Eigenverlag, Karlsruhe September 2008