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Quelle: http://www.htg-online.de/EAS-Empfehlungen-des-Arbeitsau.691.0.html
Empfehlungen des Arbeitsausschusses Sportboothäfen und wassertouristische Anlagen Handlungsempfehlungen für Planung, Bau und Betrieb von
Sportboothäfen und wassertouristischen Anlagen
Vorabzug
Kapitel 3: Grundlagen für Entwurf und Bemessung
Abschnitt 3.3: Ermittlung der Bemessungsgrößen
Unterabschnitt 3.3.3: Festlegung der Bemessungsgrößen
Beitrag: Lasten aus Eis
Hamburg, 18.04.11
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
1
3 Grundlagen für Entwurf und Bemessung
3.1 Bootsgrößen
3.2 Bedingungen am Standort
3.2.1 Meteorologie
3.2.2 Hydrodynamik
3.2.3 Wasserstände
3.2.4 Strömungen
3.2.5 Wellen und Seegang
3.2.6 Eisbedingungen
3.2.7 Geologie und Sedimentologie
3.2.8 Andere Größen
3.3 Ermittlung der Bemessungsgrößen
3.3.1 Statistische Analyse
3.3.2 Abschätzung des Risikos
3.3.3 Festlegung der Bemessungsgrößen
3.3.3.1 Lasten aus Hydrodynamik
3.3.3.2 Lasten aus Wind
EAS
2 Entwurf, 18.04.2011
3.3.3.3 Lasten aus Eis
Horizontale und vertikale Eislasten auf Pfähle
In Sportboothäfen werden Pfähle in großer Zahl für die Konstruktion von
festen Steganlagen, zum Festmachen von Booten und als Element von
Leiteinrichtungen (Abweisepfähle) eingesetzt. Diese Pfähle werden
neben den Belastungen infolge Schiffsstoß oder Trossenzug auch durch
wind- oder schiffsinduzierte Wellen sowie durch Eis beansprucht. Da in
der Vergangenheit in Sportboothäfen im Küsten- und Binnenbereich
häufig an Pfahlbauwerken erhebliche Schäden infolge Eis aufgetreten
sind, werden in diesem Abschnitt Empfehlungen zur Ermittlung von
horizontalen und vertikalen Eislasten auf Pfähle gegeben. Mögliche
Versagensursachen für Pfähle infolge Eislasten sind beispielhaft in Abb.
1 dargestellt.
Abb. 1: Versagensursachen von Pfählen [30]
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
3
Eis tritt in fließenden Gewässern im Binnenbereich sowie an der
deutschen Küste in Form von Treibeis (Eisschollen) und bei anhaltenden
negativen Lufttemperaturen ggf. auch als geschlossene Eisdecke auf.
Pfähle in Sportboothäfen können durch
Eisstoß (treibende Eisschollen belasten das Bauwerk),
Eisdruck (geschlossene Eisdecke liegt am Bauwerk an und beginnt
durch Strömung oder Wind zu treiben bzw. nachschiebendes Eis
setzt die Eisdecke in Bewegung; thermischer Eisdruck),
Eisauflast (zusätzliches Gewicht durch Eisbildung am Pfahl oberhalb
des Wasserspiegels sowie festgefrorenes Eis, welches bei
sinkendem Wasserspiegel eine abwärts gerichtete vertikale Last
verursacht) und
Eishub (am Bauwerk festgefrorenes Eis, welches bei steigendem
Wasserspiegel eine aufwärts gerichtete vertikale Last verursacht)
belastet werden. Eislasten können als statische (thermischer Eisdruck,
vertikale Lasten) und dynamische Lasten (Eisstoß) auftreten.
Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit des Pfahls sowie der
Abstand zu benachbarten festen Strukturen beeinflussen die auf Pfähle
wirkenden Eislasten. Eislasten auf Pfähle sind weiterhin von der Dicke
der Eisschicht, die Festigkeitseigenschaften des Eises (u.a. abh. von
Salz- bzw. Gasgehalt, Eistemperatur, Art des Eises bzw. Verlauf der
Eisbildung) und der Belastungsgeschwindigkeit abhängig.
In Bezug auf die Vorgänge während der Eisbildung kann in stehende
bzw. langsam fließende Gewässer sowie in Fließgewässer unterschieden
werden. Bedingt durch die sogenannte „Winterumschichtung“ in Ersteren
sowie den turbulenten Wärme- und Massenaustausch in Letzteren
vollzieht sich die Eisbildung einschließlich der Eisdeckendickenaus-
bildung unterschiedlich [3]. Entscheidende Faktoren für die Eisbildung
und den Zuwachs der Eisdecke sind die Wassertemperatur an der
Oberfläche, die Lufttemperatur, der Temperaturgradient im Wasser,
Wind, Seegang und Niederschläge sowie die Dauer der negativen
Lufttemperaturen. Nachweislich spielt gerade bei stehenden Gewässern
auch die Wassertiefe und die Höhenlage des Wasserkörpers und die
damit verbundenen Lufttemperaturen (quantitativ und zeitbezogen) eine
entscheidende Rolle. Generell kann weiterhin festgestellt werden, dass
bei Standorten im Osten von Deutschland infolge der kühlen Festlandluft
EAS
4 Entwurf, 18.04.2011
die Eisentstehung wahrscheinlicher als in anderen Teilen Deutschlands
ist. In der Vergangenheit wurden Im Binnenbereich die größten Eisdicken
gemessen [3]. Grundsätzlich kann auf Fließgewässern in gewöhnlichen
Wintern von einer Eisdicke h = 0,30 m und auf stehenden Gewässern von
h = 0,50 m Eisdicken ausgegangen werden.
An der Ostseeküste Deutschlands wurden in geschützten Lagen
Eisdicken bis zu h = 0,65 m nachgewiesen. In den Empfehlungen des
ARBEITSAUSSCHUSSES UFEREINFASSUNGEN (EAU 2004) [1] wird für
Bemessungsaufgaben im norddeutschen Küstenraum eine zu berück-
sichtigende Eisdicke von h = 0,50 m angegeben. Wie Beobachtungen
zeigen, können an verschiedenen Küstenabschnitten der deutschen
Küste unterschiedliche Eisbelastungen auftreten (GERHARD, 1900 [9]).
Insbesondere in geschützten Lagen (Buchten, Bodden, Häfen) bilden
sich größeren Eisdicken und geschlossene Eisdecken häufiger aus.
Da Sportboothäfen oft in strömungs- und seegangsberuhigten Bereichen
angelegt werden bzw. wurden, sind hier ggf. höhere Bemessungseis-
dicken anzusetzen. Dies gilt sowohl für Küstenbereiche als auch für
Binnenseen und Flüsse. Es ist zu prüfen welche Eislasten (horizontal,
vertikal) in geschützten Bereichen auftreten können.
Die für die konstruktive Bemessung von Pfählen anzusetzende
Bemessungseisdicke ist daher im Einzelfall zu untersuchen bzw. zu
berechnen (vgl. [3]). Dabei sind historische Aufzeichnungen (z.B. Eis-
kalender von Bezugspegeln), aktuelle meteorologische Angaben sowie
langfristige Tendenzen zu berücksichtigen.
Die Druckfestigkeit σc des Eises kann nach EAU 2004 [1] für die Nordsee
mit 1500 kN/m², für die Ostsee mit 1800 kN/m² und für Süßwasser mit
2500 kN/m² angenommen werden. Die Biegezugfestigkeit σf von Eis kann
vereinfacht mit dem Ansatz σf =1/3 · σc berechnet werden.
Horizontale Eislasten
Horizontale Eislasten auf Pfähle entstehen durch Eisstoß oder Eisdruck.
Kleinere Eisschollen werden beim Auftreffen auf einen Pfahl gespalten
und treiben seitlich am Pfahl vorbei, wobei zusätzliche Reibungskräfte
auftreten.
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
5
Abb. 2: Versagensmechanismen infolge Eintrag von Horizontallasten durch Eis auf
schmale Bauwerke/Pfähle; v.l.n.r. Versagen durch Brechen, Beulen, Biegung [3]
(v – Fließgeschwindigkeit, h – Eisdicke, D - Pfahldurchmesser)
Bei größeren Eisschollen werden die Verformung und das Ausweichen
der Eisschicht zur Seite behindert. Aufgrund der Behinderung der Ver-
formung durchschneidet der Pfahl die Eisschicht.
Abb. 3: Bruchmechanismen an schmale Bauwerke/Pfähle, Spaltbruch in der Eisdecke
an einem lotrechten Pfahl, Schubbruch in der Eisdecke an einem lotrechten Pfahl
(v.l.n.r.) [3]
Der dabei auftretende Bruchvorgang, bei dem ein Versagen (Riss)
innerhalb der Eisschicht entgegen der Belastungsrichtung auftritt, wird im
Schrifttum als Spaltbruch (cleavage failure) bezeichnet. Besonders hohe
horizontale Eislasten entstehen durch Brucheisfelder, die in ihrem oberen
Bereich bereits wieder zusammengefroren sind, und Presseisrücken.
Diese Belastungen können in durch feste Wellenschutzbauwerke
geschützte Sportboothäfen vernachlässigt werden.
Große horizontale Eislasten treten auf, wenn ein Bauwerk in eine
geschlossene Eisschicht eingefroren ist und sich diese Eisschicht
horizontal bewegt. Dies kann beispielsweise durch Wind und Strömung
oder durch den Aufprall von schwimmenden Eisfeldern auf die fixierte
Eisschicht bewirkt werden. Eine solche, aus einem Eisstoß resultierende
Einwirkung wird bezüglich der Eischollenbewegung bzw. des zeitlichen
EAS
6 Entwurf, 18.04.2011
Ablaufs und der daraus resultierenden elastisch-plastischen Deformation
als ein schnell auftretendes Ereignis bewertet. Der Eisdruck, speziell der
thermische Eisdruck, kann dagegen als ein sich eher langsam vollziehen-
der Prozess eingeschätzt werden. Thermischer Eisdruck ist eine Form
der statischen Belastung für Uferbereiche und der im Wasserkörper
befindlichen Bauteile. Er wird durch schnelle Temperaturänderungen im
Eis bei zeitgleicher Dehnungsbehinderung hervorgerufen. Die
zeitabhängige Temperaturänderung im Nahbereich einer Eisdecke ist
abhängig von der Witterung mit den Charakteristika Lufttemperatur,
Windgeschwindigkeit, Sonnenstrahlung, Schneedeckenausbildung etc.
Der Abbau von Spannungen kann sich in Form von durchgehenden
Rissen in der Eisdecke oder durch Biegerisse auf der Eisoberseite
vollziehen. Durchgehende Risse sind der geringen Zugfestigkeit von Eis
bzw. dem spröden Verhalten bei kurzzeitigen Belastungen geschuldet.
Da die Eisdecke elastisch auf der Wasseroberfläche lagert, wölbt sie sich
bei einem vorhandenen Temperaturgradienten infolge des Zusammen-
ziehens an der Oberseite. Hier wirkt sich eine kurzzeitige Temperatur-
verringerung direkt aus, wohingegen die Reaktion in der Eisdecke durch
eine zeitliche Verzögerung gekennzeichnet ist.
Durch das Eigengewicht der Eisdecke entstehen bei Entlastung
Biegerisse. Infolge der plötzlichen Ausbildung von Rissen entspannt sich
die Eisdecke. Dies ist oftmals mit lauten Geräuschen verbunden,
wodurch es auch zu einer Wellenausbildung kommen kann, welche eine
weitere Form der Belastung für Ufer oder Bauwerke darstellt. Sowohl
trockene als auch mit Wasser und/oder Schnee gefüllte Risse treten in
der Natur auf. Füllen sich Risse, können diese auch wieder zufrieren und
bei Erwärmung des Eises anschließend Druckspannungen übertragen.
Die Eintrittswahrscheinlichkeit für den maximalen thermischen Eisdruck
ist im frühen Winter nach einer ersten längeren Frostperiode, die zur
Eisdeckenbildung führte, und einer darauf folgenden wärmeren Periode
mit Sonneneinstrahlung auf die unbedeckte Eisfläche am größten. Das
Eis ist in diesem Fall noch jung und nicht vorbelastet. Eine geringe
Schneedecke vermindert, hohe Sonneneinstrahlung vergrößert den
möglichen Eisdruck. Die Prognose des thermischen Eisdruckes für die
Dimensionierung neuer Bauwerke ist ohne Vergleichswerte aus
geografisch-klimatisch ähnlichen Gebieten äußerst schwierig. Alle
Berechnungsmethoden (vgl. [3]) benötigen eine Vielzahl von
Eingangsparametern und sinnvolle Annahmen für die Stoffkenngrößen
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
7
des Eises. Da die Unsicherheiten in den Annahmen groß sind, sollte die
Berechnung mit den jeweils konservativsten Ausgangsdaten geführt
werden.
Sofern keine ergänzenden Daten oder Statistiken zur Verfügung stehen,
wird auch in der EAU (2004) für Gewässer im Binnenbereich bei zu
erwartenden Eisdicken von h = 0,30 m, mäßigen Temperaturen bzw. den
stündlichen zu erwartenden Temperaturveränderungen ein maximaler
Eisdruck von 200 kN/m² für die Bemessung von Bauwerken empfohlen.
Für den deutschen Küstenbereich wird in diesen Empfehlungen davon
ausgegangen, dass 400 kN/m² nicht überschritten werden. Die DIN
19704-1 (1998) empfiehlt, als Ansatz für Binnengebiete bei Eisdicken von
h = 0,30 m bis h = 0,50 m eine Flächenlast von 150 kN/m² zu
berücksichtigen. Für Küstenbereichen gilt die Empfehlung, bei Eisdicken
von bis zu h = 0,80m eine Flächenlast von 250 kN/m² als
Bemessungsgröße zu verwenden. Letztere Empfehlungen können durch
Untersuchungen in [3] bestätigt werden.
Horizontale Eislasten auf Bauwerke können wesentlich abgemindert
werden, wenn das Eis nicht infolge Überschreitung der Druckfestigkeit σc
des Eises sondern infolge Überschreitung der Biegezugfestigkeit σf des
Eises versagt. Dieser Fall tritt ein, wenn die Belastungsfläche des
Bauwerks geneigt ist (z.B. geneigte Pfähle; vgl. auch Abb. 2). Der Einsatz
geneigter Pfähle in Sportboothäfen ist unüblich. Deshalb wird im Rahmen
dieser Empfehlungen von senkrechten Pfählen ausgegangen.
Für die Ermittlung horizontaler Eislasten auf senkrechte zylindrische
Bauwerke stehen verschiedene Berechnungsansätze zur Verfügung. In
den meisten Berechnungsansätzen wird davon ausgegangen, dass die
Eisdruckfestigkeit σc einen wesentlichen Einfluss auf die Belastung hat.
Der Einfluss von Pfahldurchmesser D und Eisdicke h wird auf
unterschiedliche Weise berücksichtigt. Zur Berechnung von Eislasten, die
durch rechnerisch unendlich große Eisschichten am Bauwerk
hervorgerufen werden, gehen einige Berechnungsansätze (z.B. nach
Marcellus & Morrison [18]) davon aus, dass das Eis im Kontaktbereich
Bauwerk-Eis örtlich zermalmt bzw. zerquetscht wird. Andere
Berechnungsansätze (z.B. nach Hirayama et al. [12]) setzen den bereits
erwähnten Spaltbruch voraus.
Kleinere Eisschollen bewirken kleinere Eislasten, da die Bewegung der
Eisschollen vom Bauwerk aufgrund der vergleichsweise geringen
EAS
8 Entwurf, 18.04.2011
kinetischen Energie gestoppt werden kann bzw. da sie zerbrechen
können. Die räumliche Ausdehnung (Größe) der Eisschicht wird im
Berechnungsansatz nach Korzhavin [16] berücksichtigt.
Wie auch Köster [17] und Harms [11] zeigen, weichen die Ergebnisse der
verschiedenen Berechnungsansätze bei Anwendung auf den gleichen
Belastungsfall und Verwendung der gleichen Eisdruckfestigkeit σc
erheblich voneinander ab.
Nach Untersuchungen der Hamburgischen Schiffbau Versuchsanstalt
(HSVA), des Germanischen Lloyd (GL) und der Technischen Universität
Hamburg-Harburg (TUHH) [20], in denen Messungen der horizontalen
Eisbelastung auf den Leuchtturm Norströmsgrund (Ø 7,2 m) im
Bottnischen Meerbusen und auf eine Plattform in der Bohai Bucht
(China), die auf 4 zylindrischen Stützen (Ø ca. 1,7 m) steht, ausgewertet
wurden, können die in der Natur auftretenden Eislasten mit dem
Berechnungsansatz nach Hirayama et al. [12] abgeschätzt werden.
Dieser Berechnungsansatz stimmt mit den Berechnungsergebnissen
russischer und japanischer Wissenschaftler überein ([2], [3]) und wird in
den EAU 2004 und EAK 2002 zur Anwendung empfohlen. Aus diesem
Grund kann er auch für die Bemessung von Eislasten auf Pfähle in
Sportboothäfen Anwendung finden.
Hierin sind:
FH = Horizontale Eislast [kN]
cE = Kontaktbeiwert bei eingefrorenem Bauwerk - 1,13 [-]
σc = Druckfestigkeit des Eises [kN/m²]
D = Pfahldurchmesser [m]
h = Bemessungseisdicke [m]
Für verschiedene Bemessungseisdicken ergeben sich in Abhängigkeit
vom Pfahldurchmesser D die in Tab. 1 beispielhaft dargestellten
horizontalen Eislasten. Es wurde von einer Eisdruckfestigkeit von σc =
1800 kN/m² (Ostsee) ausgegangen. Entsprechend der Wasser- bzw.
Eiseigenschaften ist die Berechnung mit der jeweils zutreffenden
Druckfestigkeit (vgl. oben) durchzuführen.
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
9
Tab. 1: Horizontale Eislasten FH auf Pfähle
Wie die in Tab. 1 dargestellten Werte zeigen, können die horizontalen
Eislasten bereits bei vergleichsweise geringen Bemessungseisdicken
erheblich sein. Die aus den horizontalen Eislasten resultierenden
Biegemomente am Pfahl sind bereits bei geringen Pfahllängen (bzw.
Wassertiefen) sehr hoch. Eine Bemessung von Pfählen innerhalb
geschützter Sportboothäfen und von exponierten Pfählen (z.B. Abweise-
pfähle in Hafeneinfahrten) gegen horizontale Eislasten sollte daher aus
wirtschaftlichen Gründen nicht erfolgen. Im Schadensfall sind diese
Pfähle zu ersetzen.
Vertikale Eislasten
Vertikale Eiskräfte entstehen durch Festfrieren einer Eisdecke am Pfahl
und nachfolgender Änderung des Wasserstandes. Bei steigenden
Wasserständen entstehen aufwärts gerichtete Kräfte, bei sinkenden
Wasserständen abwärts gerichtete Kräfte. Abwärts gerichtete vertikale
Eislasten können auch durch die Gewichtskraft von am Pfahl
angefrorenem Eis (Auflast) verursacht werden.
Ein festes Anfrieren der Eisdecke an den Pfahl ist an der deutschen
Ostseeküste nach Plagemann [24] nur bei sehr ruhigen Wetter-
bedingungen ohne Wasserspiegelschwankungen zu erwarten. Diese
Voraussetzung ist jedoch in stehenden oder langsam fließenden
Gewässer oder innerhalb von Sportboothäfen oft gegeben. In Küsten-
oder windexponierten Bereichen im Binnenland können an Pfahlbau-
werken auch Anfrierungen entstehen, welche entstehen, indem der Pfahl
durch Wellen oder Sprühwasser benetzt wird.
Auf den Pfahl übertragbare vertikale Eislasten setzen eine kraftschlüssige
Verbindung (Adhäsion) zwischen Pfahloberfläche und Eis voraus. Wie
Laboruntersuchungen von Frederking und Karri [8], [7] zeigen, sind die
Adhäsionskräfte zwischen Pfahloberfläche und Eis stark vom Pfahl-
Bemessungseisdicke [m] 0,25 0,30 0,40 0,5
Pfahl - Ø 0,20 m 198 242 332 424
Pfahl - Ø 0,25 m 221 270 371 474
Pfahl – Ø 0,30 m 242 296 407 520
Pfahl – Ø 0,35 m 262 320 439 561
Pfahl – Ø 0,40 m 280 342 470 600
Horizontale Eislast [kN]
EAS
10 Entwurf, 18.04.2011
material abhängig. Die größten Adhäsionskräfte wurden an Holz-, Beton-
und Stahlpfählen gemessen, da bei diesen Materialien das Wasser z.T. in
die Oberfläche des Pfahls eindringen kann und dadurch nach dem
Gefrieren ein guter Verbund zwischen Pfahloberfläche und Eis hergestellt
wird. An Kunststoffpfählen bzw. Pfählen mit versiegelter Oberfläche
(Beschichtung) wurden vergleichsweise geringe Adhäsionskräfte
ermittelt.
Im Bereich der Kontaktfläche zwischen Pfahl und Eis bildet sich in der
Natur bei geringen Lufttemperaturen ein Eiskragen, d.h. die Eisdicke ist
direkt am Pfahl größer als die durchschnittliche Dicke der umgebenden
Eisschicht. Die Bildung eines Eiskragens am Pfahl entsteht durch die
höhere Wärmeleitfähigkeit des Pfahlmaterials gegenüber der Wärmeleit-
fähigkeit der Eisschicht. Der Eiskragen kann durch gefrierendes
Spritzwasser im Stadium der Eisbildung noch verstärkt werden. Nach Edil
et al. [5] hat der Eiskragen typischerweise eine Ausdehnung von 0,15 m
von der Pfahloberfläche nach außen. Der effektive Pfahldurchmesser
erhöht sich dadurch um 0,30 m. Das Versagen der Verbindung Pfahl-Eis
tritt in diesem Fall, wie in Abb. 4 dargestellt, in einiger Entfernung von der
Pfahloberfläche auf.
Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Lufttemperatur schnell steigt oder
starke Sonneneinstrahlung vorherrscht. Der Pfahl erwärmt sich infolge
der Wärmeleitfähigkeit und des Verhältnisses von Rück- und Einstrahlung
(Albedo) schneller als das Eis. Infolge dessen beginnt das Eis an der
Kontaktfläche zwischen Pfahl und Eis zu schmelzen bis kein Kontakt
zwischen Pfahl und Eis mehr besteht. Bei steigenden Wasserständen
können in diesem Fall nur geringe bzw. keine vertikale Kräfte auf den
Pfahl übertragen werden. Dieser Effekt ist bei kurzzeitigen Wärme-
einbrüchen z.B. an Holzpfahlbuhnen im Küstenbereich gut zu
beobachten.
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
11
Abb. 4: Eiskragen und Bereich des Versagens der Eisdecke [4]
Bei sinkendem Wasserstand wird der Pfahl durch das Gewicht der am
Pfahl haftenden Eisdecke belastet. Die Eisdecke verformt sich im Bereich
des Pfahls. Die Eislast ist von der Dicke der Eisschicht und der
Wasserspiegeländerung abhängig. Sie wird durch die Biegezugfestigkeit
des Eises begrenzt.
Den am Pfahl angreifenden, abwärts gerichteten Eiskräften wirken der
Auftrieb des Pfahls, die Mantelreibung des Pfahls im Boden und der
Spitzendruck des Pfahls entgegen. Bei Überschreitung der haltenden
vertikalen Kräfte würde der Pfahl in den Boden hineingedrückt (vgl.
Abb. 1) bzw. der Pfahl würde brechen (Ausknicken). Infolge der
vergleichsweise hohen haltenden Kräfte aus Mantelreibung und
insbesondere aus Spitzendruck ist ein Versagen des Systems „Pfahl-
Boden“ nicht zu erwarten. Im ausgewerteten Schrifttum sind keine
Hinweise auf Schäden an Pfählen in Sportboothäfen durch abwärts
gerichtete, vertikale Eislasten vorhanden. Dieser Lastfall wird daher nicht
weiter betrachtet.
Steigt der Wasserspiegel, bewegt sich die darauf schwimmende
Eisdecke aufwärts. Sie ist am Pfahl festgefroren, verformt sich und
überträgt über die Kontaktfläche Pfahl-Eis aufwärts gerichtete vertikale
Kräfte auf den Pfahl. Aufwärts gerichtete Kräfte müssen allein von der
Gewichtskraft des Pfahls und der Mantelreibung des Pfahls im Boden
aufgenommen werden. Bei Überschreitung der haltenden Kräfte infolge
ungenügender Einbindelänge wird der Pfahl aus dem Boden gezogen
(vgl. Abb. 1). Dieser Vorgang kann sich im Verlaufe eines Eiswinters
mehrfach wiederholen. Theoretisch ist bei Überschreitung der Zugfestig-
EAS
12 Entwurf, 18.04.2011
keit des Pfahls auch ein Abreißen des Pfahlkopfes möglich (vgl. Abb. 1).
Sind Pfahldurchmesser und Einbindelänge des Pfahls im Boden
ausreichend dimensioniert, versagt im Normalfall die Eisdecke. In diesem
Fall wäre das Ziel der konstruktiven Bemessung erreicht.
Im Schrifttum sind viele Hinweise zu Schäden an Pfählen infolge aufwärts
gerichteter vertikaler Eislasten zu finden. Pfahlhebungen durch Eis
wurden z.B. sondern von Tryde [26] an Holzpfählen (Festmachepfählen)
in 93 Sportboothäfen Dänemarks dokumentiert. Während der Winter-
saison 1978/79 wurden 13 % der Festmachepfähle durch Eis aus dem
Boden gezogen. Die meisten Schäden traten in sandigem Baugrund auf.
Auch in den USA sind viele Schäden an Holzpfählen in Sportboothäfen
durch vertikale Eislasten dokumentiert [28]. Dieser Lastfall muss daher
bei der konstruktiven Bemessung von Holzpfahlbuhnen berücksichtigt
werden.
Zur Berechnung aufwärts gerichteter, vertikaler Eislasten auf senkrechte
Bauwerke sind im Schrifttum verschiedene theoretische und empirische
Berechnungsansätze vorhanden. Den verschiedenen Berechnungs-
ansätzen liegen z.T. unterschiedliche physikalische Grundannahmen
zugrunde.
Für einen Teil der Berechnungsansätze ist für den Fall steigender
Wasserstände die Auftriebskraft einer am Pfahl angefrorenen Eisdecke
maßgeblich. Dazu gehören u.a. die Bemessungsansätze nach EAU 2004
[1], Hager [10], Engelke & Jürß [6]. Unterschiede zwischen diesen
Ansätzen bestehen in der Ermittlung der für die Berechnung der
Auftriebskraft wirksamen Eisfläche. In den Empfehlungen des
Arbeitsausschuss Ufereinfassungen (EAU 2004) wird beispielsweise von
einer wirksamen Eisfläche mit einer Breite bzw. einem Radius von 5 m
ausgegangen.
Andere Berechnungsansätze (z.B. Wyman [32], Nevel [23] [22] [21], Kerr
[14] [13], Kerr & Palmer [15] und Christensen 1986 [4]) gehen davon aus,
dass aufwärts gerichtete vertikale Eislasten durch die Verformung der
Eisdecke entstehen und durch die Biegezugfestigkeit σf des Eises
begrenzt sind. An der Unterseite der verformten Eisdecke kann ein
hydrostatischer Druck entstehen, sofern keine Risse im Eis auftreten. In
den aktuellen russischen Normen [19] sowie im Ansatz nach Carstensen
[3] ist die Biegezugfestigkeit σf des Eises neben der Eisdicke und dem
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
13
Pfahldurchmesser maßgebend für die Berechnung von vertikalen
Eislasten.
Neben den theoretischen Bemessungsansätzen sind im Schrifttum auch
einige empirische Berechnungsansätze zu finden. Die Grundlagen der
Ansätze sind nicht in allen Fällen dokumentiert. Beispielhaft sollen hier
der in der ehemaligen DDR verwendete Berechnungsansatz nach
Kuznezow [29] und der im Engineering Manual 1110-2-1612 angegebene
Berechnungsansatz nach Zabilanski [27] (Auswertung von Laborver-
suchen) genannt werden.
Die nach den vorhandenen Berechnungsansätzen ermittelten Kräfte für
aufwärts gerichtete vertikale Eislasten zeigen insbesondere bei größeren
Eisdicken signifikante Unterschiede (vgl. Abb. 5).
Abb. 5: Vertikale Eislast infolge ansteigendem Wasserstand
an einem runden Pfahl (σc = 1,8 MN/m², D = 0,25 m)
Neuere Laboruntersuchungen (Weichbrodt et al. [30], [31]) belegen, dass
der Berechnungsansatz nach russischen Normen physikalisch richtig und
für die Ermittlung vertikaler Lasten auf Pfähle geeignet ist. Die vertikale
Eislast FV kann entsprechend der russischen Norm (Weichbrodt et al.
[30], [31]) wie folgt berechnet werden:
EAS
14 Entwurf, 18.04.2011
Ein weiterer von Carstensen [3] entwickelter Ansatz basiert u.a. auf
diesen Erkenntnissen und bezieht eine Streifen- bzw. Haftbreite lHB des
Eises um den Pfahl bei einer geschlossenen Eisdecke in Abhängigkeit
von der Eisdicke h und der Biegezugfestigkeit σf (σf =1/3 σc) mit ein. Die
Bestimmung von lHB sowie der vertikalen Eislast FV kann danach mit den
folgenden Formeln vorgenommen werden.
Hierin sind:
FV = Vertikale Eislast [kN]
ρW = Dichte von Wasser [kg/m³] = f (Eistemperatur, Salinität)
(Süßwasser ρW = 1000 kg/m³, Salzwasser ρW = 1005 bis
1028 kg/m³)
ρi = Dichte von Eis [kg/m³] = f (Eistemperatur, Kristallstruktur,
Salinität, Alter)
(Süßwassereis ρi = 916,8 bis 920,6 kg/m³,
Salzwassereis ρW = 860 bis 930 kg/m³)
σf = Biegezugfestigkeit des Eises [kN/m²]
g = Fallbeschleunigung [m/s²]
D = Pfahldurchmesser [m]
h = Bemessungseisdicke [m]
Für verschiedene Bemessungseisdicken ergeben sich abhängig vom
Pfahldurchmesser D die in Tab. 2 beispielhaft dargestellten vertikalen
Eislasten. Für die Ermittlung der Lasten wurde eine Eisdruckfestigkeit von
σc = 1,8 MN/m² (Ostsee) angenommen und der russische Berechnungs-
ansatz verwendet.
Grundlagen für Entwurf und Bemessung
15
Tab. 2: Vertikale Eislasten FV auf Pfähle
Im Rahmen dieser Empfehlungen wird vorgeschlagen, für die Ermittlung
von aufwärts gerichteten vertikalen Eislasten auf Pfähle in Sportboot-
häfen den Berechnungsansatz nach russischen Normen [19] zu ver-
wenden. Sofern die Dichten von Wasser und Eis in die Berechnung der
Vertikalkraft mit einbezogen werden sollen, kann der Ansatz nach
Carstensen [3] verwendet werden.
Die mit dem empfohlenen Ansatz ermittelten vertikalen Eislasten gelten
für einzeln stehende Pfähle. Für Pfähle in Sportboothäfen würde sich
eine Überdimensionierung ergeben, wenn der Abstand von Pfählen
untereinander bzw. der Abstand von Pfählen zu festen Strukturen
geringer ist als die Ausdehnung der Verformung der Eisschicht bei ver-
tikaler Belastung (charakteristische Länge der Eisschicht ℓc).
Nach Edil et al. [5] kann die vertikale Eislast auf Gruppenpfähle durch
Multiplikation eines sog. „geometrischen Faktor“ aus der vertikalen Eislast
für Einzelpfähle berechnet werden. Der geometrische Faktor fg hängt vom
Abstand der Pfähle untereinander bzw. zur festen Struktur und von der
charakteristischen Länge der Eisschicht ℓc ab, die nach Sodhi et al. [25]
näherungsweise mit der 17-fachen Eisdicke angenommen werden kann.
Der geometrische Faktor fg wird nach Edil et al. [5] aus dem Verhältnis
zwischen der am Pfahlstandort eventuell durch die Nachbarpfähle bzw.
durch benachbarte Strukturen begrenzten Verformungsfläche und der
möglichen Verformungsfläche bei Annahme einer unbegrenzten Eis-
schicht ermittelt. Die unbegrenzte Verformungsfläche wird als Kreisfläche
um den Pfahl mit dem Radius der charakteristischen Länge der Eis-
schicht ℓc bestimmt. Die begrenzte Verformungsfläche wird als Mittelwert
von vier Kreisflächen bestimmt, deren Radius r jeweils die Hälfte der
Entfernung zur nächsten am Boden fixierten Struktur beträgt. Die Ent-
fernungen werden in vier Richtungen, jeweils um 90° versetzt, ent-
Bemessungseisdicke [m] 0,25 0,3 0,4 0,5
Pfahl - Ø 0,20 m 32,4 45,4 77,8 118,8
Pfahl - Ø 0,25 m 33,8 47,0 79,9 121,5
Pfahl – Ø 0,30 m 35,1 48,6 82,1 124,2
Pfahl – Ø 0,35 m 36,5 50,2 84,2 126,9
Pfahl – Ø 0,40 m 37,8 51,8 86,4 129,6
Vertikale Eislast [kN]
EAS
16 Entwurf, 18.04.2011
sprechend der Ausrichtung des Bauwerks bestimmt. Die Radien r dürfen
nicht größer als die charakteristische Länge der Eisschicht ℓc sein. Die
Gleichung für den geometrischen Faktor fg lautet:
Hierin sind:
fg = geometrischer Faktor [-]
r1 bis 4 = ½ Entfernung zu nächsten am Boden fixierten Struktur
(im Winkel von je 90° gemessen) [m]
ℓc = charakteristische Länge der Eisschicht (ca. 17∙h) [m]
Schrifttum
[1] Arbeitsausschuss "Ufereinfassungen" der HTG und der DGGT
(2004): Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Uferein-
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3.3.3.4 Verkehrslasten
3.3.3.5 Schiffsstoß und Trossenzug
3.4 Bemessungsansätze
3.4.1 Methodik
3.4.2 Wellenbrecher und Molenbauwerke
3.4.2.1 Geschüttete Bauweisen
3.4.2.2 Senkrechte Bauweisen
3.4.2.3 Gemischte Konstruktionen
3.4.2.4 Schwimmende Bauwerke
3.4.3 Deckwerke und Uferbefestigungen
3.4.4 Anleger und Vertäueinrichtungen
3.4.4.1 Verankerungen
3.4.4.2 Pfähle
3.4.5 Sonderkonstruktionen und weitere Bauwerke