Holfelder, Tilman

Kayser, Jan

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Conference Paper, Published VersionHolfelder, Tilman; Kayser, JanSoftware zur Bemessung von DeckwerkenVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102393Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Holfelder, Tilman; Kayser, Jan (2007): Software zur Bemessung von Deckwerken. In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Praktische Probleme der Geotechnik imVerkehrswasserbau. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 75-80.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding. Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 75   Software zur Bemessung von Deckwerken  Dr.-Ing. Tilman Holfelder, Dr.-Ing. Jan Kayser Bundesanstalt für Wasserbau, Referat Erdbau und Uferschutz   1 Einführung Das Netz der Binnenwasserstraßen der Wasser und Schifffahrtsverwaltung (WSV) hat eine Gesamtlänge von ca. 7.300 km, davon sind 1.700 km Kanäle, 2.600 km Flüsse und 3.000 km staugeregelte Flüsse. In weiten Bereichen der Binnenwasserstraßen sind die Ufer (incl. der Böschungen) und zum Teil auch die Sohlen gegen Wellen und Strömungen zu sichern. Diese Sicherungen machen ca. 20 % des Anlagever-mögens der WSV aus, so dass deren wirtschaftlicher Bemessung eine besondere Bedeutung zukommt. Für eine sichere und wirtschaftliche Bemessung müssen sowohl die hydraulischen Einwirkungen auf die Ufer- und Sohlensicherungen als auch die Widerstände derselben bekannt sein.  Ein großer Teil der Einwirkungen auf das Gewässerbett (Ufer, Böschung, Sohle) entsteht durch die Schifffahrt. Zu unterscheiden sind die Einwirkungen infolge der Wasserverdrängung bei Fahrt des Schiffs durch einen begrenzten Wasserquerschnitt (Rückströmung, Heckquerwelle, Absunk) sowie die direkte schiffsinduzierte Belastung durch Propulsion. Weitere Einwirkungen entstehen durch Ankerwurf oder Anfahrungen bei Havarien.  Grundsätzlich besteht ein Deckwerk aus einer Deckschicht und darunter liegender Filterschicht (minerali-scher oder geotextiler Filter). Bei gedichteten Kanälen liegt i. d .R. unter der Deckschicht und einer geo-textilen Trennlage noch eine Dichtung. Bei Bedarf kann die Deckschicht aus losen Wasserbausteinen zusätzlich mit einem Teilverguss aus hydraulisch gebundenem Vergussstoff befestigt werden.  Der Widerstand eines Deckwerks gegen die Einwirkungen ergibt sich zum einen aus der Stabilität der Deckschicht bei Strömungen und Wellen (hydraulische Stabilität) und zum anderen aus dem Flächenge-wicht des gesamten Deckwerks (geotechnische Stabilität).  Detailliert sind für Böschungs- und Sohlensicherungen die Einwirkungen und Widerstände in den „Grund-lagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnenwasserstraßen“ (GBB) /BAW 2004/ beschrieben.  2 Regelbauweisen für Deckwerke Für genau definierte Randbedingungen gibt es Regelbauweisen für Deckwerke an den Binnenwasser-straßen, mit denen eine wirtschaftliche und sichere Dimensionierung der Deckwerke möglich ist. Wesent-liche Randbedingungen zu deren Anwendung sind:  1. Regelprofile nach den „Richtlinien für Regelquerschnitte von Schifffahrtskanälen“ / BMVWS 1994/ 2. Querschnittsverhältnis (Kanalprofil/Schiffsprofil) n ≥ 5,2 3. Schifffahrtskanäle ohne Grundströmung.  Die Regelbauweisen sind in dem „Merkblatt Anwendung von Regelbauweisen für Böschungs- und Soh-lensicherungen an Wasserstraßen (MAR)“ Ausgabe 1993 festgelegt /BAW 1993/.  Regeldicken für Deck-schichten loser Wasserbausteine sind 60 cm, für teilvergossene Deckschichten 40 cm, vgl. Bild 1.    Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 76    Bild 1:  Übliche Deckschichten für Deckwerke an Binnenwasserstraßen  Derzeit wird das MAR überarbeitet. Ergänzend zur Fassung MAR 1993 /BAW 1993/ werden folgende Parameter berücksichtigt:  1. Verschiedene Schiffstypen (Europaschiff, Großmotorschiff, Schubverband, übergroßes Großmo-torgüterschiff) 2. Schiffsgeschwindigkeit vs = 97 % vkrit und Position des Schiffes bei Normalfahrt 1 m über dem Böschungsfuß 4. Verschiedene Böden (Kiese, Sande, schluffige und stark schluffige Böden, kohäsive Böden).  Bei der Planung eines Deckwerkes, bei dem die Randbedingungen von den oben genannten Vorausset-zungen abweichen, ist das MAR nicht anwendbar, da dies zu einer unsicheren oder einer unwirtschaftli-chen Dimensionierung des Deckwerks führen könnte. In diesem Fall ist eine Bemessung des Deckwerks entsprechend den „Grundlagen für die Bemessung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnen-wasserstraßen“ /BAW 2004/ erforderlich.  3 Bemessung von Deckwerken 3.1 Grundsätzliches Die Bemessung von Deckwerken an Binnenwasserstraßen nach dem GBB /BAW 2004/ lässt sich in drei Teile gliedern.  1. Berechnung der hydraulischen Einwirkungen  Hier werden die Wellen und Strömungen berechnet, die bei der Wasserverdrängung eines durch einen begrenzten Wasserquerschnitt fahrenden Schiffskörper erzeugt werden. Zudem werden die Strömungen berechnet, die durch die Propulsion entstehen.   2. Hydraulische Bemessung  Aus den Einwirkungen Welle und Strömung wird die erforderliche Größe des Einzelsteins berechnet.    Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 77   3. Geotechnische Bemessung  Auf der Grundlage der hydraulisch berechneten Absunkwelle (Absunk) wird die erforderliche Dicke des Deckwerks berechnet. Hierbei finden insbesondere Porenwasserüberdrücke Berücksichtigung, die bei schnellem Wasserspiegelabsunk im Boden entstehen /Holfelder, Kayser 2005/.   Das GBB ist für eine Vielzahl unterschiedlicher Randbedingungen (Geometrien, Schiffe, Böden, …) an-wendbar. Daher ist im Rechenablauf eine sehr hohe Anzahl an Verzweigungen möglich und einige itera-tive Berechnungen sind durchzuführen. Dies sprengt den Rahmen für Handrechungen bei weitem  und auch eine Programmierung z. B. in Excel ist aufgrund der Komplexität immer nur für eine eingeschränkte Variationsbreite möglich. Um das GBB in der ganzen Variationsbreite für die Praxis handhabbar zu ma-chen wurde daher beschlossen, das Regelwerk GBB in eine Software umzusetzen. Hierfür wurde ein IT-Verfahren der WSV initiiert. Mit der Erstellung des Programms wurde eine Arbeitsgruppe unter Beteili-gung der WSV, der Fachstelle für Informationstechnologie der BAW sowie der Fachabteilung Wasserbau und Geotechnik der BAW beauftragt. Die eigentlichen Programmierleistungen führte nach einem Aus-schreibungsverfahren ein qualifiziertes Ingenieurbüro durch.  3.2 Software GBBSoft 3.2.1 Allgemeines Das Grundelement der Software ist der sog. Bemessungsfall. Der Bemessungsfall entspricht einem Querprofil der Wasserstraße. Er beinhaltet neben dem Profilquerschnitt einen Boden, eine Deckwerks-konstruktion und Fußstützung und eine Sorte Wasserbausteine. Wie in der Natur auch können durch diesen Querschnitt beliebig viele Schiffe mit beliebig vielen Geschwindigkeiten auf beliebig vielen Positio-nen verkehren. Jeder Bemessungsfall wird für sich in einer eigenen Datei, sowohl mit den Eingabewerten als auch – wenn vorhanden – mit den Ergebnissen gespeichert.  Hinsichtlich der möglichen Variationen der Vielzahl an Parametern sind in GBBSoft nur insofern Grenzen gesetzt, als dass physikalisch falsche oder unrealistische  Fälle so weit wie möglich abgefangen werden. Ansonsten kann die ganze Bandbreite möglicher Parameter und Konstruktionsdetails in die Berechnun-gen eingeführt werden.  3.2.2 Handhabung der Software Derzeit liegt eine erste Vollversion der Software GBBSoft vor, die sich in der Pilotierungsphase befindet.. Sie ist in die drei Abschnitte  1. Eingabe, 2. Berechnung und 3. Ausgabe  gegliedert. Diese Struktur ist in Bild 2 dargestellt    Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 78   Ausgabe: Deckwerksdicke, erf. SteingrößeTabellen, Diagramme f(vs)Hydraulisch bemessen:SteingrößeBerechnungenGeotechnisch bemessen:DeckwerksdickePropulsion:Einwirkung, BemessenEingabe:Ca. 70 bis 80 ParameterStammdaten:System - EigeneHydraulisch: Einwirkungen Bild 2: Struktur der Software GBBSoft für einen Bemessungsfall  Eingabe Für einen Bemessungsfall ist die Eingabe von 70 bis 80 Parametern erforderlich. Zur einfacheren Zu-sammenstellung der Bemessungsfälle wurden im Programm sogenannte Stammdaten vorgesehen. Hier können immer wiederkehrende Objekte, wie z.B. Schiffe, Standardböden, die üblichen Steinklassen und die Regelbauweisen eingegeben werden, und bei Bedarf in den Bemessungsfall geladen werden. GBBSoft enthält einerseits von der BAW zusammengestellte unveränderliche Systemstammdaten, die Standardvorgaben für häufig verwendete Objekte mit all ihren Parametern enthalten, andererseits kann sich der Nutzer auch eigene Stammdaten zusammenstellen. Damit kann er die für seine jeweilige Was-serstraße relevanten Randbedingungen (z. B. typische Böden oder spezielle Schiffstypen) in einer Art Bibliothek verankern und ohne viel Aufwand in die verschiedenen Bemessungsfälle einlesen.   Berechnung Die Berechnung ist viergeteilt. Der erste Schritt besteht in der hydraulischen Berechnung der Einwirkung. Darauf basiert die hydraulische Bemessung, d.h. die Ermittlung der erforderlichen Steingröße. Auf der Grundlage dieser berechneten hydraulischen Einwirkungen kann auch die geotechnische Bemessung (Ermittlung der Deckwerksdicke) erfolgen. Es gibt aber auch die Möglichkeit die geotechnische Bemes-sung unabhängig von den berechneten Einwirkungen durchzuführen, z.B. wenn die hydraulischen Ein-wirkungen  (Wellen- und Absunkwerte) aus Naturmessungen bekannt sind.  Als eigenständiger Teil wurde die Propulsion programmiert. Hier können neben den im GBB bereits ver-ankerten Ansätzen ergänzend auf Grundlage eines neuen Verfahrens die Einwirkungen aus Schrauben-strahlbelastungen berechnet und die entsprechende Steinbemessung durchgeführt werden. Zusätzlich wird eine theoretische Kolktiefe infolge Propulsion ermittelt.   Ausgabe Wesentliche Ergebnisse der Ausgabe sind die erforderliche Deckwerksdicke und Steingröße, wobei die anderen Parameter der Steine (Dichte, Steinform, Kornverteilung) vor der Berechnung festzulegen sind. Für die Ausgabe sind verschiedene Formate wählbar. Sie kann zum einen in Tabellen, in Form von Ein-zelwerten oder als zusammengefasste Tabelle angefordert werden. Für eine bessere Übersicht sind auch  Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 79   Darstellungen in Diagrammen möglich. Normalerweise werden hierbei die entsprechenden Größen (hyd-raulische Einwirkungen wie Wellen und Strömungen, Deckwerksdicke, erforderliche Steingröße) über verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten vs variiert. Für die weitere Verarbeitung der Daten ist auch ein Export mittels CSV-Dateien möglich.   4 Bewertung der Rechenergebnisse Die Software ist ein Hilfsmittel zur Dimensionierung von Deckwerken. Für die letztendliche Entscheidung über die Konstruktion des Deckwerks ist aber eine ingenieurmäßige Bewertung der Berechnungsergeb-nisse und eine Abwägung technischer und wirtschaftlicher Kriterien unabdingbar. Somit versteht es sich von selbst, dass die Software im Ergebnis zwar die möglichen Wege zu einem sicheren Deckwerk auf-zeigt, das Resultat aber letztendlich kein „fertiges“ Deckwerk sein kann. Dem entsprechend sind die Er-gebnisse durch den entwerfenden Ingenieur auch kritisch zu bewerten und in seiner Verantwortung wei-ter zu verabeiten, wie es auch bei anderen Bemessungsprogrammen des Bauwesens üblich ist.  5 Ausblick Es ist damit zu rechnen, dass die Software GBBSoft Anfang nächsten Jahres herausgegeben werden kann. Im Rahmen der Einführung der Software ist zunächst die Durchführung eines Kolloquiums geplant, in dem eine Übersicht über den Stand der Deckwerksbemessung unter Verwendung der Software gege-ben wird. Auf der Grundlage des Kolloquiums ist dann von den entsprechenden Dienststellen der WSV zu entscheiden, inwiefern Mitarbeiter in der Benutzung der Software zu schulen sind. Abhängig von die-ser Entscheidung werden im Frühjahr 2008 Schulungen zur Anwendung der Software in Karlsruhe von der BAW durchgeführt.  Literatur BAW 1993: Merkblatt Anwendung von Regelbauweisen für Böschungs- und Sohlensicherungen an Bun-deswasserstraßen“, Karlsruhe, 1993 BAW 2004: Grundlagen der Bemessung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnenwasserstra-ßen (GBB), Mtlg. der BAW Nr. 87, Karlsruhe, 2004 BMVBS 1994: Richtlinie für Regelquerschnitte von Schifffahrtskanälen, Bonn, 1994 Holfelder/Kayser 2005: Holfelder, T.; Kayser, J.: Berücksichtigung von Porenwasserüberdrücken bei der Bemessung von Deckwerken an Wasserstraßen, Vortrag beim Ohde-Kolloquium 2005 der TU Dres-den am 27. September 2005, Veröffentlichung im Tagungsband   Technische Universität Dresden und Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe  Johann-Ohde-Kolloquium 2007    Seite 80   

Software zur Bemessung von Deckwerken

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