Doktoranden Workshop

Forschungsschwerpunkt Bauwerke im und am Wasser

Termin: Mittwoch, 14.01.2015

Ort: TUHH, Gebäude I, Raum 0053/4 (WiKom)

Sprecher: Prof. Frank Schmidt-Döhl schmidt-doehl@tuhh.de Tel.: +49 (0)40 42878-3021

Koordination und Organisation: Dr.-Ing. Sven-Brian Müller sven-brian.mueller@tuhh.de Tel.: +49 (0)40 42878-3846

 

    

 

 

Programm

9.15 Uhr Begrüßung (Prof. Frank Schmidt-Döhl, Dr.-Ing. Sven-Brian Müller)

9.30 Uhr Zum Einfluss der Kapillarität in granularen Böden bei monotoner und zyklischer Belastung Marius Milatz (Institut für Geotechnik und Baubetrieb)

10.00 Uhr Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Ausbreitung von Hydroschall und Körperschall im Meeresboden bei der Rammung von Offshore-Pfählen Katja Reimann (Institut für Geotechnik und Baubetrieb)

Kaffeepause

11.00 Uhr Vorhersage des Unterwasserschalls bei Offshore-Rammarbeiten unter Berücksichtigung von Schallminderungsmaßnahmen Kristof Heitmann (Institut für Modellierung und Berechnung)

11.30 Uhr Improving efficiency of dynamic two-phase porous media simulation Georg Großeholz (Institut für Modellierung und Berechnung)

Mittagspause

13.00 Uhr Intensivmonitoring des Neubaus der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt in Hamburg-Wilhelmsburg Kristian Duus (Institut für Thermofluiddynamik)

13.15 Uhr Methodik zur Ermittlung und Bewertung des Regenrückhaltevermögens von Gründächern Giovanni Palmaricciotti (Institut für Wasserbau)

13.30 Uhr Hydrodynamische Systemstudie der Tideelbe als Grundlage zur Bewertung von Anpassungsmaßnahmen zur Abminderung der Auswirkungen des Klimawandels Suleman Shaikh (Institut für Wasserbau)

13.45 Uhr Ein verbessertes Prüfverfahren zur Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen basierend auf Lösungsversuchen Lennart Osterhus (Institut für Baustoffe, Bauphysik und Bauchemie)

Kaffeepause

14.30 Uhr Integrated Modelling of River Dike Breaches and Subsequent Inundation of Protected Areas Yohannis Tadesse (Institut für Wasserbau)

15.00 Uhr Anpassung der Tidefahrplanberechnung an die aktuelle Flottenstruktur auf Unter- und Außenelbe Frederik Treuel (Institut für Wasserbau)

15.30 Uhr Betonpontons für Wohn- und Bürogebäude Oliver Chyra (Institut für Massivbau)

16.00 Uhr Schlusswort 

    

 

 

Zum Einfluss der Kapillarität in granularen Böden bei monotoner und zyklischer Belastung Marius Milatz, marius.milatz@tuhh.de, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Betreuer: Prof. Grabe

Granulare Böden, wie beispielsweise Sande, stellen insbesondere im norddeutschen Raum einen weit verbreiteten Baugrund dar und werden in Form von Spülsand häufig im Hafenbau eingesetzt. So dienen eingespülte Sande oftmals als Hinterfüllmaterial für Kaimauern oder als Unterbaumaterial von Hafenlogistikflächen. Beeinflusst durch das Klima, durch Grundwasser und durch die Gezeiten ist der oberflächennahe Boden unter natürlichen Bedingungen in der Regel teilgesättigt. Infolge seiner Zusammensetzung aus den drei Phasen Feststoff (Bodenkörner), Porenluft und Porenwasser treten im teilgesättigten Boden Kapillareffekte auf, die das hydraulische und mechanische Verhalten beeinflussen. So bewirken Saugspannungen eine Erhöhung der Scherfestigkeit und Steifigkeit des Bodens und die Mischung von Luft und Wasser im Porenraum zwischen den Bodenkörnern beeinflusst Strömungsprozesse dieser beiden Phasen.

Bei einer Belastung des teilgesättigten granularen Bodens, wie sie beispielsweise durch die Überfahrt schwerer Fahrzeuge entsteht, werden Kapillarkräfte mobilisiert und es kommt zu einer Bewegung von Porenluft und Porenwasser. Aufgrund der Entstehung von Überdrücken der flüssigen und gasförmigen Phase sowie aufgrund einer Verdichtung kann es zur Veränderung der Kapillareffekte kommen, wie Messungen bei der Überfahrt schwerer Van Carrier im Hamburger Hafen zeigen. Diese Veränderung könnte sich ungünstig auf das Tragverhalten von Fahrbahnbefestigungen oder anderen Bauwerken auswirken.

Im Rahmen der Forschungsarbeit wird das gekoppelte hydraulisch-mechanische Verhalten von teilgesättigten granularen Böden untersucht. Zentrale Fragen sind die Größenordnung der Kapillareffekte in Sand, die Wechselwirkung von äußerer Belastung und Kapillarität, die lastinduzierte Änderung von Saugspannungen sowie die Neigung zur Verdichtung des teilgesättigten Sandes bei monotoner und zyklischer Scherbeanspruchung. Zur Beantwortung der Fragen werden experimentelle und numerische Verfahren herangezogen.

Zur Untersuchung der in granularen Böden eher geringen Kapillareffekte wurden im Rahmen der Arbeit spezielle Verfahren entwickelt und angewendet, die beispielsweise die Messung und Regelung geringer Saugspannungen in Laborversuchen an Sand ermöglichen. Mit Hilfe von hydraulischen Laborversuchen erfolgt eine Charakterisierung der Kapillarität des untersuchten Bodens, einem Spülsand aus der Elbe. In Einfachscherversuchen und Triaxialversuchen, in denen der Sand in den teilgesättigten Zustand versetzt wird, erfolgt die Untersuchung der Kapillareffekte auf das mechanische Verhalten. Die entwickelten Versuchsverfahren erlauben dabei die Erfassung der Saugspannung und des Sättigungszustandes der Probe während der monotonen und zyklischen Scherbeanspruchung. Die Laborversuche werden ergänzt durch Modellversuche und durch Feldversuche, bei denen Zustandsgrößen des teilgesättigten Bodens während der Überfahrt schwerer Fahrzeuge gemessen werden konnten.

Mit einem Dreiphasenmodell, das im Rahmen einer anderen Arbeit in das kommerzielle FE-Programm Abaqus/Standard implementiert wurde, erfolgt die numerische Simulation des teilgesättigten Sandes, dessen mechanisches Verhalten durch ein hypoplastisches Stoffgesetz in Kombination mit dem Effektivspannungskonzept für teilgesättigte Böden nach Bishop (1959) abgebildet werden soll. Anhand der durchgeführten Labor- und Modellversuche werden die Stoffparameter des hydraulischen und mechanischen Stoffmodells bestimmt und es erfolgt eine Modellvalidierung. Schließlich sollen mit dem Dreiphasenmodell größere Randwertprobleme, wie beispielsweise die Fahrzeugüberfahrt auf teilgesättigtem Untergrund, nachgerechnet werden.  

    

 

 

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Ausbreitung von Hydroschall und Körperschall im Meeresboden bei der Rammung von Offshore-Pfählen Katja Reimann, katja.reimann@tuhh.de, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Betreuer: Prof. Grabe

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Schallquelle und der Einfluss der Übertragungswege. Insbesondere die Beschreibung der Schallquelle, welche aus Rammhammer, Pfahl und Meeresboden besteht, stellt einen zentralen Punkt bei der Prognose von Hydroschallimmissionen dar. Die methodische Gliederung der Arbeit zur Untersuchung des Themas beinhaltet die messtechnische Erfassung des gesamten Systems von der Quelle über die Transmissionswege bis zum akustischen Immissionspegel sowie die numerische Untersuchung der Einflussparameter.

Die Pfahlschwingungen werden zum einen direkt über die Mantelfläche des Pfahls in die Wassersäule übertragen und resultieren in Hydroschallimmissionen, die sich über weite Distanzen im Meer ausbreiten. Zum anderen wird ein großer Teil der Rammenergie über den Pfahl in den Meeresboden eingeleitet. Der Schlagimpuls breitet sich dort über Raum- und Oberflächenwellen aus. Die Veränderung der Pfahlschwingung mit zunehmendem Rammfortschritt hat ebenso einen Einfluss auf den Hydroschall wie die Untergrundstruktur selbst. Zur Einhaltung von Grenzwerten werden in Deutschland Schallminderungsmaßnahmen eingesetzt, die lediglich den direkten Übertragungsweg mindern. Damit erhöht sich der prozentuale Anteil des sekundären Übertragungsweges am Hydroschallimmissionspegel.

Folgende Arbeitsschritte wurden/werden durchgeführt: Konzeption, Planung und Durchführung von drei Offshore-Messkampagnen (in-situ

Messungen) Montage und Schutz diverser Sensoren an Gründungspfählen von OWEA Entwicklung eines Messgerätes zur Aufzeichnung von Schwingungen am Meeresgrund Aufbereitung und Auswertung von Daten (je 1 TB pro Messkampagne) Verwendung der Messdaten zur Validierung von numerischen Modellen Numerische Untersuchung der Einflüsse des direkten und sekundären Übertragungsweges

auf Hydroschallimmissionen infolge Schlagrammung

Für die Offshore-Messung der Pfahldynamik, der Schwingungen am Meeresgrund und die Hydroschallimmissionen wurden diverse Sensoren und Messgeräte eingesetzt: Beschleunigungs-sensoren, Dehnungsmessstreifen, Porenwasserdruckgeber, Totalspannungsgeber, Geophone, Hydrophone etc.. Mit Hilfe des kommerziellen Programms Matlab werden die Daten aufbereitet und ausgewertet. Die numerischen Untersuchungen mit der Finiten Elemente Methode werden mit dem kommerziellen Programm Abaqus/Explizit durchgeführt.

Derzeit sind Berechnungen unter drainierten Bedingungen durchgeführt worden unter Verwendung des hypoplastischen Stoffmodells für granulare Materialien. Damit kann das Materialverhalten des Meeresbodens auch im plastodynamischen Bereich realitätsgetreu abgebildet werden.

Eine Untersuchung mit einem 2-Phasen-Modell zur Abbildung undrainierter und/oder teildrainierter Bedingungen steht aus sowie eine Abschätzung der quantitativen Anteile der jeweiligen Übertragungswege am Immissionspegel.

    

 

 

Vorhersage des Unterwasserschalls bei Offshore-Rammarbeiten unter Berücksichtigung von Schallminderungsmaßnahmen Kristof Heitmann, k.heitmann@tuhh.de, Institut für Modellierung und Berechnung, Betreuer: Prof. von Estorff

Im Rahmen des massiven Ausbaus der Offshore-Windenergie gewinnt der Schutz der Meeresumwelt vor anthropogenem Lärm immer mehr an Bedeutung. Um speziell Meeressäuger, wie den Schweinswal, schon während der Errichtung von Windenergieanlagen zu schützen, wurden vom Umweltbundesamt maximal zulässige Werte sowohl für den Einzelereignispegel (SEL) als auch für den Spitzenpegel (SPLpeak) erlassen. Um diese Grenzwerte einzuhalten, müssen während der Rammung der Fundamente im Allgemeinen Schallschutzsysteme, wie z.B. Blasenschleier oder Kofferdämme, zum Einsatz kommen.

Ein präzises numerisches Berechnungsmodell für Offshore-Rammschallemissionen ist hierbei aus zwei Gründen von besonderer Bedeutung: Zum einen für die Abschätzung der zu erwartenden Pegel geplanter Windparks durch die Zulassungsbehörden, zum anderen zur Optimierung von Schallschutzsystemen, um kostenintensive Offshore-Tests zu vermeiden. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) bietet sich hierbei für die Simulation der Schallausbreitung in der Pfahlnähe an. Der Vorteil der Methode ist, dass gekoppelte Probleme, wie die akustische Emission aufgrund von Rammarbeiten, berechnet werden können.

Die in der Praxis gängigen Schallschutzsysteme lassen sich durch ihren Abstand zum gerammten Pfahl unterteilen. Dabei existieren Schallschutzsysteme, die den Schall in der direkten Umgebung des Pfahls mindern und Maßnahmen, die in großer Entfernung vom Pfahl den Schall an der Ausbreitung hindern. In dem geplanten Beitrag wird der Einfluss verschiedener Schallschutzkonzepte auf den Schalldruckpegel diskutiert und mit Hilfe von numerischen Methoden untersucht. Weiterhin wird der Einfluss des Meeresbodens auf das Schalldämmmaß detailliert diskutiert. Abschließend werden relevante Ergebnisse vorgestellt.

Abbildung: Numerische Simulation der Offshore-Pfahlrammung

    

 

 

Improving efficiency of dynamic two-phase porous media simulation Georg Großeholz, grosseholz@tuhh.de, Institut für Modellierung und Berechnung, Betreuer: Prof. von Estorff

For many everyday engineering problems in the field of earthquake engineering, soil-structure interaction, or biomechanics, dynamic porous media analysis is necessary. Nowadays, several numerical approaches are available to analyze complex dynamic porous media. Most of these approaches are based on the pioneering work of Biot. The present work is focused on the numerical modelling of saturated soils based on the u-p formulation, as presented by Zienkiewicz and Shiomi. In order to improve the efficiency of the dynamic simulation of the aforementioned phenomena, advanced time-marching procedures are necessary, which are designed to match the special requirements of the coupled governing equations. On the one hand, unconditional stability is needed, in order to get proper and stable results. On the other hand, an explicit character of the procedure is desired, in order to save computational resources, especially when non-linear constitutive models are adopted for the solid phase and tedious non-linear iteration procedures can be avoided. Furthermore, an improved condition number of the occurring linear equation system is demanded, since classic approaches, such as the generalized Newmark method, lead to poorly conditioned systems.

The present work provides a new time-marching approach, fulfilling all of the aforementioned requirements. Due to the hybrid character of the temporal discretization, where equilibrium is established at time t in the solid phase (explicit) and at time t Δt in the fluid phase (implicit), the resulting system of (linear) equations has an improved shape and can be factorized/solved at significantly less computational cost compared to standard approaches such as the generalized Newmark scheme, for instance. Moreover, the resulting (linear) systems have moderate condition numbers, causing no numerical issues. In addition to this, no iterative procedure is needed in case non-linear material behavior is assumed for the solid phase, since the solid phase is discretized by an explicit operator. Unconditional stability is achieved by consistent manipulation of the mass and compressibility matrix of the considered problem, while these manipulations virtually cause no computational overhead.

The newly developed time marching technique has been implemented in Matlab and tested extensively considering different academic benchmark problems. For comparison, the commonly used Newmark scheme has been applied as well and both, direct (LU decomposition) and iterative (GMRES) linear solvers have been adopted in order to assess the efficiency.

    

 

 

Intensivmonitoring des Neubaus der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt in Hamburg-Wilhelmsburg Kristian Duus, kristian.duus@tuhh.de, Institut für Thermofluiddynamik,Technische Thermodynamik, Betreuer: Prof. Schmitz

Bei dem Forschungsvorhaben handelt es sich um ein Demonstrationsprojekt im Rahmen der Forschungsinitiative Energieoptimiertes Bauen (EnOB). Das Leitbild dieser Forschungsinitiative ist das "Gebäude der Zukunft", das Ziel sind energieeffiziente sowie nachhaltig errichtete und betriebene Gebäude, die zudem einen hohen Nutzerkomfort bieten und sich durch vertretbare Investitions- und Betriebskosten auszeichnen. Zur Überprüfung der Einhaltung dieser Zielvorgaben und zur allgemeinen Betriebsoptimierung werden die einzelnen Demonstrationsprojekte einem mindestens zweijährigen wissenschaftlichen Monitoring unterzogen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Umsetzung einer Methode, mit der die Energieeffizienz des Neubaus der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt (BSU) in der Betriebsphase differenziert bestimmt und bewertet werden kann. Die Grundlage hierfür bilden Energie- und Emissionskennwerte auf Basis der erfassten Messdaten, wobei die angesetzten Randbedingungen und Systemgrenzen entscheidend sind. Die Messdatenerfassung, -visualisierung und -speicherung erfolgt mit der Software LabVIEW, die Messdatenauswertung vorwiegend mit Matlab. Es sollen Optimierungsstrategien sowohl bzgl. des Energiebedarfs als auch des Nutzerkomforts erarbeitet und soweit möglich im Gebäude- und Energiekonzept (Abb. 1) des BSU-Neubaus umgesetzt werden. Zur Optimierung des Energiebedarfs wird ein Systemmodell erstellt, anhand dessen z. B. auch der Einfluss unterschiedlicher Bilanzgrenzen auf die Energie- und Emissionskennwerte bewertet werden kann. Das Gebäudemodell wird dabei mit der Softwarekombination EnergyPlus/DesignBuilder erstellt, die Modellierung und Simulation der Anlagentechnik hingegen aufgrund der Komplexität und Individualität mit Dymola/Modelica. Für das Gesamt-Systemmodell können die beiden Modelle anschließend gekoppelt werden. Zur Optimierung des Nutzerkomforts sind u. a. parallel zum BSU-Monitoring laufende Untersuchungen an der am Institut vorhandenen Demonstrationsanlage zur ökologischen Klimatisierung möglich. Ein mobiler Messaufbau zur Bestimmung und Bewertung der Behaglichkeit in Büroräumen wurde hierfür gebaut. Mit diesem Messaufbau können durch Erfassung der Lufttemperatur, der Globetemperatur, der Luftfeuchte, der Luftgeschwindigkeit und der Fußbodentemperatur sowohl die allgemeine thermische Behaglichkeit als auch lokale Unbehaglichkeiten bewertet werden. Ein Teilprojekt ist zudem die Entwicklung eines „Nutzerinteraktionssystem Energie & Komfort“ mit dem Ziel, Energie- und damit Kosteneinsparpotenziale sowie Komfortverbesserungen im Gebäudebetrieb zu identifizieren und in der Interaktion mit den Mitarbeitern dann auch umzusetzen, und zwar ohne Einsatz zusätzlicher Gebäudetechnik.

Abbildung: Energiekonzept des BSU-Neubaus

StromÖkostrom gemäß FHH

Nahwärme

Energiepfähle

Kälte-Speicher

KälteTAD/HKD

Elektroversorgung, Beleuchtung, Lüftung, dez. WWB

WärmeWWB, TAD/HKD, FBH, Heizkörper, dyn. Heizung

WRG-Abluft

Split-Kälteanlagen

Kälte

Direkt-verdampfer

Kälte Konferenzzentrum, Kundendienstzentrum

DV-Räume, innenliegende Besprechungsräume, Bürotechnikräume, Aufzugsmaschinenräume, Sonderflächen

el. Sole/Wasser-Wärmepumpen

Wärme-Speicher

Rückkühlwerkeoptional zus. Auskühlung Geothermiefeld

optional Kühlung in der Übergangszeit

WRG-Kleinkälte

    

 

 

Methodik zur Ermittlung und Bewertung des Regenrückhaltevermögens von Gründächern Giovanni Palmaricciotti, palmaricciotti@tuhh.de, Institut für Wasserbau, Betreuer: Prof. Fröhle

In städtischen Gebieten erfolgt die Bewirtschaftung des Niederschlagswassers hauptsächlich durch zentrale Anlagen, wie das Kanalnetz, Regenrückhaltebecken oder vorhandene Gewässer. Solche Anlagen werden für definierte Regenereignisse bemessen. Bei Extremereignissen, die das Bemessungsereignis überschreiten, kann es zu unkontrollierten Abflüssen an der Oberfläche kommen, die zu Überflutungen mit entsprechenden Schäden an Gebäuden und der Infrastruktur führen können. Ein möglicher Ansatz für die Anpassung der Bewirtschaftung von Niederschlagswasser in städtischen Gebieten an die möglichen Folgen des Klimawandels ist die Verwendung von Maßnahmen der dezentralen Regenwasserbewirtschaftung (DRWB), bei denen die Anlagen (z.B. Gründächer) auf viele Grundstücke verteilt eingesetzt werden.

Die Stadt Hamburg hat diesbezüglich eine eigene Strategie entwickelt: „Die Gründach-Strategie […]. Gründächer [...], halten Niederschläge zurück und entlasten damit die Siele im innerstädtischen Bereich.“ (http://www.hamburg.de/pressearchiv-fhh/4296164/2014-04-08-bsu-gruendachstrategie/). Untersuchungen zur Analyse der Regenwasserrückhaltungskapazität von Gründächern werden in Deutschland seit rund 30 Jahren durchgeführt. Als Grundlage solcher Untersuchungen werden die Dachbegrünungsrichtlinien berücksichtigt, die von dem Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (FLL) zusammengefasst werden. In diesen wird beschrieben, mit welchem Verfahren die relevanten Parameter bestimmt werden sollen. Zur „Bestimmung des Abflussbeiwertes C / der Abflusskennzahl C“ wird z.B. ein 15-minütiger Blockregen mit einer Intensität von 300 l/s/ha bzw. 27 l/m² vorgeschrieben. Untersuchungen mit diesen Vorgaben liegen bereits vor. Es besteht jedoch Forschungsbedarf in der Untersuchung des Retentionsvermögens bzw. des Abflussverhaltens unter Verwendung u.a. unterschiedlicher Regenreihen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Ermittlung und Bewertung des Regenrückhaltevermögens von Gründächern. Zunächst wurde ein Regensimulator „RS-TUHH“ entwickelt und aufgebaut. Anschließend wurden zwei Gründachversuchstische mit einstellbarer Neigung aufgebaut. Die ersten Untersuchungen sind in Form einer 3x3-Versuchsmatrix zusammengefasst. Zeitgleich werden zwei 3 x 1 m² Gründachmodelle (8 cm und 6 cm Aufbaudicke) (s. Abbildung) mit drei unterschiedlichen Regenreihen beregnet und in drei verschiedenen Neigungen untersucht. Zur Versuchsdurchführung und Erfassung der Daten werden folgende Messeinrichtungen benutzt: Durchflussregler, Durchflussmessgerät, Lysimeter, Lufttemperatur- und Luftfeuchtigkeit-Messgerät und Messzylinder. Nach den Untersuchungen folgen: Datenaufbereitung, Datenauswertung und Ergebnisinterpretation. Dafür wird die MS-Office Excel Software benutzt. Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Arbeit können einen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses der verschiedenen Parameter auf den hydraulischen Verhalten von Gründächern leisten und könnten als Grundlage für die Erweiterung sowohl der FLL-Richtlinien als auch von numerischen Modellen verwendet werden.

Abbildung: Versuchsanlage mit 

Regensimulator, Gründachversuchstische und 

Messzylindern

    

 

 

Heutige Tideelbe, DGM1© LVermA-SH

Hydrodynamische Systemstudie der Tideelbe als Grundlage zur Bewertung von Anpassungsmaßnahmen zur Abminderung der Auswirkungen des Klimawandels Suleman Shaikh, suleman.shaikh@tuhh.de, Institut für Wasserbau, Betreuer: Prof. Fröhle

Die heutige Tideelbe ist die Lebensader der Metropolregion Hamburg und das Ergebnis zahlreicher anthropogener Eingriffe in ihr System. Sie hat eine Länge von ungefähr 142 km; beginnend vom Wehr in Geesthacht bis zur Mündung in die Nordsee bei Cuxhaven. Etwaige Sturmflutfolgen stellen die größte Gefahr für die Bewohner entlang der Tideelbe dar. Durch den Klimawandel und einen damit verbundenen Anstieg des mittleren globalen Meeresspiegels ist zu erwarten, dass Sturmfluten häufiger, länger sowie höher auftreten können und u.a. Auswirkungen auf die Küstenschutzbauwerke und den angrenzenden Lebensräume haben werden. Je nach Klimaszenario kann mit einem durchschnittlicher globalen Meeresspiegelanstieg von 9 bis 88 cm bis 2100 gerechnet werden (IPCC Report, 2013).

Der technische Küstenschutz erfolgt größtenteils durch Bauwerke (z.B.: Deiche, Hochwasserschutzwände etc.). Ständige Anpassungen dieser Bauwerke, inklusive entsprechender Ausbaureserven, sind kostenintensiv und müssen nicht zwangsläufig zu einer effektiven hydraulischen Entlastung des Systems Tideelbe führen. Im heutigen Küstenschutz ist ein Umdenken hinsichtlich adaptiver Anpassungsmaßnahmen in Richtung „Mehr Raum für Wasser“ oder „Leben mit Wasser“ unumgänglich und wird punktuell derzeit auch realisiert. Diverse wissenschaftliche Arbeiten, Projekte (u.a.: XtremRisk, KLIMZUG NORD, TIDE) und entsprechende Fachinstitutionen (u.a. BAW, LSBG, BfG, HPA und TUHH) haben sich mit den möglichen Auswirkungen des Klimawandels sowie mit Anpassungsmaßnahmen im Hinblick auf die Tideelbe auseinandergesetzt und die Ergebnisse veröffentlicht. Die Wahl der Maßnahmen wurde bislang mehr nach Kriterien wie beispielsweise dem politischen Interesse oder der ökologischen sowie ökonomischen Betroffenheit getroffen und weniger nach der hydraulischen Wirkung. Grundsätzlich dürfen Maßnahmen administrativ nicht begrenzt sein, sondern müssen immer in einem erweiterten Zusammenhang gesehen werden, da Sturmfluten und ihre möglichen Folgen nicht an administrative Grenzen haltmachen.

Das Ziel dieser Dissertation ist die Durchführung und Bewertung einer systematischen Analyse von möglichen Anpassungsmaßnahmen auf die Hydrodynamik der Tideelbe. Hierbei werden, im Rahmen des PEARL-Projektes (www.pearl-fp7.eu), für definierte (Klima-)Szenarien die hydrodynamischen Auswirkungen von Anpassungsmaßnahmen auf die Tideelbe dargestellt und ausgewertet. Gezielt werden weder die wirtschaftliche Machbarkeit, noch das politische Interesse berücksichtigt. Im Vordergrund steht einzig die hydraulische Wirksamkeit auf die Tideelbe. Insgesamt werden vier Maßnahmengruppen untersucht: die systematische Veränderung des Fließquerschnittes (M1), die Lage und Größe sowie die gezielte Steuerung von Tidepolder (M2), die Wiederanbindung von Nebenflüssen (bei Sturmfluten) und von Elbnebenarmen (M3) sowie die Lage und Steuerung eines Elbsperrwerkes (M4). Die Durchführung dieser systematischen Analyse wird mithilfe eines hydrodynamisch-numerischen Modells der Tideelbe (2D-3D) erfolgen. Dieses HN-Modell der Tideelbe steht zu Beginn der Arbeit noch nicht zur Verfügung und wird zunächst aufgestellt, kalibriert und validiert. In Hinblick auf die Modellierung wird für das Preprocessing, das Processing und das Postprocessing die institutseigene Modellplattform Kalypso verwendet sowie für die Netzgenerierung das institutseigene MATLAB basierende Gaja3D. Für die HD-Simulationen ist u.a. TELEMAC2D in Kalypso implementiert. Darüber hinaus werden zur Darstellung von Ergebnissen ArcGIS 10.2 und BlueKenue genutzt.

    

 

 

Ein verbessertes Prüfverfahren zur Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen basierend auf Lösungsversuchen Lennart Osterhus, lennart.osterhus@tuhh.de, Institut für Baustoffe, Bauphysik und Bauchemie, Betreuer: Prof. Schmidt-Döhl

Obwohl die Alkali-Kieselsäure-Reaktion bereits seit Jahrzehnten untersucht wird, gestaltet sich die Einschätzung, ob eine Gesteinskörnung alkalireaktiv ist, häufig schwierig und langwierig. Etablierte Prüfmethoden (DAfStb Alkali-Richtlinie) für langsam reagierende Gesteinskörnungen basieren auf Beton- bzw. Mörtelversuchen mit definierten Rezepturen. Die zuverlässigsten Prüfmethoden sind dabei allerdings auch die langwierigsten mit Zeiträumen von bis zu neun Monaten. Schnelltests an Mörteln, denen bei erhöhter Temperatur deutlich vergrößerte Mengen an Alkalien angeboten werden, erlauben eine Einschätzungen des Schädigungspotentials nach zwei Wochen, sind allerdings unzuverlässiger.

Um das Schädigungspotential direkt an der Gesteinskörnung zu untersuchen, wurden in den letzten Jahren Lösungsversuche in künstlicher Betonporenlösung (KOH) konzipiert (BTU-SP Test). Diese zukunftsträchtigen Verfahren bieten ebenfalls die Möglichkeit langsam reagierende Gesteinskörnungen nach zwei Wochen zu bewerten. Probleme bestehen jedoch bei der Prüfung heterogener Gesteine (bunte Kiese). Versuche mit zwei Wochen Prüfdauer sind außerdem noch nicht für eine Eingangsprüfung von Material geeignet, da betroffene Gesteinskörnungen bis dahin bereits als Zuschlag eingebaut wurden. Sehr schnelle Tests, wie nach ASTM C 289 (24 Stunden), werden an Pulvern zu prüfender Gesteinskörnungen durchgeführt. Dabei wird der Gesamtgehalt gelöster Kieselsäure im Lösungsmedium bestimmt. Dieser Test ist allerdings bekanntermaßen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet.

Das verbesserte Prüfverfahren basiert ebenfalls auf Untersuchungen am System Gestein in Kontakt mit alkalischer Lösung. Je nach Zielrichtung wird die Reaktion durch Anpassung von Temperatur, pH-Wert und spezifischer Oberfläche des Gesteins beschleunigt. Neu sind die Nutzung der Zeitabhängigkeit und die Nutzung der sich ausbildenden Plateaus der chemischen Zusammensetzung der Lösungsphase zur Interpretation der Daten. Die Analytik stützt sich deshalb im Wesentlichen auf kontinuierlich zu messende chemisch-physikalische Parameter der Lösung mittels Elektroden, z.B. pH, Leitfähigkeit und Redoxpotential.

Da die Neigung einer Gesteinskörnung, sich unter Einfluss von Alkali-Hydroxiden reaktiv zu zeigen, von dem amorphen bzw. krypto- und mikrokristallinen silikatischen Anteil einer Gesteinskörnung abhängt, wurde eine Mischreihe zwischen einer kristallinen, nicht-reaktiven (Quarzmehl, 99 M.-% SiO2) und einer amorphen, reaktiven (Mikrosilika, 85 M.-% SiO2) Komponente konzipiert. Hierbei wurde das Lösungsverhalten von fünf verschiedenen Mischungen (100 M.-% reaktiv, 75 M.-% reaktiv + 25 M.-% nicht-reaktiv, 50 M.-% reaktiv + 50 M.-% nicht-reaktiv, 25 M.-% reaktiv + 75 M.-% nicht-reaktiv, 100 M.-% nicht-reaktiv) jeweils dreifach untersucht. Für die Lösungsversuche werden jeweils 3,00±0,02g Probenmaterial eingewogen. Ein Liter 1 M KOH-Lösung befindet sich in einem PTFE-Reaktionsgefäß, welches über ein Wasserbad auf 60°C erhitzt wird. Sobald die Lösung die Versuchstemperatur erreicht hat und konstant hält, wird das Probenmaterial über eine verschließbare Öffnung im Deckel des Reaktionsgefäßes hinzugegeben. Anschließend werden die Messdaten der verwendeten Elektroden kontinuierlich über einen Zeitraum zwischen 24 und 48 Stunden aufgezeichnet. Erste Untersuchungen an reaktiven Materialien zeigen, dass unmittelbar nach Probenzugabe ein Abfall des pH-Wertes der Reaktionslösung zu beobachten ist. Anschließend findet jedoch wieder ein Anstieg statt. Zum Vergleich verändert sich der pH-Wert einer reinen KOH-Lösung sowie einer KOH-Lösung nach Zugabe des ausschließlich nicht-reaktiven Materials nicht. Die Verringerung des pH-Wertes steht vermutlich mit dem Anteil der gelösten Kieselsäure in Zusammenhang. Der folgende Anstieg ist möglicherweise ein Effekt der, im Vergleich zu natürlicher Gesteinskörnung, sehr großen spezifischen Oberfläche des verwendeten Mikrosilikas.

Die Ergebnisse der Lösungsversuche der Mischreihe zeigen, dass sich das jeweilige Minimum im pH-Wert mit zunehmender Kristallinität auf der Zeitachse in Richtung eines späteren Zeitpunkts bewegt. Das Redoxpotential weist ein früheres Minimum auf. Allerdings bildet sich unmittelbar nach Erreichen des Minimums ein horizontales Plateau aus. Die Ausbildung des Plateaus ist umso besser, je amorpher das Material ist. Anschließend steigt das Redoxpotential erneut an ohne einen konstanten Wert innerhalb der Messdauer zu erreichen. Die Kurvenverläufe der elektrischen Leitfähigkeit sind untereinander ähnlich. Nach Probenzugabe kommt es zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit bis sich eine gering abfallende Gerade einstellt.

Es konnte gezeigt werden, dass die Variation an reaktiven Gehalten in einem heterogenen Gesteinsmehl Einfluss auf die Messwerte hat. Das vorgestellte Prüfverfahren bietet somit die Möglichkeit verschiedene reaktive Komponenten zu erkennen bzw. zu untersuchen.

    

 

 

Integrated Modelling of River Dike Breaches and Subsequent Inundation of Protected Areas Yohannis Birhanu Tadesse, yohannis.tadesse@tuhh.de, Institut für Wasserbau, Betreuer: Prof. Fröhle

River flood plains are natural spaces for flood water during rainy seasons. However, many river flood plains are reclaimed for human use by constructing dikes and flood protection walls as a means of flood defence. This has left less space for the flood and has substantially increased the impact of flooding in case of dike breach. Modelling tools can be employed to assess the risks and damages caused by worst flood scenarios. Based on the model results, measures can be put in place to alleviate the risk as well as the impacts of flooding. The modelling tools for assessing dike breach floods should be able to model the dike breach phenomena as well as the propagation of the flow into the hinterland. Propagation modelling is fairly well established field. Nevertheless, it requires the right choice of model that could handle the flow situation at hand. Dike breaching process, on the other hand, is a physical process associated with many uncertainties and a reliable mathematical model describing the processes is unavailable.

The objective of the study is to develop and analyse an approach for modelling flood inundation due to river dike breaches. To this effect, a simple parametric dike breaching process model is developed and integrated into a 2D hydrodynamic model – Telemac2D. The breach model works in an integrated manner with Telemac2D. It generalizes dike breaching process in two general stages. In the first stage dike breaching is predominantly vertical with limited lateral breach growth. In the second stage, the breach grows only laterally. The initiation and process of the dike breaching is defined by breach parameters. These are breach location, breach duration, length and axis of dike affected by the breach given through mesh nodes, final level of breach, and breach initiation method. Breach starts at the center of the dike length affected by the breach and can be initiated in three different ways: at a given time, based on water level on the dike or based on water level at a given point.

The hydrodynamic model - Telemac2D is an open source numerical model developed and maintained by Electricité de France Research and Development, and its partners. It solves the shallow water equations with the finite element method. Telemac2D also has a simpler dike breach model by simple lowering. The new model of dike breaching by lowering and widening is implemented as an extension of this module. Telemac2D is tested if it is an appropriate model for modelling of dike breach type flows. For this, laboratory physical model tests results of Briechel and her colleagues, conducted at the Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management, Aachen University, are used. Telemac2D reproduced the experimental results very well, proving its appropriateness for modelling of flood propagation due to dike breach.

The approach is applied to model the year 1996 Awash River dike breach flood at Wonji, Ethiopia, a historic dike breach flood that destroyed the sugar cane plantation and offices of Wonji Shoa Sugar Factory. The model results agree with the flood level and extent witnessed during the disaster.

Sensitivity of the breach parameters is analysed with the same data, i.e., the year 1996 Awash River dike breach flood at Wonji. Breach duration, breach start time, and erosion type have minimal effect on the breach discharge, inundation depth and extent, and flow velocities in the propagation area. On the other hand, the breach discharge, the inundation depth and extent, and the flow velocities in the propagation area are sensitive to the final breach width, the final breach level and the breach location. The final breach level is usually the ground level in river dike breaches. Thus, final breach width and the location of breach are the two dike breach parameters that have significant influence on the behavior of flood propagation and inundation of the hinterland. The sensitivity results leads to the conclusion that not the details of the dike breaching processes but the final breach dimensions and the locations of breach are significant for determining flood inundation of the hinterland.

The sensitivity of the breach parameters are analysed for relatively long duration flood flow that spans over ten days. This is typical of river flows that could result in dike breaches. In this sense, the sensitivity results can be considered universally applicable. The sensitivity of the breach parameters – breach duration and breach start time might be influenced by flood duration. Besides, the geographic area and the bottom topography of the area used to analyse the sensitivity of the breach parameters might also influence the results.

    

 

 

Anpassung der Tidefahrplanberechnung an die aktuelle Flottenstruktur auf Unter- und Außenelbe Frederik Treuel, frederik.treuel@tuhh.de, Institut für Wasserbau, Betreuer: Prof. Fröhle

EINLEITUNG

Schiffe mit einem Tiefgang von mehr als 12 m unterliegen auf Unter- und Außenelbe dem Tidefahrplan-programm der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes. Das Tidefahrplanprogramm basiert auf einem Berechnungsansatz zur dynamischen Tiefertauchung der Schiffe, welcher zuletzt 2004 validiert wurde. Zur Optimierung des Tidefahrplans für die aktuelle Flottenstruktur werden im Projekt „Erfassung, Analyse und Vergleich des dynamischen Fahrverhaltens von größen- und tiefgangsrelevanten Fahrzeugen auf Unter- und Außenelbe“ schiffs- und revierspezifische Grundlagendaten durch Messungen in der Natur erfasst. Primäres Ziel ist die Validierung des verwendeten Squat-Berechnungsansatzes. Die projektbegleitende Dissertation identifiziert darüber hinaus die für die einzelnen Schiffsklassen spezifischen Eigenschaften des Fahrverhaltens. Auf Grundlage dieser Eigenschaften werden im Rahmen der Dissertation optimierte Eingangsparameter zur revierspezifischen Prognose des Fahrverhaltens von Containerschiffen im Elbrevier sowie Empfehlungen zur grundsätzlichen Anpassung der Tidefahrplanberechnung erarbeitet.

METHODIK

In einem umfangreichen Messprogramm mit insgesamt 21 begleiteten Fahrten werden Daten von Messgeräten auf dem Containerschiff mit Messdaten eines Begleitschiffes sowie aktuellen Pegel- und Peildaten verschnitten. Zusätzlich fließen betriebstechnische Parameter der Schiffsführung ein. Als Ergebnis liegen neben der dreidimensionalen Schiffsbewegung auch die Geschwindigkeit durch das Wasser, der ortsabhängige Ruhewasserspiegel sowie die Wasserdichte vor. Aus diesen Parametern können die Schiffsbewegungen sowie der Schiffsquat und die Unterkielfreiheit berechnet und für eine Frequenz von 2 Hz mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich angegeben werden.

MESSTECHNIK

Am Bug und Heck des Containerschiffes sind Radarpegel installiert. Aus deren Daten werden Tiefgang und Trimm in Ruhelage berechnet. Am Bug, an den Nocken sowie am Heck des Schiffes sind beidseitig GNSS-Antennen installiert. Aus den Positionsdaten werden Geschwindigkeit sowie Kurs über Grund, Vorausrichtung, Trimm und Krängung während der Fahrt berechnet. Aus dem Voyage-Data-Recorder des Schiffes werden betriebstechnische Parameter wie Drehzahl und Drehgeschwindigkeit gewonnen. Informationen zu Schiffsbegegnungen werden aus AIS-Daten extrahiert. Auf einem begleitenden Schiff sind ein Doppler-Velocity-Log, eine Salzgehaltssonde und zwei GNSS-Antennen installiert. Aus der sich daraus ergebenden Strömungsgeschwindigkeit und Dichte werden Geschwindigkeit durch das Wasser sowie Tiefgangs- und Trimmänderung durch Dichte berechnet und auf die Position des Containerschiffes projiziert. Aus den aktuellen Pegel- und Peildaten der WSV werden Wasserstand und Wassertiefe berechnet.

PROJEKTZIEL

Zur Berechnung der dynamischen Tiefertauchung der Schiffe im transversal und vertikal beschränkten Elbefahrwasser wird eine Variation des Bemessungsansatzes nach ICORELS verwendet. Dieser berücksichtigt neben der Fahrtgeschwindigkeit durch das Wasser vor allem schiffsspezifische Faktoren wie Schiffslänge und -breite sowie den ortsabhängigen Tiefgang in Salzwasser. Ziel des Projektes ist die Erfassung und der Vergleich jener Faktoren für sieben Schiffsklassen unterschiedlicher Bauform sowie eine Validierung der Berechnungsmethode.

ZIEL DER DISSERTATION

Zur Berechnung des Tidefahrplans werden neben Gewässergeometrie, Strömungsgeschwindigkeit und Wasserstand auch die dynamische Tiefertauchung durch Squat, Krängung und Unterkielfreiheit verwendet. Unsicherheiten werden bislang durch pauschale Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Auf Grundlage der vorliegenden Messdaten werden die parameterspezifischen Unsicherheiten eingeschränkt und bislang nicht ausreichend beachtete Einflussfaktoren wie Schiffsbegegnungen und schiffsführungsspezifische Parameter identifiziert und aufbereitet. Ziel der Dissertation ist eine speziell für das Elberevier entwickelte Neuerung der Tidefahrplanberechnung.

    

 

 

Betonpontons für Wohn- und Bürogebäude Oliver Chyra, chyra@tuhh.de, Institut für Massivbau, Betreuer: Prof. Sigrist

Das Leben am Wasser übt von jeher eine hohe Attraktivität auf Menschen aus. Nicht grundlos liegen viele Metropolregionen in Wassernähe. Die Nutzung der Wasserflächen durch schwimmende Bauten stellt, insbesondere für dichtbesiedelte Uferregionen, eine reizvolle Variante der Lebensraumerschließung dar und ermöglicht Hafen- und Küstenstädten zentrale Flächen städtebaulich zu nutzen. Auch mit Blick auf die globale Klimaerwärmung und dem damit einhergehenden Anstieg des Wasserspiegels sind küstennahe Regionen gezwungen, nachhaltige Konzepte zu entwickeln. Schwimmende Gebäude können hierzu einen Beitrag leisten.

Die Arbeit behandelt den Entwurf und die Berechnung von Betonpontons für die Büro- und Wohnnutzung. Damit soll ein Beitrag zur Etablierung der Technologie „schwimmender Strukturen aus Beton“ geleistet werden. Im Besonderen ist es das Ziel, Tragwerksplanern eine Hilfestellung für die Planung zur Verfügung zu stellen und damit die Zurückhaltung gegenüber dieser Ausführungsvariante für Schwimmkörper abzubauen. Denn obwohl zahlreiche Betonschwimmkörper gebaut wurden und seit Jahren in Verwendung sind, existieren keine vereinheitlichten Regelungen. Infolgedessen variieren die Herangehensweisen, insbesondere bei der Erfassung der (hydro-)dynamischen Effekte. Die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit schwanken und Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit sind nicht zufriedenstellend definiert. Zudem fehlen Empfehlungen für die Gestaltung des Pontontragwerks, die einen sicheren und wirtschaftlichen Entwurf auch ohne aufwändige Studien ermöglichen würden.

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die hydromechanische Analyse von prismatischen Schwimmkörpern. Zur Ermittlung des Schwimmverhaltens werden Methoden der Hydrostatik und -dynamik erläutert und bewertet. Dies umfasst die Beschreibung der Einwirkungen infolge Wasserbewegungen sowie die Berechnung der daraus resultierenden Schwimmkörperbewegungen.

Einen weiteren Schwerpunk stellt die Strukturanalyse dar. In der Arbeit werden (praxisnahe) Verfahren vorgestellt, mit denen die statischen und dynamischen Tragwerksbeanspruchungen ermittelt werden können. Eine Kategorisierung der Verfahren soll es ermöglichen, den Bearbeitungsaufwand für die Berechnung der Komplexität der Schwimmkörpergeometrie und den Umweltbedingungen anzupassen. Weiterhin werden die zu führenden Nachweise zur Gewährleistung von Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Betonelemente aufgeführt, wobei Nachweisformate unterschiedlicher Normen, Richtlinien und Empfehlungen einander gegenüberstellt werden.

Anhand ausgewerteter Berechnungen werden Empfehlungen für den Entwurf von Betonpontons formuliert. Zum einen sind es Empfehlungen zur Wahl der Schwimmkörperabmessungen, da diese für die Sicherstellung der Schwimmfähigkeit und -stabilität, für das Krängungsverhalten und für die Bewegungen infolge Wellen verantwortlich sind. Zum anderen werden Hinweise für die Wahl des Pontontragwerks erarbeitet. Hierbei wird zwischen zwei grundsätzlichen Tragwerkskonzepten unterschieden, dem Platten-System und dem Plattenbalken-System. Die Empfehlungen schließen Angaben zu Bauteilabmessungen, Bewehrungstechnik und Konstruktionsdetails ein.