Wellen-Bauwerks-Interaktion bei mörtelvergossenen Schüttsteindeckwerken

  • Wave-structure-interaction of mortar-grouted riprap revetments

Kreyenschulte, Moritz; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor); Goseberg, Nils (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Deckwerke schützen Deiche vor Erosion durch Wellen- und Strömungsbelastung und stellen damit ein wesentliches Element des Hochwasser- und Sturmflutschutzes dar. Das an der Nordseeküste häufig eingesetzte mörtelvergossene Schüttsteindeckwerk wird derzeit aufgrund eines geringen Prozessverständnisses der Wellen-Bauwerks-Interaktion mit Erfahrungswerten dimensioniert. Dieses Vorgehen birgt die Gefahr der potenziellen Unterbemessung oder unwirtschaftlichen Überbemessung der Deckwerke und kann insbesondere die Auswirkung sich ändernder Wellenbelastungen auf die Bauwerkssicherheit nicht berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, prozessbasierte Modelle für die maßgebenden Schadensmechanismen mörtelvergossener Schüttsteindeckwerke hinsichtlich der strukturellen Integrität bei Wellenbelastung aufzustellen. Dafür werden die Grenzzustandsgleichungen der maßgebenden Schadensmechanismen „Rissbildung in der Deckschicht“ und „Lösen eines Einzelsteins“ aufgestellt. Mit den in dieser Arbeit aufgestellten Modellen werden erstmals die Einwirkungen und Widerstände in den Grenzzustandsgleichungen beschrieben und damit die Grundlage für die prozessbasierte Dimensionierung mörtelvergossener Schüttsteindeckwerke geschaffen. Diese beruht auf den physikalischen Vorgängen bei Wellenbelastung und berücksichtigt sowohl die Wellenparameter als auch die konstruktiven, hydraulischen, mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften der Deckwerke. Da die Durchlässigkeit einer der wesentlichen hydraulischen Parameter ist, die die Wellen-Bauwerks-Interaktion bestimmen, werden zuerst Durchlässigkeitsversuche an mörtelvergossenen Schüttsteindeckschichten durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche zeigen infolge der geringeren Porosität und höheren Tortuosität deutlich geringere Durchlässigkeiten mörtelvergossener Schüttsteindeckwerke als loser Schüttsteindeckwerke. Mit den Ergebnissen der Durchlässigkeitsversuche wird erstmals eine Gleichung zur Abschätzung der Durchlässigkeit mörtelvergossener Schüttsteindeckwerke in Abhängigkeit der Porosität aufgestellt. Für den Grenzzustand „Rissbildung in der Deckschicht“ werden die in naturmaßstäblichen Versuchen im Großen Wellenkanal in Hannover aufgezeichneten Drücke auf und unter der Deckschicht als Randbedingung an der als elastisch gebetteter Träger modellierten Deckschicht angesetzt und damit die Biegezugspannungen in der Deckschicht berechnet. Die Analyse der maßgebenden Lastfälle zeigt, dass die alleinige Betrachtung der Druckschlagbelastung zur Ermittlung der maximalen Biegezugspannung nicht für alle Wellenparameter ausreichend ist, sondern die Belastung infolge des Wellenrücklaufs ebenfalls berücksichtigt werden muss. Die maßgebenden Lastfälle werden erstmals als Lastfiguren in Abhängigkeit der Wellenparameter und der Bauwerkseigenschaften mit semi-empirischen Gleichungen parametrisiert. Als Widerstand wird die in bruchmechanischen Ersatzversuchen bestimmte Haftbiegezugfestigkeit zwischen Mörtel und Wasserbaustein verwendet. Für den Grenzzustand „Lösen eines Einzelsteins“ wird das Kräftegleichgewicht aus Einwirkungen und Widerständen am Einzelstein unter Wellenbelastung aufgestellt. Als Einwirkungen werden die Wellenauflaufgeschwindigkeit und die Druckdifferenz am Einzelstein mit den Ergebnissen der naturmaßstäblichen Versuche im Großen Wellenkanal anhand von semi-empirischen Gleichungen beschrieben. Mit Laborversuchen und erstmals durchgeführten in-situ-Versuchen wird die Datenbasis zur Bestimmung der Kraft beim Lösen eines Einzelsteins vergrößert. Damit wird ein existierendes semi-empirisches Modell zur Beschreibung der verbundwirksamen Kraft validiert und als Widerstand in der Grenzzustandsgleichung verwendet. Ein mögliches Vorgehen zur statistischen Beschreibung der verbundwirksamen Kraft und damit zur Beurteilung der Verklammerungswirkung unter Berücksichtigung der Vorhersagegenauigkeit wird vorgestellt.

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