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Anlage 2 Technische Baubestimmung

1. Allgemeines

Die Richtlinie bezieht sich auf Hochwässerschutzwände, Flutschutzanlagen und Uferbauwerke im Tideeinfluss der Elbe.

Hochwasserschutzwände, Flutschutzanlagen und Uferbauwerke werden durch unterschiedliche Einwirkungen beansprucht. Die Ansätze der technischen Normen, insbesondere der EAU, werden in den vorliegenden Bemessungsansätzen für den Bereich der Freien und Hansestadt Hamburg spezifiziert.

Basis sind umfangreiche Messreihen und gutachterliche Auswertungen der in Hamburg vorliegenden Verhältnisse. Sollten die örtlichen Verhältnisse stark von den vorausgesetzten Randbedingungen abweichen, so sind die notwendigen Untersuchungen durchzuführen und zutreffende Anforderungen zu stellen.

Die Bemessung ist nach dem Teilsicherheitskonzept gem. Handbuch EC7-1 bzw. EAU 2012 durchzuführen.

1.1 Begriffe und Definitionen

2. Sollhöhenermittlung für Hochwasserschutzwände und Flutschutzanlagen

2.1 Prinzip der Sollhöhenermittlung

Die Sollhöhe ist bereichsweise aus örtlich unterschiedlichen Faktoren abzuleiten und über den Verlauf von HWS-Anlagen somit nicht zwingend höhengleich.

2.2 Grundlagen der Sollhöhenermittlung

2.2.1 Bemessungswasserstand (BW)

Die Bemessungswasserstände sind der Anlage 1 zu entnehmen.

Die in der Anlage 1 angegebenen Bemessungswasserstände unterteilen sich in Bemessungswasserstände für Bauwerke mit geplanten Lebensdauern bis zu 50 Jahren bzw. von mehr als 50 Jahren.

2.2.2 Wellenklima

Das Wellenklima wurde für die Elbe in Hamburg unter Sturmflutbedingungen und eingetretenem Bemessungswasserstand für ein Windspektrum 220° bis 300° einschließlich Übergangsbereich und eine Windgeschwindigkeit von 20 m/s (8 bis 9 Bft.) bis zu den Elbbrücken bzw. 17 m/s ostwärts der Elbbrücken mittels Modellberechnungen simuliert.

Topographische Einflüsse auf den örtlichen Seegang:

2.2.3 Freibord

Die Freibordhöhe bezeichnet den Abstand vom Bemessungswasserstand zur Oberkante der HWS- Anlage. Dabei wird zwischen Luv- und Lee-Lagen unterschieden. Die Luv-Lagen umfassen die dem Windspektrum (220° bis 300°) zugewandten Seiten einschließlich eines Übergangsbereiches. Die Lee-Lagen umfassen die übrigen windabgewandten Seiten.

In den Lee-Lagen ist ein Mindestfreibord anzusetzen.

In den Luv-Lagen ist die Freibordhöhe in Abhängigkeit vom Wellenklima entweder

• mit dem probabilistischen Ansatz des EurOtop-Verfahrens [KFKI, 2007] oder
• mit Anlage 2 "Nomogramm zur Bestimmung des Wellenüberschlags an HWS-Wänden"

zu ermitteln. Die Randbedingungen hierzu sind mit der zuständigen Dienststelle vorab zu klären.

Der Bemessungswert für die Wellenüberschlagsrate beträgt q_T = 0,5 l/m s für die ungünstigste Windrichtung eines HWS-Abschnittes.

3. Maßgebende Wasserstände

3.1 Hoch- und Niedrigwasser

Tabelle 1: Maßgebende Wasserstände

• BW: siehe Anlage 1: Bemessungswasserstände (BW) im Hamburger Hafen, gültig ab 2013
• Die Innenwasserstände sind Mindestwerte, die einen ausreichenden Grundwasserabfluss voraussetzen. Sie sind insbesondere bei dichtenden Weichschichten im Rahmen von geotechnischen Gutachten zu überprüfen. Dabei sollten vorrangig Pegelmessungen zu Grunde gelegt werden.
• In allen Sunk-Bemessungssituationen ist der Innenwasserstand mindestens 1,0 m über der Oberkante der Weichschicht anzusetzen.
• Bei Anordnung von Drainagen darf der Innenwasserstand in der bei der Drainagebemessung nachgewiesenen Höhe, jedoch nicht tiefer als NN + 2,00 m, angesetzt werden. Im öffentlichen Hochwasserschutz werden Drainagen grundsätzlich nicht angesetzt.
• Es ist zu prüfen, ob höhere Außenwasserstände insbesondere bei Wänden in Böschungen zu statisch ungünstigeren Bemessungswerten führen.

3.2 Ablaufendes Hochwasser - Bemessungssituation Sunk 3 mit beschränkter Versickerung

Die Ansatzwerte des Abschnittes 3.2 gelten für:

• HWS-Wandbereiche, in denen die Wellenüberschlagsrate q_T < 0,5 l/(s·m) beträgt

3.2.1 Freie Fußumströmung (x > 1,50 m )

Der Abstand x zwischen Wandfuß und Oberkante der dichtenden Schicht muss im Mittel mindestens 1,50 m betragen. Bei gestaffeltem Wandfuß ist ein Abflussquerschnitt von mindestens 1,5 m²/m Wand einzuhalten.

Tabelle 2: Bemessungssituation Sunk 3 mit freier Fußumströmung und beschränkter Versickerung

• Innenwasserstand nicht höher als GOK
  

3.2.2 Behinderte Fußumströmung (x < 1,50 m)

Tabelle 3: Lastfall Sunk 3 mit behinderter Fußumströmung und beschränkter Versickerung

• Innenwasserstand nicht höher als GOK
  

3.3 Ablaufendes Hochwasser -

Bemessungssituation Sunk 3 mit ungehinderter Versickerung

Die Ansatzwerte des Abschnittes 3.3 gelten für:

• Überflutete Uferbauwerke

3.3.1 Freie Fußumströmung (x > 1,50 m)

Der Abstand x zwischen Wandfuß und Oberkante der dichtenden Schicht muss im Mittel mindestens 1,50 m betragen. Bei gestaffeltem Wandfuß ist ein Abflussquerschnitt von mindestens 1,5 m²/m Wand einzuhalten.

Tabelle 4: Bemessungssituation Sunk 3 mit freier Fußumströmung und ungehinderter Versickerung

• Innenwasserstand nicht höher als GOK
  

3.3.2 Behinderte Fußumströmung (x < 1,50 m)

Tabelle 5: Bemessungssituation Sunk 3 mit behinderter Fußumströmung und ungehinderter Versickerung

• Innenwasserstand nicht höher als GOK
  

4. Wasserüberdruck und Raumgewichtsänderungen

Die Form der Wasserüberdruckflächen und die anzusetzenden Wichteänderungen sind in den hydraulischen Falldefinitionen der Anlage 3 angegeben. Der Abbau des Wasserüberdruckes wird durch die Änderung der Wichte mit der

mit dem Näherungsansatz nach BENT HANSEN berücksichtigt, vergl. dazu EAU 2004 (E 114). Im homogenen Boden ist die Wichteänderung im gesamten Gleitkörper anzusetzen.

Bei mehr als einer dichtenden Schicht bzw. bei unterschiedlichen Schichtdicken auf der aktiven und passiven Seite ist die Wirkung der einzelnen Schichten gemäß EAU 2012 (E 114) zu überlagern.

5. Wellendruck

Die Wellendruckbelastung ist für 2 Wellentypen zu ermitteln:

• stehende Welle bzw. bereits gebrochene Welle
• ggf. Sturzbrecher (Sturzbrecher-Prüfung siehe Anlage 7)

Sofern keine genauere Ermittlung der Wellendruckbelastung (insbesondere bei Wellenhöhen < 0,4m) geführt wird, sind folgende Ersatzlasten anzusetzen:

5.1 Stehende bzw. gebrochene Welle

Lee-Lagen: Halber Tabellenwert der Wellenlast Zeile 1, Tabelle 6

Luv-Lagen:

Tabelle 6: Wellenersatzlast für stehende bzw. bereits gebrochene Welle

5.2 Sturzbrecher

Tabelle 7: Wellenersatzlast für Sturzbrecher

Stoßfaktor Φ für Sturzbrecherlasten:

• Wände mit nachgiebiger Stützung im Erdkörperbereich (z.B. frei auskragende Wände bzw. tiefer als 1,50 m unter GOK abgestützte Wände):
  Φ = 1,2 für alle Nachweise oberhalb 1,50 m unter GOK
  Φ = 0,8 für alle Nachweise tiefer als 1,50 m unter GOK
• Wände mit starrer Stützung (z.B. Betonwände auf Kaianlagen bzw. höher als 1,50 m unter GOK abgestützte Wände):
  Φ = 1,4 für alle Nachweise oberhalb 1,50 m unter GOK
  Φ = 1,0 für alle Nachweise tiefer als 1,50 m unter GOK

5.3 Belastung von Teilflächen

Zur Ermittlung des Wellendruckes auf Teilflächen nach Abb.1 werden nachfolgend Formeln zur Ermittlung der Wellendruckordinaten p₁, p₂, p₃ angegeben:

Abb. 1: Allgemeiner Druckansatz für Wellenbelastung senkrechter Wände

Die Druckfigur vor der HWS- Wand ist zur Ermittlung der Wellendruckordinaten auf eine wirksame Tiefe bis max. d = 6,00 m zu begrenzen.

Die Parameter χ₁, χ₂ sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen.

Tab. 8: Parameter zur Beschreibung der Druckverteilungsfigur

6. Berechnungsansätze für Überlaufabweiser und vertikale Wanderhöhungen

Der Überlaufabweiser ist ein 40 cm hohes und im 45° Winkel geneigtes Stahlblech an der HWSWandoberkante. Hinsichtlich Anwendungsbereich sowie Auswirkung auf die Wellenüberlaufrate und Belastung wird auf Anlage 4 verwiesen.

Vertikale Wanderhöhungen sind gem. 2.2.3 sowie der Teilflächenbelastung entsprechend Abschnitt 5.3 zu bemessen.

7. Eisdruck, Zug durch Schutenhalter, Pollerzug, Treibgutstoß

7.1 Eisdruck

Der Eisdruck (Bemessungssituation - A) ist statisch in ungünstigster Höhe zwischen NN - 2,00 m und NN + 5,00 m mit einer Linienersatzlast von 30 kN/m anzusetzen.

7.2 Zug durch Schutenhalter

F = 100 kN (Bemessungssituation - P) charakteristische Last

7.3 Pollerzug

Pollerzug ist anzusetzen, wenn entsprechende Einrichtungen vorgesehen sind. Die Größe des anzusetzenden Pollerzuges kann nach EAU 2012, Tab. E 12-1, erfolgen (Bemessungssituation - T).

7.4 Treibgutstoß

Als charakteristische Ersatzlast für anprallendes Treibgut sind anzusetzen (Luvseiten):

Bei entsprechenden Nachweisen kann eine günstigere Lastverteilung angesetzt werden. Die Lastangriffsfläche ist jeweils mit 0,5 m x 0,5 m mit Schwerlinie in Höhe AW anzunehmen. Ein Stoßbeiwert ist nicht gesondert zu berücksichtigen. Im Bereich von Lee-Lagen ist Treibgutstoß nicht anzusetzen.

8. Verkehrslasten

Die charakteristische Verkehrsbelastung der landseitigen Flächen ist je nach Nutzung festzulegen, jedoch nicht kleiner als 10 KN/m². Je nach Randbedingungen ist ggf. eine Ersatzlast aus landseitigem Fahrzeuganprall zu berücksichtigen.

9. HWS - Tore

Für HWS-Tore sind - ergänzend zu den Abschnitten 5, 7 und 8 - die folgenden Berechnungsansätze zu Grunde zu legen:

• Als Stoßfaktor bei Sturzbrecherlasten ist Φ = 1,4 für Tore und Anschläge anzusetzen.
• Für den statischen Nachweis des Tores und der seitlichen Pfeiler ist als Treibgutstoß eine Ersatzlast von 30 kN auf einer Fläche von 0,5 m x 0,5 m an ungünstigster Stelle wirkend anzusetzen.
• Für den Nachweis des Drempels sind im Durchfahrtsbereich Radlasten aus Verkehr zu berücksichtigen.
• Bei großen Torbreiten sollte eine genauere Ermittlung der Wellendruckbelastung erfolgen.

10. Bemessungssituation und Sicherheiten

10.1 Bemessungssituation: Hochwasser

Tabelle 9: Bemessungssituation Hochwasser

10.2 Bemessungssituation: Niedrigwasser

Tabelle 10: Bemessungssituation Niedrigwasser

11. Hydraulische Nachweise

11.1 Hydraulischer Grundbruch

Nachweise sind gemäß EAU 2012 (E115) zu führen. Die Angaben des Baugrund- und Gründungsgutachtens sind zu berücksichtigen. Im Allgemeinen ist bei Einhaltung des in E 165, Kap. 12.7.4, geforderten Sickerweges eine ausreichende Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch eingehalten. Die EAU 2012 bezieht sich hierbei auf die Situation bei Hochwasser.

Bei HWS-Wänden an standsicheren Böschungen oder in deren Einflussbereich ist in den Sunklastfällen eine Sickerweglänge in Größe der 2,5-fachen Spiegeldifferenz ausreichend. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Böschungsoberfläche mit einer fachgerecht ausgebildeten, filterstabilen Abdeckung versehen ist.

11.2 Sicherheit gegen Aufbruch und Auftrieb

Maßgebend ist das Handbuch EC7-1.

11.3 Erosionssicherheit

Maßgebend sind EAU 2012 (E116) und (E165). Der Ansatz einer dichtenden Schicht gemäß EAU 2012 (E165), Punkt 12.7.4 ist nur möglich, wenn anhand von geeigneten Untergrundaufschlüssen (siehe Baugrund und -Gründungsgutachten) der erforderliche Nachweis einer durchgehend dichtenden Schicht von mindestens 0,5 m Stärke erbracht wird.

Sickerwege dürfen nicht angerechnet werden, wenn Hohlräume entstehen können.

Ansonsten ist der horizontale Sickerweg mit höchstens 50% seiner Länge zu berücksichtigen. Mindestens 50% des Sickerweges müssen vertikal verlaufen, bei HWS-Wänden an standsicheren Böschungen und in deren Einflussbereich gilt dies für die Bemessungssituation Hochwasser.

12. Standsicherheitsnachweise

Zum Nachweis der Standsicherheit eines Baukörpers (HWS- Wand) gehört auch der Nachweis von Bauwerken, die zur Stützung benötigt werden.

In Hinblick auf einzuschränkende Wandverformungen werden für die Sicherheitsnachweise zwei Fälle unterschieden:

13. Berechnungstiefe

Im Bereich von Seeschifffahrtsverkehr ist die Berechnungstiefe um 2,00 m tiefer anzusetzen als die für den jeweiligen Abschnitt geplante Hafensohle (Solltiefe). Hierin sind 0,50 m Baggertoleranz und 1,50 m Kolkzuschlag berücksichtigt. Im Bereich von Binnenschifffahrtsverkehr ist die Berechnungstiefe um 1,00 m tiefer anzusetzen als die für den jeweiligen Abschnitt geplante Hafensohle (Solltiefe). Hierin sind 0,50 m Baggertoleranz und 0,50 m Kolkzuschlag berücksichtigt. Für Wände in Böschungen und an Böschungen, deren landseitiger Abstand von der Böschungskante gleich oder weniger als 5,00 m beträgt, ist die Berechnungstiefe auf der Wasserseite der HWS-Wand mindestens 0,50 m tiefer anzusetzen als die tatsächliche Gelände- bzw. Böschungsoberkante. In der statischen Berechnung ist die wasserseitige Böschungsneigung entsprechend der vorhandenen bzw. geplanten Neigung zu berücksichtigen. Die Standsicherheit (z.B. Böschungsbruch) der Hafenböschung ist für alle relevanten Lastfälle nachzuweisen. Sind die vorgenannten Bedingungen nicht erfüllt oder ist eine dauerhafte Unterhaltung der Böschung nicht gewährleistet, dann gilt der Mindestansatz für die Berechnungssohle gemäß Bild 1. Wenn Leitungen parallel zur Wand vorhanden oder geplant sind, ist die Berechnungssohle mit der zuständigen Dienstelle abzustimmen. Es kann unter Umständen sinnvoll sein, für die Sickerwegsberechnungen andere Berechnungstiefen festzulegen, als für die statischen Berechnungen.

Bild 1: Mindestansatz der Berechnungssohle für Wände in und an Böschungen

14. Schrifttum

• EAU (2012): Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen Häfen und Wasserstraßen
• KFKI (Hrsg.); (2007): EurOtop Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures: Assessment Manual. Die Küste, Heft 73, Jahr 2007.

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Nomogramm zur Bestimmung der Freibordhöhe R_c [m] oder der Wellenüberschlagsrate q_t [i / ms] in Abhänggikeit von der Wellenhöhe Hds [m] und em Wellenangriffswinkel a.

qt = örtliche Wellenüberschlagsrate im Mittel über drei Stunden
Beispiel: vorgeg.: Hds = 0,4 m; a = 5° ; qt = 0,5 l/ms	→ ergibt auf der linken Seite eine Freibordhöhe Rc = 0,75 m
Beispiel: vorgeg.: Hds = 0,4 m; a = 5° ; Rc = 0,75 m	→ ergibt auf der rechten Seite eine Wellen überschlagsrate qt = 0,5 l/ms
Für große Wellenperioden Tp > 4,1 s erhöht sich die Wellenüberschlagsrate um den Faktor Tp / 4,1 s

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1. Hochwasser - Bemessungssituationen

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2. Niedrigwasser - Bemessungssituationen

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2. Niedrigwasser - Bemessungssituation (Fortsetzung)

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Definitionsskizze:

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a. für den aktiven Erddruck

Rammtiefe, auch von Füllbohlen, mindestens 4,0 m unter Berechnungssohle;
Rammtiefenzuschlag gem. EAU, E 56, jedoch

bei Volleinspannung: mindestens 0,50 m
(außer bei frei auskragenden Wänden mit H < 2,00m;
bei Teileinspannung: Mindestwert entsprechend dem Einspannungsgrad reduzieren;

Mindesteinbindetiefe bei Teileinspannung T = T_Frei + (T_Voll - T_Frei) · 0,50

Ermittlung von ΔΦ_k' : ΔΦ_k' = (400 · a) / H

Anmerkung:

Die Verbesserung der Bodenkennwerte für die Bemessung der Spundwand und der Verankerung dürfen nur für die Berechnungsebene I angesetzt werden.

b. für den passiven Erddruck

Ansatz gemäß EAU, E 215, Lastbild nach Bild 215-1, nicht Bild 215-2

c. für die Standsicherheit

Für den Nachweis der Geländebruchsicherheit und der tiefen Gleitfuge gelten die charakteristischen Werte der Böden Φ_k' und c_k'. Wird die Wand in Ebene I zur Berücksichtigung der Vernadelung des Bodenkörpers mit Pfählen mit dem Bodenverbesserungswert ΔΦ_k' dimensioniert ist der Ankerkraftanteil aus Erddruck um 15% zu erhöhen.

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Im Falle einer teil- bzw. eingespannten Wand ist die C-Kraft zu berücksichtigen (Vereinfachung: Ansatz in der BS-P als ständige Last).

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Nur bei folgenden Querschnitten können Sturzbrecher auftreten:

Zeichenerklärung:

GOK = Geländeoberkante = Vorlandhöhe vor der HWS-Wand [mNN]

d₁ = BW - GOK [m] Wassertiefe bei Bemessungswasserstand an der HWS-Wand

H* = Für die Sturzbrecher-Prüfung maßgebende Wellenhöhe nach Vorgabe der zuständigen Fachbehörde

B_b = Vorlandbreite [m]

α_ds = Wellenangriffswinkel an der HWS-Wand (siehe Wellendatenblatt)

StRw = Sturzbrecher-Rechenwasserstand

d₂ = StRw - GOK [m] Wassertiefe bei Sturzbrecher-Rechenwasserstand an der HWS-Wand; d₂ = H*/0,35

Ablaufdiagramm Sturzbrecher-Prüfung:

Verfahrensweise bei geneigtem Vorland:

Sollte wasserseitig der HWS-Wand das Vorland geneigt verlaufen, so ist jeweils für die höhere Geländeoberkante das Brecherkriterium anzuwenden, da bei höherer GOK mit der entsprechend geringeren Wassertiefe zuerst der Sturzbrecher auftritt, bei gleichzeitig ungünstigstem hydrostatischem Wasserüberdruck (höherer Wasserspiegel).

ENDE