Technisch mögliche Toleranzen im Wasserbau · International Association of Dredging Companies...

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1. Einleitung

2. Ausführungsgenauigkeiten bei Nassbaggerarbeiten

3. Ausführungsgenauigkeiten bei Steineinbauarbeiten im Küstenbereich

4. Vermessungsverfahren zur Bestimmung von Referenzniveaus im Wasserbau

5. Untersuchungen zu Einbau- und Vermessungsgenauigkeiten beim Bau des Hafengebietes Maasvlakte 2

in Rotterdam

6. Vergleich der Erfahrungswerte vom Bau der Maasvlakte 2 mit den internationalen Regelwerken

7. Bewertung der deutschen Richtlinie ZTV-W

8. Fazit und Empfehlung

Technisch mögliche Toleranzen im Wasserbau

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Inhaltsübersicht

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Definition bzw. Verständnis von Toleranzen im Wasserbau

Unter Toleranz im technischen Sinne wird im Allgemeinen die Abweichung von einem Ideal(zustand) – im

Wasserbau meistens das herzustellende Sollprofil – bezeichnet.

Bei der Festlegung von Ausführungstoleranzen im Wasserbau sollten folgende Kriterien beachtet und

abgewogen werden:

1. Was ist notwendig, d.h. welche Toleranzen müssen eingehalten werden um die Funktionsfähigkeit des

Bauwerkes zu gewährleisten?

2. Was ist realisierbar? Aus technischer Sicht sind sehr geringe Toleranzmaße zweifellos realisierbar –

dies kann jedoch zu einer sehr langen Ausführungszeit und einem unverhältnismäßig hohen Einsatz von

Ressourcen führen.

3. Was ist finanzierbar? Das Festlegen von geringen Toleranzmaßen kann einen erheblichen Einfluss auf

die Projektkosten bedeuten.

Die vertraglich geforderten Toleranzen sollten auf Basis einer sorgfältigen Abwägung dieser Kriterien im

Planungsstadium bestimmt werden.


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Einleitung

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Arten von Nassbaggergeräten (Küste)

Laderaum-

saugbagger

Schneidkopf-

saugbagger

Stelzenpontonbagger /

Seilgreifer

Wasserinjektions-

geräte

Arten von Nassbaggergeräten (Binnen)

Eimerketten-

bagger

Stelzenponton

Hydraulikbagger

Stelzenponton

Seibagger / Seilgreifer

Saugbagger (selten,

Teichentschlammung)

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Technisch realisierbare Ausführungsgenauigkeiten von Nassbaggergeräten sind in verschiedenen Quellen

publiziert – in Deutschland ist die EAU 2012 als Referenzwerk zu nennen.

Im Vergleich zu früheren Ausgaben sind in der EAU inzwischen die in der internationalen Nassbaggerindustrie

anerkannten vertikalen Ausführungsgenauigkeiten übernommen. Diese wurden im Jahre 2001 von der

International Association of Dredging Companies (IADC) veröffentlicht und können auch heutzutage nach wie

vor als realistische Referenzwerte angesehen werden.

Maßgebliche Einflussfaktoren für die erzielbaren Ausführungsgenauigkeiten sind:

- Möglichkeiten des Ausgleichs externer Faktoren wie Tide, Wellen und Strömung, Wind, Schiffsverkehr,

Sedimentation während der Ausführung

- Genauigkeit bei der Positionierung des Baggergerätes und des Aushubwerkzeuges

- Genauigkeit bei der Bedienung (Manövrieren) des Schiffes und/oder der Baggereinheit (Qualifikation des

Bedienpersonals)

- Die Charakteristik des Aushubwerkzeuges


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Ausführungsgenauigkeiten bei Nassbaggerarbeiten - Küstenbereich

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Tabelle E 139.1: Vertikale Ausführungsgenauigkeiten bei Nassbaggerarbeiten (Quelle: EAU / IADC)


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Ausführungsgenauigkeiten bei Nassbaggerarbeiten – Küsten- und Binnenbereich

Baggergerät

nichtbindige Böden bindige Böden Zuschläge für

Sand Kies Fels Schlick TonWassertiefe

10–20 m

Strömung

0,5–1,0 m/s

ungeschützte

Gewässer

Greifbagger 40–50 40–50 – 30–45 50–60 10 10 20

Eimerkettenbagger 20–30 20–30 – 20–30 20–30 5 10 10

Schneidkopf-

saugbagger

30–40 30–40 40–50 25–40 30–40 5 10 10

Schneidrad-

saugbagger

30–40 30–40 40–50 25–40 30–40 5 10 10

Umweltsaugbagger 10–20 – – 10–20 – 5 5 –

Tieflöffelbagger 25–50 25–50 40 -60 20–40 35–50 10 10 10

Laderaum-

saugbagger (Hopper)

40–50 40–50 – 30–40 50–60 10 10 10

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Vermessungsverfahren zur Bestimmung von Referenzniveaus

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In den vergangenen Jahren hat sich die Verwendung von Multibeam-Echoloten als Standard-Vermessungsverfahren

zur Bestimmung von Gewässertiefen bzw. Referenzniveaus weitgehend durchgesetzt. Unter bestimmten

Umständen finden jedoch auch Singlebeam-Systeme nach wie vor Anwendung.

Die Qualität eines Vermessungssystems sowie der gemessenen und aufbereiteten Daten ist von verschiedenen

Faktoren abhängig:

- Qualität der Korrekturen der Bewegungen des Peilschiffes in x-, y- und z-Richtung

- Kalibrierung der Systemkomponenten mit angemessener Präzision (inkl. regelmäßiger Wiederholung)

- Verwendung der zugehörigen Software inkl. der korrekten (Vor-)Einstellungen

- Vorgehensweise bei der Datenaufbereitung, insbesondere (Vor-)Einstellungen beim Filtern zur Reduzierung der

Datenmenge (Eliminieren von sog. „Spikes“)


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Genauigkeitsbetrachtung in der Hydrographie

(Multibeam, 10m Wassertiefe, fester Boden)

Position eigene Basis: 2 cm

Position Korrekturdatendienst: 4 cm

Bewegungssensor 1 cm

Wasserschall: 1 cm

Tiefenmessung: 1-2 cm bei 400 kHz

Einmessung vom Schiff: 0,5 cm

Durch die Fehlerfortpflanzung erreicht man im besten Fall eine Genauigkeit von ca. 5 cm.

Dies sind jedoch nur theoretische Werte. In der Praxis dürfte die erreichbare Genauigkeit zwischen 5 und 10 cm

liegen.

Nearshore oder Offshore dürften auch diese Werte kaum zu erreichen sein.

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„Standard“-Ausschreibungen für Baggerarbeiten im Binnenbereich (Unterhaltungsarbeiten)

Leistungsverzeichnis Baubeschreibung

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Baggerung mit Eimerkettenschwimmbagger

Mit Eimerkettenschwimmbagger sind prinzipiell hohe Genauigkeiten in der Produktion zu erzielen.

Aber:

• Wieviel hängt die Eimerkette durch?

• Wie hoch ist die Umspülung der Eimerkette u.A. durch die Shore‘s?

• Wie genau ist die Einmessung per GNSS – Daten?

• …

• …

Also:

Genauigkeit von 10 cm scheint visuell erzielbar, ist aber eher trügerisch:

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Baggerung mit Stelzenponton und Hydraulik- oder Seilbagger

Mit Stelzenponton und Hydraulik- oder Seilbagger sind die geforderten hohen Genauigkeiten realistisch

betrachtet in der Produktion nicht zu erzielen.

Denn:

• Wieviel Spiel hat die Hydraulik bzw. die Seile des Baggers?

• Wie genau ist die Einmessung per GNSS – Daten?

• Wie genau ist die Positionierung der Grabgefäße durch die Unterwassersichtgeräte?

• Welche Abmessungen hat das Grabgefäß im Verhältnis zur Genauigkeit und zur

Baggervorlage?

• …

• …

Also:

Genauigkeiten von 10 cm für derartige Baggerungen zu fordern macht wenig Sinn,

denn sie werden nicht erzielt.

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Gerätearten für den Einbau von Wasserbausteinen Küste

Deckponton mit Seil-

oder Hydraulikbagger

Stein-

stürzer

Spalt-

schuten

Fallrohr-

schiff

Gerätearten für den Einbau von Wasserbausteinen Binnen

Stelzenponton mit Seil-

oder Hydraulikbagger

Schütt-

gerüst

Klapp-

schuten

Kran-

schiff

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Tabelle 2: Vertikale Ausführungsgenauigkeiten bei Versteinungsarbeiten (Quelle: u.a. IADC)


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Maßgebliche Einflussfaktoren für die erzielbaren Ausführungsgenauigkeiten sind:

- Genauigkeit bei der Positionierung des Schiffes oder der Einbaueinheit

- Manövrierbarkeit des Schiffes oder der Einbaueinheit

- Möglichkeit der Kontrolle des Einbauprozesses des jeweiligen Einbaugerätes (z.B.

Verholgeschwindigkeit bei einem Steinstürzer)

- Möglichkeiten des Ausgleichs externer Faktoren wie Wellen und Strömung

- Der vorgesehene Einbauplan (z.B. Einbau in mehreren Übergängen mittels Steinstürzer, Überlappungen

in Randbereichen einzelner Einbaufelder u.ä.

- Eventuell planmäßig vorgesehenes Nacharbeiten der Einbauoberfläche

Ausführungsgenauigkeiten bei Steineinbauarbeiten - Küstenbereich

In Masse eingebaut Einzeln eingebaut

Größenklassen (CP) Leichte Gewichtsklassen

(LMB)

≤ 300 kg

Schwere Gewichtsklassen

(HMB)

> 300 kg

Schwere Gewichtsklassen

(HMB)

> 300 kg

Unter Wasser +/- 0,20 m +/- 1,0*Dn50 +/- 1,0*Dn50 +/- 0,8*Dn50

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Ein wesentlicher Faktor bei der vertraglichen Auslegung von Messdaten einer Steinschüttung ist die Definition des

Referenzniveaus, d.h. die Festlegung welches gemessene Oberflächenniveau als Bewertungsgrundlage

verwendet werden soll. Die 3 gebräuchlichsten Definitionen des Referenzniveaus einer Steinschüttung sind:

1. Niveau, gemessen mittels Messlatte mit Halbkugel (Ø Halbkugel = ½ * Dn50)

2. Niveau, gemessen mittels Platte wodurch die jeweiligen höchsten Punkte einzelner Steine verbunden werden

3. Niveau, welches sich rechnerisch aus dem Gesamtgewicht der eingebauten Steine innerhalb einer definierten

Einbaufläche ergibt


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Bestimmung des Referenzniveaus einer Lage Wasserbausteine

Bild 2: Unterschiedliche Referenzniveaus und zugehörige Schichtstärke (Quelle: The Rock Manual, 2007)

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Bestimmung des Referenzniveaus einer Lage Wasserbausteine

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Untersuchungen zu Einbau- und Vermessungsgenauigkeiten beim Bau des Hafengebietes Maasvlakte 2 in Rotterdam

20/135 mm

5-70 kg

150-800 kg

1-10 t

Bau eines Testfeldes, im Trockenen mittels Hydraulikbagger angelegt.

Nach der Vermessung der eingebauten Steine im Trockenen wurde das Feld geflutet und anschließend mit

Singlebeam- und Multibeam-Echoloten erneut vermessen.

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Untersuchungen zu Einbau- und Vermessungsgenauigkeiten beim Bau des Hafengebietes Maasvlakte 2 in Rotterdam

Anschließend wurden Peilungen von wasserseitig mittels Steinstürzer eingebauten

Steinlagen der gleichen Steinklassen mit den Ergebnissen des Testfeldes verglichen.

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Anmerkung: Material eingebaut mit Steinstürzer (SSDV).

Die folgenden Schlussfolgerungen konnten aus den Tests für den Einbau mittels Steinstürzer gezogen werden:

- Die international publizierten Einbaugenauigkeiten für Korngemisch sowie leichte Steinklassen sind nur mit

einem gewissen Aufwand für Nachprofilierungsarbeiten (und den entsprechenden Kosten) erreichbar,

- Die international publizierten Referenzwerte für Einbaugenauigkeiten für schwere Steinklassen sind auch ohne

Nachprofilierungsarbeiten erreichbar,

- Die Einbaugenauigkeiten gemäß ZTV-W sind selbst mit einem „normalen“ Profilierungsaufwand nicht

erreichbar! Hieraus lässt sich ableiten, dass dies nicht nur für den Einbau mittels Steinstürzern gilt, sondern

auch für den kontrollierteren Einbau mittels Hydraulikbagger / Seilgreifer.


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Vergleich der Erfahrungswerte vom Bau der Maasvlakte 2 mit den internationalen Regelwerken

Steinklasse

MV 2

Dn50

[m]

Erreichte Einbau-

genauigkeit MV 2

Unprofiliert Profiliert

Einbaugenauigkeit

nach IADC 2001 +

Rock Manual 2007

Schlussfolgerung / Anmerkung Geforderte Einbau-

genauigkeit gemäß

ZTV-W

20 / 135 mm 0.045 / +/- 0.13 m

(2,8*Dn50)

+/- 0.20 m

(4,4*Dn50)

Einbaugenauigkeit vor Nach-

profilierung nicht gemessen.

+/- 0.10 m

(2,2*Dn50)

5 – 70 kg 0.220 +/- 0.38 m

(1,7*Dn50)

+/- 0.13 m

(0,6*Dn50)

+/- 0.22 m

(1,0*Dn50)

Publizierte Werte werden nur

durch Nachprofilierung erreicht.

+/- 0.10 m

(0,5*Dn50)

150 – 800 kg 0.610 +/- 0.54 m

(0,9*Dn50)

+/- 0.33 m

(0,5*Dn50)

+/- 0.61 m

(1,0*Dn50)

Publizierte Werte werden ohne

Nachprofilierung erreicht.

+/- 0.10 m

(0,2*Dn50)

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Bewertung der deutschen Richtlinie ZTV-W

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Die vorstehend dargestellten Fakten werden nachfolgend mit Daten von Projekten die in den vergangenen Jahren

innerhalb Deutschlands ausgeführt wurden bzw. werden, verglichen:


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Bewertung der deutschen Richtlinie ZTV-W

Projekt Verarbeitete

Steinklasse

Dn50(EN 13383)

Festgelegtes Toleranzmaß

(Einbaugenauigkeit)

Einbaugenauigkeit

gemäß

Rock Manual / IADC

Anmerkung

Minsener Oog, 2010

(Wassertiefe bis 17 m)

LMB 5/40

LMB 10/60

0,17 m

0,21 m

+/- 0,10 m, gemäß

Vertrag (ZTV-W)

0,59*Dn50

0,48*Dn50

+/- 1,0*Dn50

+/- 1,0*Dn50

ZTV-W um ca. Faktor 2

geringer als international

anerkannt

Ufersicherungskonzept

Altenbruch, Otterndorf,

2011-2012

LMB 40/300 0,36 m +/- 0,10 m, gemäß

Vertrag (ZTV-W)

0,28*Dn50 +/- 1,0*Dn50 ZTV-W nahezu um Faktor

4 geringer als

international anerkannt

Südkaje Helgoland, 2013-

2016

LMB 5/40 0,17 m +0,20m / -0,10m,

gemäß Vertrag

0,59*Dn50 +/- 1,0*Dn50 OK Steinlage erscheint

nach Verguss zu hoch

Böschungssicherung

Tollerort, Hamburg, 2016

(Wassertiefe bis 17 m)

LMB 10/60 0,21 m + 0,40 / - 0,00 m

gemäß Vertrag

(LV)

1,90*Dn50 +/- 1,0*Dn50 Absolutes Toleranzmaß

höher als Referenzwert,

jedoch lediglich unter-

halb des Soll-Profils

Wellenbrecher-System

Helgoland, 2016-2017

HMB 3.000/6.000 1,18 m +/- 0,75 m, gemäß

Vereinbarung AG

- AN

0,64*Dn50 +/- 0,8*Dn50 Vereinbartes Toleranz-

maß etwas geringer als

international anerkannt

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Nassbaggerarbeiten im Küstenbereich

Die VOB/C ATV Nassbaggerarbeiten DIN 18311 enthält keine Angaben bzgl. Ausführungsgenauigkeiten

Deutsches Referenzwerk ist die EAU. Die hier angegebenen Ausführungsgenauigkeiten für

Nassbaggerarbeiten wurden mit der EAU 2004 an die international anerkannten Werte angeglichen.

Sofern die Empfehlungen der EAU bei der Vertragsgestaltung eingehalten werden, sind die

Ausführungsgenauigkeiten / Toleranzen im für Auftragnehmer vertretbaren Rahmen, d.h. mit vertretbarem

Profilierungsaufwand zu erreichen.

Nassbaggerarbeiten im Binnenbereich

Wie vor.

Durch die Vergabestellen werden die Anforderungen durch individuelle Vertragsbedingungen auf ein kaum

realisierbares Maß in die Höhe getrieben.

Es wird empfohlen, (weiterhin) die Referenzwerte der EAU inklusive der angegebenen Zuschläge für die

jeweiligen lokalen Baustellenverhältnisse (Wassertiefe, Strömung, ungeschützte Gewässer) als

Grundlage für die Vorgabe von Ausführungsgenauigkeiten (Toleranzen) zu verwenden.


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Fazit und Empfehlung

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Fazit und Empfehlung

Steineinbauarbeiten

Die international anerkannten Referenzwerte für Einbaugenauigkeiten beziehen sich auf den nominalen

Steindurchmesser Dn50 der jeweiligen Steinklassen, dagegen enthält die ZTV-W lediglich eine allgemeine

Toleranzvorgabe – es wird keine Differenzierung hinsichtlich unterschiedlicher Steinklassen vorgenommen.

Der Vergleich mit den internationalen Regelwerken und den Erfahrungen in der Praxis zeigt, dass die

„vereinfachte“ Festlegung der ZTV-W weder dem Vergleich mit der Realität standhält, noch den international

anerkannten Referenzwerten entspricht.

In der Konsequenz müssten nahezu sämtliche Ausschreibungen, deren Vorgaben zu Einbautoleranzen auf der

ZTV-W basieren, von den jeweiligen Bietern gerügt werden, um ausführungstechnisch realisierbare Toleranzen

als Vertragsgrundlage zu erreichen.

Es wird empfohlen, die ZTV-W zu überarbeiten. Dies sollte in enger Abstimmung zwischen BAW, HTG,

AK 17 und der VdN erfolgen. Die Überarbeitung könnte auf Basis einer Diskussion der internationalen

Referenzwerte erfolgen, zudem könnte durch ähnliche Untersuchungen wie beim Projekt MV2 eine

allgemein anerkannte Grundlage für technisch umsetzbare Toleranzvorgaben geschaffen werden.

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