Hydraulische Wirksamkeit und Seegangsbelastung senkrechter Wellenschutzbauwerke mit durchlässiger Front

Bergmann, Hendrik

Die weltweite Entwicklung im Schiffsverkehr erfordert zunehmend größere Wassertiefen in Häfen. Hierfür stellen geschüttete Wellenbrecher - bei denen das Bauvolumen überproportional mit Zunahme der Wassertiefe ansteigt - häufig unwirtschaftliche Lösungen dar, so dass vermehrt vertikale Strukturen eingesetzt werden. Ein Nachteil dieser Bauwerke ist jedoch die ausgeprägte Reflexion des Seegangs an der Bauwerksfront, wodurch das Wellenfeld vor der Struktur aufgesteilt wird und extreme dynamische Bauwerkslasten induziert werden. Neuartige Bauwerke mit durchlässiger Front sind gut geeignet, die Reflexionseigenschaften vertikaler Strukturen zu verbessern. Die Kombination einer oder mehrerer durchlässiger Wände unterschiedlicher Porosität zu einem Kammersystem ermöglicht eine Maximierung der Wellendämpfung. Ein solches Wellenschutzbauwerk funktioniert dabei ähnlich 'schallschluckender' Wandelemente in der Bauakustik. Anhand durchgeführter großmaßstäblicher Versuche im hydraulischen Modell werden neue relevante Erkenntnisse hinsichtlich der hydraulischen Wirksamkeit und der Wellenbelastung solcher Strukturen abgeleitet und verbesserte Grundlagen für deren sichere und wirtschaftliche Bemessung vorgestellt. Für durchlässige Einzelwände werden Berechnungsansätze zur Ermittlung der Wasserspiegelauslenkungen, der Druckverteilung und der hydraulischen Wirksamkeit entwickelt, die zu sehr guten Ergebnissen führen. Darüber hinaus werden die an der Wellendämpfung in Kammersystemen beteiligten Mechanismen analysiert, deren Kenntnis als Basis für zukünftige Untersuchungen von hoher Bedeutung ist. Kammersysteme bewirken durch die Zerlegung der Wellen an den einzelnen Wänden des Bauwerks (u.a.) eine starke Verbesserung der Reflexionseigenschaften und eine Reduzierung der Bauwerkslasten. Mehrkammersysteme sind zudem aufgrund der geringen Selektivität gegenüber der Frequenz des einlaufenden Seegangs den Einkammersystemen überlegen.

The world wide demand for larger, more economic container ships necessitates a sufficient nautical depth in harbour basins. For this purpose, the traditional rubble mound breakwater often does not provide economic solutions, so that monolithic vertical structures have to be considered. The main disadvantage of this structure type are high reflections of the incoming waves at the vertical impermeable front face, causing a partial standing wave field of high steepness (navigation aspects) and strong dynamic wave forces acting on the structure itself. New innovative breakwaters with a permeable structure front allow for a significant improvement of the reflection properties. The damping effect of wave chambers was originally adapted from the field of acoustics. Chambered structures consisting of several permeable vertical walls of varying porosity are capable of eliminating the wave transmission and result in maximum wave damping, if properly designed. On the basis of a comprehensive large scale test programme, new findings related to the hydraulic performance and mechanism as well as to the wave loads are presented in this study. For single perforated walls new approaches regarding the calculation of water surface elevations, the hydraulic performance and of the wave induced pressure distribution at the structure itself are evolved and show excellent agreement with the measurements. Moreover, the main mechanisms of wave damping in chamber systems are investigated, which provide a sound basis for future research. Chamber systems show very good reflection properties and a strong reduction of the simultaneous overall forces due to the decomposition of the incoming waves at the different permeable walls involved. Furthermore, multi chamber systems work almost non selective against the wave frequency and show stronger wave damping compared to one chamber systems. They should, therefore, be considered for port design, when sufficient operating time must be guaranteed.

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Bergmann, Hendrik: Hydraulische Wirksamkeit und Seegangsbelastung senkrechter Wellenschutzbauwerke mit durchlässiger Front. 2000.

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