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Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken 1

Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken

Fabian Gier, Jens Mönnich, Holger Schüttrumpf und Jentsje van der Meer

Abstract

Revetments protect the shorelines of coasts, estuaries and rivers against wind wave, ship

wave, current and ice attack. The resistance of revetments essentially depends on the

properties of the cover layer. The resistance of interlocked pattern placed revetments depends on the weight of the individual stones and the interlocking. Extensive large scale model tests were performed to assess the hydraulic stability of interlocked pattern placed revetments. The experimental results show a significant increase in hydraulic stability due to interlocking compared to traditional revetment elements.

Zusammenfassung Deckwerke schützen die Ufer von Küsten, Ästuaren und Flüssen gegen die Belastungen durch Wind- und Schiffswellen, Strömungen und Eis. Die Widerstandsfähigkeit von Deckwerken hängt im Wesentlichen von den Eigenschaften der äußeren Deckschicht ab. Die Widerstandsfähigkeit wird bei verzahnten Setzsteindeckwerken einerseits durch das Eigengewicht, andererseits durch die Verzahnung der einzelnen Steine untereinander gewährleistet. Um die hydraulische Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken im Vergleich zu herkömmlichen Setzsteindeckwerken zu ermitteln, wurden umfangreiche großmaßstäbliche Modellversuche durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen zeigen einen deutlichen Mehrgewinn an hydraulischer Stabilität aufgrund der Verzahnung im Vergleich zu herkömmlichen Deckwerksteinen ohne Verzahnung.

1 Allgemeines Deckwerke (Abb. 1) aus Schütt- oder Setzsteinen werden seit vielen Jahrzehnten weltweit an Küsten, Ästuaren und Flüssen eingesetzt. Geht man davon aus, dass jeder Seeund Ästuardeich der ersten Deichlinie über ein Deckwerk verfügt, so schützen allein in Deutschland mehr als 1400 km Deckwerke die Deiche (Schüttrumpf, 2001) und Ufer der Hauptdeichlinie vor den Zerstörungen durch Wellen, Strömungen und Eis. Zusätzlich gibt es mehrere tausend Kilometer Deckwerke an Flüssen und Kanälen. Diese Zahlen zeigen die Bedeutung von Deckwerken für den Ufer- und Küstenschutz. Die Widerstandsfähigkeit dieser Deckwerke gegen Strömungen, Windwellen- oder Schiffswellenbelastung ist im Wesentlichen aufgrund ihres Eigengewichts sowie ggf. der zusätzlichen Wirkung einer Verzahnung, einer Verklammerung oder eines Vergusses gegeben.

2 F. Gier, J. Mönnich, H. Schüttrumpf und J. van der Meer Abb. 1: Deckwerke im Küstenschutz Verzahnte Deckwerke (PIANC, 2011a) (Abb. 2) stellen eine Untergruppe im Bereich der Setzsteindeckwerke dar. Die einzelnen Steine verzahnter Deckwerke werden z. B.

durch einen Horizontal-, Vertikal- oder Doppelverbund kraftschlüssig verbunden (EAK, 1993). Hieraus resultiert eine im Vergleich zu herkömmlichen Setzsteindeckwerken erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Wellenbelastung.

Verzahnte Deckwerke werden schon seit Jahrzehnten an wellen- und strömungsbelasteten Ufern und Küsten eingesetzt. Dennoch gibt es keine speziellen Bemessungsansätze und -verfahren für verzahnte Deckwerke im nationalen und internationalen Schrifttum.

Experimentelle Untersuchungen zu verzahnten Deckwerken wurden bislang nur von Wouters (1991) und den Autoren dieser Studie durchgeführt. Beide Untersuchungen hatten zum Ziel, die Widerstandsfähigkeit der Deckwerksteine bei Wellenbelastung zu ermitteln.

Abb. 2: Deckwerk aus verzahnten Setzsteinen (Quelle: Berding-Beton GmbH) Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken 3 Daher besteht ein hoher Forschungsbedarf zur Bestimmung von Bemessungsansätzen

und -empfehlungen für verzahnte Deckwerke. Bemessungsansätze für verzahnte Deckwerke sind aus folgenden Gründen dringend erforderlich:

 zuverlässige Bestimmung der Sicherheit von verzahnten Setzsteindeckwerken  zuverlässige Bemessung und Dimensionierung von Deckwerken aus verzahnten Setzsteinen  Ermittlung des Mehrgewinns an Stabilität durch verzahnte Deckwerke im Vergleich zu herkömmlichen Setzsteindeckwerken

Auf dieser Grundlage können dann die folgenden Aspekte untersucht werden:

 Reduktion von Bau- und Materialkosten im Vergleich zu traditionellen Setzsteindeckwerken  konstruktive Optimierung von verzahnten Setzsteinen Daher wurden umfangreiche großmaßstäbliche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um Bemessungsansätze für verzahnte Deckwerksteine zu ermitteln. In Abschnitt 2 wird der Forschungsbedarf für verzahnte Deckwerksteine hergeleitet. Abschnitt 3 umfasst eine Beschreibung des Versuchsaufbaus und des Versuchsprogramms und Abschnitt 4 die wesentlichen Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen.

2 Anforderungen an verzahnte Deckwerke und Herleitung des Untersuchungsbedarfs (a) Anforderungen an Deckwerke Die Funktion eines Deckwerksaufbaus liegt im verlässlichen Schutz der Böschung gegenüber den maßgebenden Belastungsarten (Wellen, Strömungen, Wasserstandsschwankungen, Eis, Schiffsstoß). Aus Gründen der Funktionalität müssen daher die folgenden Anforderungen an den Deckwerksaufbau gestellt werden (Hansen, 1985;

PIANC, 2011a):

 ausreichende Widerstandsfähigkeit des Deckwerks gegen auftretende äußere Wellenbelastung (z. B. Druckschlagbelastung),  ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen welleninduzierten Auftrieb, verursacht durch einen kurzzeitigen höheren Wasserspiegel im Deichkörper als auf der Luftseite der Böschung (Wellenablauf),  ausreichende Sicherheit vor Ausschwemmen bzw. Erosion des Kornfilters sowie der tiefergelegenen Bodenschichten,  Vermeidung von Liquefaktion im Deckwerksunterbau, 4 F. Gier, J. Mönnich, H. Schüttrumpf und J. van der Meer  Anpassungsfähigkeit des Deckwerksaufbaus an mögliche Setzungen im Baugrund und  Aufrechterhaltung einer Restwiderstandsfähigkeit nach einer aufgetretenen Beschädigung wie z. B. Eisgang, Schiffstoß oder Vandalismus, um ausreichend Zeit für Instandsetzungsmaßnahmen zur Verfügung zu haben.





Heutzutage werden neben den erwähnten wasserbaulichen Aspekten zunehmend auch ökonomische und ökologische Anforderungen (PIANC, 2011b) an Deckwerke gestellt.

Deckwerke sollen sowohl im Neubau wie auch in der Unterhaltung kostengünstig sein.

Hieraus ergibt sich die Forderung nach einer Kostenminimierung über die Lebenszeit eines Deckwerks.

Weiterhin sollen Deckwerke ökologisch wertvoll sein, d. h. einen geeigneten Lebensraum für Pflanzen und Tiere bilden. Hieraus ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die Porosität und die Oberflächenstruktur von Deckwerken (Abb. 3).

Abb. 3: Beginnende Begrünung eines Deckwerks ca. 1 Jahr nach Verlegung (Quelle: Berding-Beton GmbH) (b) Deckwerkstypen Deckwerke können anhand des verwendeten Materials der Deckschicht, der Durchlässigkeit, der Art der Verlegung sowie des Verbunds zwischen den einzelnen Steinen entsprechend Tab. 1 in verschiedene Deckwerkstypen unterteilt werden. Die verschiedenen Deckwerkstypen stehen teilweise in Konkurrenz zueinander, teilweise ist aufgrund ortsspezifischer Randbedingungen die Wahl des möglichen Deckwerkstyps bereits sehr eingeschränkt. Steht z. B. die Reduktion der Wellenreflexion im Vordergrund, so sollte ein energiedämpfender Deckwerksaufbau mit geringer Wellenreflexion und hoher Wellendissipation gewählt werden. Sind dagegen städteplanerische Aspekte von Bedeutung wie z. B. die Befahrbarkeit oder Begehbarkeit des Deckwerks, so empfiehlt sich ein geschlossenes Deckwerk aus Setzsteinen mit glatter Oberfläche.

Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken 5 Im Fokus der vorliegenden Untersuchung stehen verzahnte Setzsteindeckwerke aus Beton mit glatter bzw. rauer Oberfläche.

(c) Stabilität der Deckschicht von Setzsteindeckwerken Setzsteindeckwerke stellen den angreifenden Wellen aufgrund ihres Eigengewichts einen Widerstand entgegen. Dieser Widerstand wurde in der Vergangenheit für verschiedene Typen von Deckwerksteinen umfassend untersucht und in Bemessungsansätzen zusammengefasst (z. B. Rijkswaterstaat, 1998; Pilarczyk, 1992; Klein Breteler und Bezuijen, 1992; Burger et al., 1989).

Tab. 1: Typ der Deckschicht

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Die hydraulische Bemessung von Deckwerken findet in Deutschland derzeit entweder auf der Grundlage der EAK (2003), der EAU (2004) sowie des GBB (2010) statt und greift z. B. in Hinblick auf die Stabilität von Schüttsteindeckwerken auf die bekannten Bemessungsverfahren von Hudson (1959) oder Van der Meer (1988) zurück, für Setzsteindeckwerke wird auf die Arbeiten von Klein Breteler und Bezuijen (1992) oder Pilarczyk (1992) verwiesen. In vielen Fällen wird in der Praxis aber sogar auf eine Bemessung verzichtet und das Gewicht der Deckwerksteine wird aus Erfahrung ausgewählt. Diese Vorgehensweise führt aufgrund häufiger Deckwerksschäden und großer Unsicherheiten zu hohen Unterhaltungskosten.

Experimentelle Untersuchungen zu verzahnten Deckwerken wurden bislang nur von Wouters (1991) im kleinmaßstäblichen Modell durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die Widerstandsfähigkeit spezieller Deckwerksteine mit Verzahnung 6 F. Gier, J. Mönnich, H. Schüttrumpf und J. van der Meer gegen dynamische Wellenbelastung zu ermitteln. Aufgrund des verwendeten Maßstabs von Wouters und der damit verbundenen Unsicherheiten in Bezug auf die Strömungsprozesse im Boden ist eine Übertragbarkeit auf Naturverhältnisse nicht gegeben. Systematische und übertragbare Untersuchungen zur Wirkung der Verzahnung auf die Stabilität eines Deckwerks gegen dynamische Wellenbelastung wurden bislang nicht durchgeführt. Daher empfiehlt z. B. PIANC (2011a) in dem in Kürze erscheinenden Bericht der Expertengruppe MarCom WG57 grundlegende und systematische Untersuchungen für verzahnte Deckwerke.

(d) Stabilität des Unterbaus von Deckwerken Neben der hydraulischen Bemessung der Deckschicht sind aber auch die dynamischen Prozesse im Unterbau eines Deckwerks aufgrund der Wechselwirkung zwischen den dynamischen Porenwasserdrücken und dem Aufbau des Kornfilters, des Geotextils sowie des Sandkerns zu berücksichtigen und in Hinblick auf mögliche Versagensmechanismen zu beurteilen. Aufgrund der dynamischen Porenwasserdrücke kann es hier zu Liquefaktion (Verflüssigung) bzw. zu Bodenumlagerungen (z. B. Auswaschungen) kommen. Untersuchungen zu welleninduzierten Porenwasserdrücken im Unterbau von Deckwerken wurden z. B. von Rijkswaterstaat (1990), Bezuijen et al. (1986), Bezuijen et al. (1990) und Burger et al. (1989) durchgeführt.

Untersuchungen zum Einfluss verzahnter Deckwerke auf die Porenwasserdrücke im Untergrund eines Deckwerks und damit auf die Lagestabilität wurden von Wouters (1991) nicht durchgeführt. Daher ist unklar, inwieweit verfügbare Untersuchungen zu Porenwasserdrücken für Setzsteindeckwerke ohne Verzahnung auf Setzsteindeckwerke mit Verzahnung übertragbar sind. Für die Stabilität von Setzsteindeckwerken mit Verzahnung ist die Beantwortung dieser Frage auf der Grundlage großmaßstäblicher Versuchsergebnisse von zentraler Bedeutung, da u. U. zwar die Deckschicht aufgrund der Verzahnung eine ausreichende Standsicherheit besitzt, das Deckwerk aber aufgrund porenwasserdruckinduzierter Umlagerungen im Unterbau oder aufgrund von Liquefaktion versagt. Bestehende Ansätze für traditionelle Setzsteindeckwerke können daher nicht auf verzahnte Deckwerksteine übertragen werden.

(e) Untersuchungsbedarf für verzahnte Deckwerke

Aus der Literaturzusammenstellung und -auswertung wurde der folgende Untersuchungsbedarf für verzahnte Deckwerke abgeleitet:

 Es gibt nur wenige experimentelle Untersuchungen zur Wirkungsweise von verzahnten Deckwerksteinen. Allgemeine Bemessungsansätze existieren im nationalen und internationalen Schrifttum bislang nicht.

 Die hydraulische Stabilität von verzahnten Deckwerksteinen ist nicht ausreichend bekannt.

Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität von verzahnten Setzsteindeckwerken 7  Die Wirkung eines Nut-Feder-Systems in Hinblick auf die Verbundwirkung von verzahnten Deckwerksteinen und insbesondere auf die Gewölbewirkung kann bislang nur abgeschätzt werden.



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