Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren: Grundlagen, Entwurf und Bemessung, Beispiele

K. Bergmeister, J. Suda, J. Hübl, F. Rudolf-Miklau Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren

Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren Grundlagen, Entwurf und Bemessung, Beispiele

Konrad Bergmeister Jürgen Suda Johannes Hübl Florian Rudolf-Miklau

Autoren

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister Universita¨t fu¨r Bodenkultur Wien Institut fu¨r Konstruktiven Ingenieurbau Peter-Jordan-Straße 82 1190 Wien sterreich Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. Ju¨rgen Suda Universita¨t fu¨r Bodenkultur Wien Institut fu¨r Konstruktiven Ingenieurbau Peter-Jordan-Straße 82 1190 Wien sterreich

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Johannes Hu¨bl Universita¨t fu¨r Bodenkultur Wien Institut fu¨r Alpine Naturgefahren Department Bautechnik und Naturgefahren Peter-Jordan-Straße 82 1190 Wien sterreich Dipl.-Ing. Dr. Florian Rudolf-Miklau Bundesministerium fu¨r Land-, Forst-, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW) Marxergasse 2 1030 Wien sterreich

Titelfoto: Holzsperrenstaffel im Oselitzenbach (Gemeinde Hermagor, Ka¨rnten). Foto: Dr. Florian Rudolf-Miklau, Wien Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet u¨ber http://dnb.d-nb.de abrufbar. c 2009 Ernst & Sohn Verlag fu¨r Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin

Alle Rechte, insbesondere die der bersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache u¨bertragen oder u¨bersetzt werden. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprint, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden du¨rfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschu¨tzte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind. Umschlaggestaltung: Sonja Frank, Berlin Satz: hagedorn kommunikation GmbH, Viernheim Druck: betz-druck GmbH, Darmstadt Bindung: Litges & Dopf Buchbinderei GmbH, Heppenheim Printed in Germany ISBN 978-3- 433- 02945-9

Vorwort

V

Vorwort

Wildba¨che sind natu¨rliche Gewa¨sser im Gebirge mit streckenweise großem Gefa¨lle, die durch rasch ansteigende und kurze Zeit andauernde Abflu¨sse große Volumina von Feststoffen erodieren, transportieren und im Ablagerungsgebiet (Schwemmkegel) deponieren. Durch diese Prozesse werden große Scha¨den an Geba¨uden, Verkehrswegen und Infrastruktur verursacht. Typische Wildbachgefahren sind stark geschiebefu¨hrende Hochwa¨sser, Muren, Rutschungen und der Transport großer Mengen von Holz (Wildholz). Ingenieurbauwerke bilden einen wichtigen Teil der aktiven Schutzmaßnahmen gegen Wildbachgefahren. Basierend auf der Gefahren- und Risikoanalyse werden maßgebliche Gefahrenszenarien erstellt und in der Folge geeignete Maßnahmen entwickelt. Grundlage jeder Schutzmaßnahme ist die Festlegung eines angestrebten Sicherheitsniveaus (in Abha¨ngigkeit des Schutzbedarfs) und die Ableitung von Schutzzielen. Die Planung von Schutzbauwerken der Wildbachverbauung hat daher Aspekte der Funktion (Gebrauchstauglichkeit), der Konstruktion und der Dauerhaftigkeit zu beru¨cksichtigen. Schutzbauwerke der Wildbachverbauung ko¨nnten folgende grundsa¨tzliche Funktionen erfu¨llen: 1. Reduzierung der Ereignisdisposition (z. B. Stu¨tzverbauungen, Hangverbauungen, Stabilisierungsmaßnahmen in den Gerinnen). 2. Direkte Einwirkung auf die Verlagerungs- und Ablagerungsprozesse (Wildbachsperren, Leitda¨mme, Retentionsbecken). Die Wildbachverbauung blickt im Alpenraum auf eine 125-ja¨hrige Tradition zuru¨ck, hat sich jedoch erst in den letzten Jahrzehnten zu einer eigensta¨ndigen Sparte des konstruktiven Ingenieurbaus entwickelt. In diesem Buch werden erstmalig in strukturierter Weise das tradierte Erfahrungswissen der Ingenieurpraxis der Wildbach- und Lawinenverbauung und neue Erkenntnisse aus der Forschung im Bereich des Schutzes vor Wildba¨chen dargestellt. Ebenso wurde der im Zuge der interdisziplina¨ren Arbeitsgruppe „Schutzbauwerke der Wildbachverbauung“ am o¨sterreichischen Normungsinstitut erarbeitete „Stand der Technik“ in dieses Werk eingearbeitet. Je nach der Funktion, die Schutzbauwerke im Verbund mit anderen Schutzmaßnahmen zu erfu¨llen haben, und in Abha¨ngigkeit der Konstruktion werden Funktionstypen und konstruktive Bautypen unterschieden. Wesentliches Element des Werkes ist eine umfassende Darstellung der dies-

bezu¨glichen Terminologie und Klassifikation. In Anha¨ngigkeit des Funktionstyps wirken die Bauwerke unterschiedlich auf die Naturprozesse ein. Diese Prozesse, deren Modellierung, und die daraus resultierenden Einwirkungen und Einwirkungskombinationen auf Wildbachsperren werden im Buch ebenfalls grundlegend dargelegt. Aufbauend auf diesen Grundlagen werden die einzelnen Bautypen von Sperren beschrieben und deren Konstruktionen und statischen Systeme erkla¨rt. Weiters wird auf die konstruktive Durchbildung von Bauwerksteilen und von funktionalen Details eingegangen. Ein weiterer Schwerpunkt sind die Aspekte der Baudurchfu¨hrung. Der Schwerpunkt des Buches liegt jedoch auf der Bemessung und konstruktiven Durchbildung von Beton- und Stahlbetonbauwerken auf der Grundlage des Eurocode 2. Wie andere Ingenieurstrukturen unterliegen auch Wildbachsperren den Einwirkungen einer sich vera¨ndernden Umwelt und einem Alterungsprozess. In dieser Diskussion wird daher auf die Fragen der berwachung und Bewertung allgemein sowie letztendlich auf die Lebensdauer von Wildbachsperren eingegangen. Fragen der Erhaltung u¨ber die gesamte Lebensdauer einschließlich organisatorischer und wirtschaftlicher Aspekte und die Erhaltungsstrategie im Allgemeinen im Sinne einer Lebenszyklusbetrachtung (Life Cycle Management) sind dabei ein wesentliches Element. Wildbachschutzbauwerke sind ebenso Teil des menschlichen Lebensraums wie auch des Naturraums. Als Ziel einer zuku¨nftigen Gestaltung von Schutzmaßnahmen sollen daher neben konstruktiv abgewogenen und landschaftlich sinnvollen Sperrenbauwerken stets Ru¨cksicht auf landschaftliche Einbindung, a¨sthetische Gestaltung und die notwendige Lebensdauer genommen werden. Großer Dank gebu¨hrt Dipl.-Ing. Philipp Sicher, der die Literaturrecherchen und die Erstellung der notwendigen Graphiken wesentlich unterstu¨tzt hat und den Dienststellen des o¨sterreichischen Forsttechnischen Dienstes fu¨r Wildbach- und Lawinenverbauung, die alle dargestellten Ausfu¨hrungsbeispiele zur Verfu¨gung gestellt haben. Besonders mo¨chten sich die Autoren bei den Mitarbeitern der Gebietsbauleitungen Salzkammergut, Flachgau, Pongau, Pinzgau, Osttirol und Bludenz fu¨r wichtige Beitra¨ge und die perso¨nliche Unterstu¨tzung bedanken. Besondere Unterstu¨tzung erfuhren die Autoren auch durch das Bun-

VI

Vorwort

desministerium fu¨r Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW), durch die Universita¨t fu¨r Bodenkultur Wien sowie durch zahlreiche Kollegen und Kolleginnen im In- und

Ausland, die mit Rat und Auskunft zum Gelingen dieses Werkes beitrugen. Weiterer Dank gilt auch dem Verlag Ernst & Sohn fu¨r die Herausgabe dieses Buches. Wien, im Februar 2009

Konrad Bergmeister Ju¨rgen Suda Johannes Hu¨bl Florian Rudolf-Miklau

Inhaltsverzeichnis

VII

Inhaltsverzeichnis

1

Einfu¨hrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

4.4.3

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1

Wildbachsystematik. . . . . . . . . . . . . . . . 4 Wildbacheinzugsgebiet . . . . . . . . . . . . . 4 Sammelgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Ablagerungsgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Umlagerungsstrecke . . . . . . . . . . . . . . . 5 Wildbachtypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Zeitliche Entwicklung der Geschiebeherde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Maßgeblicher Verlagerungsprozess . . . 7 Entwicklungstendenz der Geschiebeherde und Beeinflussbarkeit . . . . . . . . . 7 Klassifikation entsprechend der morphologischen Charakteristik . . . . . 7 Ereignisha¨ufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Abtragsprozesse in Wildba¨chen . . . . . 10 Verlagerungsprozesse in Wildba¨chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Ablagerungsprozesse in Wildba¨chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Charakteristische Kennwerte von Prozessen in Wildbacheinzugsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Wildholz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Bewegungen der Einha¨nge . . . . . . . . . 18 Talzuschub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Rutschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Beurteilung der Massenbewegung . . . 21 Auswirkungen auf Bauwerke . . . . . . . 21

4.5

2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.6.1 2.3.6.2 2.3.6.3 2.3.6.4 3 3.1 3.2 3.2.1

3.2.2 3.2.3 4

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2

Systematik der Schutzbauwerke . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierungsgrundsa¨tze . . . . . . . . . Wirkungen der Wildbachschutzbauwerke (Funktionstypen) . . . . . . . . Systematik der Wildbachschutzbauwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierung von Wildbachsperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken. . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktionsregeln fu¨r einfache Querbauwerke (Sperren) . . . . . . . . . . . Konsolidierungssperren und Staffelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke mit Dosier- und Filterwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion von Schlitzsperren . . . . Konstruktion von Balkensperren . . . .

24 24 24 24 26 29 34 34 34 35 37 38 39

4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.6 4.7 4.8 4.9 4.9.1 4.9.2 4.9.3 4.9.4 4.9.5 4.9.6 4.9.6.1 4.9.6.2 4.9.6.3 4.9.6.4 4.9.7 4.9.7.1 4.9.7.2 4.9.7.3 4.10 4.11 4.12 4.12.1 4.12.1.1 4.12.1.2 4.12.1.3 4.12.1.4 4.12.1.5 4.12.2 4.12.3 4.12.4 4.12.5 4.12.6 4.12.7 4.13 4.14 4.15

Konstruktion von Rechen- und Rostsperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauwerke zum Brechen und Bremsen von Muren . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion von Murbrechern . . . . . Konstruktion von Murabsturzbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion von Netzsperren zum Bremsen von Muren . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion von Sperren gegen Hangdruck (Bergdruck) . . . . . . . . . . . Konstruktion von Bauwerken fu¨r die Filterung (Ru¨ckhalt) von Wildholz . . Stauraum von Retentions- und Dosiersperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion der Bauteile von Sperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abflusssektion und Sperrenkrone . . . Fundament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balken- und Rechenkonstruktionen . . Vorfeldmauern, Pfeiler . . . . . . . . . . . . Tosbecken und Kolksicherung . . . . . . Sperreno¨ffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . Kleine ffnungen in Stahlbetonplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Große ffnungen in Stahlbetonplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ffnungen in Gewichtsmauern . . . . . . ffnungen in Bogenmauern . . . . . . . . Bauwerksfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewegungsfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . Abdichtungssysteme . . . . . . . . . . . . . . Konstruktion von La¨ngsbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ingenieurbiologische Bauweisen . . . . Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktionsbeton . . . . . . . . . . . . . . . Expositionsklassen . . . . . . . . . . . . . . . Chemischer Angriff . . . . . . . . . . . . . . . Hydroabrasivverschleiß . . . . . . . . . . . Betondeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In der Baupraxis eingesetzte Konstruktionsbetone . . . . . . . . . . . . . . Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Naturstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombination von Baustoffen . . . . . . . kologische Aspekte fu¨r die Konstruktion von Querbauwerken . . . sthetische Aspekte fu¨r die Konstruktion von Querbauwerken . . . Errichtung und Bauausfu¨hrung . . . . .

40 43 43 45 45 46 48 49 50 50 52 53 54 55 55 57 57 58 59 60 61 65 67 68 70 72 72 72 73 74 74 77 77 77 77 78 78 78 79 80 80

VIII 4.15.1 4.15.2 4.15.2.1 4.15.2.2 4.15.3 5

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.3.1 5.1.3.2 5.1.3.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.3 5.2.3.1 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2 5.2.4.3 5.2.4.4 5.2.4.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.2.1 5.3.2.2 5.3.2.3 5.3.2.4 5.3.2.5 5.3.2.6 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 6 6.1

Inhaltsverzeichnis

Baustellenerschließung . . . . . . . . . . . . Baustellenorganisiation . . . . . . . . . . . . Gut erschließbare Baustellen . . . . . . . Schwer erschließbare Baustellen . . . . Nachbehandlung von Betonbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80 81 81 82 82

Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Hydrologische Grundlagen . . . . . . . . . 85 Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Bestimmung der Verlagerungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Abscha¨tzung des Abflusses . . . . . . . . 87 Niederschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Abfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Hydrologische Modelle. . . . . . . . . . . . 89 Abscha¨tzung der Geschiebefracht . . . 90 Abscha¨tzung von Murfrachten . . . . . . 92 Geotechnische Grundlagen . . . . . . . . . 92 Grenz- und Zwischenwerte des Erddrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Grundwerte fu¨r die Berechnung des Erddrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Bodenkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Wandreibungswinkel . . . . . . . . . . . . . . 95 Erddruckberechnung . . . . . . . . . . . . . . 96 Mindesterddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Sonderformen des Erddrucks . . . . . . . 97 Erdruhedruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Erho¨hter aktiver Erddruck . . . . . . . . . 97 Siloerddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Verminderter passiver Erddruck . . . . . 97 Kriechdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Eigengewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Wasserdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Ruhender (hydrostatischer) Wasserdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Dynamischer Wasserdruck aus Gerinneabfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Stro¨mender Wasserdruck durch den Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Wasserauflast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Wasserdruck vom Unterwasser . . . . 101 Sohlwasserdruck (Auftrieb) . . . . . . . 101 Erddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Talzuschub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Dynamischer Murdruck . . . . . . . . . . 102 Lawinendruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Andere Lastwirkungen auf Schutzbauwerke . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Hydraulische Bemessung . . . . . . . . . . Bemessung des Abflusses im Gerinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Hydraulische Bemessung des Reinwasserabflusses . . . . . . . . . . . . . 6.1.1.1 Abfluss und Wasserbewegung im Wildbach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.1.2 Fließgleichungen fu¨r Wildbachgerinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1.3 Beschreibung des Abflussverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1.4 Bemessung von Vera¨nderungen im Abflussprofil . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1.5 Bemessung von Kru¨mmungen . . . . . 6.1.2 Bemessung des Geschiebetransportes im Gerinne . . . . . . . . . . . 6.1.2.1 Fluviatiler Feststofftransport . . . . . . 6.1.2.2 Murartiger Geschiebetransport . . . . . 6.2 Hydraulische Bemessung von Querbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Bemessung der berfalls . . . . . . . . . 6.2.2 Bemessung des Tosbeckens und des Sperrenkolks . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Abfluss aus Sperreno¨ffnungen . . . . . 6.2.4 Bemessung des Stauraums (Speicherkapazita¨t) fu¨r die Feststofffracht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.2 7.2.2.1 7.2.2.2 7.2.2.3 7.2.2.4 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.2.10 7.2.10.1 7.2.10.2

106

7.2.10.3 7.2.10.4 7.2.10.5

106

7.2.10.6

106

7.2.10.7 7.2.10.8

106

Statische Berechnung und Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normative Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen . . . . . . . . . . ußere Standsicherheit . . . . . . . . . . . Innere Standsicherheit . . . . . . . . . . . . Sicherheitskonzept und Nachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teilsicherheitskonzept. . . . . . . . . . . . Charakteristischer Wert . . . . . . . . . . . Grenzzusta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit GZ 1A . . . . . . . . . . . . Grenzzustand des Versagens von Bauwerken oder Bauteilen GZ 1B . . Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit GZ 1C . . . . . Gebrauchstauglichkeit GZ 2 . . . . . . . Bemessungswert . . . . . . . . . . . . . . . . Geotechnische Kategorien (GK) . . . Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widersta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungskombinationen . . . . . . . Sicherheitsklassen . . . . . . . . . . . . . . . Lastfa¨lle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kippen (GZ 1A) . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulischer Grundbruch und Auftriebsbruch (Aufschwimmen; GZ 1A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundbruch (GZ 1B) . . . . . . . . . . . . . Gleiten (GZ 1B) . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit) . . . Stabilita¨tsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit) . . . Gela¨ndebruchsicherheit (GZ 1C) . . . Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108 111 111 112 112 112 115 118 118 121 122 122

123 123 123 124 124 124 124 125 125 125 125 125 126 126 127 128 129 130 130 131 131 132 133 133 134 134 134 134

Inhaltsverzeichnis

7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.4.1 7.5.4.2 7.5.5 7.5.5.1 7.5.5.2 7.5.5.3 7.5.6 7.5.7 7.5.7.1 7.5.7.2 7.6 7.6.1 7.6.1.1 7.6.1.2 7.6.2 7.6.3 7.6.3.1 7.6.3.2 7.6.3.3 7.6.3.4 7.6.3.5 7.6.4 7.6.4.1 7.6.5 7.6.5.1 7.6.5.2 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.2.1 7.7.3 7.7.3.1 7.7.3.2 7.7.3.3 7.7.4 7.7.4.1

Einwirkungskombinationen fu¨r Wildbachsperren . . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus fluviatilen Verlagerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus murartigen Verlagerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . Kombinationen und Sonderlastfa¨lle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Systeme von Schutzbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gewichtssperren . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gewichtssperren in Konstruktionsbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgespannte Betongewichtssperre . Steinsperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trockenmauern (Zyklopenmauern) . Zementmo¨rtelmauerwerk . . . . . . . . . Holzkastensperren . . . . . . . . . . . . . . . Einwandige Holzkastensperren . . . . Doppelwandige Holzkastensperren . Dreiwandige Holzkastensperren . . . . Drahtschottersperren (Drahtsteinko¨rbe, Gabionensperren). . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . ußere Standsicherheit . . . . . . . . . . . Innere Standsicherheit . . . . . . . . . . . . Gewo¨lbesperren (Bogensperren) . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ka¨mpferverbreiterungen . . . . . . . . . . Sperrenflu¨gel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . Lastfa¨lle und Berechnungsansa¨tze . . Bemessungsverfahren mit Bogenlamellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessungsverfahren mit Tra¨gerrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren mit FE-Methode . . . . . . . . Konstruktive Durchbildung . . . . . . . Blockfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefu¨hrte Beispiele . . . . . . . . . . . . Gewo¨lbesperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gewo¨lbesperre mit Ka¨mpferverbreiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache Plattensperre . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . Plattentafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Durchbildung . . . . . . . Rechteckplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiseitig frei drehbar gelagerte Trapezplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiseitig eingespannte Trapezplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache Plattensperre . . . . . . . . . . .

135 135

7.8 7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.3.1 7.8.3.2

135

7.8.3.3 139 139 143 143 144 144 144 145 145 145 145 145 149 149 150 150 150 152 152 154 155 156 156 156 157 157 159 162 163 163 165 165

7.9 7.9.1 7.9.2 7.9.3 7.9.3.1 7.9.3.2 7.9.4 7.10 7.10.1 7.10.2 7.10.3 7.10.4 7.10.4.1 7.10.4.2 7.10.5 7.10.6 7.10.6.1 7.11 7.11.1 7.11.2 7.11.2.1 7.11.2.2 7.11.3 7.11.3.1 7.11.3.2 7.11.3.3 7.11.4 7.11.5 7.11.5.1 7.11.5.2

165 165 165 166 166 168 168

7.11.5.3 7.11.5.4 7.11.5.5

Hybridmauern . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlitzsperre mit Hybridquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konsolidierungssperre mit Hybridquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdosiersperre mit Hybridquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Winkelstu¨tzmauern . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . ußere Standsicherheit . . . . . . . . . . . Innere Standsicherheit . . . . . . . . . . . . Konstruktive Durchbildung . . . . . . . Pfeilerplattensperre . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperre mit wasserseitigen Stu¨tzpfeilern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperre mit luftseitigen Stu¨tzpfeilern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . ußere Standsicherheit . . . . . . . . . . . Innere Standsicherheit . . . . . . . . . . . . Konstruktive Durchbildung . . . . . . . Ausgefu¨hrte Beispiele . . . . . . . . . . . . Pfeilerplattensperre mit wasserseitigen Streben . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgelo¨ste Tragsysteme . . . . . . . . . . Massenaktive aufgelo¨ste Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vektoraktive aufgelo¨ste Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gittersperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzsperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . Massenaktive aufgelo¨ste Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gittersperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzsperren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Durchbildung . . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben . . . . . . . . . . . . . Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben . . . . . . . . . . . . . Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit schlanken Pfeilern . . . . . Kombiniertes massen- und vektoraktives System . . . . . . . . . . . . Biegeweiches vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem . . . . . . . . . . .

IX 171 171 172 173 173 173 175 175 175 177 177 177 178 180 180 180 181 181 181 181 182 182 183 183 183 183 185 185 188 188 189 189 189 189 190 190 191 192 193 194

169

8

Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken . . . . . . . . . . . . 195

171 171 171

9

Ausblick und Danksagung. . . . . . . . . 199

10

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

1 Einfu¨hrung

1

Einfu¨hrung

Naturgefahren sind Ereignisse in der Natur, die zu einer Bedrohung des Menschen, der Umwelt, von Sachwerten und Einku¨nften fu¨hren ko¨nnen.1) Sie ko¨nnen ihren Ursprung in der Atmospha¨re (atmospha¨rische Naturgefahren) oder in der Erdkruste (geogene Naturgefahren) haben. Die Wirkungen von Naturgefahren werden u. a. an der Ha¨ufigkeit des Auftretens (Eintrittswahrscheinlichkeit), an der Intensita¨t (Sta¨rke) bzw. dem Zersto¨rungspotenzial (Schadenswirkung) bemessen. Naturgefahren fu¨hren nur sehr selten zu einer Katastrophe. Von einer Naturkatastrophe spricht man erst, wenn das Naturereignis so stark ist, dass Menschen und Sachwerte substanziell und großra¨umig gescha¨digt werden. Bei Eintritt einer Naturkatastrophe kann sich die Bevo¨lkerung des betroffenen Gebietes in der Regel nicht mehr aus eigener Kraft helfen und beno¨tigt Hilfe von außen. Eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit Naturgefahren wird zuku¨nftig der Klimawandel spielen, gleichzeitig fu¨hrt die dynamische, wirtschaftliche und soziale Entwicklung der Gesellschaft zu einer Vervielfachung der Schadenspotenziale. In Gebirgsregionen kommt aufgrund der naturra¨umlichen Gegebenheiten dem Schutz vor Naturgefahren eine besondere Bedeutung zu. Alpine Naturgefahren treten in Einzugsgebieten von Wildba¨chen und Lawinen ebenso wie in Georisikogebieten auf und werden durch engergiereiche Prozesse ausgelo¨st, die mit hoher Geschwindigkeit ablaufen. Hochwasser, Muren, Steinschlag, Fließlawinen, Staublawinen, Felssturz, Rutschungen, Hangbewegungen und Erosion ko¨nnen katastrophale Ereignisse mit extremem Zersto¨rungspotenzial auslo¨sen. Sie sind durch den raschen Eintritt (fehlende Vorwarnzeit) und die Bewegung großer Massen von Feststoffen (Fels, Gero¨ll, Schotter, Schlamm, Holz) oder Schnee gekennzeichnet. Dieser Beitrag bezieht sich auf die von Wildba¨chen ausgehenden Naturgefahren und die diesen Prozessen entgegen wirkenden Schutzbauwerke. Ein Wildbach ist ein natu¨rliches, dauernd oder zeitweise fließendes Gewa¨sser mit streckenweise großem Gefa¨lle sowie rasch und stark wechselnden Abflussverha¨ltnissen. Schnell ansteigende und kurze Zeit dauernde Hochwasserereignisse erodieren große Mengen von Feststoffen aus dem Einzugsgebiet und dem Bachbett, transportieren und lagern diese innerhalb oder außerhalb des

1)

Im Gegensatz dazu gibt es Gefahren, die von durch den Menschen errichteten Anlagen (Stauda¨mme, Atomkraftwerke, Chemiewerke, Verkehrsanlagen) ausgehen.

1

Bachbettes oder im Vorfluter ab. Das Einzugsgebiet eines Wildbaches umfasst das von diesem und seinen Zuflu¨ssen entwa¨sserte Niederschlagsgebiet (Sammelgebiet), außerdem schließt es auch den Ablagerungsbereich des Wildbaches (Schwemmkegel) ein. Zu den Wildbachprozessen za¨hlen rasch anschwellendes Hochwasser und der damit verbundene Abtrag (die Mobilisierung), der Transport und die Ablagerung von Feststoffen.

Wildbachprozesse ko¨nnen Risiken fu¨r Menschen, den Lebens- und Siedlungsraum, sowie Verkehrswegen, Versorgungslinien, Infrastruktureinrichtungen und Kulturgu¨tern erho¨hen. Diese Risiken entsprechen im weiteren Sinne der Mo¨glichkeit, dass aus den Vorga¨ngen wa¨hrend eines Ereignisses ein Schaden entstehen kann bzw. im engeren Sinne dem Ausmaß (der Intensita¨t) und Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines mo¨glichen Schadens. Zu beru¨cksichtigen ist das Risiko, dem eine einzelne Person ausgesetzt ist (Individualrisiko), und das Risiko, dem die Gemeinschaft als Ganzes ausgesetzt ist (Kollektivrisiko). Der Schutz umfasst die Gesamtheit aller Maßnahmen, welche das bestehende Risiko vermindern. Mit der Durchfu¨hrung von Schutzmaßnahmen kann die Sicherheit vor Wildbachgefahren erho¨ht werden. Das Ausmaß der Schutzmaßnahmen orientiert sich am Schutzbedarf (Schutzbedu¨rfnis), das ist jenes Bedu¨rfnis nach Sicherheit vor den drohenden Gefahren, welches von den Betroffenen objektiv oder subjektiv wahrgenommen wird. Der objektive Nachweis des Schutzbedarfs erfolgt durch die Darstellung der gefa¨hrdeten Gebiete in Gefahrenzonenpla¨nen, Gefahrenhinweiskarten oder Risikokarten. Die Wildbachverbauung umfasst die Gesamtheit aller Maßnahmen, die in oder an einem Wildbach oder in seinem Einzugsgebiet ausgefu¨hrt werden, um insbesondere das Bachbett und die angrenzenden Ha¨nge zu sichern, Hochwasser und Feststoffe schadlos abzufu¨hren und die Wirkung von Hochwasserereignissen auf ein zumutbares Ausmaß zu senken (Tabelle 2). Sie za¨hlt zu den aktiven Schutzmaßnahmen jene Maßnahmen, die dem Naturereignis entgegenwirken, um die Gefahr zu verringern oder um den Ablauf eines Ereignisses zu beeinflussen oder dessen Eintretenswahrscheinlichkeit wesentlich zu verringern. Man unterscheidet Maßnahmen, die die Ereignisdisposition beeinflussen und solche, die direkt auf den Prozess einwirken. Erga¨nzung finden Verbaumaßnahmen durch passive Schutzmaßnahmen: das sind jene Maßnahmen, die zu einer Reduktion des Schadens fu¨hren sollen, ohne den Ablauf des Naturereignisses zu beeinflussen. Sie nehmen Einfluss auf die Schadensempfindlichkeit der Schutzgu¨ter oder umfas-

2

1 Einfu¨hrung

Tabelle 1. Ursachen von Naturgefahren und Gefahrenarten (atmospha¨rische und geogene Naturgefahren) (nach [151])

Ursachen

Arten

Tektonische Naturgefahren

Erdbeben, Vulkanausbru¨che, andere vulkanische Gefahren

Massenbewegungen

Hangerosion, Hanganbru¨che, Hangrutschungen, Großhangbewegungen, Steinschlag, Felsstu¨rze, Bergstu¨rze, Muren, Lahars (vulkanische Aschemuren)

Klimatische/meteorologische Tropische Zyklonen, Tornados, Orkane, Hurrikans, Sandstu¨rme, Naturgefahren Blizzards (Winterstu¨rme), Blitzschlag, Starkniederschlag (Starkregen, Hagel, Schneefall), Frost, Du¨rre Hochwasser

berschwemmungen, Sturzfluten, Feststofftransport (Geschiebe, Holz), Gletscherseeausbruch

Sturm

Sturmfluten, Tsunamis

Feuer

Waldbrand, Bra¨nde im Busch- und Grasland

Schneegefahren

Staublawinen, Fließlawinen, Eissturz, Gletschervorsto¨ße

Bild 1. bersicht u¨ber ausgewa¨hlte Schutzbauwerke gegen alpine Naturgefahren

sen unmittelbare Gegenmaßnahmen (Notmaßnahmen) im Fall des Eintritts eines Schadensereignisses. Die Wirkung von Schutzmaßnahmen ist permanent, wenn sie zu jeder Zeit und auf Dauer besteht, und tempora¨r, wenn sie nur voru¨bergehend oder zeitlich begrenzt besteht. Die Maßnahmen der Wildbachverbauung umfassen die Unterbindung der Geschiebebildung und den Ru¨ckhalt von Verwitterungsprodukten, die Ver-

besserung des Wasserhaushalts und die unscha¨dliche Ableitung des Wassers und des Geschiebes in Wildbacheinzugsgebieten, die Beruhigung und Begru¨nung von Bruch- und Rutschungsfla¨chen (Sicherung des Bo¨schungsfußes, Hangentwa¨sserung, Aufforstungs- und Bodenbindungsmaßnahmen), Maßnahmen, die der drohenden Entstehung von Runsen und Rutschungen entgegenwirken sowie die Betreuung und Instandhaltung der Wildbacheinzugsgebiete und der Maßnah-

1 Einfu¨hrung

3

Tabelle 2. Systematik der Schutzmaßnahmen gegen Wildbachgefahren

Schutzmaßnahmen Aktive

vorbeugende Wirkung

Permanente Wirkung Ereignisdisposition Bewirtschaftung der Einzuggebeeinflussend biete, forstlich-biologische Maßnahmen, technische Schutzmaßnahmen direkt auf den Prozess einwirkend

technische Schutzmaßnahmen

Reaktion auf das Ereignis Passive

Tempora¨re Wirkung

vorbeugende Wirkung

Sofortmaßnahmen (im Ereignisfall) Gefahrenzonenplan, Information, Warnung, gefahrenangepasste RaumAlarmierung planung und Landnutzung, Geba¨udeschutz (Objektschutz), Katastrophenschutzpla¨ne

Reaktion auf das Ereignis

men der Wildbachverbauung. Zudem umfassen sie Sofortmaßnahmen, die bei Hochwasser- und Erosionsereignissen der unmittelbaren Vermeidung von Scha¨den dienen oder deren Ausweitung entgegenwirken [210]. Eine systematische Verbauung von Wildba¨chen wird im Alpenraum seit ca. 1870 durchgefu¨hrt. In großem Umfang werden Schutzbauwerke (Anlagen) gegenwa¨rtig in fast allen Alpenla¨ndern (Deutschland, Frankreich, Italien, Liechtenstein, sterreich, Schweiz, Slowenien) aber auch in anderen von Naturgefahren besonders betroffenen Staaten wie Chile, China, Japan, Kanada, Norwegen, Russland, Su¨dkorea, Taiwan oder Venezuela errichtet. Besondere Bedeutung haben Wildbachschutzbauwerke in jenen Regionen, in denen aufgrund einer intensiven Raumnutzung durch den Menschen Siedlungen und Verkehrswege in erheblichem Umfang in gefa¨hrdeten Zonen liegen. Die Konzeption und Bemessung dieser Bauwerke stellt aufgrund der von ihnen ausgehenden Schutzwirkung besondere Anforderungen an den Planer und erfordert umfassende Kenntnisse der in den Einzugs- und Risikogebieten ablaufenden Prozesse sowie der Einwirkungen auf die Bauwerke. Obwohl sich die Wildbachverbauung zu einer bedeutenden Ingenieurdisziplin entwickelt hat, sind Normen und Standards, die den Stand der Technik fu¨r die Planung und Ausfu¨hrung der Bauwerke

Sperre, Evakuierung, Katastrophenmanagement

allgemeingu¨ltig abbilden, nur lu¨ckenhaft vorhanden. Fu¨r die Schweiz liegt zur Dimensionierung von Wildbachsperren in Beton und Stahlbeton eine Richtlinie des Eidgeno¨ssischen Amts fu¨r Straßen- und Flussbau [66] aus dem Jahr 1973 vor. Fu¨r Deutschland regelt die DIN 19 663 [55] Begriffe, Planung und Bau der Wildbachverbauung. In sterreich wurde das System der Wildbachverbauung vor allem aus der Praxis des Forsttechnischen Dienstes heraus entwickelt, das System der Schutzbauwerke und ihrer Wirkungen geht vor allem auf die Arbeiten von Leys [133, 134, 136–138], Aulitzky [12], Hampel [81], Kronfellner-Kraus [127], blagger [209] und Kettl [116, 117] zuru¨ck, die Bemessung der Bauwerke erfolgte entsprechend den von Czerny [34, 43] entwickelten Standards. Fu¨r die nicht von diesen Planungsstandards abgedeckten Bereiche finden in der Praxis die einschla¨gigen Normen der Hydrologie, des Wasserbaus, des konstruktiven Betonbaus und der Geotechnik Anwendung. Der offensichtliche Mangel an spezifischen technischen Normen fu¨r die Wildbachverbauung ist prima¨r auf die bis heute bestehenden Unsicherheiten bei der Festlegung der Prozessabla¨ufe und Einwirkungen auf die Bauwerke zuru¨ckzufu¨hren. Beispielsweise konnte trotz intensiver Forschung und Entwicklung noch kein allgemeingu¨ltiger Standard fu¨r die Einwirkung von Muren auf Bauwerke entwickelt werden, ebenso waren die fu¨r

4

2 Wildbachsystematik

die Standsicherheitsnachweise von Schutzbauwerken relevanten Lastfa¨lle (Einwirkungskombinationen) bisher nur in Grundzu¨gen bekannt. Die gro¨ßte Unsicherheit besteht jedoch in der Festlegung des Bemessungsereignisses (BHQ) fu¨r Schutzbauwerke, bedingt durch die schwierige Abscha¨tzbarkeit der Ha¨ufigkeit und Intensita¨t von Niederschlag, Abfluss und Feststofftransport in Wildbacheinzugsgebieten. Die Unsicherheiten haben großen Einfluss auf die Ergebnisse der Bauwerksbemessung und relativieren die Qualita¨t „exakter“ Nachweisverfahren. Erst in ju¨ngster Zeit werden wieder intensive Bemu¨hungen fu¨r eine umfassende Standardisierung (Normung) der Grundlagen fu¨r Planung, Errichtung und Betrieb von Schutzbauwerken (Anlagen) der Wildbachverbauung unternommen. Die Ergebnisse einer systematischen Aufbereitung dieser Grundlagen durch die Autoren wird Eingang in die fu¨r sterreich geltenden ON-Regeln „Schutzbauwerke der Wildbachverbauung“ ONR 24 800 (Begriffsbestimmungen und Klassifizierung) [157], ONR 24 801 (Statische und dynamische Einwirkungen) [158], ONR 24 802 (Bemessung und konstruktive Durchbildung) [159] und ONR 24 803 (Betrieb, berwachung und Instandhaltung) [160] finden, die die erste umfassende Norm fu¨r den Bereich der Wildbachverbauung darstellen wird. Darin wird auch ein fu¨r Wildbachschutzbauwerke geeignetes Sicherheitskonzept entwickelt, welches auf dem in der europa¨ischen Normung festgelegten Teilsicherheitskonzept basiert. In diesem Beitrag werden die wichtigsten Grundlagen und Regeln fu¨r die Planung, Konstruktion, Bemessung und Errichtung von Schutzbauwerken der Wildbachverbauung zusammengefasst. Der Beitrag gibt einen berblick u¨ber die

grundlegenden Wildbachprozesse und die davon ausgehenden Einwirkungen, entha¨lt eine funktionale und konstruktive Systematik der Schutzbauwerke, stellt die Grundlagen des Entwurfs und der Bemessung (hydrologisch, hydraulisch, statisch) dar, fasst die wichtigsten Bautypen der Wildbachverbauung, ihre Bauteile und Funktionsorgane zusammen und entha¨lt ausgefu¨hrte Beispiele. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Sperrenbauwerken (Querwerken) der Wildbachverbauung. Der letzte Abschnitt 8 behandelt auch die Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken.

2

Wildbachsystematik

2.1 Wildbacheinzugsgebiet Das Einzugsgebiet eines Wildbaches umfasst die Fla¨che des von ihm entwa¨sserten Niederschlagsgebietes (Sammelgebiet) und den Ablagerungsbereich (Ablagerungsgebiet). Die Wildba¨che des Hochgebirges sind durch einen kurzen und steilen Lauf charakterisiert. Das Sammelgebiet ist zumeist deutlich durch eine Schluchtstrecke vom Ablagerungsgebiet getrennt (Bild 2 A). Die Wildba¨che des Berg- und Hu¨gellandes weisen einen langen Lauf mit geringem Gefa¨lle auf. Das Sammelgebiet ist vom Ablagerungsgebiet nicht scharf getrennt. Oft fehlen diesen Ba¨chen deutlich ausgepra¨gte Schwemmkegel, dafu¨r treten in diesen Geschiebeumlagerungsstrecken auf (Bild 2 B). 2.1.1

Sammelgebiet

Das Sammelgebiet wird entsprechend den oberirdischen Wasserscheiden als orografisches oder entsprechend den natu¨rlichen Verha¨ltnissen als

Bild 2. (A) Wildbach des Hochgebirges; (B) Wildbach des Berg- und Hu¨gellandes (nach Weinmeister [215])

2.1 Wildbacheinzugsgebiet

5

Bild 3. Schematisches La¨ngsprofil durch einen Ablagerungskegel (nach Hu¨bl [98])

hydrografisches Einzugsgebiet bezeichnet. Das hydrografische Einzugsgebiet ist jenes Gebiet, dem der Abfluss aufgrund der natu¨rlichen Verha¨ltnisse tatsa¨chlich entstammt, es kann durch oberirdische oder unterirdische Zu- oder Ableitungen in seiner Gro¨ße vom orografischen Einzugsgebiet abweichen. 2.1.2

Ablagerungsgebiet

Mur- oder Schwemmkegel 1) ko¨nnen sich dort entwickeln, wo ein Wildbach mit einer deutlichen Gefa¨llsminderung, oft u¨ber eine Steilstufe (Konfluenzstufe), in ein Haupttal mu¨ndet und die Sedimentation des mitgefu¨hrten Geschiebes zumindest kurzfristig ermo¨glicht (Bild 3). Der bergang vom Sammel- zum Ablagerungsgebiet wird als Kegelspitze oder als Kegelhals, sofern sich der Ablagerungskegel bereits bis in das Zubringergerinne oberhalb der Steilstufe erstreckt, bezeichnet. Schließt an das Kegelgerinne noch ein Bachabschnitt in den Ablagerungen des Vorfluters an, so wird dieses Gerinne bis zur Mu¨ndung in den Vorfluter als Tallauf bezeichnet. Im Allgemeinen weisen Ablagerungskegel einen etwa halbkreisfo¨rmigen Grundriss, konvexe Querschnitte und ein konvexes, konstant fallendes oder konkaves La¨ngsprofil auf. Die Kegel ko¨nnen sich meist nicht ungesto¨rt aufbauen, sondern werden – vor allem in alpinen Tallagen – von den Vorflutern und Nachbarkegeln beeinflusst. Sie sind daher einem zeitlichen Wandel unterworfen, der sich in der Morphologie der Kegel dokumentiert. Phasen mit einem Geschiebeu¨berangebot fu¨hren zu einer Erho¨hung des Kegels, wa¨hrenddessen Phasen mit einem Geschiebedefizit eine Zerschneidung der Kegeloberfla¨che verursachen (Bild 4).

1)

Der Oberbegriff ist „Ablagerungskegel“. Dazu za¨hlen auch Sturzkegel und Schuttkegel, deren Bildung gravitativen Prozessen (Steinschlag, Felssturz) zuzurechnen sind.

Das Kegelgerinne kann – entsprechend dem Entwicklungsstadium des Kegels – in den Kegel eingetieft sein. Im La¨ngsprofil schneidet dann die Gerinnesohle die Kegeloberfla¨che meist in der mittleren bis oberen Kegelha¨lfte, man erha¨lt den Verschneidepunkt. An diesen Punkt schließt bachabwa¨rts der aktive (rezente) Ablagerungsbereich an. Fehlt das eingetiefte Kegelgerinne, beginnt der aktive Ablagerungsbereich bereits an der Kegelspitze oder am Kegelhals (proximaler Kegelbereich). Nicht mehr in die Kegelbildung einbezogene Fla¨chen werden als inaktive (fossile) Kegelablagerungsbereiche bezeichnet. Eine Unterschneidung des Kegelfußes (distaler Kegelbereich) durch den Vorfluter fu¨hrt zu Erosionskehlen. Eine Tieferlegung des Vorflutniveaus bedingt eine Einschneidung des Kegelgerinnes in den Kegel. Um den dominanten kegelbildenden Prozesstyp bestimmen zu ko¨nnen, wird in den letzten Jahren vermehrt die sogenannte Melton-Nummer verwendet. Dabei wird das Gefa¨lle des Ablagerungskegels dem mit der Wurzel der Sammelgebietsfla¨che normierten spezifischen Ho¨henunterschied gegenu¨bergestellt. Je kleiner das Einzugsgebiet oder je gro¨ßer die Reliefenergie, umso steiler ist das Kegelgefa¨lle. Hook/Rohrer [91] fu¨hren diesen Zusammenhang auf den Abfluss, unterschiedliche Feststoffkonzentrationen und eine berpra¨gung durch fluviatile Prozesse zuru¨ck. Relationen fu¨r alpine Einzugsgebiete finden sich in Marchi/Tecca [143] und Bardou [16]. 2.1.3

Umlagerungsstrecke

Die Umlagerungsstrecke ist ein Abschnitt eines Wildbaches, in dem Geschiebe in unterschiedlichen Mengen zugefu¨hrt, abgelagert und wieder abtransportiert wird. Dabei besteht zwischen Geschiebedargebot und Transportkapazita¨t u¨ber einen la¨ngeren Zeitraum ein ausgewogenes Verha¨ltnis (Gleichgewichtszustand). Umlagerungs-

6

2 Wildbachsystematik

Bild 4. Entwicklungsstadien von Ablagerungskegeln (nach Hu¨bl [98])

strecken ko¨nnen auch in schwemmkegelbildenden Wildba¨chen in Flachstrecken, im Unterlauf oder im Tallauf auftreten, sind jedoch typisch fu¨r Wildba¨che in den Voralpen oder im außeralpinen Mittelgebirge. Langgezogene Grabenstrecken mit Wildbachcharakter sind diesem morphologischen Typ zuzurechnen. Entsprechend der „klassischen“ Klassifikation von Fließgewa¨ssern nach Leopold/Wohlmann [132] treten in Umlagerungsstecken verzweigte, gewundene (ma¨andrierende) und gerade Fließstrecken auf.

Verzweigte Gerinnestrecken oder Furkationsstrecken1) sind typisch fu¨r viele Wildba¨che mit koha¨sionslosem Geschiebe und beanspruchen bei Hochwasser, begrenzt durch die Bergha¨nge, meist den gesamten Talboden. Sie sind charakterisiert durch

eine vielfache Aufgabelung und Wiedervereinigung von Abflusskana¨len sowie eine Ausbildung von instabilen Inseln (Furkationsba¨nken) zwischen den Kana¨len. Bei Mittel- und Niederwasser findet der Abfluss in mehreren Kana¨len u¨ber eine betra¨chtliche Breite des Gerinnequerschnitts verteilt statt, bei Hochwasser werden die Inseln zum Teil u¨berflutet. Schmalere Bachstrecken werden bei Hochwasser zur Ga¨nze u¨berflutet, wa¨hrend in breiteren Abschnitten zwischen den Kana¨len Ba¨nke außerhalb der Geschiebetransportzone bleiben und so zur Zwischendeponie von Ge1)

Weitere Synonyme fu¨r diesen Gerinnetyp sind die Begriffe „Wildfluss“ und „verwilderte Bachstrecke“ [224].

2.2 Wildbachtypen

schiebe beitragen [131]. Obwohl sich verzweigte Gerinne insgesamt im Zustand der Auflandung befinden, finden nebeneinander sowohl Erosionals auch Ablagerungsprozesse statt. Abfluss, Gerinnemorphologie und Geschiebetransportkapazita¨t unterliegen folglich einer hohen zeitlichen und ra¨umlichen Variabilita¨t [68]. Nach Bravard/ Gilvear [31] bilden sich verzweigte Gerinne dort, wo ein ausreichendes Geschiebedargebot vorherrscht und das Abflussregime von großen Hochwasserspitzen dominiert wird. Ihre Bildung wird durch breite Talbo¨den und erodierbare Ufer begu¨nstigt. Typische Furkationsstrecken sind breit und seicht, ca. 1 % steil und weisen ein charakteristisches Mittelkorn von etwa 100 mm Durchmesser auf [46].

Gewundene Gerinne und Ma¨ander 1) entstehen, wenn Abflusshindernisse einen geraden Verlauf des Baches behindern oder sedimentologische bzw. morphologische Einflu¨sse einen pendelnden Verlauf induzieren. Weitere Voraussetzungen fu¨r die Ma¨anderbildung sind genu¨gend Stro¨mungsenergie fu¨r die Erosion der Ufer und das Vorhandensein von Querstro¨mungen im Abflussquerschnitt. Gerade Gerinnestrecken bilden sich bei uneingeschra¨nkter Gerinneentwicklung nur in kurzen Abschnitten aus. Besonders in Oberla¨ufen von Wildba¨chen kann jedoch das Gerinne u¨ber la¨ngere Strecken gerade verlaufen. Dies ist vorwiegend eine Folge des steilen Gefa¨lles und geomorphologisch beengter Talquerschnitte2) [145]. Gerade Gerinneabschnitte sind selten homogen, vielmehr treten auch hier oszillierende Bewegungen des Abflusses auf [171]. Diese werden ha¨ufig als Folge eines berschusses an Stro¨mungsenergie angesehen. Durch das Pendeln des Gerinnes auf der eigenen Alluvion wird das Gerinnegefa¨lle herabgesetzt und die Rate der Energieumwandlung maximiert [171]. Steile Bachstrecken weisen im La¨ngsprofil ha¨ufig eine regelma¨ßige Folge (Sequenz) von Stufen (Schnellen) und Kolken auf, welche einen a¨hnlichen Einfluss auf die Fließenergie ausu¨ben („vertikales Ma¨andrieren“).

2.2 Wildbachtypen Zur Systematik mitteleuropa¨ischer Wildba¨che existieren verschiedene Ansa¨tze, die bis in das 19. Jahrhundert zuru¨ckreichen [47, 186].

1)

2)

Typische Ma¨anderstrecken sind eher auf sehr flache Bachabschnitte beschra¨nkt und liegen in der Regel außerhalb der Fließstrecken mit Wildbachcharakter. Dies trifft vor allem fu¨r Schluchtstrecken zu, wo die Gerinneentwicklung durch felsige Talflanken beschra¨nkt ist.

7

2.2.1 Zeitliche Entwicklung der Geschiebeherde Bis heute findet die geologische Einteilung der Wildba¨che nach Stiny [198, 199] Verwendung. Er unterteilt die Wildba¨che entsprechend dem Alter der potenziellen Feststoffherde in: x Altschuttba¨che: Die Bildung der potenziell von einem Wildbach erodierbaren Ablagerung ist im Großen und Ganzen abgeschlossen, es erfolgt kein wesentlicher Zuwachs von außen mehr (z. B. eiszeitliche Ablagerungen, a¨ltere Bergsturzablagerungen) x Jungschuttba¨che: Die potenziell von einem Wildbach erodierbaren Ablagerungen erfahren in junger oder ju¨ngster Zeit einen allma¨hlichen, ununterbrochenen oder sprunghaften Nachschub (z. B. Verwitterungsprodukte) Darauf aufbauend nimmt Stiny eine „Einteilung der Wildwa¨sser“ in Jungschuttwildwa¨sser, Altschuttwildwa¨sser, gemischte Wildwa¨sser und besondere Wildwa¨sser vor. 2.2.2 Maßgeblicher Verlagerungsprozess Aulitzky [10, 11] entwickelte eine zweiteilige Wildbachklassifikation, die es ermo¨glichen sollte, die Wildba¨che in ihrem Gesamtverhalten am Ablagerungskegel bzw. an einem Punkt des Einzugsgebietes zu beurteilen (wenn eine ausreichende Anzahl an „stummen Zeugen“ der Wildbachta¨tigkeit vorzufinden ist) und zusa¨tzlich die Geschiebeherde an sich kausalanalytisch zu beschreiben. Er unterscheidet vier Wildbachtypen, denen ein a¨hnliches Katastrophenverhalten am Ablagerungskegel unterstellt wird: – murstoßfa¨hige Wildba¨che, – murfa¨hige Wildba¨che, – geschiebefu¨hrende Wildba¨che, – nur hochwasserfu¨hrende Wildba¨che. 2.2.3

Entwicklungstendenz der Geschiebeherde und Beeinflussbarkeit Eine weite Verbreitung findet die Einteilung der Wildbachtypen nach Karl/Mangelsdorf [113] und Bunza et al. [32], die sich auch in der DIN 19 663 [55] wiederfindet. Sie basiert einerseits auf der natu¨rlichen Entwicklungstendenz von Geschiebeherden, andererseits auf der Beeinflussbarkeit des Systems Wildbach durch die Vegetation (Tabelle 3). 2.2.4

Klassifikation entsprechend der morphologischen Charakteristik Die Klassifikation von Fließgewa¨ssern entsprechend ihrer Morphologie bezieht sich in der Literatur stets auf Abschnitte (Fließstrecken) mit homogener Charakteristik (Homogenbereiche). Eine morphologische Klassifikation spezifisch fu¨r Wildba¨che wurde bisher nicht publiziert, doch haben allgemeine morphologische Klassifikationen fu¨r Fließgewa¨sser weitreichende Gu¨ltigkeit fu¨r Wild-

8

2 Wildbachsystematik

Tabelle 3. Wildbachklassifikation (nach Karl/Mangelsdorf [113] und Bunza et al. [32]) (A) Wildba¨che mit expansiven Feststoffherden in Restschuttko¨rpern

Wildba¨che in Talverfu¨llungen

Als Feststoffherde gelten Rotationsanbru¨che im Lockergestein, Translationsanbru¨che in Lockergestein und Bo¨den, Ufer- und Feilenanbru¨che in den Einha¨ngen der in die Stausedimente eingeschnittenen epigenetischen Ta¨ler. Die Ablagerung erfolgt auf meist sehr ma¨chtigen Kegeln im Haupttal. Eingriffe in die Vegetation, insbesondere den Wald, ko¨nnen Oberfla¨chenabfluss und Hangverna¨ssung fo¨rdern. Wildba¨che in Talverfu¨llungen sind der Prototyp des menschlich verursachbaren bzw. beeinflussbaren Wildbaches. Sie liegen vielfach seitlich der pleistoza¨nen Vorlandgletscher im Alpenvorland, bzw. im Alpeninneren in relativ kurzen Seitenta¨lern großer pleistoza¨ner Talgletscher.

Wildba¨che in Restschuttko¨rpern

Als Feststoffherde sind Rotationsanbru¨che in Lockergestein, Translationsanbru¨che in Lockergestein und Bo¨den, Ufer- und Feilenanbru¨che zu nennen. Die Lockergesteine sind pleistoza¨ner oder postglazialer Hangschutt, periglazialer Wanderschutt und durch Solifluktion akkumulierte Lockermassen und vera¨nderlichfeste Gesteine (z. B. tiefgru¨ndige Verwitterung des Zementmergels im Flysch). Das Material wird wieder auf Kegeln unterschiedlicher Gro¨ße im Haupttal abgelagert. Die Beeinflussbarkeit ist durch Eingriffe in die Vegetation insbesondere in den Waldbestand gegeben, da dadurch der Oberfla¨chenabfluss und die Hangverna¨ssung gefo¨rdert werden ko¨nnen. Die Verbreitung dieses Typs liegt im pleistoza¨n vergletscherten Alpengebiet und in periglazialen Ra¨umen der Randalpen. Besonders ha¨ufig sind diese Ba¨che in Gebieten mit vera¨nderlichfesten Gesteinen zu finden.

(B) Wildba¨che mit stationa¨ren Feststoffherden

Wildba¨che in harten Kristallingesteinen

Steinschlag, Felssturz, direkter Bergsturz aus Felsflanken und Felswa¨nden der Trogta¨ler, wie auch Ufer- und Feilenanbru¨che in rezentem bis subrezentem Wandschutt auf prima¨rer Lagersta¨tte, dienen als Feststoffherde. Ihr Ablagerungsgebiet liegt nicht im Haupttal und bildet kleine Schuttkegel. Die Verbreitung dieses Typs liegt in pleistoza¨n und fru¨hpostglazial stark ausgera¨umten Ta¨lern der Zentralalpen.

Wildba¨che in harten Sedimentgesteinen

Ihre Feststoffherde sind Wandabgrusungen, Steinschlag, Felssturz, Bergsturz aus Felsflanken und Felswa¨nden, Rotationsrutsche, Ufer- und Feilenanbru¨che in rezentem Verwitterungsschutt auf prima¨rer Lagersta¨tte. Das Ablagerungsgebiet liegt meist nicht im Haupttal und weist sehr große Kegel auf. Dieser Wildbachtyp ist in den no¨rdlichen Kalkalpen vor allem im Bereich kleinstu¨ckig verwitternder Dolomite in pleistoza¨n oder fru¨hpostglazial stark ausgera¨umten Landschaften verbreitet, sowie in den o¨stlichen Su¨dalpen im Bereich teils kleinstu¨ckig verwitternder, teils mylonitisierter Dolomite in pleistoza¨n nicht oder nur schwach vergletscherten Gebieten.

Wildba¨che in vera¨nderlich Als Feststoffherde dienen Wandabgrusungen, Steinschlag, Verwitterungsfestem Gestein schutt auf prima¨rer Lagersta¨tte. Dieser Typ ist allgemein verbreitet in tektonisch stark beanspruchten, erosiv oder durch Massenbewegung offen anstehenden vera¨nderlich festen Gesteinen. Wildba¨che in rezenten Mora¨nen

Als Feststoffherde dienen Ufer- und Feilenbru¨che in subrezenten bis rezenten Mora¨nen, insbesondere ju¨ngster Ru¨ckzugstadien und Blockgletscher. Die Ablagerung erfolgt auf kleinen Schuttkegeln. Sie sind in rezent vergletscherten Gebieten der Ostalpen verbreitet.

2.2 Wildbachtypen

9

Tabelle 3. Fortsetzung (C) Wildba¨che mit expansiven und stationa¨ren Feststoffherden

Wildba¨che in Gebieten großer Massenbewegungen

Als Feststoffherde gelten Wandabgrusungen, Steinschlag, Felssturz, Bergsturz aus durch Massenbewegungen freigelegtem Gestein, Rotationsbru¨che, Translationsanbru¨che in Felsgestein, Lockergestein und Boden-, Ufer- und Feilenanbru¨che. Im Ablagerungsgebiet fehlen meist gro¨ßere Materialansammlungen, da diese vom Vorfluter unmittelbar abtransportiert werden. Es handelt sich dabei um Schuttmaterial. Die Beeinflussbarkeit derartiger Wildba¨che in Gebieten großer Massenbewegungen aufgrund entsprechend tektonischer, lithologischer, stratigrafischer, bodenmechanischer, hydrologischer und glazialgeschichtlicher Voraussetzungen durch anthropogene Einflu¨sse auf die Vegetation, aber auch durch Baumaßnahmen ist gegeben. Sie sind vor allem in vera¨nderlichfesten Gesteinen in Grenzbereichen tektonischer Großeinheiten verbreitet. Sie sind in den Zentralalpen ha¨ufiger und großra¨umiger als in den Randalpen.

Wildba¨che auf Schuttkegeln

Als Feststoffherde gelten Ufer- und Feilenanbru¨che in subrezenten bis fossilen Schuttkegeln. Ihre Beeinflussbarkeit ist unterschiedlich. Es treten meist Ufer- und Feilenanbru¨che, gelegentlich auch Rotationsanbru¨che auf. Da die Einzugsgebiete meist Felsflanken sind oder u¨ber der Grenze der geschlossenen Vegetation liegen, ist der Abfluss der Niederschla¨ ge menschlich nicht beeinflussbar. Die Kegel sind meist bewaldet und hier sind menschliche Einflu¨sse durch Entwaldung mo¨glich, die insbesondere bei flacheren Schwemmkegeln seitliche Ausbru¨che erleichtern. Die Ablagerungsgebiete sind selten sekunda¨re Schwemmkegel, meist wird das Material durch den Vorfluter abtransportiert. Sie sind vor allem in den no¨rdlichen und su¨dlichen Kalkalpen verbreitet, dort wo große nacheiszeitliche Kegel mit fehlender oder geringer rezenter Akkumulation vorkommen.

(D) Wildba¨che mit nur zeitweise eigenen Feststoffherden

Wildba¨che in Talalluvionen

Als Feststoffherde gelten Uferanbru¨che und Sohleneintiefungen in rezenten bis subrezenten Talalluvionen. Die Beeinflussbarkeit dieser Ba¨che gilt als gering, darf aber nicht vernachla¨ssigt werden. Der Wildbachcharakter dieser Ba¨che tritt nur bei Niederschlagsexzessen auf.

Wildba¨che aus Waldabbru¨chen

Die Feststoffherde sind Translationsbodenrutsche im Wald, Uferanbru¨che in rezenten bis subrezenten Talalluvionen. Bei Niederschlagsexzessen treten an Steilha¨ngen Waldabbru¨che auf, die zu Verklausungen durch Wildholz und Uferanbru¨chen in den Talalluvionen fu¨hren. Als auslo¨sende Faktoren wird hoher Stro¨mungsdruck im Boden vermutet. Fu¨r derartige Abbru¨che wird auch der Ausdruck Hangexplosionen verwendet.

ba¨che. Sie sind vor allem fu¨r gerinnehydraulische Fragestellungen von großer Bedeutung. Eine allgemeine Einteilung (Klassifikation) von Fließstrecken mit homogenen, morphologischen Verha¨ltnissen ist auch entsprechend der vorherrschenden Gerinnemorphologie, insbesondere der Sohlbeschaffenheit, Sohlrauigkeit und des vorherrschenden Feststofftransportregimes mo¨glich. Die von Bathurst [19] vorgeschlagene Klassifikation integriert auf einfache Weise fast alle mo¨glichen Sohlformen und ist so auch fu¨r außeralpine Wildba¨che gut anwendbar. Sie umfasst die Kategorien von Abschnitten nach Tabelle 4. Eine der anerkanntesten Klassifikationen wurde von Rosgen [182] entworfen und basiert auf einer

Hierarchie von mehreren gerinnemorphologischen Kriterien wie der Eintiefung des Gerinnes1), dem Breiten-Tiefen-Verha¨ltnis2), der Sinuosita¨t 3) und dem La¨ngsgefa¨lle4) (s. Tabelle 5).

1) 2)

3) 4)

Eintiefung: Diese gibt das Ausmaß an, in welchem das Gerinne in die Talsohle eingeschnitten ist. Breiten-Tiefen-Verha¨ltnis: Dieses ist ein Faktor fu¨r die Form des Gerinnequerschnitts und wird als Verha¨ltnis der Spiegelbreite zur Fließtiefe bei bordvollem Abfluss ausgedru¨ckt. Sinuosita¨t: Diese dru¨ckt das Verha¨ltnis der Talwegla¨nge zur Bachla¨nge aus. La¨ngsgefa¨lle: Lokales La¨ngsgefa¨lle im Bereich der Bachstrecke, nicht des gesamten Bachlaufs.

10

2 Wildbachsystematik

Tabelle 4. Fließgewa¨sserklassifikation (nach Bathurst [19])

Bezeichnung

Lage

Allgemeine Charakteristika

Geschiebecharakteristika

Sandbettgerinne

Im Mittel- und Unterlauf der Flu¨sse, im Bereich alluvialer Ebenen

Relativ geringes Gerinnegefa¨lle (unter 0,1 %) und Geschiebe unter 2 mm, relative Fließtiefe sehr hoch (u¨ber 1000)

Geschiebetrieb in praktisch allen Abflussstadien

Schotterbettgerinne

Meist im Vorland der Berge

Kornzusammensetzung der Sohle zwischen Feinschotter (2–10 mm) und Steinen (250 mm), relative Fließtiefe zwischen 5 und 100, Gefa¨lle zwischen 0,05 und 0,5 %

Geschiebetrieb unstetig nur bei hohen Abflussraten

Blockgerinne

Steile Gerinne im Bergland

Geschiebefu¨hrung mit Grobko¨rniges Sohlmaterial in der Blockfraktion (u¨ber 250 mm), groben Komponenten nur bei extremen Abflu¨ssen aber auch Korngro¨ßen bis zur Sandfraktion vorhanden, Gefa¨lle von 0,5 bis 5 %, relative Fließtiefe nahe 1

Steile Kaskadengerinne

In den steilen Oberla¨ufen

Geschiebefu¨hrung mit Gerinnesohle mit zahlreichen Stufen und dazwischenliegenden großen Kompartimenten nur bei extremen Abflu¨ssen Kolken, Stufen aus Blo¨cken, Holz oder Felsrippen, Gefa¨lle u¨ber 5 %

2.2.5

Ereignisha¨ufigkeit

Aufgrund unterschiedlicher Grund- und variabler Disposition zeigen die Wildba¨che ein unterschiedliches Verhalten (Bild 5). Wildba¨che mit geringer Feststoffproduktion und großem Speicher-

vermo¨gen des Bodens reagieren nur auf extreme Niederschla¨ge, die Intensita¨t des Ereignisses ist jedoch dann sehr groß (Typ 1, „schlafender Wildbach“). Bei geringer bis mittlerer Feststoffproduktion im Sammelgebiet und geringer Speicherfa¨higkeit des Bodens ko¨nnen diese Produkte bereits bei mittleren Niederschlagsereignissen ausgera¨umt werden, wobei dieser Prozess in etwa gleichen zeitlichen Absta¨nden mit geringer bis mittlerer Intensita¨t stattfindet (Typ 2, „schna¨uzender Wildbach“). Bei unterschiedlichem Feststoffdargebot und stark von der variablen Disposition abha¨ngigen Abflussgenerierung sind Ereignisse in ungleichen Zeitintervallen mit stark schwankender Intensita¨t zu erwarten (Typ 3).

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten Vereinfacht kann man die Wildbachprozesse in die Entstehungsprozesse (Abtrag, Eintrag), die Transportprozesse und die Ablagerungsprozesse einteilen. Diese Grundprozesse laufen großra¨ umig (Sammelgebiet, Ablagerungsgebiet) und lokal im Gerinnesystem ab. 2.3.1 Bild 5. Wildbachtypen mit charakteristischem Wiederkehrintervall (nach Hu¨bl [96])

Abtragsprozesse in Wildba¨chen

Die Entstehungsprozesse setzen sich aus den Abtragsprozessen der Erosion und dem Eintrag von Wildholz und Wasser zusammen. Als Erosion

I 12

I 1,4

Eingeschnittene Gullies mit Stufe-KolkMorphologie und niederem Breiten-TiefenVerha¨ltnis, ma¨ßiges Gefa¨lle

G

i 12

I 1,4

Eingeschnittene, ma¨andrierende SchnelleKolk-Sequenzen mit geringem Gefa¨lle und großem Breiten-Tiefen-Verha¨ltnis

F

I 12

Flache, ma¨andrierende Schnelle-KolkSequenzen mit niedrigem Breiten-TiefenVerha¨ltnis und geringer Geschiebeablagerung, sehr stabil

E

i 2,2

Anastomosiierende Gerinne, schmale und tiefe Gerinne mit ausgedehnten, gut bewachsenen berflutungsfla¨chen und Feuchtgebiete, sanftes Relief und hohe Sinuosita¨t der Gerinne, stabile Ufer

DA

i 40

I 40

Verzweigte Gerinne mit La¨ngs- und Querba¨nken, sehr breites Gerinne mit erodierbaren Ufern

D

i 4,0

Flache, ma¨andrierende Gerinne mit i 2,2 Schnelle-Kolk-Sequenzen und Innenbogenba¨nken, alluviale Gerinne mit breiten berflutungsfla¨chen

C

i 12

i1,4

i 12

Ma¨ßig eingeschnittene, ma¨ßig geneigte, schnellendominierte Gerinne, sehr stabiles Gerinneprofil, stabile Ufer

B

1,4 bis 2,2

1,0 bis 1,2

I 12

Steile, eingeschnittene, kaskadenfo¨rmige I 1,4 Stufe-Becken-Sequenzen, hochenergetische Fließbedingungen, sehr stabil mit felsiger oder grobblockiger Sohle

A

i 1,2

i 1,4

i 1,5

variabel

i 1,4

1 bis 1,1

I 12

I 1,4

Sehr tief eingeschnittene Murba¨che

Sinuosita¨ t

AaS

Eintiefungs- Breiten-/ grad TiefenVerha¨ltnis

Allgemeine Beschreibung

Typ

Tabelle 5. Klassifikation von Gerinnestrecken (nach Rosgen [182])

0,02 bis 0,039

I 0,02

I 0,02

I 0,005

I 0,04

I 0,02

I 0,02

0,04 bis 0,1

i 0,1

Gefa¨lle

Gully, Stufe-Kolk-Sequenzen mit geringem Gefa¨lle und niedrigem Breiten-Tiefen-Verha¨ltnis, enge Ta¨ler oder tief in alluviale oder kolluviale Sedimente eingeschnitten (Kegel, Delta)

Eingeschnitten in stark verwittertes Gestein, flaches Gefa¨lle, hohes Breiten-Tiefen-Verha¨ltnis, ma¨andrierend, seitlich instabil mit hohen Ufererosionsraten, SchnelleKolk-Morphologie

Breite Ta¨ler (Wiesen), hohe Sinuosita¨t, stabile, gut bewachsene Ufer

Breite und flache Ta¨ler mit feinko¨rnigem Alluvium, gut bewachsenen Inseln, stabil, breite und verna¨sste berflutungsbereiche

Breite Talsohle mit alluvialen und kolluvialen Kegeln, glazialer Schutt und Ablagerungsformen, hohes Geschiebedargebot, hohe Gerinnedynamik

Breite Ta¨ler mit Terrassen, berflutungsfla¨chen mit alluvialer Sohle, wenig eingeschnitten mit deutlich ausgepra¨gten Ma¨anderstrecken, Schnelle-Kolk-Sequenzen

Ma¨ßiges Relief, kolluviale Ablagerungen, enge Ta¨ler mit ma¨ßig geneigten Talflanken, Dominanz von Schnellen mit sporadischen Kolken

Sehr steiles Relief, Erosions- und Ablagerungsformen, eingeschnittene und beengte Gerinne mit kaskadenfo¨rmigen Fließstrecken, tiefe Kolke in einer Stufe-KolkSequenz

Sehr steiles Relief, Felssohle und Lockermassen, Potenzial zum Murtransport, Abstu¨ rze und tiefe Kolke, Wasserfa¨lle

Gela¨nde, Gerinnestrukturen

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

11

12

2 Wildbachsystematik

Bild 6. Anbruchsformen in Wildbacheinzugsgebieten: (A) Feilenanbruch; (B) Keilanbruch; (C) Verklausungsbruch; (D) Muschelanbruch; (E) Uferanbruch (nach Weber [212])

wird im Allgemeinen der Abtrag und Transport von Feststoffen durch Wasser, Gletscher, Wind und Wellen bezeichnet.

Tiefenerosion bezeichnet einen Erosionsprozess der zur Eintiefung des Gerinnes fu¨hrt. Die fu¨r die Entstehung von Wildba¨chen charakteristische Form der Tiefenerosion ist die ru¨ckschreitende Erosion. Sie besteht in einer ho¨henma¨ßigen nderung der Erosionsbasis, wobei sich das Gerinne an dieses vera¨nderte Niveau durch Eintiefung anpasst (Feilenanbruch). Solche Vera¨nderungen sind im Rahmen von Hochwasserereignissen nur im Lockermaterial mo¨glich. Eine Sonderform ist die Kolkerosion, bei der unterhalb eines Absturzes (Wasserfall) keilfo¨rmige Hohlformen (Keilanbru¨che) entstehen (Bild 6). Seitenerosion bezeichnet einen Erosionsprozess, der hauptsa¨chlich die Ufer eines Gewa¨ssers angreift und dem Gewa¨sser die Mo¨glichkeit gibt, sich seitlich zu verlagern. Uferanbru¨che entstehen durch die seitliche Erosionswirkung von Wildba¨chen im Außenbogen oder durch die Verlagerung des Gewa¨sserbettes (Bild 6). Als lokaler Feststoffherd tritt in Wildba¨chen der Muschel- und Verklausungsbruch auf. Beide Anbruchsformen gelten als a¨ußerst entwicklungsfreudig.

Die Oberfla¨chenerosion ist das Abschwemmen von Lockergestein (Gesteinsteilen) von der Landoberfla¨che und das Eintragen in das Gewa¨ssersystem bei Niederschla¨gen. Der aus der Mobilisierung des Geschiebeherdes resultierende Verlagerungsprozess wird wesentlich vom zur Verfu¨gung stehenden Feststoffvolumen und durch die Mobilisierungszeit des Geschiebeherdes (Mobilisierungsintensita¨t) beeinflusst. In Aulitzky [11] wird durch die Einfu¨hrung eines Entwicklungsfa¨higkeitsindex, der Werte von 1 bis 5 annehmen kann, darauf Bezug genommen. Die fu¨r die Mobilisierungsintensita¨t des Geschiebes notwendige Information kann aus den geomorphologischen Indikatoren, wie der Anbruchsform, und den fu¨r das „Versagen“ verantwortlichen Versagensmechanismus abgeleitet werden. Bleibt man bei den von Stiny [198] gepra¨gten Begriffen der Geschiebeherde, so kann ein Muschelund Verklausungsbruch sehr große Feststoffmengen in ku¨rzester Zeit bereitstellen. Der resultierende Verlagerungsprozess verla¨uft weitgehend unabha¨ngig von der dem Ereignis zugrunde liegenden hydrologischen Abflussganglinie. Linienhafte Anbru¨che im Gerinne, wie Feilen-, Keilund Uferanbru¨che ko¨nnen ebenfalls große Geschiebevolumina freisetzen, die Mobilisierungszeit dauert aber generell la¨nger. Aus der Kombina-

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

13

wasser (Fluviatiler Feststofftransport) entwickeln. Durch die Mobilisierungsintensita¨t wird auch die Form der Ganglinie der Verlagerungsprozesse maßgeblich vera¨ndert. Sie kann einen kurzen, aber sehr hohen Spitzenwert aufweisen, aber auch – bedingt durch kontinuierlichen Feststofftransport – wa¨hrend der gesamten Abflussdauer des Verlagerungsprozesses erho¨ht u¨ber der Reinwasserganglinie verlaufen. 2.3.2

Verlagerungsprozesse in Wildba¨chen

Ereignisse in Wildba¨chen ko¨nnen große Volumina an Feststoffen umsetzen. In sehr kurzer Zeit werden einige hundert bis mehrere hunderttausend Kubikmeter an Feststoffen (Geschiebe, Wildholz) in den Talbereich transportiert und dort abgelagert. Da solche Ereignisse jedoch selten sind und zumeist sehr lokal auftreten, ist es schwer, diese Verlagerungsprozesse messtechnisch zu erfassen.

tion von mobilisierbarem Volumen und Mobilisierungszeit la¨sst sich die Intensita¨t der Feststoffbereitstellung ableiten, die semiquantitativ nach den allgemein bekannten Konfektionsgro¨ßen unterteilt werden kann.

Bei den Verlagerungsprozessen in Wildba¨chen ko¨nnen entsprechend ihrer Auspra¨gung fluviatile und murartige Prozesse unterschieden werden. Erstere umfassen Hochwasser und fluviatilen Feststofftransport, zu den zweiten za¨hlen murartiger Feststofftransport und Murgang [99]. Weitere Formen der Massenverlagerung sind stu¨rzende (Steinschlag, Felssturz, Bergsturz) und rutschende (Hangmure, Erdstrom, Rutschung) Prozesse. Diese Prozesse za¨hlen nicht zu den Wildbachprozessen im eigentlichen Sinn.

Die Intensita¨t der Feststoffbereitstellung ist das Kriterium fu¨r die weitere Entwicklung des Verlagerungsprozesses im Gerinne. Bei hoher Intensita¨t (L, XL, XXL) werden sich Muren (Murgang und murartiger Feststofftransport), bei geringer bis mittlerer Intensita¨t (S, M) hingegen Hoch-

An den fluviatilen und murartigen Verlagerungsprozessen sind Feststoffe unterschiedlicher Gro¨ße (Fein- und Grobmaterial) sowie Wasser beteiligt sind (Bild 8). Als Randbedingung kann einerseits das Volumen des Transportmediums, andererseits das mobilisierbare Feststoffvolumen betrachtet

Bild 7. Mobilisierungsintensita¨t der Geschiebeherde (aus Hu¨bl [98])

Bild 8. bersicht u¨ber die Systematik der Verlagerungsarten und deren Zusammensetzung in Wildbacheinzugsgebieten (aus Hu¨bl [95])

14

2 Wildbachsystematik

Bild 9. Verlagerungsprozesse in Wildba¨chen: (A) Hochwasser; (B) fluviatiler Feststofftransport; (C) murartiger Feststofftransport; (D) Murgang (aus Hu¨bl [97])

werden. So spricht man von transportlimitiert, wenn die Transportkapazita¨t den Abtrag von Feststoffen begrenzt, von feststofflimitiert hingegen, wenn das Angebot an Feststoffen gering ist, und so die Transportkapazita¨t u¨ber die Ereignisdauer nicht ausgescho¨pft wird (s. Bild 93). Der Reinwasserabfluss fu¨hrt nur unerhebliche Feststoffmengen mit sich. Liegt der Pegelstand oder Abfluss u¨ber dem langja¨hrigen Mittel, ist es ein Hochwasserabfluss. Die Feststoffe werden u¨berwiegend als Schwebstoffe mitgefu¨hrt, der Geschiebetransport ist im Verha¨ltnis zum Wasserabfluss von untergeordneter Bedeutung. Die Dichte des Wasser-Feststoff-Gemisches ist im Vergleich zu Wasser nicht signifikant erho¨ht und kann mit 1000 kg/m3 angenommen werden. Der Hochwasserabfluss kann turbulent und instationa¨r erfolgen, wenn plo¨tzliche Schwallwellen infolge Durchbruch einer Verklausung auftreten (Bild 9). Der fluviatile Feststofftransport zeichnet sich durch das Vorhandensein eines bedeutenden Feststofftransports, dem Schwebstoff- und dem sohlennahen Geschiebetransport, aus. Wa¨hrend Schweb-

stoffe bei Hochwasser relativ homogen im Querprofil verteilt sind, wird hier das Geschiebe sohlennah verlagert. Die Dichte des Wasser-Feststoff-Gemisches liegt unter 1300 kg/m3, die volumetrische Feststoffkonzentration erreicht Werte bis zu 20 %. Die Geschwindigkeit des transportierten Geschiebes liegt unter der des turbulenten Wasserabflusses, das Fließverhalten ist newtonisch. Der murartige Feststofftransport umfasst Abflu¨sse mit hoher Feststoffkonzentration. Die Feststoffe sind unabha¨ngig von der Korngro¨ße u¨ber den ganzen Abflussquerschnitt verteilt. Auch gro¨ßere Kornfraktionen (Gero¨ll) bewegen sich anna¨hernd mit der Geschwindigkeit des Wassers. Die Dichte des Wasser-Feststoff-Gemisches liegt zwischen 1300 und 1700 kg/m3, wobei eine volumetrische Feststoffkonzentration zwischen 20 und 40 % erreicht werden kann. Das Fließverhalten kann na¨herungsweise als newtonisch bezeichnet werden. Ein Murgang ist eine langsam bis schnell abfließende Suspension aus Wasser, Feststoffen und Holz. Ein Murgang kann sich aus mehreren Mur-

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

15

Bild 10. Pha¨nomene von Ablagerungsprozessen in Wildba¨chen: (A) Hochwasser; (B) fluviatiler Feststofftransport; (C) murartiger Feststofftransport; (D) Murgang (aus Hu¨bl [97])

schu¨ben zusammensetzen, die einer bereits ausgebildeten Tiefenlinie folgen und eine typische Bewegungsform sowie charakteristische Ablagerungsformen aufweisen. Die mittransportierten Feststoffe sind unabha¨ngig von der Korngro¨ße u¨ber den ganzen Abflussquerschnitt verteilt. Die Dichte des Wasser-Feststoff-Gemisches liegt zwischen 1700 und 2400 kg/m3, wobei eine volumetrische Feststoffkonzentration von 40 bis 70 % typisch ist. Das Fließverhalten ist nicht newtonisch.

Sind fu¨r Hochwasser bankige Feinsedimente (Bild 10A) charakteristisch, so finden sich bei fluviatilem Feststofftransport sortierte Geschiebefa¨cher und Lappen, die teilweise eine Deltaschichtung (Bild 10B) aufweisen. Ablagerungen von murartigen Prozessen sind bei großer Ungleichfo¨rmigkeit unsortiert (Bild 10C). Fu¨r Murga¨nge sind ein U-fo¨rmiger Abflussquerschnitt, den Murgang seitlich begrenzende Levees, Murlappen und ein Murkopf aus u¨berwiegend groben Blo¨cken (Bild 10D) charakteristisch.

2.3.3

Diese Pha¨nomene sind im Gerinne selbst, aber auch im berflutungs-, berschotterungs- oder bermurungsbereich zu finden (Bilder 11 und 12).

Ablagerungsprozesse in Wildba¨chen

Die Ablagerungsprozesse sind ein geomorphologischer Prozess, bei dem erodierte und vom Wildbach transportierte Feststoffe (Geschiebe, Wildholz) in bestimmter Form deponiert werden. Die Ablagerung ist eine Funktion des Gela¨ndes, des bewegten Volumens und der Stoffeigenschaften. Die wa¨hrend der Ablagerung gebildeten morphologischen Kleinformen werden als „Stumme Zeugen“ [14] bezeichnet und charakterisieren den Verlagerungsprozess.

Eine detaillierte Aufstellung von „stummen Zeugen“ findet sich z. B. in [94, 100, 163].

16

2 Wildbachsystematik

Bild 11. Typische Ablagerungen eines fluviatilen Feststofftransportes (Foto: ASI Landeck)

Bild 12. Typische Ablagerungen eines Murgangs

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

2.3.4

17

Charakteristische Kennwerte von Prozessen in Wildbacheinzugsgebieten

Tabelle 6. Eigenschaften unterschiedlicher in Wildbacheinzugsgebieten auftretender Prozesse (aus Hu¨bl [95]) Verlagerungstyp

Hochwasser (flood)

Mure (landslide of flow type)

Verlagerungsart

fluviatil

murartig

Terminus

Hochwasser

fluviatiler Feststofftransport

Prozesstyp

Reinwasserabfluss

schwach

Fließverhalten

newtonisch

newtonisch

anna¨hernd newtonisch

nicht newtonisch

Vol. Feststoffkonzen- Promillebereich tration (ca. Bereich)

0–20 %

20–40 %

i 40 %

Gro¨ßtkorn

bis dm

Dichte (ca.-Bereich)

mm bis cm 1000

kg/m3

I 1300

murartiger Feststofftransport

Feststofftransport

stark Murgang

bis m kg/m3

1300–1700

Murgang

bis m kg/m3

i 1700 kg/m3

Reinwasserabflussja bestimmung mo¨glich

eingeschra¨nkt

nein

nein

Pegelschlu¨ssel erstellbar

ja

ja

nein

nein

Qgesamt/QHochwasser

1

1–1,4

1,4–3,5

i 3,5

Viskosita¨t (ungefa¨hr) 0,001–0,01 Pas

0,01–0,2 Pas

0,2–2 Pas

i 2 Pas

Scherfestigkeit

keine

keine

keine

vorhanden

Maßgeblich wirkende Kra¨fte

Turbulenz, Schleppspannung

Turbulenz, Schleppspannung

Auftrieb, Turbulenz, Schleppspannung, dispersiver Druck

Auftrieb, dispersiver Druck, viskose und friktionale Kra¨fte

Verteilung der Fest- Feststoffe sohlennah stoffe im Querschnitt (rollend, hu¨pfend, springend) und Schwebstoffe verteilt im Querschnitt

Feststoffe sohlennah Fest- und Schwebstoffe verteilt im (rollend, hu¨pfend, Querschnitt springend) und Schwebstoffe verteilt im Querschnitt

Feststoffe verteilt im Querschnitt

Ablagerungsform (Stumme Zeugen)

bankige Feinstoffru¨cksta¨nde

sortierte Fa¨cher und Lappen

Ba¨nke und Lappen, zumeist korngestu¨tzt, Grobgeschiebe bis in Ho¨he Wasserspiegel abgelagert

Murko¨pfe, Murfirste (Leve´es) und zungenfo¨rmige Lappen, korn- oder matrixgestu¨tzt, zumeist scharfe Begrenzung der Ablagerungen, U-fo¨rmiges Abflussprofil

Sortierung der abgelagerten Feststoffe

vorhanden

vorhanden

eher nicht vorhanden nicht vorhanden

Entmischung der Ablagerungen

ja

ja

ja/nein

Schaden durch

Wasser und Schweb- Wasser, SchwebFeststoffe stoffe stoffe und Geschiebe und Wasser

nein Feststoffe (und Wasser)

18 2.3.5

2 Wildbachsystematik

Wildholz

In gebirgigen und bewaldeten Einzugsgebieten kann Holz durch Erosion und Rutschungen, durch Lawinen oder durch Sturm (Windwurf) in die Bachgerinne gelangen. Je nach Art und Herkunft spricht man auch von Wildholz, Totholz, Altholz, Lawinenholz oder Nutzholz. Bei Transport durch Wasser im Gerinne werden synonym die Begriffe Schwemmholz, Unholz oder Schadholz verwendet [180]. Bei Wildbachereignissen verursacht Schwemmholz ha¨ufig Probleme durch Verklausungen bei Bru¨cken, Durchla¨ssen oder auch natu¨rlichen Engstellen [79]. Die zwei wichtigsten Folgewirkungen sind: x Verklausungen oder tempora¨re Blockierungen und die damit verbundene Behinderung des freien Abflusses von Wasser und Geschiebe kann die Bildung von Murga¨ngen begu¨nstigen (Verklausungsbruch), x Ausbrechen des Abflusses aus dem Gerinnebereich mit nachfolgender berschwemmung, berschotterung oder bermurung (z. B. am Ablagerungskegel). Eine andere ha¨ufige und unerwu¨nschte Folge bei zu viel Schwemmholz ist das teilweise oder vollsta¨ndige Verklausen von (teilweise) offenen Geschieberu¨ckhaltesperren, wodurch eine beabsichtigte Dosierwirkung bezu¨glich des Geschiebetransportes wa¨hrend eines Hochwasserereignisses beeintra¨chtigt oder vollsta¨ndig unterbunden wird. Im Weiteren kann es dabei auch zur Zersto¨rung von Bru¨cken kommen, oder das Schwemmholz kann durch Anprall an Geba¨uden Scha¨den verursachen [177]. Um Aussagen u¨ber Schwemmholzpotenzial und -menge treffen zu ko¨nnen, sind detaillierte Erhebungen im Einzugsgebiet notwendig, wobei Faktoren wie Waldzustand, Erosionsprozesse, Abflussprofile und Sohlneigung zu beru¨cksichtigen sind. Gro¨ßere Transportdistanzen zeigen sich, wenn die Stammla¨ngen kleiner sind als die mittlere Gerinnebreite. Schwemmholz wird in der Regel schwimmend an der Oberfla¨che transportiert. Nach Rimbo¨ck [180] schwimmen Nadelholz, Wurzelsto¨cke und altes, getrocknetes Holz aufgrund der geringen Dichte fast immer, das schwere Eichen- und Buchenholz dagegen nur selten. Sperriges, stark verzweigtes und ausladendes Holz, wie z. B. ein Wurzelstock, schwimmt erst bei großer Fließtiefe und wird zuvor oft rollend an der Bachsohle verfrachtet. Wa¨hrend des Transportvorgangs wird die Lage des Holzes durch die turbulente Stro¨mung sta¨ndig vera¨ndert. Oft werden die Ho¨lzer parallel zur Stro¨mungsrichtung ausgerichtet. Beim Transport findet eine Verklei-

Bild 13. Ablagerung von Wildholz vor einer Dosiersperre [51]

nerung des Schwemmholzes statt. Nach Zollinger [222] kann ein ganzer Baum mit Krone und Wurzelstock beim Transport im Gerinne innerhalb weniger Meter entastet, gescha¨lt und in 1 bis 5 m lange Stu¨cke zerbrochen werden. Ablagerung von Schwemmholz unter natu¨rlichen Bedingungen findet statt, wenn der Abfluss zuru¨ckgeht und der Auftrieb und die Stro¨mungskraft fu¨r den Weitertransport nicht mehr ausreicht. Nach Ablagerung einzelner Stu¨cke ko¨nnen sich durch weitere Anlagerung von Holzelementen relativ flache Haufen bilden. Beim Transport einzelner, ku¨rzerer Sta¨mme besteht nur eine relativ geringe Verklausungsgefahr, da sich die Sta¨mme leicht la¨ngs ausrichten und so die Engstelle passieren ko¨nnen [177]. 2.3.6

Bewegungen der Einha¨nge

Querwerke in Wildbachgerinnen sind oft Einwirkungen von Massenbewegungen ausgesetzt (Bild 14 A1). Diese ko¨nnen aus dem Talzuschub und aus Rutschungen resultieren. Durch den Druck auf die Bauwerke werden diese als Scheiben beansprucht. Die Resultierende der Druckkraft kann anna¨hernd parallel oder unter einem Winkel (a) zur Bauwerksachse verlaufen (Bild 14 B, C). 2.3.6.1 Talzuschub

Laut Stiny [200] versteht man unter Talzuschub eine langsame Bewegung steiler Bergflanken unter dem Einfluss der Schwerkraft (Bild 15 A). Die ma¨chtigste Auspra¨gung findet der Talzuschub in Gesteinen mit geringer mechanischer Widerstandsfa¨higkeit, aber auch in Hartgesteinen, wenn diese durch intensive, mehrscharige Zerklu¨ftung einen teilbeweglich gewordenen Großko¨rper bilden. Die einzelnen Teilko¨rper ko¨nnen durch Gleit- und Rotationsbewegungen die Gesamt-

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

19

Bild 14. Seitlicher Hangdruck auf Sperrenbauwerke (schematisch): (A) Ansicht: Bewegungen im Hang; (B) Hauptbewegungsrichtung verla¨uft anna¨hernd parallel zur Bauwerksachse; (C) Hauptbewegungsrichtung verla¨uft schra¨g zur Bauwerksachse

Bild 15. Talzuschub: (A) aus Bodenkriechen bei feinko¨rnigen Bo¨den (Lockergestein); (B) aus Bergzerreißung bei Festgestein (nach Krautner [123])

masse in Bewegung bringen. Je nach o¨rtlichen Gegebenheiten kann die Massenbewegung als Kriechen und Sacken, aber auch als Gleiten und Kriechen auf definierten Gleitbahnen erfolgen. Die Geschwindigkeit der Verlagerung ist dabei meist so gering, dass die Vegetationsdecke nicht

zersto¨rt wird und am Rande der Massenbewegung keine offenen Risse auftreten. Die Bergzerreißung ist laut Ampferer [3] ein gewaltsamer Bruchvorgang des Gesteins, zumeist nach strukturellen Vorzeichnungen, nicht selten nach hangparallelen Entspannungsklu¨ften (Bild 15 B). Die dabei ent-

20

2 Wildbachsystematik

stehenden Spalten und Abrisse sind durch tektonische Strukturen vorgezeichnet. Als pha¨nomenologisches Zeichen dieses Bruchvorgangs ko¨nnen die sogenannten Doppelgrate im Anbruchsgebiet angesehen werden. Die Zone der Bergzerreißung weist meist eine konkave Form auf. Der untere Hangteil ist konvex ausgebildet und wo¨lbt sich gegen das Tal hin vor. 2.3.6.2 Rutschungen

Nach Pregl [166] sind Rutschungen Bewegungen zusammenha¨ngender Massen la¨ngs einer oder mehrerer Gleitfla¨chen. Die Gleitko¨rper werden von Gleitfla¨chen, fallweise aber auch von Zugrissen begrenzt. Die bewegte Masse wird hauptsa¨chlich entlang der auftretenden Gleitfla¨chen in mehr oder weniger schmalen Gleitzonen und in eventuellen Dehnungs- (Abriss-) und Stauchungsbereichen verformt. In Letzteren kommt es zu Aufwo¨lbungen und Zugrissbildung. Der Aufwo¨lbungsbereich reicht u¨ber das Ende der Gleitfla¨che hinaus, weil der Gleitko¨rper am Ende der Gleitfla¨che auf die Gela¨ndeoberfla¨che aufgeschoben wird. Die Entwicklung der Gleitfla¨chen erfolgt progressiv. Sie beginnt in den am sta¨rksten beanspruchten Bereichen und pflanzt sich in die benachbarten Bereiche fort. Die Geschwindigkeit der Gleitko¨rperbewegung nimmt zu, bis schließlich die Rutschung eintritt. Danach kommt der Gleitko¨rper in einer neuen stabilen Gleichgewichtslage zur Ruhe oder die Bewegung geht in eine Gleit- oder Fließbewegung (Hangmure) u¨ber. Nach Wullimann/Schlu¨chter [217] unterschiedet man zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Kriechen und Gleiten. Ein a¨hnlicher Mechanismus kann auch in Festgestein auftreten, wobei der Beginn einer Instabilita¨t durch das ffnen von Klu¨ften einer bestimmten Kluftschar angezeigt wird. In Festgestein

entwickelt sich ein progressiver Bruch durch Vergro¨ßerung und Neubildung von Mikrorissen bei Lastzunahme. Aus diesen Mikrorissen bilden sich Makrorisse und durchgehende Bruchfla¨chen. Nach der Form der Gleitfla¨che wird zwischen Rotationsrutschungen und Translationsrutschungen unterschieden. Bei Rotationsrutschungen sind die Gleitfla¨chen mehr oder weniger kreisfo¨rmig. Der obere Teil des Gleitko¨rpers bewegt sich abwa¨rts, der untere hebt sich. Wegen der damit verbundenen Verlagerung des Schwerpunktes des Gleitko¨rpers nimmt die Standsicherheit im Verlauf der Bewegung zu. Bei Rotationsrutschungen liegt das Verha¨ltnis zwischen der Tiefe und der La¨nge des Gleitko¨rpers zwischen 0,15 und 0,30 und es nimmt mit zunehmender Neigung des Hanges zu. Einfache Rotationsrutschungen treten in weitgehend homogenem Untergrund, insbesondere im Ton auf. Mehrfache Rotationsrutschungen treten ha¨ufig in u¨berkonsolidierten Tonen oder in Schiefertonen auf, wobei diese von verfestigtem Boden oder Fels u¨berlagert werden. Bei Translationsrutschungen sind die Gleitfla¨chen mehr oder weniger eben. Translationsrutschungen entstehen oft entlang von Diskontinuita¨tsfla¨chen wie Schichtgrenzen oder Klu¨fte. Man kann ebene und ra¨umliche Translationsrutschungen unterscheiden. Nach Pregl [166] ko¨nnen Rutschbewegungen nach einer verha¨ltnisma¨ßig geringen Bewegung zur Ruhe kommen. Die Gleitko¨rper ko¨nnen sich aber auch entlang der Gleitfla¨che oder einer Gleitbahn weiter abwa¨rts bewegen. Charakteristisch dabei ist, dass die Gleitko¨rper wa¨hrend der Bewegung mehr oder weniger intakt bleiben, dass sich nur weitere innere Gleitfla¨chen ausbilden oder dass sich zumindest keine turbulente Bewegungsform einstellt.

Bild 16. Geschwindigkeitsverteilung in einem Kriechprofil: (A) kontinuierliches Kriechen; (B) diskontinuierliches Kriechen (Kriechen und Gleiten); (C) translatorisches Gleiten (nach Wullimann [217])

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

21

Bild 17. Arten von Rutschungen je nach Ausbildung der Gleitfla¨che: (A) Rotationsrutschung; (B) Translationsrutschung

Charakteristische Merkmale von rutschgefa¨hrdeten Ha¨ngen sind ein unruhiger Gela¨ndeverlauf (Mulden, Hohlformen, Buckel, Wellen, Risse), Quellen und wasserfu¨hrende Schichten und eine Verkru¨mmung der Baumsta¨mme (Sa¨belwuchs). 2.3.6.3 Beurteilung der Massenbewegung

Zur Feststellung der von einer Gesteinsbewegung erfassten Masse werden je nach Art und Alter der Bewegung folgende Verfahren angewendet [166]: – Beurteilung der Gela¨ndeform, – Beurteilung der Form von Baumsta¨mmen (z. B.: Sa¨belwuchs, Schra¨gstellung), – Beobachtungen an der Gela¨ndeoberfla¨che (visuelle Beurteilung von Anrissen, Aufwo¨lbungen und Gela¨ndestufen, Beurteilung von Kluftfla¨chen, Schieferungsfla¨chen und Sto¨rungen, Kontrolle der Funktionsfa¨higkeit von Dra¨nagen und des Wasseranfalls in diesen), – Schu¨rfe, Bohrungen und Rammsondierungen, – Bewegungsmessungen (geoda¨tische Messung von Oberfla¨chenpunkten, Extensiometer- und Inklinometermessungen), – geoseismische Verfahren. Bei den geoseismischen Verfahren ist zu bedenken, dass nur den gesamten bewegten Ko¨r-

per erfassende Verformungen messbar sind. Auf schmale Gleitzonen beschra¨nkte Verformungen sind kaum erfassbar. Hangbewegungen verursachen eine Erho¨hung der Klu¨ftigkeit bzw. des Porenanteils und damit eine nderung der geophysikalischen Parameter des bewegten gegenu¨ber dem ruhenden Gebirge. 2.3.6.4 Auswirkungen auf Bauwerke

Die beschriebenen Bewegungsarten des Hanges oder Gebirges wirken auf Widersta¨nde als Hangdruck (Bergdruck) ein (Bild 14). Die Beanspruchung des Bauwerks ist abha¨ngig von der Bewegungsrichtung des Hanges, der Tiefe der Gleitfla¨che und der Bauwerksform. Die Auswirkungen auf das Tragwerk ko¨nnen sehr unterschiedlich sein. Nach Suda [207] lassen sich jedoch je nach dem ob die Bewegungsrichtung anna¨hernd parallel oder unter einem Winkel zur Bauwerksachse verla¨uft zwei grundsa¨tzliche Versagensmechanismen beschreiben (Bild 18). In der Regel treten Mischformen auf. Beim 1. Mechanismus, dem Schubversagen kommt es zum Abscheren von Flu¨geln oder Flu¨gelteilen an horizontalen Fugen oder dem Abscheren von keilfo¨rmigen Sperrenteilen (Bild 18 A). Dabei tritt Schubversagen entlang dieser Fuge auf. In der Regel entsteht ein Trennriss. Die Lage und Richtung des Risses ist abha¨ngig von der Bewegungs-

22

2 Wildbachsystematik

Bild 18. Aus seitlichem Hangdruck resultierende Schadmechanismen an Beton- und Stahlbetonsperren: (A) 1. Mechanismus (Schubversagen); (B) 2. Mechanismus (lokales Druckversagen) (nach Suda [207])

richtung des Hanges, der Lage der Gleitfla¨che aber auch von Sto¨rungszonen in der Sperre und der Geometrie der Sperre. Durch den seitlichen Flu¨gelwinkel kommt es auch bei horizontal angreifendem Hangdruck zu einer Vertikalkomponente (Bild 18/1). Diese Vertikalkomponente bewirkt je nach Geometrie des Flu¨gels eine Verschiebung (Translation, Bild 18/2) oder Verdrehung (Rotation, Bild 18/3) des abgescherten Flu¨gelteils. Es kann sich ein Hauptriss oder mehrere Risse mit geringerer Rissbreite ausbilden, welche sich spa¨ter zu einem Hauptriss vereinigen. Greift die Kraft unter einem geringen Winkel zur Bauwerksachse an, wird der abgescherte Teil ein Stu¨ck nach vorn geschoben. Die Bewehrung in den Schubrissen ist in der Regel gerissen und die Einzelsta¨be sind verschoben (Bild 19 B). Das Schub- oder Querkraftversagen basiert auf mehreren Mechanismen: (a) Bei schwach oder nicht querkraftbewehrten Bauteilen wird durch das Vordringen eines kritischen Schubrisses und die damit einhergehende Einschnu¨rung der rissfreien Zone die Querkrafttragfa¨higkeit und auch die Scheibentragfa¨higkeit stark vermindert, dass ein schlagartiges Versagen der Scheibentragfa¨higkeit eintritt (Betonversagen).

(b) Nach dem Fließen der Querkraftbewehrung weiten sich die Schubrisse stark auf, die Scheibe versagt auf Stahlfließen (Zugbruch der Bu¨gel) sofern nicht vorher die Querkrafttragfa¨higkeit des Scheibenquerschnittes (siehe a) erreicht wird (Biegeschubversagen). (c) Scheibendruckversagen aus Querkraft tritt bei einer starken Querkraftbewehrung auf. Die Betondruckstreben, resultierend aus Querkraft, werden u¨ber ihre Druckfestigkeit beansprucht. Der 2. Mechanismus, das lokale Druckversagen kann aufgrund des Knickens der Gesamtstruktur oder als Druckversagen in einer Biegedruckzone auftreten (Bild 18 B). Letzteres ist ha¨ufig, wenn der Hangdruck in einem Winkel zur Systemachse des Bauteils angreift (Bild 14 C). Die Einwirkungen ko¨nnen z. B. im Flu¨gelbereich Biegung erzeugen (Bild 18/6) oder, weicht die Systemachse von der Stu¨tzlinie des Bauteils ab, entstehen in der gesamten Struktur Biegemomente und Querkra¨fte. Man erkennt diesen Mechanismus am ganzen Bauwerk (Knicken des Bauwerkes, Verdrehung der Flu¨gel). Im Druckbereich bilden sich senkrechte (Biegemomente u¨berwiegen) oder schra¨ge Risse (Biegemomente und Querkra¨fte liegen vor) mit ausgeknickter Bewehrung und

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten

23

Bild 19. Seitlicher Hangdruck: 1. Mechanismus: (A) Abscheren des Flu¨gels an einer horizontalen Fuge (Trennriss) mit anschließender Verkantung; (B) gerissene Bewehrung; 2. Mechanismus: (C) Abscheren mit Verkantung und Verdrehung; (D) ausgeknickte Bewehrung; 3. Mechanismus: (E) Linksufrige Rutschung schiebt sich bis zur Gerinnemitte vor ohne das Bauwerk zu zersto¨ren

plattenartigen Betonabplatzungen aus (Bild 18 B und Bild 19 D). Im Zugbereich sind Biegerisse sichtbar. Der 3. Mechanismus tritt auf, wenn das Rutschmaterial eine hohe Plastizita¨t aufweist. In diesem Fall kann es zu einem Umfließen des Bauwerks kommen, wobei sich das Material im Gerinne ablagert und den Abflussquerschnitt verringert.

Dies kann infolge eines Ereignisses im Wildbach zu einer raschen Umgehung des Bauwerkes fu¨hren, wobei der der Rutschung gegenu¨berliegende Hang unterschnitten wird. Informationen zur Berechnung des Kriechdruckes finden sich in Abschnitt 5.2.4.5. Geeignete Bautypen fu¨r Bereiche mit seitlichem Hangdruck sind in Abschnitt 4.6 dargestellt.

24

3

3 Systematik der Schutzbauwerke

Systematik der Schutzbauwerke

3.1 Allgemeines Als Schutzbauwerke (Anlagen) in der Wildbachverbauung gelten bauliche (technische) Schutzmaßnahmen (vgl. Tabelle 2), die den von Wildba¨chen hervorgerufenen Gefahren entgegen wirken und in Wildbacheinzugsgebieten errichtet werden. Die Bauwerke werden in den Untergrund eingebunden und stellen aus Baustoffen oder Bauteilen hergestellte Anlagen (einschließlich elektronischer und maschineller Bestandteile) dar. Zu den baulichen Anlagen za¨hlen auch Aufschu¨ttungen, Abgrabungen und Bo¨schungssicherungen. Abschnitt 3 bezieht sich auf die technischen Wildbachschutzmaßnahmen. Darin sind alle Gewa¨sser- und Hangverbauungen mittels unbelebter Baustoffe wie Holz, Beton, Naturstein oder Stahl enthalten. Fu¨r die Wildbachverbauung hat sich im Laufe der Entwicklung eine eigene Terminologie etabliert, die sich von verwandten Fachgebieten (Geologie, Schutzwasserbau, Geotechnik, Ingenieurbiologie) unterscheidet. Die Begriffe zur Beschreibung der naturra¨umlichen Vorga¨nge in Wildbacheinzugsgebieten stellen hauptsa¨chlich auf die Morphologie und das Prozessgeschehen ab. Die u¨bliche Systematik von Begriffen der Wildbachverbauung basiert auf funktionalen und konstruktiven Kriterien. Einschla¨gige Begriffsdefinitionen finden sich unter anderem in der DIN 19 663 [55] und im Wo¨rterbuch Hochwasserschutz [140], die erste umfassende Darstellung aller Begriffsdefinitionen der Wildbachverbauung fu¨r sterreich erfolgt in der ONR 24 800 [157]. 3.2

Klassifizierungsgrundsa¨tze

3.2.1

Wirkungen der Wildbachschutzbauwerke (Funktionstypen)

Schutzbauwerke wirken direkt auf den Prozess ein oder verringern seine Eintretenswahrscheinlichkeit. Fu¨r die Wahl eines Schutzkonzepts gilt der generelle Grundsatz, dass die Maßnahmen umso effizienter sind, je na¨her die Wirkung am Gefahrenherd ansetzt. Ha¨ufig setzen jedoch die topografischen Verha¨ltnisse im Wildbacheinzugsgebiet den unmittelbar auf die Prozessentstehung einwirkenden Maßnahmen technische und wirtschaftliche Grenzen. In Abha¨ngigkeit von den relevanten Prozessen und Gefahren stehen meist alternative Schutzkonzepte zur Auswahl, aus denen das wirkungsvollste und zweckma¨ßigste ausgewa¨hlt wird. Grundlage fu¨r die Auswahl des Schutzkonzeptes ist eine umfassende Untersuchung der Gefahrenherde und der im Einzugsgebiet ablaufenden

Prozesse. Diese Grundlagenplanung umfasst die Stufen der Erfassung der relevanten naturra¨umlichen Daten, der Analyse und der Bewertung dieser Daten und schließlich die Entwicklung eines maßgeblichen Gefahrenszenarios (Bemessungsereignis). Ein weiterer Schritt ist die grundlegende Konzeption der Maßnahmen, wobei ein fu¨r das unterstellte Gefahrenszenario optimal angepasstes Schutzkonzept entwickelt wird. Die von den jeweiligen Verha¨ltnissen im Einzugsgebiet abha¨ngigen Prozesswirkungen erfordern in der Regel sehr spezifische Schutzkonzepte. Der Entwurf der Schutzbauwerke erfolgt daher in jedem Einzelfall abgestimmt auf die erwartete Schutzwirkung (Funktion). Trotzdem ist eine generelle Einteilung der Funktionen (Wirkungen) von baulichen Wildbachschutzmaßnahmen mo¨glich (Funktionstypen) [157]. Die Ableitung umfasst alle Maßnahmen, die dazu dienen, Fließprozesse (Hochwasser, Muren) auf dem ku¨rzesten Weg am Gefa¨hrdungsbereich vorbeizufu¨hren. Zu diesem Funktionstyp za¨hlt die Regulierung von Wildba¨chen. Die Stabilisierung umfasst alle Maßnahmen, die dazu dienen, die Sohle und die Ufer (samt den Einha¨ngen) in der vorherrschenden Lage zu sichern und gegen Seiten- und Tiefenerosion zu schu¨tzen. Die Konsolidierung umfasst Maßnahmen, die der Unterstu¨tzung der Ha¨nge oberhalb des Bauwerks durch eine Hebung der Gerinnesohle dienen. Die mittelbare Wirkung der Konsolidierung besteht im Ru¨ckhalt von Feststoffen und der positiven Einflussnahme auf den Geschiebehaushalt. Konsolidierungsmaßnahmen bewirken eine maßgebliche Reduktion des Sohlgefa¨lles, eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit, die Ausbildung von freien berfa¨llen (Abstu¨rzen) und eine Umwandlung der Energie des Fließprozesses. Damit verbunden ist eine Reduktion der Geschiebetransportkapazita¨t, die entweder zu einer Verringerung der Erosionsleistung oder zur tempora¨ren Ablagerung (Sedimentation) transportierter Feststoffe fu¨hrt. Aus hydrobiologischer Sicht bewirkt die Konsolidierung eine Unterbrechung des Fließkontinuums. Die Umgehung umfasst die Fassung und Vorbeileitung des Abflusses an einem erosionsanfa¨lligen Bachabschnitt oder einer labilen Einzugsgebietsfla¨che. Die Umgehung erfolgt in offenen Umgehungskana¨len oder geschlossenen Umgehungsleitungen. Die Retention umfasst den Ru¨ckhalt von Wasser oder Feststoffen infolge natu¨rlicher Speicherwirkung oder durch ku¨nstliche Maßnahmen. Die Retention (der Ru¨ckhalt) von Wasser ist die Verringerung des Scheitelabflusses infolge natu¨rlicher oder ku¨nstlicher Speicherwirkung. Sie er-

3.2 Klassifizierungsgrundsa¨tze

25

Tabelle 7. Funktionstypen der Wildbachverbauung – bersicht

Funktionstyp

Beeinflusste Prozesse (vgl. Tabelle 6)

Anwendungsbereich (vgl. Bild 2)

Wirkungsprinzip

Ausmaß der Wirkung

Ableitung

Reinwasserabfluss, fluviatiler Feststofftransport

Schwemmkegel und Tallauf

Direkt auf den Prozess einwirkend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Verklausung

Stabilisierung

Reinwasserabfluss, Gesamter Wildfluviatiler Feststoff- bach transport

Der Prozesswirkung vorbeugend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser, teilweise Wirkung fu¨r Hangstabilita¨t

Der Prozesswirkung vorbeugend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse und Hangprozesse

Konsolidierung Reinwasserabfluss, Sammelgebiet fluviatiler Feststoff- und Schluchttransport, murartiger strecke Feststofftransport, Murgang Umgehung

Reinwasserabfluss, Gesamter Wildfluviatiler Feststoff- bach transport, (indirekt auch Murgang)

Der Prozesswirkung vorbeugend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser

Retention

Reinwasserabfluss, Schlucht- und fluviatiler Feststoff- Umlagerungstransport, (fallweise strecke auch Murga¨nge)

Direkt auf den Prozess einwirkend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse

Dosierung

Reinwasserabfluss, Schlucht- und fluviatiler Feststoff- Umlagerungstransport strecke

Direkt auf den Prozess einwirkend

Teilweise bis volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse

Filterung

Fluviatiler Feststoff- Schlucht- und transport, murartiger Umlagerungsstrecke Feststofftransport, Murgang, Wildholz

Direkt auf den Prozess einwirkend

Teilweise bis volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse

Energieumwandlung

Murartiger Feststoff- Schlucht- und transport, Murgang Umlagerungsstrecke, fallweise Schwemmkegel

Direkt auf den Prozess einwirkend

Teilweise bis volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse

Ablenkung

Murgang

Direkt auf den Prozess einwirkend

Volle Wirkung fu¨r Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch vorangegangene Ereignisse

Schwemmkegel und Tallauf

26

3 Systematik der Schutzbauwerke

folgt durch Ru¨ckhaltebecken (stehende Retention) oder durch Aktivierung von berflutungsfla¨chen (-ra¨umen) (fließende Retention). Die Retention von Geschiebe ist der Ru¨ckhalt durch ku¨nstliche Maßnahmen, beispielsweise im Stauraum einer Sperre oder in einem Ablagerungsbecken. Retentiertes Geschiebe bedarf einer ku¨nstlichen (maschinellen) Ra¨umung oder einer ku¨nstlich eingeleiteten Spu¨lung des Stauraums, um die urspru¨nglich vorhandene Ru¨ckhaltekapazita¨t wieder herzustellen. Die Dosierung umfasst den tempora¨ren Ru¨ckhalt von Wasser in einem Becken und die Reduktion der in den Unterlauf abgegebenen Menge auf ein unscha¨dliches Ausmaß. Die Dosierung von Geschiebe beruht auf dem voru¨bergehenden (tempora¨ren) Ru¨ckhalt des Geschiebetriebs bei Hochwasser und der dosierten Abdrift des Geschiebes mit der ablaufenden Hochwasserwelle oder bei Mittelwasser (Spu¨lung). Die Filterung1) umfasst den selektiven Ru¨ckhalt von groben Feststoffkomponenten (Wildholz, Steine, Blo¨cke) aus einem Fließprozess mit einer ku¨nstlichen Maßnahme. Es werden jene Feststoffkomponenten zuru¨ckgehalten, die im Unterlauf zur Verklausung oder Blockade des Abflussprofils fu¨hren ko¨nnen. Feine Komponenten ko¨nnen ungehindert durchdriften. Eine Energieumwandlung umfasst die Reduktion der Energie eines Fließvorganges durch die Bremswirkung eines Bauwerks oder durch Absturz. Durch diese Maßnahme wird die Fließgeschwindigkeit reduziert, die Eigenschaft des transportierten Mediums vera¨ndert und der Fließvorgang transformiert. Die Energieumwandlung wird vor allem zum Brechen und Bremsen von Muren eingesetzt. Die Ablenkung umfasst die gezielte Richtungsa¨nderung von Fließprozessen und leitet diese am Gefahrengebiet vorbei. 1)

Teil dieser Systematik war urspru¨nglich auch der Funktionstyp der „Sortierung“, also des selektiven Ru¨ckhalts grober Kornfraktionen des Geschiebespektrums gro¨ßer einem Schwellenwert, der von der Gro¨ße der Dolen oder der ffnungsweite des Rechens (des Balkenverschlusses) abha¨ngig war. Aufgrund der instationa¨ren Transportvorga¨nge in Wildba¨chen hat sich diese Funktion jedoch als praktisch schwer steuerbar herausgestellt und wird in der Ingenieurpraxis heute nicht mehr verfolgt. Teile des Konzeptes werden jedoch durch die „Filterung“ umgesetzt. Eine natu¨rliche Sortierung findet in der Gerinnesohle durch den Austausch zwischen Transportgeschiebe und Sohlgeschiebe statt. Vor allem bei Mittelwasser und bei kleinen Hochwasserereignissen herrscht korngro¨ßenselektiver Transport. Eine wichtige Funktion fu¨r die Sortierung haben Schotterba¨nke.

Charakteristisch fu¨r die Gefahrenszenarien in Wildba¨chen ist die berlagerung verschiedener Prozesse und Prozesswirkungen. Daher erfordern umfassende Schutzkonzepte eine Kombination verschiedener Maßnahmen (Maßnahmenwirkungen). In diesem Sinne stellen die zuvor beschriebenen Wirkungen (Funktionstypen) Elemente der Schutzstrategie dar. Fu¨r die Maßnahmenplanung bedeutet dies, dass nach der Ableitung und Festlegung des Schutzzieles auf der Grundlage der Gefahrenanalyse eine Auswahl der wirkungsvollsten Kombination von Wirkungen (Funktionstypen) erfolgt. Die Summe aller ausgewa¨hlten Funktionstypen soll zur vollsta¨ndigen Erfu¨llung des Schutzzieles fu¨hren [102]. 3.2.2

Systematik der Wildbachschutzbauwerke

Schutzmaßnahmen ko¨nnen ihre Aufgabe als Einzelbauwerk oder im Zusammenhang eines Bauwerksverbandes (Funktionskette) erfu¨llen. Ein Einzelbauwerk erfu¨llt seine Wirkung (Funktion) unabha¨ngig von der Wirkung anderer Schutzmaßnahmen. In einem Maßnahmenverband wird der Schutzeffekt der Maßnahme durch das Zusammenwirken von Schutzbauwerken mit gleicher oder verschiedener Aufgabe erzielt. Daher ist die volle Wirkung eines Maßnahmenverbandes nur durch die volle Wirkung aller (eines Teils der) Elemente (Einzelmaßnahmen) gewa¨hrleistet und verringert sich, auch wenn nur der Wirkungsgrad einzelner Maßnahmen (z. B. durch geringere Lebensdauer) sinkt. Das Verbauungssystem ist die Summe aller Maßnahmen in einem Einzugsgebiet, die zur Schutzwirkung beitragen. Als wichtiges Kriterium zur Klassifikation der Schutzbauwerke hat sich deren Lage bezu¨glich der Hauptbewegungsrichtung (Fließrichtung) des Prozesses etabliert. In diesem Sinne unterscheidet man in der Wildbachverbauung Quer- und La¨ngsbauwerke. In einer dritten Gruppe werden die baulichen Schutzmaßnahmen mit Fla¨chenwirkung (Fla¨chenelemente) zusammengefasst. Ein Maßnahmenverband stellt meist eine Kombination dieser drei Maßnahmengruppen dar (Bild 20). Ein Querbauwerk (Querwerk) ist ein quer zur Fließrichtung (Prozessrichtung) angeordnetes Bauwerk. Die folgenden baulichen Maßnahmen der Wildbachverbauung werden zu den Querbauwerken gerechnet (Bild 21).

Sperren (Wildbachsperren) bewirken einen vertikalen Absturz im Gerinne und sind zwischen 4 und 15 m hoch (lotrechter Abstand von der Fundamentunterkante bis zur Ho¨he der Abflusssektion). Sperren ko¨nnen als Funktion die Konsolidierung der Bachsohle, die Stabilisierung der Einha¨nge, die Retention und Dosierung des Feststofftransports, die Retention von Wasser, die Filterung und Energieumwandlung haben.

3.2 Klassifizierungsgrundsa¨tze

27

rauigkeit auf. Sie dienen der Stabilisierung der Sohle und der Energieumwandlung.

Buhnen (Sporne) sind la¨ngliche Bauwerke, die vom Ufer her in ein Fließgewa¨sser hineinragen, jedoch nicht die gesamte Sohlbreite u¨berspannen. Sporne sind ku¨rzer als Buhnen, erfu¨llen aber dieselben Funktionen. Diese sind ein Abdra¨ngen der Stro¨mung gegen die Gewa¨ssermitte und der Schutz der Ufer oder eines La¨ngsbauwerks gegen Erosion.

Bild 20. Maßnahmengruppen

Grundschwellen weisen eine Ho¨he bis zu 4 m auf (lotrechter Abstand von der Fundamentunterkante bis zur Ho¨he der Abflusssektion). Sie ko¨nnen zur Konsolidierung der Bachsohle, zur Stabilisierung der Einha¨nge und zur Retention von Geschiebe eingesetzt werden. Sohlgurten (Sohlschwellen) sind im urspru¨nglichen Bauzustand mit der Gewa¨ssersohle bu¨ndig ausgerichtet und erzeugen daher zuna¨chst keinen oder nur einen geringen Absturz. Abstu¨rze stellen sich jedoch nach Kolkbildung und Strukturierung der Sohle ein. Ihre Funktion ist eine Stabilisierung der Sohle. Sohlrampen erzeugen einen schra¨gen Absturz und weisen in der Regel eine hohe Oberfla¨chen-

Ein La¨ngsbauwerk (La¨ngswerk) ist ein zum Fließgewa¨sser la¨ngs angeordnetes Bauwerk. Die folgenden Bauwerke werden zu den La¨ngsbauwerken geza¨hlt.

Ufermauern werden in der Regel in Beton, Stahlbeton oder Naturstein ausgefu¨hrt. Die wasserseitige Mauerfla¨che ist senkrecht oder steil geneigt. Ihre Funktionen sind der Schutz des Ufers gegen Erosion und Unterschwemmung sowie die Abstu¨tzung des Erddrucks der Uferbo¨schung. Eine Grobsteinschlichtung ist eine aus unbearbeiteten Natursteinen hergestellte, schra¨g geneigte Ufersicherung, die trocken oder auf Unterbeton verlegt wird. Eine Grobsteinschlichtung dient der Sicherung der Uferbo¨schung gegen Erosion. Hydraulisch wirkt die Oberfla¨che rau. Ein Leitdamm dient dazu, einen Prozess (Hochwasser, Muren, gravitativer Prozesse) vom gefa¨hrdeten Gebiet abzulenken. Der Leitdamm soll in einem spitzen Winkel zur Prozessrichtung angelegt sein, um einen mo¨glichst guten Umlenk-

Bild 21. Querbauwerke der Wildbachverbauung: (A) Sperre; (B) Grundschwellen (1 massiv, 2 Rundholz, 3 Wasserbausteine); (D) Rampen (Wasserbausteine); (E) Buhnen (Sporne)

28

3 Systematik der Schutzbauwerke

Bild 22. La¨ngsbauwerke der Wildbachverbauung: (A) Ufermauer; (B) Grobsteinschlichtung; (C) Leitdamm

effekt zu erzielen. Seine Funktion ist die Ableitung oder Ablenkung von Prozessen. Bauliche Schutzmaßnahmen mit Fla¨chenwirkung (Fla¨chenelemente) kommen in den seitlichen Ha¨ngen von Wildba¨chen zum Einsatz und wirken entweder dem Abtrag (Erosion) oder der Bewegung des Hanges entgegen. Zu dieser Maßnahmengruppe za¨hlen auch forstliche und ingenieurbiologische Maßnahmen. Bei den baulichen Maßnahmen unterscheidet man Dra¨nagen, Gela¨ndevera¨nderungen und Hangbefestigungen.

Dra¨nagen (Dra¨nagesysteme) entziehen durchfeuchteten Ha¨ngen das Wasser und tragen zu deren Stabilisierung bei. Durch die Entwa¨sserung des Hanges wird der Aufbau eines kritischen Porenwasserdrucks an potenziellen Gleitfla¨chen verhindert. Die Ableitung des Wassers erfolgt in offenen oder unterirdischen Leitungen bis zu einer gesicherten Vorflut. Die Funktion ist die Entwa¨sserung und Stabilisierung der Ha¨nge. Die ku¨nstliche Gela¨ndevera¨nderung auf labilen Ha¨ngen dient der Entlastung und Stabilisierung des Hanges und wirkt der fla¨chigen Abspu¨lung und Rinnenerosion entgegen. Die Funktionen sind somit Hangstabilisierung und Erosionsschutz. Bauwerke zur Hangsicherung (Hangbefestigung) u¨ben eine stabilisierende Wirkung durch eine Abstu¨tzung des Hangfußes, durch eine Verankerung (Verpfa¨hlung) der labilen Hangschichten (u¨ber der Scherfla¨che) in stabilen Untergrund oder durch die fla¨chige Abstu¨tzung der Hangfla¨che aus. Auch Kombinationen von Stu¨tzbauwerken und Verankerungen kommen zum Einsatz. Weitere Formen sind Bauwerke mit deckender Wirkung oder die Terrassierung der Ha¨nge. Technisch aufwendige Hangsicherungsbauwerke, wie sie bspw. im Straßenbau eingesetzt werden, gelangen in der Wildbachverbauung selten zur Anwendung. Die Funktionen sind Hangstabilisierung und Erosionsschutz.

Einzelbauwerke stehen durch die Gerinne in einer Wirkungsbeziehung zueinander und wirken somit in Systemen auf die Prozesse ein. Diese Bauwerksverba¨nde stellen eine Kombination von La¨ngs- und Querbauwerken sowie baulichen Schutzmaßnahmen mit Fla¨chenwirkung dar. Man kann die Bauwerksverba¨nde der Wildbachverbauung in Regulierungen, Staffelungen und Funktionsketten einteilen (Bild 23). Eine Regulierung ist eine geschlossene Verbauung eines Bachlaufes, die aus einer Kombination von nicht unterbrochenen, beidseitigen Uferschutzbauwerken und Querwerken mit sohlstabilisierender Wirkung besteht. Ihre Funktion ist die Ableitung von Fließprozessen (Hochwasser, Muren), die Stabilisierung der Ufer und der Schutz der Ufer gegen Erosion. Die Regulierung fixiert auch den Gewa¨sserverlauf in seiner Lage und wirkt morphologischen Vera¨nderungen entgegen. Eine Staffelung (Sperrenstaffel) ist eine Serie von mehreren aufeinanderfolgenden Sperren oder Grundschwellen a¨hnlicher Bauart und Funktion in einem Abstand, der dem geplanten Gefa¨lle der Bachsohle (Verbauungsgefa¨lle) entspricht. Die Funktionen sind Konsolidierung des Baches, Geschieberu¨ckhalt und Energieumwandlung. Eine Funktionskette ist eine Serie von mehreren aufeinanderfolgenden Schutzbauwerken unterschiedlicher Bauart und Funktion, deren Wirkung in Kombination Schutz vor einem oder mehreren Wildbachprozessen bietet (Beispiel: Funktionskette von Sperren mit den Funktionen Energieumwandlung, Filterung und Dosierung). Ein unmittelbarer ra¨umlicher Zusammenhang ist nicht vorausgesetzt. Ha¨ufig u¨ben Funktionsketten folgende Teilfunktionen aus: Dosierung von Geschiebe, Filterung, Energieumwandlung und Retention von Feststoffen und Wasser. Auch andere Funktionskombinationen sind mo¨glich.

3.2 Klassifizierungsgrundsa¨tze

29

Bild 23. Beispiele fu¨r Bauwerksverba¨nde der Wildbachverbauung: (A) Regulierung; (B) Funktionskette; (C) Staffelung

3.2.3

Klassifizierung von Wildbachsperren

Sperren za¨hlen zu den wichtigsten und universellsten Bautypen der Wildbachverbauung. Der Literatur sind zahlreiche Vorschla¨ge fu¨r eine Klassifizierung von Wildbachsperren zu entnehmen [75, 92, 105, 117, 148, 214, 223]. Keine dieser mehr oder weniger systematischen Klassifikationen vermochte sich bisher in der Fachterminologie der Wildbachverbauung vollsta¨ndig durchzusetzen. Die wichtigsten Kriterien fu¨r die Klassifizierung von Sperren sind folgende: – maßgebliche Wildbachprozesse, – Wirkung der Sperre (Funktionstyp), – Anordnung des Bauwerks, – Absturzho¨he und Absturzneigung, – hautsa¨chlich verwendeten Baustoffe, – Konstruktionsart der Sperre (Konstruktionstyp), – statisches System. Daru¨ber hinaus finden folgende weitere Attribute Anwendung: Grundrissform, Schlitzform, unterbrochene/durchgehende Krone, Anzahl der Sperreno¨ffnungen,gesteuerte/ungesteuerteVerschlussorgane (Schu¨tz, Stauklappen), wasserseitige Vorbauten mit Abweiswirkung, unvera¨nderliche/vera¨nderliche Absta¨nde der Rechensta¨be, bewegliche (abgesetzte) Flu¨gel, Form der Flu¨gel, Wirkung im

Bauwerksverband. In Tabelle 8 sind die Einteilungen nach den Hauptkategorien dargestellt. In der Praxis ist fu¨r die Bezeichnung von Sperrenbauwerken die Anwendung der Klassifikation nach der Leitfunktion, der Konstruktionsart und dem statischen System der Sperre, auf Basis der ONR 24 800 [157], zu empfehlen. Eine Erweiterung dieser Klassifikation mit den Attributen Baumaterial und Verschluss (Abdeckung) der Sperreno¨ffnung ist im Bedarfsfall mo¨glich. Die grundsa¨tzlichen Funktionstypen (Stabilisierung, Konsolidierung, Retention, Dosierung, Filterung, Energieumwandlung) wurden bereits in Abschnitt 3.2.1 behandelt. Fu¨r die Klassifikation nach der Konstruktionsart erfolgt zuna¨chst eine Unterteilung nach der ffnung der Sperrenwand: es werden (o¨ffnungsfreie) Vollsperren (geschlossene Sperren) und offene Sperren unterschieden. Die Einteilung der offenen Sperren erfolgt nach dem Kriterium des Vorhandenseins einer durchgehenden oder unterbrochenen Sperrenkrone: es werden kronengeschlossene und kronenoffene Sperren unterschieden. In einer eigenen Gruppe werden Gittersperren, Netzsperren und Seilsperren zusammengefasst (Bild 24). Ein wichtiges Klassifikationskriterium ist die Form und Gro¨ße der Sperreno¨ffnungen. Sind die Sperreno¨ffnungen nach oben begrenzt (geschlossene Krone), spricht man von Dolen, bei nach oben unbegrenzten Sperreno¨ffnungen handelt es

... mit Balken (Holz, Stahl), ... mit Rechen (Schra¨grechen), ... mit Rost, ... mit Schu¨tz (Stauklappe)

Verschlusso¨ffnungen

Gittersperre (biegesteif)

Grobfilter, Murbrecher

... in Holz ... in Stein ... in Konstruktionsbeton (bewehrt, unbewehrt) ... in Stahl

vektoraktive Tragwerke

massenaktive Tragwerke

einfache PfeilerWinkelPlattensperre plattensperre stu¨tzmauer

Netzsperre (biegeweich)

aufgelo¨ste Tragwerke

Gittersperre, Netzsperre, Seilsperre

Plattensperre

Baustoff

Gewo¨lbesperre (Bogensperre)

Gewichtssperre

Schlitzsperre

kleindolige Sperre großdolige Sperre

aufgelo¨ste Sperre

kronenoffene Sperre

kronengeschlossene Sperre

offene Sperre

Murbrecher, Absturzbauwerk, Bremsbauwerk

Energieumwandlung

mehrfache Vollwandsperre (Kaskadensperre)

Grobgeschiebe-, Wildholzfiltersperre

einfache Vollwandsperre

Wasser-, Geschiebedosiersperre

Wasser-, Geschiebe-, Murenretentionssperre

Filtersperre

Filterung

Vollwandsperre (geschlossene Sperre)

Dosiersperre

Retentionssperre

Konsolidierungssperre, Grundschwellen, Sohlgurten, Rampen

Dosierung

Retention (Ru¨ckhalt)

Stabilisierung, Konsolidierung

Statisches System

Konstruktionsart

Leitfunktion

Tabelle 8. Grundlegende Klassifikation fu¨r Wildbachsperren (nach ONR 24800) [157]

30 3 Systematik der Schutzbauwerke

3.2 Klassifizierungsgrundsa¨tze

31

Bild 24. Beispiele fu¨r Typen von Wildbachsperren klassifiziert nach der Konstruktionsart: (A) Vollwandsperre; (B) kronengeschlossene kleindolige Sperre; (C) kronengeschlossene großdolige Sperre; (D) kronengeschlossene Sperre mit Schlitzdolen; (E–G) Schlitzsperren; (H) aufgelo¨ste Sperre; (I) Netzsperre; (J) Gittersperre

sich um Schlitze (offene Krone). Sperren mit mehrfachen nach oben unbegrenzten ffnungen werden als aufgelo¨ste Sperren bezeichnet. Weitere Kriterien der hier vorgeschlagenen Klassifikation von Wildbachsperren sind der Baustoff und die Form des Verschlusses der Sperreno¨ffnung. Beide Kriterien werden als Attribut der Hauptbezeichnung der Sperre nachgestellt.

Die Komplexita¨t der Systematik von Wildbachsperren ergibt sich aus der Vielzahl der meist in der Ingenieurpraxis entwickelten Formen, die in den letzten Jahrzehnten zur Ausfu¨hrung gelangten. Eine umfassende und vergleichende berpru¨fung aller bekannten Bautypen hinsichtlich ihrer Wirkung und Effizienz bezogen auf alle relevanten Prozesse (Wirkungen) im Modell-

Tabelle 9. Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit Funktionstyp und Konstruktionstyp (Funktions-Konstruktions-Matrix) Konstruktionstyp

geschlossene Sperre (Vollwandsperre)

offene Sperre Dolensperre klein- großdolig dolig

Funktionstyp

Konsolidierung Retention

Schlitzsperre

aufgelo¨ste Gittersperre, Sperre Netzsperre, Seilsperre

Konsolidierungssperre Geschieberetentionssperre (Wasserretentionssperre)

Dosierung

Geschiebedosiersperre

Filterung

(Grob-)Geschiebefiltersperre, Wildholzfiltersperre

Energieumwandlung

Absturzsperre

Dunkelgrau: ungeeignet, hellgrau: bedingt geeignet

Murbrecher

32

3 Systematik der Schutzbauwerke

versuch oder als Wirkungsanalyse in der Natur wurde bisher nicht durchgefu¨hrt, diesbezu¨gliche Studien bezogen sich nur auf einzelne Konstruktionstypen. Andererseits liegen umfangreiche Erfahrungen in der Praxis u¨ber den Anwendungsbereich der verschiedenen Sperrentypen vor. In diesem Zusammenhang kann insbesondere auf die Arbeiten von Kettl [116, 117] und Hu¨bl et al. [105] verwiesen werden. Es bleibt dem Planer vorbehalten, fu¨r den spezifischen Anwendungsfall den am besten geeigneten Bautyp auszuwa¨hlen und den jeweiligen Prozesswirkungen im Einzugsgebiet anzupassen.

Grundsa¨tzliche Aussagen u¨ber die Eignung von bestimmten Bautypen sind jedoch bei einer Darstellung der Zusammenha¨nge zwischen Funktionstyp, Konstruktionstyp und statischem System der Sperrenbauwerke mo¨glich. Als Entscheidungshilfe fu¨r den Planer bei der Wahl eines geeigneten Bautyps kann die Einordnung der Sperrentypen in die Funktions-KonstruktionsMatrix (Tabelle 9) unter Beru¨cksichtigung der Eignung dienen. In einem zweiten Schritt kann die Eignung des statischen Systems (Tragwerkstyp) in der Konstruktions-Tragwerks-Matrix abgelesen werden (Tabelle 10). Zur weiteren Erla¨uterung der statischen Systeme siehe Abschnitt 7.

Tabelle 10. Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit dem statischem System und dem Konstruktionstyp (Konstruktions-Tragwerks-Matrix) Konstruktionstyp

geschlossene Sperre Dolensperre (Vollwandsperre) klein- großdolig dolig Gewichtssperren

Konsolidierungssperre, Geschieberetentionssperre, Absturzsperre

offene Sperre Schlitzsperre

aufgelo¨ste Sperre

Gittersperre, Netzsperre, Seilsperre

Geschiebedosiersperre Geschiebefiltersperre, Wildholzfiltersperre Murbrecher

Gewo¨lbesperren

Geschiebedosiersperre

Statisches System

Plattensperren s reine Plattensperren

Konsolidierungssperre, Geschieberetentionss Pfeilerplattensperre, sperren Absturzsperre s Winkelstu¨tzmauer

Geschiebedosiersperre Geschiebefilter, Wildholzfilter, Murbrecher

Aufgelo¨ste Tragwerke s massenaktive Tragwerke

s vektoraktive Tragwerke Dunkelgrau: ungeeignet

Geschiebefilter, Wildholzfilter, Murbrecher Geschiebefilter, Wildholzfilter

3.2 Klassifizierungsgrundsa¨tze

33

Bild 25. Beispiele fu¨r verschiedene Bautypen von Wildbachsperren: (A–C) Konsolidierungssperren (Vollwandsperren); (D–F) großdolige Sperren (kronengeschlossen); (G) Schlitzsperre; (H) Schlitzsperre mit Balkenverschluss; (I) L-fo¨rmige Schlitzdolen; (J) Doppelschlitzsperre mit Mittelscheibe (Tragwerkstyp Winkelstu¨tzmauer); (K) aufgelo¨ste Sperre/Wildholzfilter (Tragwerk massenaktiv); (L, N) Murbrecher (aufgelo¨ste Sperre, massenaktives Tragwerk); (M, O) aufgelo¨ste Sperre mit Balkenverschluss; (P) Netzsperre/Wildholzfilter (Tragwerk vektoraktiv); (Q) Seilsperre/Wildholzfilter (Tragwerk vektoraktiv)

34

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Die Funktions-Konstruktions-Matrix (Tabelle 9) zeigt, dass geschlossene Sperren (Vollwandsperren) und Sperren mit kleineren ffnungen prima¨r fu¨r die Funktionen der Konsolidierung und Retention eingesetzt werden. Darin kommt eines der wichtigsten Planungskriterien fu¨r Wildbachsperren zum Ausdruck, die Durchga¨ngigkeit des Bauwerks fu¨r Feststoffe und Wasser: Je gro¨ßer der Anteil der ffnungen an der gesamten Sperrenfla¨che ist, desto gro¨ßer die Durchga¨ngigkeit und desto mehr verschiebt sich die Funktion vom Ru¨ckhalt in Richtung Dosierung und Filterung grober Feststoffkomponenten. Eine besondere Stellung nehmen Gitter-, Netz- und Seilsperren ein, die den ho¨chsten Anteil an ffnungen (im Verha¨ltnis zur Sperrenfla¨che) aufweisen, durch ihre Konstruktion (siebartige Verteilung der ffnungen) in der Durchga¨ngigkeit jedoch selektiver auf den Feststofftransport einwirken. Bei Schlitzsperren tritt durch die ru¨ckschreitende Erosion bei ablaufendem Hochwasser eine zeitversetzte (Teil-)Entleerung des Verlandungsraums nach dem Hochwasser ein. Ungeachtet des Bautyps ist jedoch fu¨r jeden Sperrentyp ab einem bestimmten Stadium des Feststofftransports von einer Verklausung der ffnungen und einer nachfolgenden, unselektiven Ablagerung auszugehen, wobei insbesondere Wildholz zur initialen Verstopfung der Sperreno¨ffnung fu¨hrt.

4

Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

4.1 Allgemeines Die Konstruktion von Schutzbauwerken richtet sich grundsa¨tzlich nach der Funktion, den einwirkenden Prozessen (Einwirkungen), den Umgebungsbedingungen und den Bedingungen fu¨r die Gru¨ndung. Maßgeblich ist das Bemessungsereignis, allerdings ist auch – entsprechend der Sicherheitsanforderungen – ein Katastrophenfall zu beru¨cksichtigen. Beachtung finden auch Einwirkungen, die nicht unmittelbar mit der eigentlichen Funktion des Bauwerks (der Anlage) zu tun haben. Dabei ist zu beru¨cksichtigen, dass der Standort von Schutzbauwerken in der Regel eine Extremlage darstellt und aus diesem Grund nicht die gleichen Standards angewendet werden ko¨nnen, wie sie im Hoch- oder Tiefbau u¨blich sind. Es gelten andere Sicherheitsstandards, da die Bauwerke laufend extremen Belastungen und Umweltbedingungen ausgesetzt sind und ihre Funktion jedoch auch dann noch erfu¨llen, wenn teilweise erhebliche Ma¨ngel an der Bausubstanz bestehen. Die konstruktive Gestaltung von Schutzbauwerken ist hauptsa¨chlich auf die Schutzwirkung ausgerichtet (Zweckbauwerke), architektonische oder a¨sthetische berlegungen spielen in der Regel kaum eine Rolle. Zu beachten ist allerdings

die Einbindung in das Landschaftsbild und die Anpassung an das Gewa¨sser im Sinne der hydrobiologischen-hydromorphologischen Gu¨teziele (entsprechend der EU-Wasserrahmenrichtlinie [172]). Insbesondere im Unterlauf ist auf die Durchga¨ngigkeit der Bauwerke fu¨r aquatische Lebewesen (Fische, Makrozoobenthos) zu achten. Die Konstruktion ist im jeweiligen Einzelfall spezifisch fu¨r das geplante Schutzbauwerk zu entwickeln und zu optimieren. Fu¨r komplexe Wirkungen (Funktionen) wird die Durchfu¨hrung von hydraulischen Modellversuchen empfohlen. In der Folge werden aber einige grundlegende Entwurfsregeln zusammengefasst, die u¨berwiegend im Laufe der Zeit in der Ingenieurpraxis der Wildbachverbauung im Alpenraum entwickelt wurden.

4.2

Konstruktionsregeln fu¨r einfache Querbauwerke (Sperren) Querbauwerke der Wildbachverbauung sind so konzipiert, dass sich der Raum bachaufwa¨rts (Verlandungsraum, Stauraum) sukzessive mit Geschiebe (Feststoffen) fu¨llt. Das Wasser fließt u¨ber die, auf eine maßgebliche Hochwassermenge bemessene, Abflusssektion ab und stu¨rzt auf der Luftseite in den Kolk, wo eine Energieumwandlung stattfindet (Bild 26). Dabei du¨rfen die Sperrenflu¨gel in keinem Fall u¨berstro¨mt werden. Um fu¨r den Katastrophenfall bei einer berstro¨mung der Flu¨gel den Abfluss trotzdem in der Bachmitte zu konzentrieren und von den Talflanken abzuhalten, weisen die Sperrenflu¨gel einen Anzug auf, der u¨blicherweise zwischen 10 und 20 %, jedenfalls jedoch u¨ber dem maximalen Verlandungsgefa¨lle liegt. Die Sperrenflu¨gel sind auf beiden Seiten in die Talflanken einzubinden, damit die Sperre nicht umflossen werden kann. Die Sohle des Wildbaches ist in der Regel instabil, sodass eine ausreichende Gru¨ndung der Sperre gegen Auskolkung erforderlich ist. Als Richtwert fu¨r die Gru¨ndung von Wildbachsperren kann eine Tiefe von 1,5 bis 2,0 m angegeben werden, die Festlegung hat jedoch im Einzelfall in Abha¨ngigkeit von der Kolktiefe, der Hangstabilita¨t und der Beschaffenheit des Baugrundes zu erfolgen. Durch stationa¨re Stro¨mungszusta¨nde des Wassers im Boden ko¨nnen zusa¨tzliche Belastungen auf das Sperrenbauwerk auftreten. Ist die Wasserbewegung im Bereich des zum Erddruck geho¨renden Bruchko¨rpers, zur Mauer hin gerichtet, erho¨hen die wirksamen Stro¨mungskra¨fte den aktiven Erddruck. Solche zusa¨tzlichen Belastungen mu¨ssen bei dichten Mauerko¨rpern durch das Anbringen von Dra¨nagen verhindert werden. Diese erfolgen bei Betonbauwerken und Zementmo¨rtelmauerwerk durch die Anordnung von Entwa¨sserungso¨ffnungen (Dolen). Holzkastensperren

4.3 Konsolidierungssperren und Staffelungen

und Drahtschottersperren sind aufgrund ihrer Konstruktion wasserdurchla¨ssig. Der Querschnitt der Sperrenwand (Sperrenplatte) wird wasserseitig in der Regel senkrecht ausgefu¨hrt, wa¨hrend luftseitig ein Anzug vorgesehen wird. Dieser liegt u¨blicherweise – in Abha¨ngigkeit des statischen Systems – zwischen 5:1 und 10:1. Die Breite des Fundaments richtet sich nach der Tragfa¨higkeit des Untergrundes, eine Verbreiterung ist bei schlechtem Baugrund erforderlich (vgl. Abschn. 4.9.2).

4.3

Konsolidierungssperren und Staffelungen Das Ziel der Konsolidierung besteht in der Unterstu¨tzung der Ha¨nge oberhalb des Sperrenbauwerks durch eine Hebung der Gerinnesohle. Dadurch wird die Sohle in einer stabilen Lage fixiert und die Tiefenerosion unterbunden. Die mittelbare Wirkung der Konsolidierung besteht im Ru¨ckhalt von Feststoffen und der positiven Einwirkung auf das Geschieberegime. Konsolidierungsmaßnahmen bewirken eine Reduktion des Sohlgefa¨lles, eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit, die Ausbildung von freien berfa¨llen (Abstu¨rzen) und eine Umwandlung der Energie des Fließprozesses im Sperrenkolk. Damit verbunden ist eine Reduktion der Geschiebetransportkapazita¨t, die entweder zu einer Verringerung der Erosionsleistung oder zur tempora¨ren Ablagerung (Sedimentation) transportierter Feststoffe fu¨hrt. In der Regel werden fu¨r die Konsolidierung von labilen Bachabschnitten mehrere Sperren in einer Serie angeordnet. Dieser Bauwerksverband, der meist aus a¨hnlichen oder baugleichen Sperren be-

35

steht, wird als Staffelung bezeichnet. Die Anordnung erfolgt so, dass jede Sperre die jeweils oberhalb liegende gegen Unterkolkung des Fundaments abdeckt. Der Abfluss in den Verlandungsra¨umen von Konsolidierungssperren einer Staffelung findet auf der eigenen Alluvion statt, sodass der Feststofftransport mit der Sohle in Wechselwirkung steht. Die Staffelung tra¨gt so zum Geschiebegleichgewicht bei, da es bei steigender Geschiebebelastung zur Ablagerung und zur Zunahme des Verlandungsgefa¨lles, bei sinkender Geschiebebelastung jedoch zum Abtrag und zur Abnahme des Verlandungsgefa¨lles kommt (Bild 28). Der Wirkungsgrad von Staffelungen fu¨r die Geschiebedosierung ist unter Umsta¨nden ho¨her als bei einer einzelnen (großen) Dosiersperre, da die Zwischendeponie u¨ber Auf- und Abtrag erfolgt und Verklausungen weitgehend ausgeschlossen sind. Zweifellos ist die Feststoffspeicherkapazita¨t des Verlandungsraumes von Konsolidierungssperren beschra¨nkt; bei berlastung des Wildbachs mit Geschiebe kann es auch innerhalb der Staffelung zur u¨bersteilten, kegelartigen Ablagerung kommen und der Abfluss an den Hangfuß abgedra¨ngt werden. Somit sind auch bei Konsolidierung von Erosionsstrecken lokale Hangrutschungen nach Unterschneidung nicht vo¨llig auszuschließen, erreichen jedoch niemals das Ausmaß wie in ungesicherten Bachabschnitten. Fu¨r die Standsicherheit der Sperren ist dieses Risiko jedoch von erheblicher Bedeutung, da es bei mangelhafter Einbindung der Flu¨gel in die Talflanken zu einer Freilegung der Fundamente und in weiterer Folge zu einer Umgehung des Bauwerks kommen kann.

Bild 26. Abfluss in einer Sperrenstaffelung (nach Bo¨ll [28])

36

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Ein weiterer Risikofaktor fu¨r die Wirkung von Staffelungen ist das Auftreten von Verklausungen bachaufwa¨rts der Staffelung und deren plo¨tzlicher Durchbruch. Dieser kann zu schwallartigen Abflu¨ssen und Murga¨ngen fu¨hren, deren Abflussmenge weit u¨ber der Bemessungshochwassermenge liegt. In beiden Fa¨llen wird die Staffelung Einwirkungen ausgesetzt, fu¨r die die Bauwerke in der Regel nicht bemessen sind (Katastrophenfall). Staffelungen, die in einem von schwallartigen Abflu¨ssen oder Murga¨ngen bedrohten Bachabschnitt liegen, sollten daher durch entsprechende konstruktive Vorkehrungen gegen diese Einwirkungen gesichert werden. Zu diesen Vorkehrungen za¨hlen: – ausreichendes Durchflussprofil der Abflusssektion (gegenu¨ber dem Bemessungshochwasser u¨berdimensioniert), – muldenartige Ausformung der Abflusssektion (Murprofil) (s. Bild 41 B, C), – steiler Anzug der Krone der Sperrenflu¨gel (mindestens 15 %), ggf. im Außenbogen steiler als im Innenbogen (s. Bild 41 F), – ausreichende Einbindung der Fundamente in den Talflanken, – Sicherung der Talflanken im Kolkbereich der Sperren, – Anordnung von Murbrechern oberhalb der Sperrenstaffelung (s. Bild 23 B). Bild 27. berlastung von Sperrenstaffelungen durch berschreitung der Feststoffaufnahmekapazita¨t der Verlandungsra¨ume

Konsolidierungssperren und Staffelungen haben keinen nennenswerten Einfluss auf den Hoch-

Bild 28. Staffelung von Konsolidierungssperren (La¨ngsschnitt): Die Grafik zeigt das Bachgefa¨lle vor Verbauung f und das Prinzip des wechselnden Verlandungswinkels fl, fll sowie die Sohllinien bei unterschiedlicher Auskolkung. Aus diesen Angaben kann die Gru¨ndungstiefe Hf sowie das mindestens erforderliche Freibord fb bei Vollverlandung abgeleitet werden, in zweiter Linie ergeben sich daraus die Konstruktionsho¨he und der Abstand der Sperren

4.4 Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke

wasserabfluss, sieht man von der Energieumwandlung im Sperrenkolk ab. Durch die Umsetzung der zuvor angefu¨hrten konstruktiven Vorkehrungen kann in Staffelungen eine wirkungsvolle Umwandlung der Energie von Murga¨ ngen (kaskadenartiger Absturz) erreicht werden. Das Verlandungsgefa¨lle fl (fL) in Staffelungen ha¨ngt von der Wasserfu¨hrung, der Feststoffkonzentration und der Kornzusammensetzung des Sediments ab und ist laufenden Schwankungen unterworfen. Fu¨r die Anordnung der Konsolidierungssperren, insbesondere fu¨r die Wahl des Sperrenabstandes L spielt das Verlandungsgefa¨lle hinter den Sperren eine entscheidende Rolle (Bild 28). Maßgeblich ist das Minimalgefa¨lle fl, das nach einem Hochwasserereignis eintritt. Im Wildbach ist das Minimalgefa¨lle immer sehr viel kleiner als das Sohlgefa¨lle f des unverbauten Baches. Zudem haben La¨nge LK und Tiefe TK des Sperrenkolks große Bedeutung fu¨r die Stabilita¨t der Sperrenbauwerke. Falls das Gefa¨lle zwischen zwei Sperren gro¨ßer als fl ist, tritt bei Hochwasser Sohlerosion auf. Die Standsicherheit der Sperre wird dadurch verringert (Bild 28). In einer Staffelung hat das Versagen einer Sperre auch Auswirkungen auf die Standsicherheit der oberhalb liegenden Sperrenbauwerke. Aus diesem Grund kommt der Stabilita¨t der untersten Sperre einer Sperrenstaffelung besondere Bedeutung zu (Schlu¨sselbauwerk, s. Abschn. 8). Fu¨r die Planung von Staffelungen ist somit die Ermittlung des Minimalgefa¨lles fl von Bedeutung, um stets ein ausreichendes Eindecken der Sperrenfundamente gegen Tiefenerosion und Auskolkung zu gewa¨hrleisten. In der Praxis wird das Sohlgefa¨lle zwischen den Sperren einer Staffelung je nach Zusammensetzung des Sediments bis maximal 5 % festgelegt, im Idealfall mit 0 % (Nulldeckung). Die Fundamentunterkante der na¨chst oberen Sperre liegt damit etwa 1 m tiefer als die Hinterkante der Abflusssektion der unterhalb liegenden Sperre. Der Sperrenabstand L soll der doppelten Kolkla¨nge Lk entsprechen. In steilen Wildba¨chen ist diese Forderung meist nur mit großen Absturzho¨hen zu erzielen. Fu¨r diesen Fall gibt Bo¨ll [28] den Sperrenabstand mit L i 10 m an. Die Verlandung von Wildbachsperren ist ein stark von der Wasserfu¨hrung und dem Feststofffu¨hrung abha¨ngiger Prozess und zyklischen Entwicklungen unterlegen (Verlandungszyklus). Wenn Konsolidierungssperren nach der Fertigstellung nicht hinterfu¨llt werden, tritt die Verfu¨llung des Stauraums erst bei den folgenden Feststofftransportereignissen auf. Diese Verlandung ist in der Regel irreversibel und wird ha¨ufig ausgenutzt, um Kosten fu¨r eine maschinelle Hinterfu¨llung

37

der Bauwerke zu sparen. Nachdem sich eine Verlandung bis zur Sperrenkrone eingestellt hat, stellt sich oberhalb der Sperre ein bestimmtes Verlandungsgefa¨lle ein, welches dem aktuellen Geschiebegleichgewicht (Gleichgewicht zwischen Transportkapazita¨t des Abflusses und dem Feststoffdargebot) entspricht.

4.4

Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke mit Dosier- und Filterwirkung Das Feststoffregime eines Wildbaches zeichnet sich in Abha¨ngigkeit des Geschiebedargebots und der Wasserfu¨hrung durch einen kurzzeitigen Wechsel von Phasen mit Massenu¨berschuss und Massendefizit aus. Aus diesem Grund treten kleinra¨umige und kurzzeitige Abfolgen von Abtrag (Erosion) und Auflandung ein, sodass die Morphologie des Bachbetts insgesamt als sehr instabil anzusehen ist. Das Feststoffregime ist daher meist im Stadium des Ungleichgewichts. Eingriffe in den Geschiebetransport fu¨hren zu einer raschen Vera¨nderung des Feststoffregimes. Beispielsweise bewirkt die Errichtung einer Geschieberetentionssperre im Unterlauf ein Geschiebedefizit und kann neue Erosionstendenzen auslo¨sen. Fu¨r Wildba¨che mit instabilem Feststoffregime sind daher Funktionstypen gefragt, die eine hohe Durchga¨ngigkeit fu¨r Geschiebe bewirken und einen selektiven Ru¨ckhalt fu¨r grobe Feststoffkomponenten leisten. Dieses Konzept liegt den Funktionstypen der Geschiebedosierung und Geschiebefilterung durch offene Sperren zugrunde [117]. Folgende Kriterien sind fu¨r die Funktion offener Sperren maßgebend: – selektiver Ru¨ckhalt von groben Feststoffkomponenten (Wildholz, Blo¨cke, Steine), deren Ablagerung zu Verklausungen, Bachaustritten, Bachverwerfungen und Ufererosion fu¨hren wu¨rden; – weitgehende Durchga¨ngigkeit fu¨r den Transport mittlerer und feiner Feststoffkomponenten vor allem bei kleineren Hochwasserereignissen; – Retentionswirkung nur bei Hochwasserereignissen; – Mo¨glichkeit einer (teilweisen) selbststa¨ndigen Entleerung; – Bereitstellung eines ausreichenden Stauraums fu¨r die Feststofffracht des Bemessungsereignisses ohne laufenden Ra¨umungsbedarf; – gute Entwa¨sserung des Verlandungsko¨rpers; – Durchga¨ngigkeit der Sperre fu¨r Makrozoobenthos und (falls erforderlich) fu¨r Fische. Die Vorteile dieses Konzeptes liegen in der effizienten Nutzung der Fließenergie des Wassers, in

38

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

der Erhaltung des Geschiebegleichgewichts im Unterlauf, in einer mo¨glichst langen Freihaltung des Stauraums, in einer o¨kologischen Durchga¨ngigkeit der Sperrenbauwerke sowie in einer Baukostenersparnis aufgrund geringerer (erforderlicher) Bauwerksho¨hen. Das Konzept der Dosierung wird in der Praxis in Form von kronenoffenen Sperren oder großdoligen Sperren umgesetzt. Folgende Bautypen sind am ha¨ufigsten vertreten: x Schlitzsperren mit – einfachem Schlitz oder mehrfachen Schlitzen, – Balken, – Netz; x großdolige Sperren mit – Rechen, – (schra¨gem) Rost, – Balken, – Netz. Das Konzept der Filterung (Grobgeschiebe, Wildholz) wird in der Praxis in Form von kronenoffenen Sperren umgesetzt. Folgende Bautypen sind am ha¨ufigsten vertreten: – Schlitzsperren mit einfachem Schlitz oder mehrfachen Schlitzen, – aufgelo¨ste Sperren (z. B. Wildholzfang), – Gittersperren, – Netzsperren. Von grundlegender Bedeutung fu¨r die Dosier- und Filterwirkung von Wildbachsperren ist die Gro¨ße der Sperreno¨ffnung, also der Durchmesser der Dolen und die Breite der Schlitze oder die lichte Weite von, den ffnungen vorgesetzten, Rechen, Netzen oder Balken. Das Planungskriterium ist dabei nicht nur der Durchmesser jener Feststoffkomponenten, die zuru¨ckgehalten werden sollen, sondern auch die gezielte Herstellung eines tempora¨ren Ru¨ckstaus im Verlandungsraum, der die Sedimentation des Geschiebes und das Aufschwimmen des Wildholzes bewirkt. In diesem Sinne hat die Durchga¨ngigkeit der Sperreno¨ffnungen zwei divergenten Anforderungen zu genu¨gen: Sie soll so gering sein, dass eine wirksame Sedimentation eintritt, und so groß sein, dass eine wirksame Spu¨lung des Stauraumes eintritt. Durch die Ausbildung eines Ru¨ckstaus setzt die Sedimentation bereits an der Stauwurzel ein (Ausbildung eines submersen Schwemmkegels) und baut sich langsam in Richtung Sperrenbauwerk auf. Dadurch werden die Sperreno¨ffnungen la¨nger frei gehalten. Je nach Funktion der Sperre wird fu¨r Dosiersperren die Gro¨ße der Sperreno¨ffnung (z. B. die Schlitzbreite) so bemessen, dass ein Ru¨ckstau schon bei Mittelwasser, bei Hochwasser oder erst bei Eintritt des Bemessungshochwassers eintritt. Hingegen werden die ffnungen von

Filterbauwerken so bemessen, dass die Durchga¨ngigkeit weit u¨ber das Bemessungshochwasser hinausreicht und damit ein Verschluss der ffnungen (Verklausung) mit nachfolgendem Ru¨ckstau nur im Katastrophenfall eintritt. Kritisch ist die Wirkung von großdoligen oder kronenoffenen Sperrenbauwerken mit hoher Durchga¨ngigkeit fu¨r Wildba¨che mit leicht mobilisierbarem, grusigem oder koha¨sionslosem Geschiebe zu bewerten, wie es vor allem in Einzugsgebieten mit karbonatischem Grundgestein (Kalk, Dolomit) auftritt. Fu¨r diese Wildba¨che besteht das Risiko eines retentionsfreien Geschiebetransportes durch die Sperreno¨ffnungen hindurch, ohne dass diese ihre Wirkung entfalten ko¨nnen [183]. 4.4.1

Konstruktion von Schlitzsperren

Schlitzsperren werden entsprechend ihrer Wirkung auch als Entleerungssperren bezeichnet. Das Prinzip dieses Sperrentyps basiert darauf, wa¨hrend des Hochwasserereignisses einen Ru¨ckstau im Verlandungsraum zu erzeugen und eine Sedimentation von der Stauwurzel her einzuleiten. Ein Verschluss des Schlitzes (Verklausung) soll mo¨glichst lange verhindert werden. Die Erfahrung zeigt allerdings, dass Schlitze auch ohne Wildholzfu¨hrung bei Hochwasserereignissen rasch verlegt werden. Ein maßgebliches Ereignis fu¨r den Verschluss des Schlitzes du¨rfte der Zeitpunkt der berstro¨mung der Abflusssektion sein, welche den starken Durchfluss durch den Sperrenschlitz infolge des berfalls beeintra¨chtigt. Die Entleerung des Verlandungsraumes erfolgt – sofern der Schlitz nicht verschlossen ist – mit dem Ablaufen der Hochwasserwelle. Durch das infolge der Auflandung gro¨ßere Gefa¨lle erho¨hen sich der Durchfluss und die Schleppkraft im Schlitzbereich. Die Abspu¨lung des Sediments im Stauraum setzt unmittelbar oberhalb des Schlitzes ein und pflanzt sich in Form einer Erosionsrinne ru¨ckschreitend in den Verlandungsko¨rper fort. In der Regel kann durch natu¨rliche Abspu¨lung nur eine Teilentleerung des Verlandungsraumes erreicht werden, weil die Entwicklung der Erosionsrinne gegen die Fließrichtung und seitlich begrenzt ist. Entscheidend fu¨r die Reichweite der Entleerung ist die Ho¨he des Schlitzes. Schlitzsperren sind anfa¨llig fu¨r rasche Verklausung, aber auch zuweilen fu¨r plo¨tzlichen Durchbruch der Verklausung bei Vollstau, der zu einer Flutwelle im Unterwasserbereich und zu einer schlagartigen Entleerung fu¨hren kann. Diesen Risiken einer einfachen Schlitzsperre kann im Bedarfsfall durch zusa¨tzliche konstruktive Vorkehrung entgegengewirkt werden. Dazu za¨hlen Strukturen, die dem Schlitz wasserseitig vorgesetzt werden (Scheiben, Abweiser), um ihn vor

4.4 Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke

Verschluss durch Holz frei zu halten, die Anordnung von Balken (vgl. Abschn. 4.4.2) oder die Anordnung von Mehrfachschlitzsperren oder aufgelo¨sten Sperrentypen (Bild 29).

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Als Richtwert fu¨r die minimale Schlitzbreite gibt Leys [138] die Sohlbreite des Baches oberhalb der Sperre oder den dreifachen Durchmesser des Gro¨ßtkorns an. Die Festlegung der Schlitzbreite ist ein kritisches Planungskriterium, da eine falsche Festlegung eine zu rasche Verklausung oder eine zu hohe Durchga¨ngigkeit nach sich ziehen kann. Die Schlitzbreite kann spa¨ter praktisch nicht mehr vera¨ndert werden. 4.4.2

Konstruktion von Balkensperren

Balkensperren weisen breitere ffnungen oder Schlitze auf, die mit horizontalen Sta¨ben teilweise abgedeckt sind. Der Wirkungsgrad von Balkensperren ha¨ngt von der Ho¨he der Sperre, der Durchga¨ngigkeit (Balkenabstand) und der Balkensta¨rke ab. Durch die u¨bliche Gro¨ße der Sperreno¨ffnung kommt es im Stauraum von Balkensperren selten zu Ru¨ckstauereignissen, sodass der Balkenabstand das maßgebliche Kriterium fu¨r die Durchga¨ngigkeit ist. Durch einen sukzessiven Verschluss der Balkenabsta¨nde durch Grobgeschiebe und Holz kommt es auch bei Balkensperren zu einer fortschreitenden Verklausung der Sperreno¨ffnung, die jedoch nicht so schlagartig eintritt wie bei Schlitzsperren. Zum Verschluss kommt es in der Regel durch die unselektierte Ablagerung von Feingeschiebe hinter dem ausgefilterten Holz und Grobgeschiebe.

Bild 29. (A) Einfache Schlitzsperre; (B) Schlitzsperre im teilverlandeten Zustand

Eine selbstta¨tige Entleerung des Verlandungsraumes tritt bei Balkensperren nicht so leicht ein wie bei Schlitzsperren. Sind die Balken durch Holz verlegt, ist meistens eine ku¨nstliche ffnung

Bild 30. (A) Einfache Schlitzsperren mit Balkenverschluss; (B) aufgelo¨ste Sperre mit Balkenverschluss

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4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

des Balkenverschlusses und eine Ra¨umung der Verklausung unausweichlich. Ein wesentlicher Vorteil der Balkensperre liegt in der garantierten Ru¨ckhaltewirkung fu¨r Grobkomponenten, deren Durchmesser u¨ber dem Balkenabstand liegt. Als Richtwert fu¨r den Mindestabstand zwischen den Balken gibt Hampel [81] den 1,5-fachen Durchmesser des Gro¨ßtkornes oder die doppelte Balkensta¨rke an. Als vorteilhaft hat sich eine flexible Einstellbarkeit der Balkenabsta¨ nde erwiesen. 4.4.3

Konstruktion von Rechen- und Rostsperren

Der Grundgedanke dieses Sperrentyps ist, Wildholz durch die Schra¨glage des Rostes (Rechens) zum Aufgleiten zu bringen und dadurch den Durchfluss und den Geschiebetrieb mo¨glichst lange aufrecht zu erhalten. Vertikale Rechen werden daher in der Wildbachverbauung praktisch nicht errichtet. Rechenkonstruktionen wirken vor allem in stark wasserfu¨hrenden Wildba¨chen mit großem Wildholzanteil und tragen dazu bei, dass das Geschieberegime des Baches im Unterlauf im „Gleichgewicht“ gehalten wird. Eine großdolige Dosier- und Filtersperre ist in Bild 32 dargestellt. Durch die Querschnittsverengung tritt zwischen den Rechensta¨ben eine erho¨hte Schleppkraft auf, die zur lokalen Erho¨hung des Geschiebetriebs fu¨hrt. Der Grundgedanke dieses Bautyps ist ein natu¨rlicher Spu¨lvorgang bei ablaufender Hoch-

wasserwelle, um den Stauraum mo¨glichst lange fu¨r grobe Feststoffkomponenten eines Bemessungshochwassers frei zu halten. Durch den Spu¨lvorgang passiert ein betra¨chtlicher Teil der Geschiebefracht – vor allem der Feingeschiebeanteil – die Sperre und gelangt in den Unterlauf. Allerdings zeigt die Praxis, dass durch das Herabsinken des Holzes der Rost (Rechen) in manchen Fa¨llen verschlossen wird und der Spu¨lvorgang abbricht. Im Verlandungsraum tritt daraufhin ein Ru¨ckstau ein und fu¨hrt zur unselektierten Ablagerung aller Feststoffe. Ha¨ufig ist es daher erforderlich, durch maschinelle Freihaltung des Rechens schon wa¨hrend der ablaufenden Hochwasserwelle den Spu¨lvorgang einzuleiten. Eine gesicherte Zufahrt, nicht nur in den Verlandungsraum sondern auch in den Bereich des Rechens, ist daher besonders wichtig und bei der Planung des Bauwerks zu beru¨cksichtigen. Grundsa¨tzlich reicht ein unter 45h geneigter Rechen aus (Bild 31 A), um die beschriebenen Funktionen zu erfu¨llen, die Wirkung kann allerdings durch zusa¨tzliche konstruktive Vorkehrungen verbessert werden. Ha¨ufig wird der unterste Teil des Rechens horizontal oder leicht geneigt ausgefu¨hrt und wirkt so a¨hnlich einem Tirolerwehr (Bild 31 B–E). Die ho¨heren Teile des Rechens werden hingegen steiler geneigt. Im Bereich der Abflusssektion wird der Rechen fallweise wieder horizontal ausgefu¨hrt. Der Rechen ist großen Dolen vorgesetzt, deren Durchga¨ngigkeit weit u¨ber dem Bemessungshochwasser liegt.

Bild 31. Rostformen und Statisches System: (A) Schra¨grechen auf I-Tra¨gern; (B) gebrochener Rechen auf I-Tra¨gern; (C) Schra¨grechen auf Verbundtra¨ger; (D) zweifach gebrochener Rechen (Lagerung auf zwei Rundtra¨gern); (D) zweifach gebrochener Rechen (Lagerung auf Stu¨tzlamellen und Rundtra¨ger)

4.4 Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke

41

Bild 32. Großdolige Dosier- und Filtersperre: Prinzipskizze und Anlagenteile

Bei Ru¨ckstau kann es fallweise zum Aufschwimmen des Holzes im Bereich der Abflusssektion kommen. Um ein berschieben des Holzes u¨ber die Abflusssektion zu verhindern, muss der Rechen so ausgefu¨hrt werden, dass das Holz im obersten Bereich ha¨ngen bleibt. Diese Wirkung wird z. B. auch durch vertikale Sta¨be erzielt, die dem Rechen im obersten Teil aufgesetzt sind (Bild 34).

Massive Schra¨grechen an Wildbachsperren werden heute u¨berwiegend aus Stahlprofilen ausgefu¨hrt. Die Rechen werden je nach Belastung aus I-Tra¨gern (IPE, IPB), Hohlprofilen oder mit Beton gefu¨llten Hohlprofilen hergestellt (Bild 33). Einfache Rechen sind einfach konstruiert. Auf horizontalen I-Profilen liegen gerade vertikale Rechensta¨be auf. Die horizontalen I-Tra¨ger sind seitlich in den Rostwangen verankert (Bild 31 A).

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4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 33. Querschnitte von Balken oder Rechenkonstruktionen: (A) geschweißter Kastenquerschnitt; (B) runder Verbundquerschnitt; (C) gefu¨llte Hohlprofile; (D) ungefu¨llte Hohlprofile; (E) I-Tra¨ger

Bild 34. Rechensperren: (A) einfache Rechensperre mit aufgesetzten Sta¨ben, die die berschiebung des Wildholzes u¨ber die Abflusssektion verhindern; (B) Rostsperre mit mehrfach gebrochenem Rechen; (C) zweifach gebrochener Rechen (Lagerung auf zwei Rundtra¨gern); (D) zweifach gebrochener Rechen (Lagerung auf Stu¨tzlamellen und Verbundtra¨ger)

Die Auflager von mehrfach gebrochenen Sperrenrosten wurden zuna¨chst aus querliegenden Stahltra¨gern hergestellt, mit denen die Rechensta¨be verschweißt waren (Bild 31 A). In den letzten Jahren

werden runde stahlblechverkleidete Stahlbetontra¨ger als horizontale Auflager der vertikalen Lamellen verwendet (Bild 31 B). Durch die hohe Tragfa¨higkeit dieser Verbundquerschnitte lassen

4.5 Bauwerke zum Brechen und Bremsen von Muren

sich die horizontalen Tra¨ger auf ein Minimum reduzieren (Bild 31 C). Fu¨r Quertra¨ger oder stark beanspruchte Rechenlamellen werden betonummantelte I-Tra¨ger oder betongefu¨llte Formrohre verwendet. Bei den I-Tra¨gern werden beidseitig an die Flansche Stahlbleche (t j 8 mm) geschweißt. Anschließend werden diese geschweißten Kastenquerschnitte mit Beton gefu¨llt (Bild 31 A), um eine mo¨glichst hohe Tragfa¨higkeit fu¨r die dynamische Beanspruchung durch Stro¨mung, Geschiebe und Holz zu erreichen [75].

43

Murga¨nge und Hochwasser durch die flexiblen Rechenabsta¨nde sofort umgesetzt werden ko¨nnen. Bei dieser Konstruktion werden die Tra¨ger nach [126] auf einer durchgehenden Auflagerbank aufgelagert und die Tra¨gerzwischenra¨ume werden mit La¨rchenholz ausgefu¨llt.

4.5

Bauwerke zum Brechen und Bremsen von Muren

4.5.1

Konstruktion von Murbrechern

Die Wahl des Rechenabstandes fu¨r offene Sperrenbauwerke ha¨ngt von der Funktion der Sperre und der Zusammensetzung des Geschiebes ab Leys [137] schla¨gt fu¨r die Bemessung der Rechenabsta¨nde die Ermittlung eines „Normalsteins“ vor den gro¨bsten Kornfraktionen vor. In der Praxis wird die Wahl des Abstandes aber nur aufgrund von Erfahrungswerten durchgefu¨hrt, da eine rechnerische Ermittlung kaum zielfu¨hrend erscheint. Fu¨r die Filterung von Wildholz wird eine Rechenweite von 100 bis 200 cm vorgeschlagen.

Ziel des Brechens oder Bremsens von Muren ist es, den Energiehorizont auf ein niedrigeres Niveau zu senken (Energierumwandlung). Dadurch kann die Prozessgeschwindigkeit gebremst und die Einwirkung auf bachabwa¨rts liegende Objekte (dynamische Beanspruchung der Bauwerke) wesentlich verringert werden. Durch den Eingriff in den Prozess werden auch die Eigenschaften des Mediums vera¨ndert und der Fließvorgang transformiert. Die Murmasse soll an einer dafu¨r geeigneten Stelle zur Ablagerung gebracht werden.

Aufgrund der Unsicherheiten bei der Wahl der Rechenabsta¨nde ist die Mo¨glichkeit einer nachtra¨glichen Anpassung erwu¨nscht. Krimpelsta¨tter [126] schla¨gt zwei Auflagersysteme zur nachtra¨glichen Verschieblichkeit der Tra¨ger vor. Einerseits die Lagerung auf Stu¨tzlamellen und Rundtra¨ger sowie andererseits die Lagerung auf zwei Rundtra¨gern.

Die Funktion der Energieumwandlung (Brechen und Bremsen von Muren) wird in der Regel von eigenen Bauwerken ausgeu¨bt, die auf die entsprechenden Einwirkungen bemessen wurden (Bild 35). Diese Trennung der Funktion von anderen Wirkungen (Retention, Dosierung, Konsolidierung) ist sinnvoll, da andernfalls alle Bauwerke auf die Beanspruchung durch Murgang bemessen werden mu¨ssten. Das Konzept der funktionalen Trennung ermo¨glicht die Umwandlung der Energie des Murganges an einem vorgelagerten Bauwerk zum Schutz der (in Fließrichtung) nachfolgenden.

Lagerung auf Stu¨tzlamellen und Rundtra¨gern (Bild 31 E): Verwendet man fu¨r die Lagerung Stu¨tzlamellen, kann auf einen Quertra¨ger beim untersten Knick verzichtet werden. Dadurch bleibt die Rechenkonstruktion bei Mittel- und Hochwasser la¨nger durchla¨ssig. Durch die Lamellen erfolgt laut [126] eine Wasserkonzentration, wodurch eine Geschiebeanlandung unterhalb des Rechens vermieden werden kann. Die Lamellen werden aus vorgefertigten Stahlelementen, welche mit Beton verfu¨llt werden hergestellt und sind bewehrt. Der gro¨ßte Nachteil der Lamellen ist die teure Konstruktionsweise und der Umstand, dass die Tra¨gerabsta¨nde nicht vera¨ndert werden ko¨nnen. Das obere Auflager besteht nach [126] aus einem stahlblechverkleideten runden, dadurch hydraulisch gu¨nstigen, Stahlbetontra¨ger. Das Stahlblech kann als verlorene Schalung verwendet werden und somit reduzieren sich die Schalungskosten. Diese Bauweise kann mit unterschiedlichen Rechenabsta¨nden im untersten und in den beiden oberen Rechenfeldern ausgefu¨hrt werden. Lagerung auf zwei Rundtra¨gern (Bild 31 D): Diese Bauweise erlaubt unterschiedliche Tra¨gero¨ffnungen in allen drei Rechenfeldern. Ein weiterer entscheidender Vorteil dieser Bauweise ist, dass neue Erkenntnisse betreffend der Dimensionierung auf

Zu diesen Beanspruchungen za¨hlt die dynamische Lastwirkung, der Stoßimpuls durch mitgefu¨hrte Blo¨cke und Baumsta¨mme, die Abrasion an den exponierten Fla¨chen und die Erosionswirkung in der Umgebung des Bauwerks. In manchen Fa¨llen, wenn Murga¨nge als Prozess nur eine untergeordnete Rolle spielen, ist jedoch auch die Kombination des Murbrechers als Bauteil einer Sperre mit anderer Funktion mo¨glich. Beispielsweise ko¨nnen Betonscheiben mit murenbrechender Wirkung (Murteiler) einer Schlitzsperre mit Dosierfunktion/Filterfunktion vorgesetzt werden oder die Betonscheiben werden u¨ber einem Sperrenteil mit konsolidierender Wirkung angeordnet. Als Sonderkonstruktionen sind aufgelo¨ste Sperren mit massiven Betonscheiben und -balken („Stahlbetonrost“ mit hoher Durchga¨ngigkeit) oder Netzsperren (Murgangbarrieren) aufzufassen, die bisher nur in speziellen Fa¨llen zum Einsatz gelangten.

Murbrecher werden oberhalb jener Bauwerke angeordnet, die sie vor Beaufschlagung durch Muren schu¨tzen sollen, bspw. oberhalb von Dosiersper-

44

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 35. Brechen und Bremsen von Muren: (A) Prinzip eines Murbrechers; (B) Prinzip einer Staffel mit Murabsturzbauwerken (Bremsen)

Bild 36. Sperrenbauwerke zum Brechen und Bremsen von murartigem Feststofftransport und Murga¨ ngen (Murbrecher): (A) mit Murteilern versta¨rkte Schlitzsperre; (B–D) aufgelo¨ste Sperren mit gepanzerten Murteilern (Scheiben)

4.5 Bauwerke zum Brechen und Bremsen von Muren

ren oder von Sperrenstaffeln mit Konsolidierungsfunktion (Bild 23, S. 29). Die richtige Einscha¨tzung der Disposition eines Einzugsgebiets fu¨r Murga¨nge ist von fundamentaler Bedeutung fu¨r den Erfolg eines Schutzsystems, da eine Fehleinscha¨tzung zu schweren Scha¨den und Funktionsverlust der nicht auf Murbeanspruchung bemessenen Bauwerke fu¨hren kann. Insbesondere nicht massive Bauteile, wie Rechen-, Netz- und Balkenverschlu¨sse sind in hohem Maße anfa¨llig fu¨r die Bescha¨digung durch Murga¨nge. Konstruktiv werden Murbrecher in Form von mehreren, rechenartig nebeneinander angeordneten Stahlbetonscheiben ausgefu¨hrt. Die dazwischen liegenden Schlitze bieten eine ausreichende Durchga¨ngigkeit fu¨r den fluviatilen Feststofftransport. Die Scheiben, die an der Wasserseite meist mit schra¨gem oder mehrfach gebrochenem Anzug ausgefu¨hrt werden, sind in der Regel durch eine Panzerung mit Stahlblech gegen Abrasion gesichert. Die Durchga¨ngigkeit von Murbrechern ist grundsa¨tzlich so zu gestalten, dass das Sperrenbauwerk von Hochwasserereignissen mit fluviatilem Feststofftransport ohne wesentlichen Ru¨ckstau oder Retentionswirkung durchflossen werden ko¨nnen. Dadurch soll der Stauraum von Murbrechern fu¨r die Ablagerung von Murga¨ngen frei gehalten werden. Die ffnungsweite von Murbrechern hat sich an der Art und Zusammensetzung der Muren zu orientieren: Je gro¨ber die Komponenten und je reicher an Wildholz der Murgang ist, desto weiter sind die Absta¨nde zu wa¨hlen. Als Untergrenze (Richtwert) kann eine lichte Weite von 1,5 bis 2,0 m angegeben werden. 4.5.2

Konstruktion von Murabsturzbauwerken

Ein alternatives Konzept zur Energieumwandlung von Murga¨ngen ist das Absturzbauwerk mit nachgeschaltetem Auffangbecken [110]. Die Wirkung

45

dieses Bauwerks beruht auf dem Absturz des Murgangs oder Schwalls u¨ber eine gro¨ßere Fallho¨he und dem Aufprall auf der ebenen Fla¨che unterhalb. Durch Umwandlung der kinetischen Energie der Mure vera¨ndern sich auch die Eigenschaften des transportierten Mediums und der Abfluss geht unterhalb in fluviatilen Feststofftransport u¨ber. hnliche Effekte treten auch in Staffelungen auf. Die Ablagerung im Becken erfolgt in Form eines steilen Kegels, u¨ber den eine rasche Entmischung der groben und feinen Feststoffkomponenten stattfindet. Absturzbauwerke werden in der Regel als schlanke Vollwandsperren (einfache Plattensperre, Winkelstu¨tzmauer, Hybridmauer, Pfeilerplattensperre) ausgefu¨hrt (nur Entwa¨sserungsdolen). Die Abflusssektion wird als „Murenprofil“ ausgestaltet, die Sperrenkrone liegt auf dem Niveau der natu¨rlichen Bachsohle. Hingegen wird das nachgeschaltete Ablagerungsbecken gegen das Gela¨nde eingesenkt. Murabsturzbauwerke werden u¨berwiegend auf steilen Schwemmkegeln eingesetzt, daher ist die Speicherkapazita¨t des Ablagerungsbeckens (aus topografischen Gru¨nden) meist mit 10.000 m3 begrenzt. Fu¨r Murga¨nge mit besonders hoher Kubatur ko¨nnen auch mehrere Absturzbauwerke in Serie errichtet werden. 4.5.3

Konstruktion von Netzsperren zum Bremsen von Muren

In letzter Zeit werden Netzsperren mit zunehmendem Erfolg als Murbarrieren eingesetzt. Die Vorteile sind prima¨r das geringere Transportgewicht und das elastische Materialverhalten der Sperre bei einem Aufprall. Ringnetze besitzen gegenu¨ber Drahtseilnetzen eine ho¨here Leistungsfa¨higkeit. Die Vorteile der Ringnetze sind ho¨here Flexibilita¨t und Energieaufnahme, eine bessere Lastverteilung auf den Oberbau und die Ringverbindungen, die

Bild 37. Absturzbauwerke zur Energieumwandlung von Muren: (A) Einzelbauwerk; (B) Sperrenstaffel

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4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

sta¨rker als die Klemmen in Drahtseilen sind. Netzsperren ko¨nnen als Wildholzfilter oder Murbarrieren eingesetzt werden. Aufgrund der durchla¨ssigen Konstruktion aus Ringnetzen wird die eintreffende Mure entwa¨ssert, indem gro¨ßeres Material zuru¨ckgehalten und feineres Material mit dem Wasser ausgeschwemmt wird. Durch die Entwa¨sserung wird ein Teil der Mure aufgehalten. Diese Ablagerung (effektive Masse) stoppt anschließend den Rest des Murgangs. Die Aufgabe des Ringnetzes ist es, die Last auf die Tragseile zu u¨bertragen. Das Ringnetz hat die Fa¨higkeit punktuelle Aufschla¨ge zu absorbieren und besitzt damit ideale Eigenschaften um einen Murgang aufzuhalten, da in einer Mure die gro¨ßten Blo¨cke meist in der Front des Murgangs transportiert werden. Fu¨r den Standort einer solchen Sperre sollte nach [114] ein gerader Abschnitt mit geringem Gefa¨lle des Bachbettes gewa¨hlt werden. Dies reduziert die Murgeschwindigkeit und erho¨ht die Ru¨ckhaltekraft. Der Standort sollte fu¨r Kontrollen und eventuelle Reinigung gut zuga¨nglich sein. Das Bachbett und die Uferbo¨schungen, in denen das Netz bzw. die Tragseile verankert werden, mu¨ssen ausreichend tragfa¨hig sein, um die Lasten aufnehmen zu ko¨nnen. Ist dies nicht der Fall, mu¨ssen zusa¨tzliche Stu¨tzmaßnahmen ergriffen werden. Die Barriere sollte nach einem Ereignis kontrolliert, gereinigt und falls no¨tig auch repariert werden. Versuche zeigten in Bezug auf die Ru¨ckhaltekapazita¨t einer Netzsperre, dass das Gefa¨lle auf 2/3 des urspru¨nglichen Gefa¨lles reduziert wurde und die verbleibende Barrierenho¨he betra¨gt dadurch 3/4 der urspru¨nglichen Ho¨he, damit kann die minimale Ho¨he der Sperre bestimmt werden [114]. Man kann aus diesen Ausfu¨hrungen bereits erkennen, dass die Ru¨ckhaltekapazita¨t im Wesent-

lichen von der topografischen Situation und der Ho¨he des Systems abha¨ngig ist. Wird die Auslegeho¨he zu groß, muss fu¨r den Standort der Sperre ein breiterer bzw. flacherer Ort gefunden werden. Ab einer Sperrenbreite von ca. 15 m sind in der Regel Netzsperren mit Stu¨tzen zu versta¨rken (s. Bild 182 C). Generell ist allerdings fu¨r den Einsatz von Netzsperren zu beachten, dass Erfahrungen u¨ber die Belastungsgrenzen dieses Bauwerks weitgehend fehlen.

4.6

Konstruktion von Sperren gegen Hangdruck (Bergdruck) Durch die Eintiefung der Wildba¨che und die bersteilung der Einha¨nge bilden sich ha¨ufig großfla¨chige Hangbewegungen und Talzuschu¨be aus, die starke Druckkra¨fte auf die Sperren ausu¨ben ko¨nnen (s. Abschn. 2.3.5). Da die Bauwerke in der Regel nicht auf diese Einwirkungen bemessen werden, ko¨nnen schwere Scha¨den im Flu¨gelbereich und Sperrenko¨rper die Folge sein (Schubversagen, lokales Druckversagen, Umfließen des Sperrenflu¨gels). Eine konstruktive Lo¨sung dieses Problems im Massivbau bietet der Bautyp einer dreiteiligen Konsolidierungssperre (Bergdrucktyp) nach Ofner [154], die aus zwei Flu¨gelteilen in Schwergewichtsbauweise und einem zuru¨ckgesetzten Mittelteil, der als Winkelstu¨tzmauer ausgefu¨hrt wird, besteht (Bilder 38 und 39). Die Ru¨ckseite der Flu¨gel und die Vorderseite der Winkelstu¨tzmauer liegen in einer Ebene und lassen sich gegeneinander verschieben. Auf diese Art kann der Bergdruck bis zu einem gewissen Grad durch die Verschiebung im Bauwerk aufgenommen werden, ohne dass dieses Scha¨den oder einen Funktionsverlust erleidet. In einer Weiterentwick-

Bild 38. Bergdrucktyp mit luftseitigen verschiebbaren Flu¨geln (nach Ofner [154])

4.6 Konstruktion von Sperren gegen Hangdruck (Bergdruck)

Bild 39. Bergdrucktyp mit luftseitigen verschiebbaren Flu¨geln: (A) Ansicht Luftseite; (B) Ansicht linker abgesetzter Flu¨gel (Gewichtsmauer)

Bild 40. Bergdrucktyp mit bergseitig verschiebbaren Flu¨geln

Bild 41. Bergdrucktyp mit wasserseitig verschiebbaren Flu¨geln: (A) Ansicht von der Seite; (B) Ansicht Luftseite; (C) Ansicht Wasserseite

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4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

lung dieses Bautyps [194] wurden die Flu¨gel ebenfalls als Winkelstu¨tzmauern ausgefu¨hrt, zwischen Mittelteil und Hangflanke wurde jedoch ein abgesetzter Fundamentgleitkeil ausgebildet, um eine einseitige Druckbelastung auf das Fundament des Mittelteils zu vermeiden (Bilder 40 und 41). Dieser lagert ho¨her als die Fundamentplatte des Mittelteils und leitet die Hangbewegung in den Verlandungsko¨rper ab. Die Flu¨gel ko¨nnen luft- oder wasserseitig des Sperrenko¨rpers angeordnet sein. Konstruktiv kann man diesen naturra¨umlichen Gegebenheiten auch mit Tragsystemen mit geringerer Steifigkeit als Massivbauwerken begegnen. Diese Bauwerke sind in der Lage, durch Verschiebungen und Verdrehungen der Einzelkomponenten eine gewisse Hangbewegung aufzunehmen. Beispielsweise ko¨nnen Holzka¨sten, Drahtschottersperren, Netz- oder Gittersperren, sofern diese Tragsysteme die gewu¨nschte Funktion erfu¨llen ko¨nnen, verwendet werden.

4.7

Konstruktion von Bauwerken fu¨r die Filterung (Ru¨ckhalt) von Wildholz Der Ru¨ckhalt von Wildholz erfolgt in der Regel gemeinsam mit dem Geschieberu¨ckhalt. Dies ist vor allem auf die Tatsache zuru¨ckzufu¨hren, dass in Wildba¨chen eine gezielte Selektierung der Feststoffe („Sortierung“) in der Praxis kaum gelingt. Umso wichtiger sind Vorkehrungen an den Sperrenbauwerken (Rechen, Wildholzabweiser), die die Sperreno¨ffnungen mo¨glichst lange frei

halten und die Funktion des Bauwerks fu¨r den Geschiebetransport aufrecht erhalten. Durch die besonderen Gefahren, die vom Wildholz ausgehen (Verklausung, Stoßwirkung auf Objekte, Funktionsverlust von Schutzbauwerken), werden immer ha¨ufiger Schutzkonzepte ausgearbeitet, die eine Filterung (separater Ru¨ckhalt) von Wildholz vorsehen. Besonders wichtig ist eine Filterung des Wildholzes oberhalb von Hochwasserru¨ckhaltebecken (spa¨testens an der Stauwurzel), um die Betriebssicherheit dieser Anlagen aufrecht zu erhalten. Zu den Bauwerkskonstruktionen fu¨r den Wildholzru¨ckhalt, die sich in der Praxis bewehrt haben, za¨hlen V-fo¨rmige Wildholzfa¨nge, Wildholzrechen und Wildholznetze [79]. Die urspru¨ngliche Konstruktionsart fu¨r die Filterung von Wildholz sind Grobrechen (Wildholzrechen). Diese werden meist als breite Sperrenbauwerke mit schra¨gen Rechen ausgefu¨hrt. Die Rechensta¨be sind wasserseitig meist unter 45h geneigt und stehen in mo¨glichst großem Abstand, um den Geschiebetransport lange aufrechtzuerhalten. Im obersten Bereich stehen die Sta¨be senkrecht, um ein berschieben des Holzes u¨ber die Abflusssektion zu verhindern. Der Bautyp des Wildholzfanges besteht aus mehreren senkrechten Rundsa¨ulen, die aus der Gerinnesohle ragen und im Grundriss quer zur Fließrichtung oder V-fo¨rmig angeordnet sind. Die Spitze des V liegt dann in Gerinnemitte und weist in Fließrichtung. Die Anordnung der Sa¨ulen gewa¨hr-

Bild 42. Bauwerke fu¨r den Wildholzru¨ckhalt: (A) Wildholzrechen; (B) V-fo¨rmiger Wildholzfang; (C, D) Wildholznetz

4.8 Stauraum von Retentions- und Dosiersperren

leistet eine nicht zu dichte Verklausung entlang der vordersten Auffangfront. Dies ist eine verla¨ngerte Linie, aus der das Wasser aus der Holzaggregation heraustreten kann. Der Wildholzfang soll die Entwicklung der Holzansammlung in Form eines langgezogenen Teppichs und nicht als ein sich auftu¨rmender Haufen bewirken (Modellversuch) [79]. Im Bereich des Wildholzfanges wird die Sohle glatt ausgefu¨hrt, um eine rasche Durchdrift des Geschiebes unter dem Holzteppich zu erleichtern. Beobachtungen in der Schweiz haben aber gezeigt, dass diese Funktion in der Natur kaum auftritt und auch im Wildholzfang eine Verlegung mit nachfolgendem Aufstau des Geschiebes eintritt [121]. Die Konstruktion weist aber eine hohe Sicherheit gegen Durchbrechen der Wildholzansammlung in das Unterwasser auf. Der Bautyp des Wildholzfanges ist auf Wildbachstrecken mit einem Sohlgefa¨lle unter 5 % beschra¨nkt und daher gut fu¨r flachere, wasserreiche Wildba¨che im Voralpenbereich oder außeralpinen Gebiet geeignet. Wildholznetze werden u¨ber die gesamte Bachbreite gespannt und seitlich in den Uferbo¨schungen verankert. Sie reichen in der Regel nicht bis an die Gerinnesohle, sondern besitzen in einer bestimmten Ho¨he u¨ber der Sohle eine horizontale Unterkante. Durch diese Netze soll das Holz – a¨hnlich den Wildholzfa¨ngen – in einem schwimmenden Teppich aufgefangen werden, wa¨hrend der Geschiebetrieb unter dem Teppich aufrecht bleiben ko¨nnte (Modellversuch). Voraussetzung fu¨r die Funktion dieses Bautyps ist, dass im Hochwasserfall der Wasserspiegel die Netzunterkante erreicht, wa¨hrend die Wasserschicht, in der der Geschiebetransport stattfindet, unter der Netzunterkante bleibt. Eine Verlegung der ffnung unter dem Netz wu¨rde sehr rasch zu einem vo¨lligen Geschieberu¨ckhalt fu¨hren. Schließlich sollte bei ablaufender Hochwasserwelle der Wasserspiegel erst dann unter die Netzunterkante sinken, wenn der Geschiebetrieb zum Erliegen gekommen ist. In der Praxis hat jedoch, wie Beispiele aus Bayern [179, 180] zeigen, die gewu¨nschte Filterung des Wildholzes nicht statt gefunden; hingegen wurde hinter dem Netz sowohl das anfallende Schwemmholz als auch das transportierte Geschiebe abgelagert. Einschra¨nkend ist festzustellen, dass es auch bei einer separaten Filterung von Wildholz kaum mo¨glich sein wird, eine vollsta¨ndig selektive Ablagerung von Holz bei gleichzeitig ungehinderter Durchga¨ngigkeit fu¨r Geschiebe zu erwirken. Vollkommen ausgeschlossen ist die Filterung von Holz aus Murga¨ngen bedingt durch die starke Durchmischung der Murmasse mit Baumsta¨mmen und Wurzelsto¨cken. Wildholz hat gerade bei den letzten großen Hochwasserereignissen im Alpenraum (2002, 2005)

49

einen der Hauptschadensfaktoren sowohl in Wildba¨chen als auch in Flu¨ssen dargestellt [185]. Eine Alternative zum Ru¨ckhalt von Wildholz mit aufwendigen technischen Anlagen wa¨re die konsequente forstliche Bewirtschaftung der Waldbesta¨nde in den Einha¨ngen und der Uferbestockung an Wildba¨chen. Diese Aufgabe, die in erster Linie der Grundbesitzer und in zweiter Linie die Kommunen trifft, wird wegen der Unrentabilita¨t der Pflegemaßnahmen ha¨ufig vernachla¨ssigt. Das o¨sterreichische Forstgesetz sieht entsprechende Regelungen vor.

4.8

Stauraum von Retentions- und Dosiersperren Die Wirkung von Sperren, die der Retention, Dosierung oder Filterung von Feststoffen dienen, ha¨ngt maßgeblich von der Gro¨ße des Stauraumes ab. Diese wird entsprechend der dem Schutzkonzept zugrunde gelegten Ereignisfracht bestimmt und stellt eine der wichtigsten Kriterien fu¨r die Standortwahl dar. Die Relation zwischen den Baukosten und der Speicherkapazita¨t ist dabei ein maßgebliches Planungskriterium. Aulitzky [6] gibt als Richtwert an, dass 1 m3 Sperrenbaustoff zumindest den Ru¨ckhalt von 25 m3 Geschiebe ermo¨glichen sollte. Der praktische Einsatz dieses Richtwertes ist jedoch – sieht man von reinen Retentionssperren ab – zu relativieren, zumal die tatsa¨chliche Relation zwischen der Ru¨ckhaltewirkung und der Durchga¨ngigkeit der Sperre im Ereignisfall nur schwer eingescha¨tzt werden kann. Fu¨r die Planung des Ru¨ckhaltevermo¨gens von Wildbachsperren (Gro¨ße des Stauraums) ist die Funktionserfu¨llung und eine erforderliche Sicherheitsreserve entscheidend. Eine „exakte“ Bemessung des Stauraums auf die maßgebliche Geschiebefracht des Bemessungshochwassers bietet in vielen Fa¨llen keine ausreichende Schutzwirkung, da fu¨r die Sicherheitsplanung von einer Teilverlandung des Stauraums auszugehen ist. Diese Teilverlandung kann entweder auf eine Vorverfu¨llung durch ein in kurzem Zeitraum vorangegangenes Ereignis oder auf eine mangelhafte Durchfu¨hrung der Ra¨umung durch den Erhaltungsverpflichteten zuru¨ckzufu¨hren sein. Auch wenn der zweite Fall im Grunde nicht einer ordnungsgema¨ßen Erhaltung des Schutzbauwerkes entspricht, muss er aus Sicherheitsgru¨nden in Betracht gezogen werden, da er auch durch eine tempora¨re Nichterreichbarkeit der Sperre bedingt sein kann (s. Abschn. 6.2.4). Von großer Bedeutung fu¨r die Bemessung des Stauraums fu¨r Schutzkonzepte, die auf Retention oder Dosierung basieren, ist aus o¨konomischer Sicht die Verwertbarkeit des Geschiebes. Hochwertiger Schotter kann in der Regel leicht ver-

50

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

wertet werden, wa¨hrend fu¨r minderwertiges Material, stark mit Holz durchsetztes Murmaterial oder feinko¨rniges Sediment eine kommerzielle Verwertung kaum mo¨glich ist und hohe Ra¨umungs- und Deponiekosten zu erwarten sind. Schutzkonzepte sollten daher im Idealfall bereits mo¨gliche Deponiefla¨chen mit einschließen. Eine essenzielle Voraussetzung fu¨r die Funktion eines Stauraums ist eine gesicherte Ra¨umungszufahrt, die unter Umsta¨nden bereits wa¨hrend des Ereignisses eine Ra¨umung oder Freimachung der ffnungen ermo¨glicht. Die Zufahrt soll sowohl hinsichtlich der rechtlich problemlosen Inanspruchnahme im Ereignisfall gesichert sein, als auch bei Hochwasser sicher genutzt werden ko¨nnen. Auch fu¨r die laufende Kontrolle der Anlagen ist eine gesicherte Zufahrt wesentlich. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Ra¨umung und Entleerung von Staura¨umen ist die Verunreinigung (Tru¨bung) des Gewa¨ssers im Unterlauf der Sperre und die Folgen fu¨r die Fischerei. Aus o¨kologischer Sicht ko¨nnen Staura¨ume wertvolle Biotope darstellen. Ein Verwachsen der Staura¨ume mit Geho¨lzen erscheint daher durchaus zula¨ssig. Aus Sicht der Funktionserfu¨llung der Sperren wird im Stauraum stockendes Holz jedoch kritisch zu bewerten sein, da eine Verklau-

sung der Sperreno¨ffnungen begu¨nstigt wird. Daher ist eine regelma¨ßige Bewirtschaftung der Bestockung von Staura¨umen unerla¨sslich, sofern Bestockung u¨berhaupt zugelassen werden kann. Die Funktionalita¨t (Sicherheit) der Sperrenbauwerke ist in jedem Fall u¨ber die o¨kologischen Ziele zu stellen.

4.9

Konstruktion der Bauteile von Sperren

4.9.1

Abflusssektion und Sperrenkrone

Die Abflusssektion von Sperrenbauwerken wird in der Regel trapezfo¨rmig ausgefu¨hrt und auf die Durchflussmenge des Bemessungshochwassers dimensioniert, wobei eine dem erwarteten Feststofftransport (Transportprozess) entsprechende berdimensionierung vorgesehen ist (s. Abschn. 6.2.1). In Wildba¨chen, in denen Murga¨nge auftreten ko¨nnen („murfa¨hige Wildba¨che“), wird die Abflusssektion dem Abflussprofil der Mure angepasst und muldenfo¨rmig ausgerundet („Murprofil, Bild 43 C). Diese Vorkehrung verhindert Scha¨ den durch Abrasion. Aus schalungstechnischen Gru¨nden wird die Muldenform meist polygonal angena¨hert (Bild 43 B). Fu¨r Wildba¨che mit starker Wildholzfu¨hrung kann zur Erho¨hung der Sicherheit gegen berborden die Abflusssektion als Doppeltrapezprofil (hy-

Bild 43. Formen von Abflusssektionen: (A) Trapezprofil (Regelausfu¨hrung); (B) Murprofil (Regelausfu¨hrung); (C) ausgerundetes Murprofil; (D) Doppeltrapezprofil; (E) Trapezprofil mit Niederwasserrinne; (F) Asymmetrisches Murprofil; (G) Rechteckprofil (historisch, ungebra¨uchlich); (H) unprofiliert (historisch, ungebra¨uchlich)

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

draulisch stark u¨berdimensioniert) ausgebildet werden (Bild 43 D). Diese Konstruktion erfordert jedoch die Ausgestaltung mo¨glichst breiter Abflussquerschnitte. Die Krone der Flu¨gel von Wildbachsperren wird heute immer mit einem Anzug ausgefu¨hrt, um ein unkontrolliertes Abfließen u¨ber den Flu¨gel (bei Verschluss der Abflusssektion) zu verhindern. Als Richtwert wird in der Praxis fu¨r Wildba¨che mit fluviatilem Feststofftransport ein Anzug von 10 bis 20 % (mindestens jedoch steiler als das maximale Verlandungsgefa¨lle) empfohlen. Besonders bei breiten Talquerschnitten kann der Anzug zum Kostenfaktor werden. Einem berstro¨men der Flu¨gel ist vor allem deswegen entgegenzuwirken, da dies eine Erosion der Talflanken und einen nachfolgenden Verlust der Standsicherheit des Sperrenbauwerks zur Folge haben kann. In murfa¨higen Wildba¨chen kann es im Verlandungsraum der Sperre nach Ablagerung eines Murkopfes leicht zur Verwerfung des Gerinnes kommen. hnliche Vera¨nderungen treten bei Ablagerung von Wildholzaggregationen oder Geschiebeba¨nken im Verlandungsraum oder durch eine kegelfo¨rmige Ablagerung bei Geschiebeu¨berlastung von Staffelungen auf. Deshalb wird in diesem Fall die Sperrenkrone steiler ausgefu¨hrt (Richtwert 35 %) [75]. Auch eine asymmetrische Ausfu¨hrung der Flu¨gel, mit einem steileren Anzug der Krone im Außenbogen, erfolgt fallweise, um auch beim Katastrophenfall des berbordens der Abflusssektion noch richtungsgebend auf den Abfluss einzuwirken.

51

Die Krone der Abflusssektion wird an der berfallskante gegen Abrasion mit hochabriebfesten Kronensteinen gesichert (abriebfeste Kalksteine, Granite, Diorite; empfohlener Los Angeles-Wert I 25. Meist wird eine Steinschar ausgefu¨hrt, dahinter (wasserseitig) wird die Krone in Beton (mit hoher berdeckung, mind. 55 mm) hergestellt und bei Konsolidierungssperren (Grundschwellen) fallweise mit 25 bis 30 % gegen die Fließrichtung geneigt, sodass bald eine berdeckung mit schu¨tzendem Sohlsediment eintritt. Die Gro¨ße der verwendeten Steine ha¨ngt im Wesentlichen von dem zu erwartenden Hochwasser und Geschiebe ab. Tendenziell sollte versucht werden, mo¨glichst große Steine zu verwenden und eine Steinsta¨rke von 30 bis 40 cm einzuhalten. Die Steine an der vorderen Kronenkante werden bei sehr hoher Geschiebebeanspruchung gelegentlich mit Bewehrungssta¨ben, H 20 mm, im Beton verankert. Hierzu wird in den Stein ein Loch H 30 mm gebohrt. Die Fugenbreite zwischen den einzelnen Steinen sollte zwischen 3 und 5 cm liegen, zwischen Stein und Beton hingegen 5 bis 10 cm. Die Betonoberfla¨che sollte rau, sauber und genetzt sein. Im Winter kann mit einem ho¨herfesten Zement (CEM 37,5) und im Sommer mit einem niederfesten Zement (CEM 32,5) im Mo¨rtel gearbeitet werden. In Sonderfa¨llen werden Spezialzemente verwendet z. B. bei Gipswasser HS-Zement. Bild 44 A zeigt die Ausbildung der Sperrenkrone mittels Granitsteinen. Dabei ko¨nnen zwei unterschiedliche Steinanordnungen gewa¨hlt werden, entweder mit einem Win-

Bild 44. Ausbildung von Panzerungen an Sperrenkronen: (A) Kronsteine (1 Winkelstein, 2 Alternative mit Ecksteinen mit Gehrung, 3 Ecksteinausfu¨hrung bei Trockenmauern aus Stein, 4 Murprofil; 5 Draufsicht eines Kronsteines mit Bohrungen); (B) Stahlbleche (1 Ansicht, 2 Grundriss, 3 Schnitt)

52

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 45. Konsole mit Kronsteinen und Bewehrungsfu¨hrung

Abflusssektionen werden ha¨ufig mit einer Auskragung (Konsole) ausgefu¨hrt, um das Zuru¨ckschlagen des berfallstrahls an die luftseitige Sperrenwand zu vermeiden (Bild 45). Die Auskragung muss so weit ausgefu¨hrt werden, dass sie zumindest u¨ber den Fußpunkt der vertikalen Sperrenplatte hinausragt. Als Mindestwert wird in der Praxis 30 cm angegeben [75]. Die Betondeckung an der Oberseite einer teilgepanzerten Krone sollte nicht weniger als 5,5 cm betragen. Beispiele von ausgefu¨hrten Auskragungen finden sich in den Bildern 163 und 164. An der Unterseite der Konsole sollte eine Wasserabreißkante im Beton angeordnet werden. 4.9.2

kelstein oder mit zwei Winkelsteinen. Beispiele von ausgefu¨hrten Abflusssektionen mit Kronsteinen finden sich in den Bildern 163 und 164. Alternativ kann der Abrasionsschutz auch mit Stahlblech (s i 8 mm) ausgefu¨hrt werden. Schra¨ge Stahlplatten werden mittels aufgeschweißter Laschen an die Schalung genagelt. Die Verankerung der horizontalen Stahlbleche mit dem Sperrenbauwerk erfolgt mittels angeschweißter 30 mm Bewehrungssta¨be oder Kopfbolzen. Die Absta¨nde, der angeschweißten Bewehrungssta¨be und der Bolzen zur Verankerung der Stahlplatte im Sperrenbauwerk, ko¨nnen aus Bild 44 entnommen werden.

Bild 46. Flachgru¨ndung mit Kolkschutzriegel

Fundament

In der Regel haben Sperrenbauwerke eine Flachgru¨ndung. Sonderformen auf Pfa¨hlen und mit Dichtschirmen sind mo¨glich. Die Gru¨ndung von Sperrenbauwerken in der Sohle und den Talflanken muss so tief ausgefu¨hrt werden, dass keine Auskolkung oder Freilegung durch Abrutschen der Einha¨nge mo¨glich wird. In der Praxis wird fu¨r Flachgru¨ndungen eine Gru¨ndungstiefe von 1,5 bis 2,0 m gewa¨hlt, bei koha¨sionslosem Sediment und im Bereich des Sperrenkolks (Kolkschutzriegel) auch tiefer (Bild 46). Die Art der Gru¨ndung richtet sich in erster Linie nach den Untergrundverha¨ltnissen. Sperren werden ha¨ufig auf einer durchgehenden Fundamentplatte errichtet. Von besonderer Bedeutung fu¨r die ausreichende und korrekte Gru¨ndung von Sperren ist die Kenntnis der wesentlichen Prozesse, die zum Versagen der Bauwerke in der Einbindung fu¨hren ko¨nnen. Folgende Mechanismen sind dabei zu beru¨cksichtigen: – Gleiten der Sperre nach Freilegung der Fundamente, – Unterspu¨lung der Sperre nach Unterkolkung (Bild 47), – Unterspu¨lung der Sperre als Folge einer starken Unterstro¨mung („Piping“),

Bild 47. Ausbildung einer Unterstro¨mung (aus Suda/Hu¨bl [204])

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

53

Bild 48. Mechanismen, die im Lockergestein zum Verlust des seitlichen Talflankenwiderstandes fu¨hren ko¨nnen. Mechanismus 1: Abrutschen der Bo¨schung nach Erosion des Hangfußes. Mechanismus 2: Abrutschen der Bo¨schung nach berstro¨mung des Sperrenflu¨gels. Mechanismus 3: Erosion der Bo¨schung durch Oberfla¨chenabfluss (aus Suda/Hu¨bl [204])

– – – –

Abrutschen der Talflanken nach Unterschneidung der Uferbo¨schung (Bild 48, Mechanismus 1) (Ufererosion im Vorfeld), Abrutschen der Talflanken nach berborden des Sperrenflu¨gels (Bild 48, Mechanismus 2) Erosion der Talflanken durch abfließendes Wasser (Oberfla¨chenabfluss, Quellaustritte, Zubringer) (Bild 48, Mechanismus 3) Abrutschen der Talflanken durch Labilisierung der Ha¨nge (ansteigender Grundwasserspiegel, Rutschungen).

Bei besonders ungu¨nstigen Gru¨ndungsverha¨ltnissen wird fallweise ein Bodenaustausch durchgefu¨hrt oder die Sperre auf einer Gru¨ndungsplatte aus Magerbeton errichtet. Eine Ertu¨chtigung des Untergrundes kann auch mit Holzpiloten (wurde in der Vergangenheit ha¨ufig bei feinko¨rnigen Sedimenten durchgefu¨hrt), Betoninjektionen oder Mikropfa¨hlen erfolgen. Wenn die Talflanken besonders labil oder anfa¨llig fu¨r das Abgleiten nach Unterschneidung sind,

kann eine seitliche Sicherung des Sperrenvorfeldes mittels Vorfeldmauern oder Uferschutz mit Grobsteinschlichtung durchgefu¨hrt werden (s. Abschn. 4.9.4). Diese bauliche Vorkehrung stellt den wirkungsvollsten Schutz gegen den Verlust des Flankenwiderstandes dar. Weitere Angaben zur Gru¨ndung von Wildbachsperren finden sich in Abschnitt 7. 4.9.3

Balken- und Rechenkonstruktionen

Wildholz ist das vom Wildbach mitgefu¨hrte Holz und umfasst Baumsta¨mme, Bloche, Wurzelsto¨cke, ste und Zweige. Das Wildholz verlegt die Dolen und ffnungen von Sperrenbauwerken. Dadurch geht die Wirkungsweise der Sperren hinsichtlich der Entleerung fu¨r Wasser, Schlamm, Fein- und Grobgeschiebe (je nach der Funktion des Bauwerkes) verloren. Eine Spu¨lung der Auflandung ist durch die Verspreizung des Holzes und die Abdichtung mit Feinteilen auch bei starker Wasserfu¨hrung kaum mo¨glich. Aus diesem Grund ist die Anordnung von Balken und Rechen vor den

54

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 49. Unterschiedliche Rechenkonstruktionen an Sperrenbauwerken

Bild 50. Modell einer Dosiersperre, deren Tosbecken von Vorfeldmauern und einer Vorsperre begrenzt wird

ffnungen der offenen Sperrenbauwerke von großer Bedeutung fu¨r die Funktionalita¨t [137]. Details zur konstruktiven Gestaltung sind den Abschnitten 4.4.2, 4.4.3 und 4.7 zu entnehmen, Beispiele s. Bild 49. 4.9.4

Vorfeldmauern, Pfeiler

Vorfeldmauern dienen der besseren Einbindung der Sperre in die Talflanken, in dem sie diese gegen Unterschwemmung und Abrutschen sichern. Sie begrenzen den Sperrenkolk seitlich und schra¨nken somit auch die Ausbildung von Randwalzen ein (Bilder 50 und 51 A). Meist werden Vorfeldmauern statisch als eigene Bauko¨rper ausgefu¨hrt und daher nicht fest mit

Bild 51. (A) Dosiersperre mit Vorfeldmauern in Stahlbeton; (B) Dosiersperre mit Grobsteinschlichtung als Vorfeldsicherung

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

der Sperre verbunden. Die Anbindung an die Hauptsperre erfolgt in der Regel mit einer verschiebbaren Trennfuge. Um den einwirkenden Hangdruck aufnehmen zu ko¨nnen, werden Vorfeldmauern meist als Schwergewichtsmauer oder Winkelstu¨tzmauer ausgefu¨hrt. Eine statische Stu¨tzwirkung fu¨r die Hauptsperre u¨ben Vorfeldmauern grundsa¨tzlich nicht aus und sind daher fu¨r den Standsicherheitsnachweis nicht in Rechnung zu stellen. Bei geringer Hangdruckwirkung kann die Funktion von Vorfeldmauern auch von einer Grobsteinschlichtung (auf Beton verlegt) u¨bernommen werden (Bild 51 B). Die Krone der Vorfeldmauern muss seitlich so weit von der Abflusssektion abgeru¨ckt werden, dass es unter Beru¨cksichtigung der Dilatation nicht zu einem Auftreffen des berfallstrahls auf die Mauerkrone oder die luftseitigen Wand kommt. Vorfeldmauern u¨ben einen gewissen Sichtschutz aus und ermo¨glichen eine luftseitige Einschu¨ttung der Sperre, um große Sichtbetonfla¨chen zu vermeiden. Pfeiler sind monolithisch mit der Sperrenwand verbundene Bauteile, die luft- oder wasserseitig angeordnet werden ko¨nnen und eine statische Stu¨tzwirkung fu¨r die Sperre u¨bernehmen (Scheibenwirkung). Die Wirkung der Pfeiler wird beim Standsicherheitsnachweis daher in Rechnung gestellt (z. B. Pfeilerplattensperre). Als Zusatzfunktion ko¨nnen Pfeiler auch eine abstu¨tzende Wirkung fu¨r die Einha¨nge ausu¨ben. (Na¨heres zur statischen Funktion von Pfeilern s. Abschn. 7.10). 4.9.5

Tosbecken (Sperrenvorfeld) und Kolksicherung

Die Gestaltung des Tosbeckens vor Sperrenbauwerken soll so erfolgen, dass das Ziel der Energieumwandlung durch die Ausbildung von wirksam verteilten Wasserwalzen erfu¨llt wird, ohne dadurch jedoch die Standsicherheit der Sperre oder des Uferschutzes zu beeintra¨chtigen. Die Fluktuation des Kolks in Abha¨ngigkeit des Zuflusses bei freier Kolkausbildung ist fu¨r die Sicherheit eine Sperre von nachteiliger Wirkung, daher wird in der Regel das Tosbecken und damit der Kolk durch eine Vorsperre (Tosbeckenschwelle) begrenzt. Die Breite des Vorfeldes wird gro¨ßer als jene der Abflusssektion gewa¨hlt, um der Dilatation des berfallstrahls gerecht zu werden und außerdem die Ausbildung von Randwalzen zu ermo¨glichen. Als Richtwert kann die Breite des Tosbeckens mindestens mit der 1,5-fachen Breite der Abflusssektion festgelegt werden. Na¨heres zur hydraulischen Dimensionierung des Sperrenvorfeldes (Kolks) s. Abschnitt 6.2. Eine der wichtigsten Maßnahmen der Kolksicherung im Vorfeld von Sperren ist eine ausreichende Gru¨ndung der Sperre und des seitlichen Uferschutzes (Vorfeldmauern, Grobsteinschlichtung)

55

auf Kolktiefe (Abschn. 4.9.2). Die tiefere Gru¨ndung kann unterbleiben, wenn das Sperrenvorfeld gepflastert oder befestigt wird (ku¨nstliche Kolkwanne). In diesem Fall wa¨re unter Umsta¨nden auch auf eine Vorsperre verzichtbar. Aus o¨kologischer Sicht ist eine Auspflasterung des Kolks jedoch sehr problematisch und wirkt der Durchga¨ngigkeit der Sperre entgegen, sodass in der Praxis heute meist darauf verzichtet wird. Eine Alternative ist die Herstellung eines ku¨nstlichen Kolks (befestigte Tosbeckenwanne) mit einer gesicherten Mindestwassertiefe, die einen Fischaufstieg ermo¨glicht (s. Abschn. 4.13). 4.9.6

Sperreno¨ffnungen

ffnungen im Sperrenko¨rper werden zur Herstellung einer bestimmten Durchla¨ssigkeit des Sperrenko¨rpers fu¨r Wasser und Geschiebe angeordnet. Zu den Sperreno¨ffnungen za¨hlen Dolen und Schlitze. Schlitze sind nach oben unbegrenzte Sperreno¨ffnungen, deren Breite deutlich kleiner als deren Ho¨he ist. Details zu ihrer konstruktiven Gestaltung siehe Abschnitt 4.4.1. Dolen sind nach oben begrenzte Sperreno¨ffnungen unterschiedlicher Form und Gro¨ße. Von der Funktion her kann man Entwa¨sserungsdolen (Kleindolen), Großdolen, Wasserhaltungsdolen und Entleerungsdolen unterscheiden. In Bild 52 sind die wichtigsten ffnungsformen dargestellt. Von einer kleinen Sperreno¨ffnung (Kleindole) spricht man, wenn die Durchflusskapazita¨t nur fu¨r die Niederwasserfu¨hrung ausreicht und die ffnung rasch verlandet. Zu dieser Gruppe geho¨ren die Entwa¨sserungsdolen. Große Sperreno¨ffnungen (Dolen) sind solche, die eine ausreichende Durchflusskapazita¨t fu¨r Mittel- oder Hochwasser aufweisen und in diesem Fall keinen Ru¨ckstau erzeugen. Diese Sperreno¨ffnungen verlanden in der Regel spa¨t. Die Durchflusskapazita¨t u¨bergroßer Sperreno¨ffnungen liegt deutlich u¨ber dem Hochwasserabfluss. Um die Gefahr eines hydrostatischen Grundbruches mo¨glichst zu verringern und den Verlandungsko¨rper mo¨glichst gut zu entwa¨ssern, sind Vollsperren mit einer ausreichenden Zahl von Entwa¨sserungsdolen zu versehen. Entwa¨sserungso¨ffnungen ko¨nnen rund oder rechteckig ausgefu¨hrt werden. Meist werden sie in Form von runden Kunststoffrohren hergestellt, die den Sperrenko¨rper durchdringen wa¨hrend sie fru¨her abgeschalt wurden. Dadurch soll eine drucklose Ableitung der Sickerwa¨sser durch den Sperrenko¨rper ermo¨glicht werden. Der Durchmesser von runden Entwa¨sserungsdolen liegt zwischen 10 und 60 cm. Rechteckige ffnungen haben Seitenla¨ngen von 20 bis 100 cm (ga¨ngige Abmessungen sind beispielsweise: 20/30, 40/50, 50/70, 60/100 cm).

56

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Großdolen werden nach rein hydraulischen Erfordernissen dimensioniert (s. Abschn. 6.2.3). Um Kerbspannungen in den Ecken zu verringern, sollen diese abgeschra¨gt ausgefu¨hrt werden (Bild 52 C). Die in Bild 52 dargestellten Sonderformen dienen unterschiedlichen hydraulischen Zwecken. In Bild 53 werden einige ausgefu¨hrte Beispiele dargestellt.

Wasserhaltungsdolen werden in stark wasserfu¨hrenden Wildba¨chen fu¨r die Bauphase unter dem Sperrenbauwerk eingerichtet, wenn eine gefahrlose Ausleitung des Baches aus dem Bereich der Baugrube nicht mo¨glich ist. Nach Abschluss der Baumaßnahmen bzw. nach Fertigstellung der Sperre werden Wasserhaltungsdolen verschlossen. Die Gro¨ße von Wasserhaltungsdolen richtet

Bild 52. Formen von ffnungen in Sperrenbauwerken. Regelformen: (A) rechteckig; (B) rund; (C) mit abgeschra¨gten Ecken; (D) mit Gewo¨lbe (Steinsperren); Sonderformen: (E) kreuzfo¨rmig; (F) L-fo¨rmig; (G) T-fo¨rmig; (H) A-fo¨rmig

Bild 53. ffnungen in Stahlbetonsperren: (A) Konsolidierungssperre: ffnungen 60 q 80 cm; (B) Konsolidierungssperre: runde ffnungen d w 20 cm, rechteckige ffnungen 60 q 80 cm; (C) Geschiebedosiersperre: ffnungen 260 q 520 cm; (D) Konsolidierungssperre: Durchmesser 60 cm

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

sich nach den Abflussmengen je nach Dauer der Baumaßnahmen bei Nieder-, Mittel- oder Hochwasser. Als Richtwert kann ein ein- bis fu¨nfja¨hrliches Hochwasser angesetzt werden, um das Risiko einer berflutung der Baugrube angemessen gering zu halten.

Entleerungsdolen dienten fru¨her der selbststa¨ndigen Entleerung von Vollsperren von Wasser und Geschiebe. Wegen der geringen Flexibilita¨t wird diese Form der Sperreno¨ffnung zugunsten anderer Formen der Durchga¨ngigkeit des Sperrenbauwerks (Schlitze, Balken, Rechen) kaum noch eingesetzt. In speziellen Fa¨llen gelangen auch Schlitzdolen zur Ausfu¨hrung (s. auch Bild 24 D). Ausfu¨hrungen zu ffnungen von offenen Sperrenbauwerken, wie Schlitze oder große Dolen, s. Abschn. 4.4.1 und 4.4.3. In Holzsperren und Drahtschottersperren sind ffnungen unu¨blich. Da dru¨ckendes Wasser durch den Sperrenko¨rper sickern kann, eru¨brigt sich die Anordnung von Entwa¨sserungso¨ffnungen. Es mu¨ssen allerdings konstruktive Vorkehrungen getroffen werden, die ein Ausschwemmen der Feinteile des Fu¨llmaterials verhindern (z. B. Einlage eines Geotextils, Anordnung von ausfachenden Ho¨lzern, s. Bild 127). Vom statischen Standpunkt aus gesehen sind runde ffnungen gu¨nstiger, da die Spannungsspitzen (Kerbspannungen) in den Ecken im Vergleich zu rechteckigen ffnungen wesentlich reduziert werden. Da die Formulierung der Randbedingungen in Ecken von ffnungen problematisch ist, lassen sich die Schnittgro¨ßen von Platten mit ffnungen auf analytischem Wege schwer berechnen. Nach der Elastizita¨tstheorie treten in den Ecken der ffnungen unendlich große Spannungen auf. Stahlbeton verha¨lt sich allerdings elastoplastisch, dies fu¨hrt zu einer Verminderung der Spannungen in der Druckzone und einem Reißen der Zugzone. In der Regel verlaufen diese Risse senkrecht zu den Hauptzugspannungen (in der Winkelhalbierenden der Ecke der ffnung). Kleine ffnungen ko¨nnen bei der Bemessung der eigentlichen Platte (oder Gewichtssperre, oder Bogenmauer) vernachla¨ssigt werden. Große ffnungen sind zu beru¨cksichtigen. Laut Avak [8] kann bei Erfu¨llung des Kriteriums nach Gl. (1) von einer kleinen ffnung ausgegangen werden. ci J 0,2 li

4.9.6.1 Kleine ffnungen in Stahlbetonplatten

Entwa¨sserungsdolen oder Kleindolen ko¨nnen zu den kleinen ffnungen geza¨hlt werden. Als Entwa¨sserungso¨ffnungen werden oft PVC-Rohre oder vorgefertigte Elemente aus glasfaserversta¨rktem Kunststoff in die Schalung eingelegt. Passen diese Elemente durch die Zwischenra¨ume der meist orthogonalen Plattenbewehrung bzw. sind die Abmessungen kleiner als 30 cm, sind keine zusa¨tzlichen konstruktiven Maßnahmen erforderlich. Bei ffnungen > 30 cm, die nach Gl. (1) jedoch immer noch als klein gelten, muss fu¨r die Abscha¨tzung des Einflusses der ffnungen keine besondere Schnittgro¨ßenermittlung fu¨r die restliche Platte durchgefu¨hrt werden. Die Schnittgro¨ßen der Platte mit ffnungen ko¨nnen fu¨r eine Platte ohne ffnungen bestimmt werden. Zur Abdeckung der zusa¨tzlichen Spannungsspitzen im ffnungsbereich ist an den Ra¨ndern und den Ecken der ffnung eine Zusatzbewehrung einzulegen. Die Zusatzbewehrung besteht aus der infolge der ffnung unterbrochenen Hauptbewehrung. Sie wird jeweils zur Ha¨lfte an den beiden parallelen Ra¨ndern eingelegt und sollte mit lb,net nach Gl. (2) verankert werden. Ist eine Seite der ffnung gro¨ßer als die Plattensta¨rke, sollten zusa¨tzlich konstruktive Querzulagen (1/8 der Hauptbewehrung) entweder als Schra¨gsta¨be u¨bereck oder randparallel eingelegt werden. Bei einachsig gespannten Platten sollte in diesem Fall ebenfalls 1/8 der Hauptbewehrung zusa¨tzlich in Querrichtung eingelegt werden (Auswechslung) (Bild 54). lb,net w 0,5  ci S lb

(2)

mit

lb Grundmaß der Verankerungsla¨nge nach DIN 1045-1 oder EC 2 Die ffnungsra¨nder sollten zusa¨tzlich durch Steckbu¨gel (dmin w 10 mm) eingefasst werden. Die Steckbu¨gel sind mindestens um das Maß lw u¨ber den ffnungsbereich hinaus anzuordnen. Sie dienen zur Verringerung der Rissbreite und als zusa¨tzliche Schubbewehrung (Bild 54 A). lw j 2  t

(3)

mit

t

Plattensta¨rke (Querschnittsho¨he)

(1)

mit

ci ffnungsgro¨ße in Koordinatenrichtung x bzw. y, laut Bild 52 li

57

Stu¨tzweite der Platte in Koordinatenrichtung x bzw. y

4.9.6.2 Große ffnungen in Stahlbetonplatten

Große ffnungen sind in den statischen Modellen zu beru¨cksichtigen. In der Regel werden diese Tragwerke mit FEM-Programmen bemessen. ffnungen sind in der Bemessung immer als verklaust (verlegt) anzunehmen und die dadurch entstehenden Kra¨fte als Linienlasten auf die Ra¨nder

58

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

der ffnungen aufzuteilen. Fu¨r berschlags- oder Kontrollrechnungen kann die Streifenmethode [87], die Aufteilung der Platte in zwei und dreiseitig gelagerte Teilplatten [201] und geeignete Stabwerksmodelle [9] verwendet werden. Diese Methoden liefern laut [188] bezu¨glich der Traglast eine ausreichende Bewehrung. Diese muss nach [188] zur Rissbreitenbeschra¨nkung durch konstruktive Bewehrung in den Bereichen erga¨nzt werden, wo nach elastizita¨tstheoretischer Berechnung Zugspannungen auftreten wu¨rden. Die prinzipielle Bewehrungsfu¨hrung sollte nach Bild 54 erfolgen.

4.9.6.3 ffnungen in Gewichtsmauern

Nach [34] hat bei Schwergewichtsmauern die Lage der ffnung und die ffnung selbst nur einen geringen Einfluss auf die Spannungsverteilung im Querschnitt, da bei diesem Tragwerkstyp die Druckfestigkeiten des Baustoffes selten ausgenutzt sind. Kann der Baustoff keine Zugkra¨fte aufnehmen (Zementmo¨rtelmauerwerk) oder sollen Zugkra¨fte im Bereich der ffnungen von Betonmauern vermieden werden, muss die Resultierende aus der Gesamtlast in der ersten Kernweite liegen. Bei unbewehrten Betonmauern besteht die Mo¨glichkeit, in Bereichen mit Zug-

Bild 54. ffnungen in Stahlbetonplatten, Anordnung der Zusatzbewehrung: (A) schra¨ge Zulagen; (B) randparallele Zulagen

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

spannungen diese mit lokaler Bewehrung abzudecken. Treten in den Ecken von ffnungen Zugspannungen auf, sind diese analog Abschnitt 4.9.6.1 zu bewehren. In unbewehrten Betongewichtsmauern mu¨ssen ffnungen rund oder mit abgeschra¨gten Ecken ausgefu¨hrt werden (Bild 52 B, C). Werden Sonderformen ausgefu¨hrt, muss oft auf lokale Bewehrung zuru¨ckgegriffen werden. In Steinmauern sind nur rechteckige, runde oder rechteckige ffnungen mit Gewo¨lbe (Bild 53 A, B, D) u¨blich. Dies liegt einerseits an den Werkstoffeigenschaften des Mauerwerks und andererseits an der Tatsache, dass zu dem Zeitpunkt, als Steinmauern errichtet wurden, hydraulisch optimierte Sonderformen noch nicht gebra¨uchlich waren (erst ab den 1970er-Jahren). ffnungen in Steinmauern wurden ha¨ufig mit einem Gewo¨lbe eingefasst, kleine ffnungen mit einem berlager (Architrav) ausgefu¨hrt. Regelgro¨ßen fu¨r ffnungen in Steinmauern waren nach [203] fu¨r rechteckige Entwa¨sserungsdolen 30 bis 60 cm Ho¨he und 20 bis 40 cm Breite und fu¨r große Durchla¨sse Ho¨hen von 2 bis 3 m und Breiten von 1 bis 1,5 m. Einige typische ffnungen in Steinsperren sind in Bild 55 dargestellt. Diese Formen sind nur mehr fu¨r Sanierungsarbeiten von Interesse, da Sperren aus reinem Mauerwerk nur mehr selten errichtet werden. In Holzsperren und Drahtschottersperren sind ffnungen unu¨blich. Da dru¨ckendes Wasser durch den Sperrenko¨rper sickern kann, eru¨brigt sich die Anordnung von Entwa¨sserungso¨ffnungen. Es mu¨ssen allerdings konstruktive Vorkehrungen getroffen werden, die ein Ausschwemmen der Feinteile des Fu¨llmaterials verhindern (z. B. Einlage eines Geotextils, Anordnung von ausfachenden Ho¨lzern, s. Bild 127).

59

4.9.6.4 ffnungen in Bogenmauern (Gewo¨lbemauern)

Bogenmauern haben nach [34] infolge Wasserdruck und Temperatureinwirkung die gro¨ßte Beanspruchung im Ka¨mpferquerschnitt. Die Spannungen im Scheitelbereich betragen nur einen Bruchteil der Ka¨mpferspannungen. ffnungen in Bogenmauern sollten daher grundsa¨tzlich nur imScheitelbereich angeordnet werden. Bei du¨nnen Bogenmauern u¨berwiegen die Druckkra¨fte (Normalkra¨fte) gegenu¨ber den Biegemomenten, somit kommt den Kerbspannungen in den Ecken nicht jene Bedeutung als bei reiner Biegebeanspruchung zu. Die Bemessungsdruckfestigkeiten sollten nach [34] nicht voll ausgenutzt werden. Ein Verfahren zur Beru¨cksichtigung von ffnungen in Bogensperren bei der Bemessung der Sperre nach dem Verfahren mit Bogenlamellen (Abschn. 7.6.3.2) ist in [135] beschrieben. Da der Sperrenko¨rper rechnerisch in einzelne Lamellen zerlegt wird, stellen einzelne Dolen eine Lamellenunterbrechung dar. Bei der Beru¨cksichtigung der ffnungen wird davon ausgegangen, dass die resultierenden Kra¨fte aus den unterbrochenen Lamellen von den restlichen horizontal durchlaufenden Lamellen aufzunehmen sind. Daher sollte die Anordnung der ffnungen so erfolgen, dass durchgehende Lastrippen verbleiben, in denen eine ungesto¨rte Lastu¨bertragung zu den Ka¨mpfern gewa¨hrleistet ist (Bild 56). Bei Runddolen (Bild 55 C), welche ein Doppelgewo¨lbe darstellen, umfließen die Normalspannungen die ffnungen und werden dann wieder in die Lamelle eingeleitet. Dieser Ansatz gilt bei großen Sperren mit Dolen bis zu einem Meter Durchmesser und bei weitem Dolenabstand. Sind in einer Sperre Dolen mit großem Durchmesser bzw. viele Dolen angeordnet, u¨bernimmt die anschließende

Bild 55. ffnungen in Steinsperren: (A) rechteckig mit berlager; (B) Entwa¨sserungso¨ffnung (10 q 25 cm); (C) runde ffnung mit gemauertem Kranz; (D) Gewo¨lbe aus grob behauenen Steinen; (E) Gewo¨lbe aus passgenau behauenen Steinen (selten)

60

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Lamelle einen großen Teil der Normalkra¨fte und u¨bertra¨gt sie in die Widerlager. Die Beanspruchungserho¨hung in den durchlaufenden, ungeschwa¨chten Bogenlamellen (Lastrippen) kann mithilfe der Fla¨chenproportion beru¨cksichtigt werden. Die Spannung in der durchlaufenden Lamelle kann nach dem Verha¨ltnis der Dolenquerschnittsfla¨che zur vollen Lamellenquerschnittsfla¨che angesetzt werden [135]. Bei konstantem Querschnitt der Mauer entspricht dieses Verha¨ltnis den zugeho¨rigen Ho¨hen. Der Lasterho¨hungsfaktor (k) errechnet sich basierend auf den Geometrien nach Bild 56 nach Gl. (4). Die erho¨hte Druckspannung (sc,y) in der Lastrippe errechnet sich nach Gl. (5). (hL,i =2)S(hL,i1 =2) k w 1S hD,i

(4)

mit

hD, i Durchmesser der Dole bzw. Dolenho¨he hL, i Ho¨he der ungeschwa¨chten Lamelle (Lastrippe) u¨ber der ffnung hL, i-1 Ho¨he der ungeschwa¨chten Lamelle (Lastrippe) unter der ffnung px .rm s c,y w k t mit px Last auf die Bogenlamelle (radial) rm mittlerer Durchmesser der Bogenlamelle ti

Querschnittsdicke der betrachteten Lamelle

An den horizontalen Schnittfla¨chen zwischen den durchlaufenden Bogenlamellen und den vertikalen Auswechslungen zwischen den durch Dolen geschwa¨chten Bereichen ist nach [34] ein Schubnachweis zu fu¨hren. 4.9.7

Bild 56. Prinzip der Lastaufteilung bei ffnungen in Bogensperren

(5)

Bauwerksfugen

Bauwerksfugen ko¨nnen in verzahnte und unverzahnte Fugen eingeteilt werden. Verzahnte Fugen ko¨nnen horizontal oder vertikal verzahnt sein. Je nachdem ob sie in der Richtung normal zur Fuge eine Bewegung aufnehmen ko¨nnen oder nicht unterscheidet man Raum- und Pressfugen. Bewegungsfugen lassen eine vorbestimmte Bewegung zu und besitzen keine durchgehende Bewehrung, in Arbeitsfugen la¨uft die Bewehrung unvermindert durch. Scheinfugen dienen zur optischen Gliederung eines Bauko¨rpers. Sollrissfugen sind Fugen die der gezielten Risssteuerung durch eine geplante Schwa¨chung des Querschnittes dienen (Bild 57). Damit wird eine Sollbruchstelle vorgegeben. Soll eine Scheinfuge gleichzeitig als Sollrissfuge funktionieren, sollte nach [89] die Schwa¨chung des Querschnittes mindestens 1/3 der Bauteildicke betragen.

Bild 57. Fugenarten: (A) 1 unverzahnt, 2 verzahnt; (B) 1 Raumfuge, 2 Pressfuge; (C) 1 Bewegungsfuge, 2 Arbeitsfuge, 3 Scheinfuge

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

Nach [89] sollten Fugen prinzipiell geradlinig, u¨bersichtlich und ohne Verspru¨nge hergestellt werden. Alle Bauwerksfugen und Durchdringungen mu¨ssen wasserundurchla¨ssig geplant und ausgefu¨hrt werden. Die Abdichtung muss ein geschlossenes System ergeben und die Enden der Abdichtungsba¨nder mu¨ssen nach [89] mindestens 30 cm u¨ber den Bemessungswasserstand gefu¨hrt werden. 4.9.7.1 Arbeitsfugen

Arbeitsfugen dienen zur arbeitstechnischen Unterteilung der Einzelelemente. Sie treten beim konstruktionsbedingten Anschluss einer Mauer an die Gru¨ndungsplatte auf. Ausfu¨hrungsbedingt unterteilen sie gro¨ßere Bauteile in kleinere Abschnitte, aufgrund der Betonierleistung und der Gro¨ße der Schalungselemente. Massige Betonbauteile mu¨ssen aufgrund der Hydratationswa¨rmeentwicklung in Betonierabschnitte unterteilt werden. Bei Arbeitsfugen la¨uft die Bewehrung unvermindert durch. Um die Sto¨rung der Homogenita¨t eines Bauteils mo¨glichst gering zu halten, muss vor dem Anbetonieren des na¨chsten Abschnittes an die Altbetonfla¨chen das Korngeru¨st frei liegen oder die Fuge verzahnt ausgefu¨hrt werden (s. Schubfugen). Das Korngeru¨st kann mittels Hochdruckwasserstrahl noch in der Erstarrungsphase (ca. 10 bis 12 Stunden nach dem Einfu¨llen) freigelegt werden. Mit dem Aufspru¨hen einer flu¨ssigen Waschbetonhilfe eine Stunde nach dem Betonieren und spa¨teren Auswaschen ist der gleiche Effekt erzielbar. Trotzdem stellen Arbeitfugen immer Schwachstellen im System dar. Aus diesem Grund versucht man sie in Bereiche mit geringer Zugbeanspruchung zu legen.

61

Zugkra¨fte darstellen. Der Nachweis einer gesto¨rten Grenzschicht einer Arbeitsfuge wird u¨ber Reibungsgesetze gefu¨hrt. Vernachla¨ssigt man die Koha¨sion, ko¨nnen in der Fuge nur Druckkra¨fte u¨bertragen werden, die weniger als der Reibungswinkel (f) von der Normalen zur Fuge abweichen. Deshalb soll nach [188] die Fuge etwa senkrecht zur resultierenden Betondruckkraft angeordnet werden, sie muss jedoch mit zusa¨tzlicher Sicherheit innerhalb des Reibungswinkels liegen. Der Reibungsbeiwert vermindert sich, wenn die Fuge verschmutzt ist bzw. wenn sie, durch die Ablagerung einer Zementmilchhaut, eine sehr glatte Oberfla¨che aufweist. Deshalb sollten Arbeitsfugen vor dem anbetonieren, gesa¨ubert und aufgeraut werden. Die aufnehmbare Querkraft V in der Arbeitsfuge errechnet sich, unter Vernachla¨ssigung der Koha¨sion, nach Gl. (6) und Bild 59 A. Vw

Nm g

(6)

mit m w tan f Bild 58 zeigt ein zahnfo¨rmiges Modell dieser komplexen Oberfla¨chenstruktur und ein Stabwerksmodell zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Arbeitsfugen. Mit dem Stabwerksmodell ko¨nnen nach [188] die gebra¨uchlichen Fugentragfa¨higkeitsparameter m und c bestimmt werden. Vergleicht man die Ergebnisse aus diesen Berechnungen mit einer nichtlinearen FE-Modellierung und mit Versuchen aus der Praxis, kommt man zu a¨hnlichen Ergebnissen. Mithilfe dieses Stabwerkmodells kann man die Ver-

Die Betonierabschnitte sind vom Planer in Zusammenarbeit mit der Bauausfu¨hrung zu bestimmen und im Ausfu¨hrungsplan festzuhalten. Die Bewehrungsfu¨hrung richtet sich nach der Einteilung der Betonierabschnitte. Nach Schlaich/Scha¨fer [188] sind aufgrund der hohen Leistungsfa¨higkeit der Betoniermaschinen nicht mehr die Betonierleistung, sondern die Kosten fu¨r die Schalungselemente zur Einteilung der Betonierabschnitte ausschlaggebend. Man versucht daher kleinere Betonierabschnitte mit einer hohen Einsatzzahl der Schalelemente auszufu¨hren. Dafu¨r ist es nach [188] bereits bei der Planung der Arbeitsfugen wichtig, das verwendete Schalungssystem zu kennen. bertragung von Kra¨ften in Arbeitsfugen

Die zweckma¨ßige Ausbildung der Arbeitsfuge ha¨ngt nach [188] von den zu u¨bertragenden Schnittkra¨ften ab. Bei ungesto¨rtem Beton kann man die Versagenskriterien u¨ber die Druck- und

Bild 58. Fugenreibung: (A) Modell der Kontaktfla¨che Altbeton/Neubeton; (B) Stabwerksmodell eines Zahnes aus dem Modell (nach Schlaich/Scha¨fer [188])

62

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 59. Querkraftu¨bertragung in Arbeitsfugen: (A) ungleichma¨ßige Spannungsverteilung bei Verzahnung mit nur einem Zahn; (B) abgetreppte Fuge; (C) ebene Arbeitsfuge (nach Schlaich/Scha¨fer [188])

Bild 60. Winkelstu¨tzmauer: Querkraftu¨bertragung u¨ber die Arbeitsfuge an der Fundamentoberkante (Arbeitsfuge) (nach Schlaich/Scha¨fer [188])

sagensursachen erkla¨ren und Konstruktionselemente, welche die Fugen beeinflussen, gezielter konstruieren und bemessen [188]. Reicht die Reibungskraft nicht aus, um eine sichere Kraftu¨bertragung zu gewa¨hrleisten, muss die Fuge nach [188] profiliert oder abgetreppt werden (s. Bilder 59 B und 61). Man darf sich nicht auf die Verdu¨belungswirkung der Bewehrung verlassen, da die Betondeckung abplatzen kann. Eine Abtreppung mit dem Winkel a unterstu¨tzt die Kraftu¨bertragung durch eine Vergro¨ßerung von f auf f S a (s. Bild 59 B).

Die Arbeitsfuge stellt nach [188] in Bezug auf die aufnehmbare Zugfestigkeit immer eine Schwachstelle dar, ein Aufgehen der Fuge durch die Biegebeanspruchung ist kaum zu vermeiden. Die fehlende Verzahnung eines natu¨rlichen Risses in einer glatten Arbeitsfuge verringert die Querkrafttragfa¨higkeit der Fuge, sodass die Schubkraft nur noch durch die Reibung in der Druckzone und die Du¨belwirkung der Bewehrung aufgenommen werden kann. Diese Situation tritt beispielsweise in der Arbeitsfuge am Mauerfuß einer Winkelstu¨tzmauer auf (Bild 60), wo nach [188] die geometrische Diskontinuita¨t, durch die einspringende Ecke, besonders groß ist. In diesem Fall ist nach [188] zu pru¨fen, ob die Resultierende aus Druckgurt- und Querkraft innerhalb des zula¨ssigen Reibungswinkels liegt. Zusa¨tzlich muss die schiefe Druckspannung unter der Betonfestigkeit bleiben. Dieser Nachweis wird stellvertretend fu¨r den Nachweis des Druckgurtes und der Druckstrebe gefu¨hrt. Dabei ergibt sich die schiefe Druckspannung sc,R, in der horizontalen Fuge, aus den Druckspannungen s c,C bei dazu proportionaler Spannungsverteilung aus der Gleichgewichtsbedingung s c,R w s c,C /cos2u. Schubfugen

Die Kraftu¨bertragung in einer Fuge wird durch Formschluss, Verbundwirkung und Du¨belwirkung beim Einsatz von Einlegeteilen erzeugt. In der DIN 1045-1 werden diese Wirkungsprinzipien durch eine Verbundfestigkeit und einen Reibungsanteil modelliert. Schubfugen sind nach DIN 1045-1 [53] und NORM B 4700 [155] in der

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

Lage, Schubkra¨fte zwischen benachbarten Fertigbauteilen, aneinander betonierten Ortbetonbauteilen und zwischen einem Fertigbauteil und einem anbetonierten Ortbetonbauteil zu u¨bertragen. Der Bemessungswert der aufnehmbaren Schubkraft ohne Verbundbewehrung berechnet sich laut DIN 1045-1 nach Gl. (7), jener mit Verbundbewehrung nach Gl. (8). 1=3

VRd,ct w (0,042  bct  fct s m  sNd )  b

(7)

VRd,sy w as  fyd  (cot u S cot a)  sin a s m  sNd  b

(8)

mit

Vrd,ct Bemessungswert der aufnehmbaren Schubkraft in Fugen von Verbundteilen Vrd,sy Bemessungswert der aufnehmbaren Schubkraft mit Schubbewehrung bct

Rauigkeitsbeiwert nach Tabelle 13, DIN 1045-1; wirkt durch die Einwirkung eine Zugkomponente senkrecht zur Fuge, muss bei glatten und rauen Fugen bct w 0 gesetzt werden

u

Druckstrebenwinkel

m fck

Reibungsbeiwert charakteristischer Wert der Betondruckfestigkeit [N/mm2] Normalspannung senkrecht zur Fuge (sNd I 0 als Betondruckspannung): s Nd w nEd/b j s0,6 fcd [N/mm2] unterer Bemessungswert der Normalkraft senkrecht zur Fuge Breite der Kontaktfla¨che Stahlquerschnitt, der die Fuge kreuzenden Bewehrungssta¨be Winkel der die Verbundfuge kreuzenden Bewehrung (45 I a I 90h)

sNd

NEd b ast a

Bergmeister [21] gibt die folgenden Fugenbeschaffenheiten fu¨r die Definition der Rauigkeitsbeiwerte bct und der Reibungsbeiwerte m an: x Sehr glatt: Die Oberfla¨che wird gegen eine glatte Stahl- oder Holzschalung betoniert. x Glatt: Die Oberfla¨che wird nach dem Betonieren nicht behandelt bzw. sie wird abgezogen oder im Gleit- bzw. Extruderverfahren hergestellt. x Rau: Die behandelte Oberfla¨che weist eine Rauigkeit auf. x Verzahnt: Man kann zwei Fa¨lle unterscheiden: a) die Oberfla¨che wird so behandelt, dass das Korngeru¨st frei liegt und dadurch eine Verzahnung entstehen kann und b) durch Profilierung entsteht eine geometrische Verzahnung.

63

In DIN 4762 und DIN 4768 wird die Oberfla¨chenrauigkeit u¨ber zwei Kenngro¨ßen definiert: x Arithmetischer Mittenrauwert oder mittlere Rautiefe Rt : Dieser Wert ist der arithmetische Mittelwert der Absta¨nde des Rauheitsprofils von der mittleren Linie. Man bezeichnet eine Oberfla¨che als rau, wenn Rt i 0,9 mm ist. x Profiltiefe Py : Dieser Wert ergibt sich aus dem ho¨chsten und tiefsten Punkt der Oberfla¨che entlang der Bezugsstrecke. Allerdings ist dieser Wert nach [21] sehr anfa¨llig auf Ausreißereinflu¨sse. In der Praxis wird zur Ermittlung der mittleren Rautiefe die zu untersuchende Fla¨che mit Quarzsand eingestrichen und das hiefu¨r beno¨tigte Sandvolumen auf eine mittlere Rautiefe umgerechnet (Sandfla¨chenverfahren nach Kaufmann). Untersuchungen von Randl/Wicke ergaben an Betonplatten mit einer Festigkeit von C20 bis C45 folgende Werte fu¨r unterschiedlich behandelte Oberfla¨chen: ungeschalte Betonoberfla¨che Rt w 0,1mm; sandgestrahlte Oberfla¨che Rt w 0,5 mm und HDW-gestrahlte Betonoberfla¨che Rt w 2,7 mm. Nach [224] ergibt sich das Optimum der durchschnittlichen Rautiefe mit der statistischen Verteilung fu¨r die bruchmechanischen Eigenschaften der Zone zwischen 3 und 4 mm, da dies einerseits zu einer hohen spezifischen Bruchenergie und andererseits zu einem mit dem Betonalter steigenden duktilen Verhalten fu¨hrt. Nach [21] sollte bei biegebeanspruchten Bauteilen, bei Ausfu¨hrung der Schubbewehrung, eine abgestufte Bewehrungsanordnung entsprechend der Schubkraftlinie gewa¨hlt werden. Werden Bauteile als Scheibe beansprucht, kann eine konzentrierte Bewehrung am Ende der Fuge angeordnet werden. In diesem Fall muss die Schubbewehrung an beiden Kontaktfla¨chen gut verankert werden. Handelt es sich um eine glatte bzw. sehr glatte Fuge, ist die Schubbewehrung mit einem Druckstrebenwinkel von 45 I u I 60h zu ermitteln. Nach DIN 1045-1 kann der Bemessungswert der Einwirkung VEd, der in der Fuge zu u¨bertragenden Schubkraft je La¨ngeneinheit nach Gl. (9) ermittelt werden. Fcdj VEd VEd w  (9) Fcd z Fcd w

MEd z

(10)

mit

Fcdj Bemessungswert des u¨ber die Fuge zu u¨bertragenden La¨ngskraftanteils Fcd

Bemessungswert der Gurtla¨ngskraft infolge Biegung

64

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

In der Verbundfuge sind die Bemessungskriterien nach Gln. (11) und (12) zu erfu¨llen. VEd j VRd,ct (ohne Verbundbewehrung)

(11)

VEd j VRd,sy (mit Verbundbewehrung)

(12)

Die, dem Bemessungswert der Schubkraft VSd, widerstehende Schubspannung tRd, kann nach NORM B 4700 gema¨ß Gl. (13) berechnet werden. tRd w k1  td S r  k2  fyd  (m  sin a S cos a) S pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi m  sn S r  k3  fyd  fcd  sin a J b  n  fcd (13) mit

k1  td Bemessungswert der Koha¨sion AS r Bewehrungsgrad; r w AFuge AS Querschnittsfla¨che der die Fuge kreuzenden Verdu¨belung

AFuge

projizierte Fla¨che der Fuge

m

Reibungsbeiwert

a

Winkel zwischen Fuge und Bewehrung

s n.

Spannungen, hervorgerufen durch eine mit Sicherheit vorhandene Normalkraft, die von außen auf die Fugenfla¨che wirkt. Druckspannungen negativ; unterer Fraktilwert, z. B. bei Eigengewicht 0,9 · G

k2

Wirkungsbeiwert fu¨r die aktivierbare Zugkraft in der Bewehrung

k3

Koeffizient fu¨r den Biegewiderstand der Bewehrung; Du¨belwirkung

b

Beiwert zur Beru¨cksichtigung der Neigung der Betondruckstrebe

n

Wirksamkeitsfaktor fu¨r die Betondruckstrebenkraft; 1,5  fcd n w 0,7 s j 0,5 200

Dabei a¨ndern sich die zur Berechnung verwendeten Parameter, abha¨ngig von der Ausbildung der Fuge. Bei hochdruckwassergestrahlten und sandgestrahlten Fugen du¨rfen laut Norm ho¨here Werte angesetzt werden. Bei allen anderen Fugenausbildungen geschalt, ru¨ttelglatt und zugerieben muss mit einer glatten Oberfla¨che gerechnet werden. Bei steifem Verbund zwischen den Fugen, wie dies z. B. bei hochdruckwassergestrahlten und verzahnten Fugen der Fall ist, ist an jeder Stelle nachzuweisen, dass die widerstehende Schubspannung nicht kleiner ist als die einwirkende (tRd j tSd). Bei dieser Art der Fugenausbildung darf nach [155] auf eine durchlaufende Bewehrung verzichtet werden. Von dieser Regelung sind die Randbereiche ausgenommen, wenn gilt: tSd J 2,0  td S m  sn . Bei verschieblichem Verbund, wie dies bei glatter oder sandgestrahlter Oberfla¨che der Fall ist, darf mit einem plastischen Ausgleich gerechnet werden und der Nachweis fu¨r die Schubspannung muss erfu¨llt sein (VRd j VSd). Auf eine durchgehende Bewehrung darf nach [155] bei sandgestrahlter Oberfla¨che nur verzichtet werden, wenn die Altbetonoberfla¨che sorgfa¨ltig vorbehandelt wurde. Eine Ausnahme bilden wiederum die Randbereiche. Dort gilt der Verzicht auf durchgehende Bewehrung nicht, wenn gilt: tSd J 1,0  td S m  sn . Die fu¨r die bertragung der Schubkra¨fte erforderliche Bewehrung, welche unter dem Winkel a zwischen 45 und 90h eingelegt wird, darf nach [155] nur in Richtung der Schra¨gzugkra¨fte geneigt werden. Der Bewehrungsgrad rmin muss laut [155] 0,001 betragen. Das entspricht einem Bewehrungsquerschnitt an jeder Stelle der Fugenfla¨che von 0,1 %. Treten in der Fuge keine rechnerischen Zugspannungen auf, genu¨gt bei normal auf die Fuge angeordneten Bewehrungssta¨ben und bei glatten Oberfla¨chen, nach [155] eine Verankerungsla¨nge von 6 ds. Bei gro¨ßeren Rauigkeiten erho¨ht sich diese auf 10 ds. Sonderanfertigungen mit aufgestauchtem Kopf (Dmin w 3 ds) du¨rfen

Bild 61. Ausbildung einer verzahnten Schubfuge nach NORM B 4700

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

auf eine Verankerungsla¨nge von nicht weniger als 6 ds verku¨rzt werden. Treten in der Fuge Zugspannungen aus a¨ußeren Kra¨ften auf, muss der Beiwert k1 gleich 0 gesetzt werden, und die durchgehenden Bewehrungssta¨be sind auf diese auftretenden Zugspannungen zu bemessen. Laut [155] muss an den Ra¨ndern fla¨chiger Bauteile im Bereich eines Randstreifens mit der Breite 3 hneu eine versta¨rkte Bewehrung eingelegt werden (r j rmin). Diese Maßnahme ist notwendig, da aufgrund differenziellen Schwindens oder eines Temperaturgradienten die Gefahr des Ablo¨sens des Neubetons besteht. Diese zusa¨tzliche Bewehrung muss nach [155] mindestens die Risszugkraft des Neubetons u¨bertragen, welche sich aus Gl. (14) errechnet. VSd w Fcr w hneu  b  k  fct,ef

(14)

Wenn große Querkra¨fte u¨bertragen werden sollen, sollte nach [188] die Verzahnung durch abgeschalte Noppen hergestellt werden. Die Schalung fu¨r einspringende Verzahnung ist leichter herzustellen als fu¨r vorspringende. Nach NORM 4700 sollte eine verzahnte Fuge nach Bild 61 ausgebildet werden. 4.9.7.2 Bewegungsfugen

Bewegungsfugen sind in der Lage, Bauwerksbewegungen in einem vordefinierten Maß aufzunehmen. Man unterscheidet Setzungs- und Dehnungsfugen. Um scha¨dliche Auswirkungen von unterschiedlichen Setzungen unterschiedlich schwerer oder gegru¨ndeter Bauteile fu¨r das Bauwerk zu vermeiden, werden Setzungsfugen angeordnet. Bei Setzungsunterschieden werden die Fugen als horizontal verzahnte Pressfugen ausgefu¨hrt. Um die Reibung in der Fuge herabzusetzen, werden Dichtungsanstriche aufgebracht oder Dichtungsbahnen dazwischengelegt. Setzungsfugen werden in der Regel lotrecht angeordnet und sie mu¨ssen von der Unterkante des Fundamentes bis zur Oberkante des Bauwerkes durchgehen, da sich sonst Risse bilden wu¨rden. In Bild 62 sind einige gebra¨uchliche Ausbildungen von Bewegungsfugen dargestellt.

65

den. Dies ist zweckma¨ßig bei verku¨rzungsbehinderten Platten und Wandscheiben, wie bspw. bei Scheiben, die auf den fertigen Fundamentbalken betoniert werden, sowie bei Stu¨tzmauern und Bodenplatten, die sich im Kontakt mit dem Untergrund befinden (Reibungsbehinderung). Die Gro¨ße des Schwindmaßes ist im Wesentlichen von den klimatischen Verha¨ltnissen und der Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebungsluft abha¨ngig. Neben diesen Umweltfaktoren haben der W/Z-Wert, die Gesteinsart, die Sieblinie und Kornform des Zuschlages, der Verdichtungsgrad und die Querschnittsabmessungen Einfluss auf die Gro¨ße des Schwindmaßes. Besonderen Einfluss auf das Endschwindmaß (Gesamtschwindmaß) und die Rissbildung hat der zeitliche Schwindverlauf. Je schneller das Schwinden vonstattengeht, je weniger Zeit der Beton hat zu kriechen und je fru¨her die Behinderung des Schwindens einsetzt, umso gro¨ßer die Rissgefahr. Die zu erwartenden Schwindmaße liegen bei ca. 0,1 bis 0,6 mm/m. Als Quellen wird die Volumenvergro¨ßerung des erha¨rteten Betons durch Wasseraufnahme verstanden. Fu¨r Fugenabstand und Fugendimensionierung ist das Quellen ohne große Bedeutung, da das Quellmaß absolut kleiner als das Schwindmaß ist (0,1 bis 0,2 mm/m bei Wasserlagerung) und bei Behinderung in der Regel unkritische Druckspannungen im Beton entstehen. Der Vorgang der Temperatura¨nderung wird zeitlich wesentlich rascher vollzogen als das Schwinden und Quellen. Die rechnerische Erfassung der auftretenden Zwa¨ngungen und Bewegungen ist wegen der komplexen Vorga¨nge im jungen Beton nur schwer mo¨glich. Es werden daher in der Regel Fugen aufgrund von Erfahrungen angeordnet.

Setzungsfugen werden bei Bedarf im bergangsbereich zwischen Sperrenko¨rper und Flu¨gel und bei sehr langen Flu¨geln in regelma¨ßigen Absta¨nden angeordnet. Besonders lange Flu¨gel finden bei Auslaufbauwerken von Retentionsbecken Anwendung. In Bild 63 ist ein Beispiel dargestellt. Ausgedehnte Bauteile erfahren durch Temperaturschwankungen sowie durch Schwinden, Quellen und Kriechen merkbare La¨ngena¨nderungen. Zur Vermeidung von unkontrollierten Rissen (Schwindrisse, Temperaturrisse) mu¨ssen die Bauwerksteile durch Dehnungsfugen unterteilt wer-

Bild 62. Ausbildungen von verzahnten Bewegungsfugen: (A) Halbkreis; (B) Trapez; (C) Dreieck

66

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 63. Anordnung von Setzungsfugen in einer Dosiersperre

Bild 64. Fugen: (A) verzahnte Arbeitsfuge; (B) abgeschalte vertikal verzahnte Bewegungsfuge (Setzungsfuge) an der Staumauer einer Wasserretentionssperre

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren

Dehnungsfugen mu¨ssen Raumfugen sein (Bild 57 B1). Die Fugenbreite ergibt sich aus der La¨ngena¨nderung des Bauwerksteiles zwischen den Fugen. Diese La¨ngena¨nderung errechnet sich aus der Temperaturdehnzahl des Baustoffes und aus der jeweils maßgebenden Temperaturdifferenz DT. Temperaturen sind ta¨glichen und ja¨hrlichen Schwankungen unterworfen. In alpinen Regionen kann von einer ja¨hrlichen Temperaturdifferenz DT von 50 hC, in hochalpinen Klimaten von 70 hC ausgegangen werden. Fu¨r Beton und Bewehrungsstahl betra¨gt die Temperaturdehnzahl a w 10 –5 je hC. Fu¨r einen Fugenabstand von l w 10 m und einem Temperaturunterschied DT w 70 hC ergibt dies eine erforderliche ungehinderte Fugenbewegung (Dl) u¨ber Gl. (15) von 7 mm. Pregl [164] gibt den Abstand von Dehnungsfugen mit 8 bis 12 m an. Die erforderliche Fugenbreite ergibt sich nach Gl. (16), indem man Dl durch den Bemessungswert der Dehnung des Fugenmaterials ed dividiert. Fu¨r Fugenkitte und Fugenvergussmassen liegt ed zwischen 0,05 und 0,6. Dl w a  DT  l Dl dw ed

(15) (16)

4.9.7.3 Abdichtungssysteme

Alle Fugen (Arbeits- und Bewegungsfugen) von Sperrenbauwerken mu¨ssen auf der vom Wasser angestro¨mten Seite abgedichtet werden, wobei Raumfugen nach [89] ausschließlich durch Fugenba¨nder abgedichtet werden. Bei der Abdichtung von Arbeitsfugen ko¨nnen laut [89] nicht nur Fugenba¨nder, wie bei den Dehnfugen, sondern eine Vielzahl von unterschiedlichen Systemen zur Anwendung kommen. Fugenba¨nder

67

und Arbeitsfugenbleche haben sich seit Jahren bewehrt und bieten auch bei einer hohen Anforderung ein großes Maß an Sicherheit. Systeme wie z. B. verpresste Injektionsschla¨uche, KombiArbeitsfugenba¨nder, beschichtete Bleche, quellfa¨hige Fugeneinlagen oder streifenfo¨rmige Adha¨sionsdichtungen haben ihre Vorteile vor allem in der Anwendbarkeit und im Einbau. Alle Systeme haben gemeinsam, dass die Qualita¨t der Abdichtung vom planerischen Gesamtkonzept, von der Qualita¨t der Fugeneinlage bzw. der Ausfu¨hrung und von der Qualifikation der Ausfu¨hrenden abha¨ngig ist. Bei der Verwendung von Fugenba¨ndern aus Kunststoff (Bild 66) ist zu beachten, dass diese in der Regel mittig verlegt werden (Bild 65). Dies ist aber vom statischen Gesichtspunkt aus ungu¨nstig, da die geneigte Betondruckstrebe nicht durch das weiche Kunststofffugenband durchlaufen kann. Diese Anordnung fu¨hrt nach [188] zu einer ungu¨nstigen Belastungssituation in der Fuge und kann nur funktionieren, wenn die Betonzugfestigkeit ausgenutzt bzw. wenn der Fugenbereich bewehrt wird. Aus diesem Grund ist es besser, das Kunststofffugenband am Fugenrand einzusetzen (Bild 65 B). Außenliegende Fugenba¨nder werden bei Schutzbauwerken aufgrund der hohen mechanischen Beanspruchung der Oberfla¨chen nicht verwendet. Das Fugenband wird auf der angestro¨mten Seite in die Betondeckung eingelegt (Bild 65 C). Laut Schlaich/Scha¨fer [188] genu¨gt im Fall von nicht dru¨ckendem Wasser die Anordnung eines mittigen Fugenblechs (Bild 65 D). Dabei eignen sich raue und profilierte Bleche besser, da die parallel zum Blech gerichtete Kraftkomponente der Betondruckstrebe durch Reibung und Haftung zwischen Blech und Beton u¨bertragen werden

Bild 65. Anordnung von Fugenba¨ndern bei Arbeitsfugen: (A) mittiges Kunststofffugenband (ungu¨nstig wegen unklarer Querkraftu¨bertragung); (B) außenliegendes Kunststofffugenband; (C) Kunststofffugenband in der Betondeckung; (D) Querkraftu¨bertragung u¨ber Fugenblech (Schlaich/Scha¨fer [188])

68

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 66. Beispiele von Kunststofffugenba¨ndern: (A) fu¨r Bewegungsfugen (1 innenliegend fu¨r Raum-, Press- und Scheinfugen, 2 innenliegend fu¨r Press- und Dehnungsfugen, 3 außenliegend fu¨r Dehnfugen); (B) fu¨r Arbeitsfugen (1 innenliegend fu¨r Arbeitsfugen, 2 innenliegend fu¨r Arbeits- und Schwindfugen, 3 außenliegend fu¨r Arbeits- und Schwindfugen)

La¨ngsbauwerke in Wildba¨chen unterliegen u¨berdurchschnittlich hohen hydrodynamischen Beanspruchungen. Die Bauwerke sind starken Druckund Sogkra¨ften, Abrasions- und Stoßwirkungen und der Auskolkung der Gru¨ndung ausgesetzt. Die im Schutzwasserbau u¨blichen Konstruktionen und Dimensionen reichen daher i. d. R. nicht aus; es sind Bautypen erforderlich, die den beschriebenen Beanspruchungen ausreichend standhalten. Außerdem ist zu beru¨cksichtigen, dass in Wildba¨chen – bedingt durch die vorherrschende Topografie – u¨berwiegend steile Uferbo¨schungen auftreten, die eine ausreichende Stu¨tzwirkung der Uferschutzbauwerke erfordern. Bergdruck kann die Belastung der Bauwerke noch wesentlich erho¨hen. Bild 67. Aussinterungen aus Arbeitsfugen ohne Fugenband und dru¨ckendem Wasser

muss. Arbeitsfugen ko¨nnen u¨ber einen Verpressschlauch, sofern nachtra¨gliche Undichtigkeiten auftreten, verpresst werden. Eine Verpressung ist nach [188] auch mehrmals mo¨glich, wenn der Verpressschlauch nach dem Verpressen gereinigt wird. Eine andere Mo¨glichkeit der Abdichtung bieten quellfa¨hige Dichtungsba¨nder. Nicht oder ungenu¨gend abgedichtete Arbeitsfugen fu¨hren zu Durchsickerungen des Betonko¨rpers. Die Folge sind Aussinterungen an der Luftseite, Bewehrungskorrosion und eine Verringerung der Dauerhaftigkeit des Bauwerks (Bild 67).

4.10 Konstruktion von La¨ngsbauwerken La¨ngsbauwerke haben in der Wildbachverbauung die Funktion der Ableitung von Hochwasser und des Schutzes der Ufer gegen Erosion. Fu¨r ihre Konstruktion gelten a¨hnliche Regeln wie im Schutzwasserbau, weshalb auf die einschla¨gige Literatur verwiesen werden kann. Im Folgenden soll daher nur kurz auf einige Besonderheiten der Konstruktion von La¨ngswerken und Regulierungsbauwerken in Wildba¨chen eingegangen werden [13].

Uferschutzbauwerke mit Stu¨tzwirkung fu¨r den Hang (die Bo¨schung) werden meist massiv in Natursteinmauerwerk, Beton oder Stahlbeton ausgefu¨hrt, in manchen Fa¨llen gelangen auch noch Stu¨tzbauwerke in Steinkasten- oder Drahtschotterbauweise zum Einsatz. Fu¨r die Bemessung und Konstruktion von Stu¨tzbauwerken kann auf Abschnitt 7 und die einschla¨gige Literatur verwiesen werden [1, 28, 165]. Uferschutzbauwerke, deren u¨berwiegende Funktion der Schutz der Ufer gegen Erosion ist, ko¨nnen auch in Grobsteinschlichtung hergestellt werden. Die Ufersicherung mit schweren Wasserbausteinen hat den Vorteil, dass dieser Bautyp unempfindlich gegen Setzungen des Untergrundes ist, eine hydraulisch raue Oberfla¨che aufweist und eine ungehinderte Entwa¨sserung der Uferbo¨schung durch die Fugen ermo¨glicht. Eine zusa¨tzliche Stabilita¨t erhalten Grobsteinschlichtungen durch die Bepflanzung mit ausschlagfa¨higen Geho¨lzen (Weiden). Grobsteinschlichtungen in Wildba¨chen werden in der Regel mit einer Neigung der Bo¨schungsfla¨che von 2:3, maximal jedoch von 1:1 errichtet, bei steileren Ufersicherungen ist die Verlegung der Steine auf ein (bewehrtes) Unterbetonbett erforderlich, um einen ausreichenden Verbund des Bauko¨rpers gegen die angreifenden Sog- und Druckkra¨fte sowie gegen den Erddruck herzustellen. Der bergang zur

4.10 Konstruktion von La¨ngsbauwerken

69

Ufermauer mit Stu¨tzwirkung ist fließend, da sich in den letzten Jahren – begu¨nstigt durch die Technologie der hydraulischen Greifzange – Zyklopenmauerwerk mit großen Steinen (Baggermauerung) entwickelt haben. Grobsteinschlichtungen in Wildba¨chen werden in der Regel nicht auf eine vorprofilierte Erdbo¨schung verlegt, wie dies im Straßenbau u¨blich ist, sondern mo¨glichst gut mit dem Untergrund verzahnt. Einzelne Steine werden quer zur Oberfla¨che tief in den Untergrund eingebunden. Die durchschnittliche Sta¨rke von Grobsteinschlichtungen in Wildba¨chen soll zwischen 70 und 90 cm liegen. Ebenso wichtig ist die ausreichende Gru¨ndung der Grobsteinschlichtung, in der Regel mindestens 80 bis 100 cm unter der Bachsohle, um einer Auskolkung entgegenzuwirken. Regulierte Bachstrecken weisen meist eine starke Eintiefungstendenz auf, sodass ein zusa¨tzlicher Kolkschutz mittels Sohlschwellen (Sohlgurten) oder Sohlrampen hergestellt werden sollte. Fallweise hat sich auch die Anordnung von kurzen Buhnen (Spornen) bewa¨hrt, wenn die Stro¨mung von im Außenbogen liegenden Grobsteinschlichtungen abgelenkt werden soll. Grobsteinschlichtungen ko¨nnen auch mit ingenieurbiologischen Bauweisen kombiniert werden. Bild 68. Uferschutz mittels Grobsteinschlichtung: (A) Grobsteinschlichtung auf Unterbeton verlegt; (B) durch Ansaat begru¨nte, trocken verlegte Grobsteinschlichtung

Problematisch ist die Errichtung von verbundlosen Grobsteinschlichtungen in Wildba¨chen mit koha¨sionslosem Sediment, da hier die lokale Kolk-

Bild 69. (A) Gestaffelte Leitwerke auf einem Wildbachschwemmkegel; (B) Ufermauer in Zyklopenmauerwerk; (C) Leitwerk entlang eines Wildbaches zur Ablenkung von Muren

70

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

bildung besonders rasch eintritt und die Wasserbausteine in den Kolk nachsacken. Die Stro¨mung des Wildbaches legt sich an die Oberfla¨che der Grobsteinschlichtung an, wobei die Rauigkeit zur Wirbelbildung fu¨hrt, die die Kolkbildung begu¨nstigt. In diesen Wildba¨chen sollten entweder andere Bautypen fu¨r den Uferschutz gewa¨hlt werden, oder eine Gru¨ndung der Grobsteinschlichtung auf einem setzungsunempfindlichen Holzrost (La¨rche, Eiche, Robinie, Tanne) erfolgen.

Ufermauern werden heute u¨berwiegend aus Steinmauerwerk oder Stahlbeton errichtet, wobei gerade im Siedlungsbereich die Herstellung von „Sichtbetonfla¨chen“ so weit wie mo¨glich vermieden wird. Das Mauerwerk wird heute meist unregelma¨ßig („rustikal“) hergestellt und begu¨nstigt den Einsatz von Erdbaugera¨ten (Mauerung mit hydraulischer Greifzange). Regelma¨ßiges Schichtmauerwerk, welches eine Bearbeitung der Steine von Hand erfordert, wird hingegen heute kaum noch errichtet und gilt als unwirtschaftlich. Ein in Wildba¨chen ha¨ufig durchgefu¨hrter Bautyp ist das Zyklopenmauerwerk, bei dem die luftseitig aufgeschichteten Grobsteine als Schalung dienen, die mit einer tragenden Betonlamelle (mit Bewehrung) hinterfu¨llt werden ko¨nnen. Die Fugen des Mauerwerks werden zum Schutz des Bauwerks mit Mo¨rtel ausgefu¨llt und gegla¨ttet. Die Fugentiefe richtet sich nach der gewu¨nschten hydraulischen Rauigkeit. Leitwerke dienen in der Regel zur Ablenkung von Murga¨ngen und murartigen Prozessen. Der Vorteil der Leitwerke liegt darin, dass der Abfluss in jene Zonen gelenkt werden kann, wo eine Ausbreitung und Ablagerung von Muren gefahrlos mo¨glich ist. Dabei werden Teile des Schwemmkegels in der natu¨rlichen Funktion des Sedimentationsraumes erhalten und gleichzeitig ein hoher Schutzgrad fu¨r das Siedlungsgebiet erreicht. Die Wirkung von Leitwerken steht daher im Zusammenhang mit der

Bereitstellung von natu¨rlichen Geschieberetentionsfla¨chen. Steht eine ausreichende Schwemmkegelfla¨che zur Verfu¨gung, ko¨nnen gestaffelte Leitwerke ausgefu¨hrt werden, um einen mo¨glichst guten Ausbreitungseffekt fu¨r Murga¨nge zu gewa¨hrleisten. Leitwerke sind ho¨heren Beanspruchungen ausgesetzt als Uferschutzbauwerke, da sie direkt von murartigen Transportprozessen oder Murga¨ngen beaufschlagt werden. Sie sind daher entsprechend massiv auszufu¨hren. Ha¨ufig werden sie in Form von breiten La¨ngsda¨mmen ausgefu¨hrt, deren Wasserseite mit massiven Stu¨tzbauwerken aus Stahlbeton oder Zyklopenmauerung gesichert werden. Die Oberfla¨che ist – im Unterschied zu den Uferschutzbauwerken – glatt auszufu¨hren, um eine gute Leitwirkung zu erzielen.

4.11 Ingenieurbiologische Bauweisen Im Bereich der Wildbachverbauung werden neben den harten Verbauungen ingenieurbiologische Bauweisen eingesetzt. Fiebiger [69] unterteilt die Bauweisen in Decken-, Stabil-, kombinierte und erga¨nzende Bauweisen sowie in die Sonderbauten (Bild 70). Der ha¨ufigste Einsatz von ingenieurbiologischen Bauweisen sind Maßnahmen mit fla¨chiger Schutzwirkung in den seitlichen Einha¨ngen. Sie dienen der Stabilisierung der Ha¨nge durch oberfla¨chennahen Erosionsschutz und tiefgru¨ndige Festigung der Ha¨nge. Diese Festigung reicht allerdings nur bis in Wurzeltiefe der Pflanzen und kann einerseits u¨ber Verdu¨belung und Verankerung von Gleitfla¨chen und andererseits u¨ber Verringerung des Porenwasserdrucks im Boden durch die Pflanzentranspiration erfolgen. Die Tiefe ist abha¨ngig von der Pflanzenart, dem Alter der Pflanzen und den klimatischen Bedingungen. Sie variiert von mehreren Dezimetern bei Gra¨sern und Kra¨utern, bis

Bild 70. Einteilung der ingenieurbiologischen Maßnahmen nach Relevanz fu¨r die Wildbachverbauung (nach Fiebiger [69])

4.11 Ingenieurbiologische Bauweisen

zu mehreren Metern bei Geho¨lzen. Eine bersicht der Bauweisen ist in Tabelle 11 zusammengestellt. Im direkten Bereich der Wildba¨che ist die Verwendung von ingenieurbiologischen Bauweisen bei Geschiebefu¨hrung nur eingeschra¨nkt mo¨glich. In Bachabschnitten mit Reinwasserabfluss oder feineren Feststoffen gibt es dagegen eine Vielzahl interessanter Einsatzmo¨glichkeiten (Tabelle 11). Diese Bauweisen erfolgen meist auf Basis von ausschlagfa¨higen Weiden. Dabei sind die Bauweisen so gestaltet, dass zu Beginn der Widerstand der Verbauung durch das noch nicht angewachsene Material gewa¨hrleistet wird, welcher dann nach und nach durch das austreibende Astmaterial und die wachsenden Pflanzen u¨bernommen wird. Eine große Bedeutung kommt der Pflege dieser Pflanzenbesta¨nde zu. Geho¨lze im Abflussbereich des Gerinnes sollen mo¨glichst

71

biegsam sein. Dadurch legen sie sich bei berflutung u¨ber den Boden und bilden einen zusa¨tzlichen Erosionsschutz der Ufer. beralterte Besta¨nde verringern den Durchfluss und bilden schließlich Wildholzherde. Besonders bei einzeln stehenden Sta¨mmen kommt es zu Turbulenzen und lokalen Ausspu¨lungen. Die Abflussquerschnitte der Gerinne sollten in jedem Fall so weit offen gehalten werden, dass das Bemessungsereignis schadlos abgefu¨hrt werden kann. Neben Bauweisen aus reinen Pflanzen sind auch kombinierte Bauweisen u¨blich. Dies ko¨nnen Trockensteinmauern, Holzka¨sten oder Drahtschotterko¨rbe sein, die durch lageweisen Einbau von Steckho¨lzern oder ein- bis zweija¨hrigen Geho¨lzsa¨mlingen begru¨nt werden. Dabei mu¨ssen die Steckho¨lzer oder Sa¨mlinge durch die gesamte Konstruktionsdicke bis in das Erdreich reichen.

Tabelle 11. bersicht u¨ber relevante Bauweisen der Ingenieurbiologie (nach Florineth [72]) Ansaat und Begru¨nungsmethoden

Trockensaaten (einfache Trockensaat, Heublumensaat, Heudruschsaat, Deckfruchtansaat, Geho¨lztrockensaat) Nasssaaten-Hydrosaaten (Mulchsaaten) Rasenziegel und Vegetationsstu¨cke Ufersicherung an Fließgewa¨ssern mit La¨ngsbauwerken

Weidenspreitlage Weidenfaschine und Senkfaschine Faschinenwand Weidenfaschine auf Buschlage Geotextilpackung auf Buschlage Sinkwalze Flechtzaun Wurzelstockreihe

Uferpfahlwand Uferkrainerwand Rangenverbau Raubaum Astpackung Gitterbuschbau Verlandungszaun

Ufersicherung an Fließgewa¨ssern mit Querbauwerken

lebende Buhnen Buschbautraverse lebende Bu¨rsten und lebende Ka¨mme Runsen und Grabensicherung mit La¨ngsbauwerken Rauba¨ume

Runsenausbuschung (-ausgrassung) begru¨nte Raubettrinne bepflanzte Steinku¨nette bepflanzte Holzku¨nette

Runsen und Grabensicherung mit Querbauwerken

lebende Palisadenwand Buschschwelle, lebende Blockschwelle, Palisadenschwelle bepflanzte Holzsperre

bepflanzte Drahtschottersperre bepflanzte Blocksteinsperre

Sicherung von Ha¨ngen und Bo¨schungen

Hangfaschinen bepflanzte Pilotenwand bepflanzter Hangrost bepflanzte Holzkrainerwand bepflanzte Betonkrainerwand

bepflanzte Blocksteinmauer bepflanzte Drahtschotterko¨rbe bewehrte Erde Lagenbau

72

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Dies garantiert einen besseren Anwuchs und eine Erho¨hung der Standsicherheit der Konstruktion. Um fertig gestellte Bauwerke besser in das Landschaftsbild zu integrieren bzw. um durch den Bau entstandene offene Fla¨chen in der Landschaft rasch zu schließen, werden Begru¨nungen mit Gra¨ser-Kra¨utermischungen oder/und durch Anpflanzungen (Aufforstungen) durchgefu¨hrt. Geeignete Pflanzen bzw. an unterschiedliche Klimate angepasste Saatgutmischungen finden sich in Florineth [72]. Umfassende Beschreibungen der ingenieurbiologischen Bauweisen, optimale Einsatzgebiete und deren Grenzen finden sich z. B. in Florineth [70 –72], Schiechtl/Stern [187] und Bo¨ll [28].

4.12 Werkstoffe Die am ha¨ufigsten verwendeten Werkstoffe sind Naturstein, Beton, Stahlbeton, Stahl, Holz und Kunststoffe. Bei der Auswahl der Baustoffe ist entsprechend des Feststofftransportes auf die Widerstandsfa¨higkeit (z. B. Abriebfestigkeit) und Lebensdauer des Materials zu achten. Ein weiterer

Faktor ist eine hohe Widerstandsfa¨higkeit gegen Umwelteinflu¨sse, insbesondere den ha¨ufigen Wechsel von Feuchtigkeit und Trockenheit in Ba¨chen mit schwankender oder nur zeitweiliger Wasserfu¨hrung. 4.12.1 Konstruktionsbeton

Stahlbeton hat sich aufgrund der hohen Beanspruchung der Bauwerke durch die Wildbachprozesse als dauerhafter Baustoff bewa¨hrt. Wesentlich sind die hohe Widerstandsfa¨higkeit gegen den Wechsel von Feuchtigkeit und Trockenheit bei stark schwankender Wasserfu¨hrung und Temperaturextremen in den weitgehend exponierten Lagen sowie die Widerstandsfa¨higkeit gegen den stetigen Abrieb durch Geschiebe. Als Bewehrungsstahl wird u¨blicherweise ein BSt 500 oder BSt 550 verwendet. 4.12.1.1 Expositionsklassen

Fu¨r Schutzbauwerke sind in der Regel die Expositionsklassen XC, XF und XM nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 relevant. In den ha¨ufigsten Fa¨l-

Tabelle 12. Materialkennwerte fu¨r Beton nach DIN 1045:2001 bzw. EN 1992-1-1 (Auswahl)

Festigkeitsklassen

Druckfestigkeit [N/mm2]

Zugfestigkeit [N/mm2]

Normalfeste Betone C20/25

C25/30

C30/37

fck w fck,zyl

20

25

30

fck,cube

25

30

37

fcm

28

33

38

fctk; 0,05

1,5

1,8

2,0

fctk; 0,95

2,9

3,3

3,8

2,2

2,6

2,9

fctm

2)

Bemessungsschubfestigkeit [N/mm2]

tRd

0,24

0,26

0,28

E-Modul als Sekantenmodul [N/mm2]

Ecm

28800

30500

31900

Rechnerische Dehnungen fu¨r Rechteckquerschnitte

ec1 [ ‰]

s2,1

s2,2

s2,3

ecu1 [ ‰]

s3,5

ec2 [ ‰]

s2,0

ecu2 [ ‰]

s3,5

n

2,0

ec3 [ ‰]

s1,35

ecu3 [ ‰]

s3,5

4.12 Werkstoffe

len ist fu¨r den Sperrenko¨rper die Klasse XC3 (Wasserdruckho¨he 2 bis 10 m), selten XC4 (Wasserdruckho¨he i 10 m) erforderlich. Fu¨r kleinere Bauwerke (z. B. Grundschwellen, Grobsteinschlichtungen in Beton) kann auch XC2 ausreichend sein. Als Kriterium fu¨r den Frost sollte bei ha¨ufig eingestauten Bauwerken von XF3 ausgegangen werden. In Ba¨chen in denen wa¨hrend der Frostperiode keine Wasserfu¨hrung bzw. kein Einstau des Bauwerkes zu erwarten ist, ist XF1 ausreichend. Ist ein Schutzbauwerk im direkten Einzugsbereich einer Straße errichtet, ist zusa¨tzlich die Relevanz der XD-Klassen und XF2 sowie XF4 zu untersuchen. Diese Klassen ko¨nnen fu¨r Ufermauern, die eine Straße stu¨tzen, und Kombinationsbauwerke (z. B. Sperre-Straßenbru¨cke) relevant sein. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Widerstandes des Betons und einer ausreichenden Dauerhaftigkeit der Bewehrung sind die Anforderungen an die Mindestbetondeckung

73

in DIN 1045-1 und die Betonzusammensetzungen und -eigenschaften nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 einzuhalten. 4.12.1.2 Chemischer Angriff

Die Anforderungen an einen chemischen Angriff (Expositionsklassen XA) durch Hang- und Bachwasser ko¨nnen nicht generalisiert werden. Im Einzelfall sind lo¨sende (L) oder treibende (T) Angriffsarten oder beides mo¨glich. Die Zusammensetzung des Bachwassers ist von den geologischen und biologischen Charakteristika des Einzugsgebietes abha¨ngig. Gebirgs- und Quellwasser ist oft chemisch rein, kann jedoch kalkaggressive Kohlensa¨ure enthalten. Moorwasser entha¨lt oft kalkaggressive Kohlensa¨ure, Schwefelwasserstoff und Sulfate sowie organische Sa¨uren (z. B. Huminsa¨uren). Sulfatha¨ltige Oberfla¨chenabflu¨sse treten in Gebieten mit gipsfu¨hrenden geologi-

Tabelle 13. Grundwerte fu¨r die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natu¨rliche Bo¨den und Grundwasser nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2

Angriffsart

Chemisches Merkmal

Referenzpru¨fverfahren

XA1

XA2

XA3

Treibend (T)

SO4–2 [mg/l]4)

DIN EN 196-2

j 200 J 600

i 600 J 3000

i 3000 J 6000

Lo¨send (L)

pH-Wert

ISO 4316

J 6,5 j 5,5

I 5,5 j 4,5

I 4,5 j 4,0

Lo¨send (L)

CO2 [mg/l] angreifend

DIN 4030-2

j 15 J 40

i 40 J 100

i 100 bis zur Sa¨ttigung

Lo¨send (L)

NH4+ [mg/l]

ISO 7150-1 oder ISO 7150-2

j 15 J 30

i 30 J 60

i 60 J 100

Lo¨send (L)

Mg2+ [mg/l]

ISO 7980

j 300 J 1000

i 1000 J 3000

i 3000 bis zur Sa¨ttigung

Treibend (T)

SO4–2 [mg/kg] insgesamt1)

DIN EN 196-22)

j 2000 J 30003)

i 30003) J 12000

i 12000 J 24000

Lo¨send (L)

Sa¨uregrad

DIN 4030-2

i 200 BaumannGully

in der Praxis nicht anzutreffen

Grundwasser

Boden

1) 2) 3)

4)

Tonbo¨den mit einer Durchla¨ssigkeit von weniger als 10–5 m/s du¨rfen in eine niedrigere Klasse eingestuft werden. Das Pru¨fverfahren beschreibt die Auslaugung von SO4–2 durch Salzsa¨ure; Wasserauslaugung darf stattdessen angewandt werden, wenn am Ort der Verwendung des Betons Erfahrung hierfu¨r vorhanden ist. Falls die Gefahr der Anha¨ufung von Sulfationen im Beton – zuru¨ckzufu¨hren auf wechselndes Trocknen und Durchfeuchten oder kapillares Saugen – besteht, ist der Grenzwert von 3000 mg/kg auf 2000 mg/kg zu vermindern. Falls der Sulfatgehalt des Grundwassers i600 mg/l betra¨gt, ist dieser im Eahmen der Festlegung des Betons anzugeben.

74

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

schen Schichten auf. Huminsa¨uren sind in Gewa¨ssern aus bewaldeten Gebieten mit einem hohen Grundumsatz an Biomasse (Verrottung) enthalten. Weites gilt es zu beachten, dass chemische Angriffe auf Sperrenbauwerke den Hydroabrasivverschleiß versta¨rken (Komplexbeanspruchung). Fu¨r chemische Angriffe durch natu¨rliche Bo¨den und Grundwasser ist in DIN EN 206-1 eine eigene Tabelle enthalten (Tabelle 13). Diese Klasseneinteilung der chemisch angreifenden Umgebung gilt allerdings nur fu¨r natu¨rliche Bo¨den mit einer Wasser-Boden-Temperatur zwischen 5 und 25 hC und einer Fließgeschwindigkeit des Wassers, die klein genug ist, um na¨herungsweise hydrostatische Bedingungen anzunehmen. 4.12.1.3 Hydroabrasivverschleiß

Wildbachsperren sind ab einem fluviatilen Feststofftransport durch die im Wasser mitgefu¨hrten Feststoffe einem erho¨hten Hydroabrasivverschleiß ausgesetzt. Dieser Verschleiß tritt an allen vom Bachwasser direkt angestro¨mten Sperrenteilen auf. Die Abtragsrate eines Betons in einem solchen Bereich ist abha¨ngig von der Betondruckfestigkeit, der Geschiebefracht, der Intensita¨t der Geschiebefu¨hrung, der Kornzusammensetzung der Feststoffe und der Form des Bauwerkes. In der Regel ist fu¨r betroffene Oberfla¨chen die Expositionsklasse XM3 maßgeblich. Da allerdings diese Beanspruchung auf wenige Fla¨chen der Sperre beschra¨nkt ist (z. B. Abflusssektion) werden die erforderliche Betonzusammensetzung nach den Abschnitten 4.12.1.1 und 4.12.1.2 gewa¨hlt und die beanspruchten Fla¨chen speziell konstruktiv geschu¨tzt. Weitere Mo¨glichkeiten zur Erho¨hung der Festigkeit abrasionsbeanspruchter Betonoberfla¨chen bei wasserbaulichen Anlagen finden sich bei Helbig [86]. Jakobs [108] hat sich intensiv mit der Abrasionsbeanspruchung von Wasserbauwerken bescha¨ftigt. Nach [108] la¨sst sich durch den Einsatz von hochwertigen Betonen im Kronenbereich mit einer mittleren 28-Tage-Druckfestigkeit von 40 bis 50 N/mm2 eine ja¨hrliche Verschleißrate von 0,2 bis 2 mm einhalten. Wichtig fu¨r die Herstellung von Betonen mit hohem Abrasionswiderstand ist die Verwendung von harten Zuschla¨gen mit einem Los Angeles-Wert I 25. Je nach Sta¨rke der Abrasion sind folgende konstruktive Schutzmaßnahmen zu u¨berlegen: – Verwendung von hochwertigen Betonen der Festigkeitsklasse i C40/50 im Bereich der Krone; – Verwendung von hochwertigen Betonen (Stahlfaserbetone, silikatstaubhaltige Betone, polymervergu¨tete Betone) mit Kantenschutz [108] (Stahlprofile, Naturstein);

–

–

Aufbringen von zusa¨tzlichen Verschleißschichten (Erho¨hung der Betondeckung, textilbewehrte Feinbetonschichten in Verbindung mit Kurzfaserbewehrungen [108]); Panzerung der gesamten u¨berstro¨mten Oberfla¨che (Natursteinpanzer, Stahlpanzer).

Die gebra¨uchlichsten konstruktiven Maßnahmen sind Kronsteine und Panzerbleche. Dabei wird die u¨berstro¨mte Bauwerkskrone durch hochabriebfeste Kronensteine oder durch Stahlblech geschu¨tzt (siehe dazu Abschnitt 4.9.1). 4.12.1.4 Betondeckung

Die Betondeckung ist in Abha¨ngigkeit von den Expositionsklassen in DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 nach DIN 1045-1 festzulegen, sollte aber in keinem Querschnitt weniger als 35 mm betragen. In der Praxis werden fu¨r Sperrenbauwerke generell Betondeckungen i 55 mm verwendet, im Bereich der Abflusssektion in Verbindung mit teilgepanzerten Kronen bis zu 100 mm. Dies ist nicht zuletzt durch die Vorgabe bei Betoneinbau unter Wasser oder gegen nur grob maßhaltige Fla¨chen, wie z. B. Erdreich oder Fels, von mindestens 75 mm bedingt. Da im Fundamentbereich und im unteren aufgehenden Mauerwerk in den Betonierfugen meist ein Fugenband einzubauen ist, wird die Betondeckung dort mit 100 mm festgelegt. 4.12.1.5 In der Baupraxis eingesetzte Konstruktionsbetone

Der eingesetzte Beton muss den Vorschriften in DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 entsprechen unter Beru¨cksichtigung der Anmerkungen in den Abschnitten 4.12.1.1 bis 4.12.1.3. Da Schutzbauwerke der Wildbachverbauung in der Regel aus direkt wasserbeaufschlagten Bauteilen bestehen ist eine Mindestbetongu¨te von C25/30 einzuhalten. Fu¨r massige Bauteile ab einer Bauteildicke von 1,5 m darf maximal ein Beton der Gu¨te C30/37 verwendet werden. In Tabelle 14 sind gebra¨uchliche Betonsorten und in Tabelle 15 ein gebra¨uchliches Betonrezept auf Baustellen der WLV enthalten. 4.12.2 Stahl

Stahl findet in den funktionalen Teilen der Sperren (Rechen, Balken, Roste), als Abrasionsschutz (Panzerung von Sperrenkronen und abriebexponierten Bauteilen) oder in eigensta¨ndigen Bauwerken (Netz-, Gittersperren) Verwendung. In der Regel wird gewo¨hnlicher Baustahl (S235JR) verwendet. Fu¨r Panzerungen sollte in Sonderfa¨llen auch der Einsatz von nichtrostenden Sta¨hlen u¨berlegt werden.

75

4.12 Werkstoffe

Tabelle 14. Eingesetzte Betonsorten auf Baustellen der WLV und Anwendungsbeispiele, Bezeichnungen nach NORM B4710-1

Betonsorte

Einsatzbeispiele

Abgedeckte Expositionsklassen

C 16/20 XC1

fu¨r Grobsteinschlichtungen in Beton

XC1

C 20/25 XC2

fu¨r Grobsteinschlichtungen in Beton bei Verwendung eines Ru¨ttlers

XC2

C 20/25 B1

fu¨r Grobsteinschlichtungen in bewehrtem Beton

XC3

C 25/30 B2

Sperren allgemein, Murbrecher, Ufermauern

XC3/XD2/XF1/XA1L/SB (A)

C 25/30 B4

Wasserretentionssperren (Stauho¨he i 10 m)

XC4/XD2/XF1/XA1L/SB (A)

Tabelle 15. Rezeptur fu¨r Ortbeton (C 25/30 B2); W/B Wert w 0,55

Bestandteile

Menge [kg/m3]

Zuschlag: Betonkies 0/22 oder 0/32

1930

Zement: CEM II B-S 42,5 N (R)

345

Wasser (inkl. Wasser im Zuschlag)

190

Fließmittel

1,1 fu¨r F45 und 2,12 fu¨r F59

Tabelle 16. Charakteristische Materialkennwerte fu¨r warmgewalzte Flach- und Langerzeugnisse (Auszug aus DIN EN 10 025-2)

Stahlsorte1)

S235JR

S235JRG

S235JRG2

S235JO

S355JO

Werkstoffnummer2)

1.0037

1.0036

1.0038

1.0114

1.0553

Bezeichnung3)

St 37-2

USt 37-2

RSt 37-2

St 37-3 U

St 52-3 U

Bezeichnung4)

s

USt 360 B

RSt 360 B

St 360 C

St 510 C

freigestellt

FU

FN

FN

FN

BS

BS

BS

QS

QS

t J16

235

235

235

235

355

16 I t J 40

225

225

225

225

345

40 I t J 63

s

s

215

215

335

63 I t J 80

s

s

215

215

325

80 I t J 100

s

s

215

215

315

Desoxidationsart Stahlart Streckgrenze [N/mm2] fyk fu¨r Nenndicke [mm]

Zugfestigkeit fuk

[N/mm2]

s

Bruchdehnung [ %] 3 J t J 40 fu¨r Nenndicke [mm] 40 I t J 63 63 I t J 100 1) 2) 3) 4)

nach DIN EN 10 027-1 nach DIN EN 10 027-2 nach DIN 18 800 nach NORM M 3116

FU FN BS QS

340s470

490s630

26 (24)

22 (20)

25 (23)

21 (19)

24 (22)

20 (18)

unberuhigter Stahl unberuhigt nicht zula¨ssig Grundstahl Qualita¨tsstahl

24 14 0,5 21 2,5 2,5 11000 7400

fmk ft,0k ft,90k fc,0k fc,90k fvk E0,mean E0,05

Zug II Faser

Zug ^ Faser

Druck II Faser

Druck ^ Faser

Schub und Torsion

C241)

Biegung

350 420 350

rk rmean rk,05

Rohdichte Mittelwert

Rohdicht 5 %-Fraktile S 13

380

460

380

750

400

8000

12000

3

2,7

23

0,6

18

30

C30

3,4

2,8

25

0,6

21

35

C35

MS 13

400

480

400

810

430

8700

13000

Nadelholz

S 10; MS 10 Bauschnittholz mit normaler Tragfa¨higkeit S 13; MS 13, MS 17 Bauschnittholz mit u¨berdurchschnittlicher Tragfa¨higkeit 1) „gutes Bauholz“: „alte“ Bezeichnung nach NORM B 4100-2

Sortierklasse nach DIN 4074-1 bzw. -5

S 10/MS 10

690

Gmean

Mittlerer Schubmodul

Rohdichte [kg/m3]

370

E90,mean

Mittlerer E Modul ^ Faser

Mittlerer E-Modul II Steifigkeitseigenschaften Faser [N/mm2] Mindest E-Modul II Faser

Festigkeiten [N/mm2]

Festigkeitsklasse

Tabelle 17. Materialkennwerte fu¨r Vollholz nach EN 338

MS 17

420

500

420

880

470

9400

14000

3,8

2,9

26

0,6

24

40

C40

LS 10

530

640

530

600

640

8000

10000

3

8

23

0,6

18

30

D30

LS 10

560

670

560

650

690

8700

10000

3,4

8,4

25

0,6

21

35

D35

LS 13

590

700

590

700

750

9400

11000

3,8

8,8

26

0,6

24

40

D40

Laubholz

LS 10

700

840

700

1060

1130

14300

17000

5,3

10,5

32

0,7

36

60

D60

76 4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

77

4.12 Werkstoffe

Tabelle 18. Charakteristische Materialkennwerte fu¨r Walzstahl nach DIN 18 800

Stahlklassen

Baustahl S 235

Erzeugnisdicke [mm]

t

Streckgrenze [N/mm2]

fyk

[N/mm2]

fuk

Zugfestigkeit

Elastizita¨tsmodul Schubmodul

[N/mm2]

[N/mm2]

Temperaturdehnzahl [K–1]

S 275

S 355

t J 40 40 I t J 80 t J 40 40 I t J 80 t J 40 40 I t J80 240

215

275

360

255

360

410

E

335 490

210000

G

81000

aT

12 · 10–6

Tabelle 19. Dauerhaftigkeit gegen Pilze und Ka¨fer (aus Krapfenbauer/Krapfenbauer [124])

Dauerhaftigkeitsklasse gegen Pilze

Beschreibung

Dauerhaftigkeitsklasse gegen Ka¨fer

Beschreibung

1

sehr dauerhaft

D

dauerhaft

2

dauerhaft

S

anfa¨llig

3

ma¨ßig dauerhaft

SH

auch Kernholz ist als anfa¨llig bekannt

4

wenig dauerhaft

n/a

5

nicht dauerhaft

nur unzureichende Daten verfu¨gbar

4.12.3 Holz

Holz kommt in Sperren in den funktionalen Teilen als Balken oder Rechen und als tragende Elemente bei Holzkastensperren, Schwerbo¨den oder Pilotenwa¨nden zum Einsatz. In funktionalen Teilen werden hauptsa¨chlich Schnittho¨lzer, fallweise Rundho¨lzer verbaut. Holzka¨sten und einwandige Holzsperren werden in der Regel aus Rundholz gefertigt. Dabei wird unbehandeltes Tannen-, La¨rchenkern-, Fo¨hren- (Kiefer), Eichen, Edelkastanien- und Robinienholz oder druckimpra¨gniertes Fichten-, La¨rchen- und Fo¨hrenholz verwendet. Nach Huemer [93] besitzt unbehandeltes Robinienholz die gleiche Lebensdauer wie impra¨gniertes La¨rchenholz. Unbehandeltes Fichtenholz wird in der Praxis nur mehr selten verwendet (Sofortmaßnahmen nach Katastrophen), da es eine geringere Lebensdauer besitzt. Aus o¨kologischen Gru¨nden sollte auf den Einsatz von druckimpra¨gnierten Ho¨lzern im Schutzwasserbau weitgehend verzichtet und unbehandeltes Holz bevorzugt werden. Fu¨r die Bemessung sind in Tabelle 17 relevante Materialparameter zusammengestellt. Fichte, Tanne, Kiefer (Fo¨hre) und La¨rche werden je nach Sortierung einer Festigkeitsklasse fu¨r Nadelholz zugeordnet. Eiche, Robinie, und Edelkastanie lassen sich in die Laubholzklassen D30, D35 oder D40 einteilen. Dauerhaftigkeitsrelevante

Tabelle 20. Dauerhaftigkeit in Jahren (nach Mothes, aus Krapfenbauer/Krapfenbauer [124])

Holzart

Immer

Abwechselnd nass und trocken

nass

trocken

Eiche

700

1800

120

Fichte

60

900

45

Kiefer

500

1000

80

La¨rche

600

1800

90

Tanne

70

900

50

700

1600

120

Robinie

Eigenschaften sind in den Tabellen 19 bis 21 zusammengefasst. Dabei gilt es zu beachten, dass die angegebenen Kenndaten nur Richtwerte darstellen, da die Dauerhaftigkeit sehr von Standortfaktoren des Bauwerkes (Meso-, Mikroklima, Verschleißbeanspruchung, ...) abha¨ngt. 4.12.4 Naturstein

Naturstein findet als Panzerung fu¨r Kronen (Granite, Basalt, Kalkstein), in Grobsteinschlichtungen (Wasserbausteine) und als Baustoff fu¨r

1 w gut tra¨nkbar; 2 w ma¨ßig tra¨nkbar; 3 w schwer tra¨nkbar; 4 w sehr schwer tra¨nkbar; v w die Art zeigt ein hohes Maß an Variabilita¨t

1 bis 2 720-740-800 Europa, Nord-Amerika Robinie (Robinia pseudoacacia)

2 670-710-760 Europa Eiche (Quercus robur)

2 540-590-650 Edelkastanie (Castanea sativa)

Europa

3 bis 4 500-520-540 Europa Kiefer (Pinus sylvestris)

a)

1 4 S

1 4 S

2 4 S

1 3 bis 4 S

S

2v

3v

4

3 bis 4

S

SH 4

S 3 bis 4 470-600-650 Europa La¨rche (Larix decidua)

Fichte (Picea abies)

Europa

440-460-470

SH

2v 2 bis 3 SH 4 Europa

440-460-480

SH

Splintholz Kernholz Anobium Pilze

Hausbock

Weißtanne (Abies alba)

Herkunft

Dichte [kg/m3] bei u w 12 %

Natu¨rliche Dauerhaftigkeit (nach Tabelle 19)

Tra¨nkbarkeita)

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Holzart – Deutscher Handelsname (botanischer Name)

Tabelle 21. Natu¨rliche Dauerhaftigkeit und Tra¨nkbarkeit von wichtigen Nadel- und Laubho¨lzern (aus Krapfenbauer/Krapfenbauer [124])

78

Mauerko¨rper (historisch) Verwendung. Eine Terminologie der Natursteine findet sich in DIN EN 12 670:2002- 03. Die wichtigsten Eigenschaften der verwendeten Steine sind der Widerstand gegen Abrieb (Pru¨fung nach DIN EN 1097-1: 2003-12; DIN EN 14 157:2005- 01), die Verwitterungsbesta¨ndigkeit (DIN 52 008:2006- 03) und die Frostbesta¨ndigkeit (DIN EN 12 371: 2002- 01). Anforderungen an Wasserbausteine finden sich in DIN EN 13 383-1:2002- 08. Zudem gibt es eine Vielzahl von Pru¨fnormen z. B. Bestimmung der Druckfestigkeit: DIN EN 1926: 2007- 03. 4.12.5 Kunststoffe

Kunststoffe finden bei Fla¨chenentwa¨sserungen als Dra¨nrohre und bei Sperrenbauwerken als verlorene Schalungen (Entwa¨sserungso¨ffnungen) sowie als Fugenba¨nder Verwendung. 4.12.6 Pflanzen

Technisch-biologische Eigenschaften von ha¨ufig eingesetzten Pflanzen finden sich in Florineth [72]. Kriterien fu¨r die Auswahl der Pflanzen sind die Art des Wurzelsystems, die Elastizita¨t und Biegefestigkeit der Wurzeln und Sprosse, der Auszugwiderstand, die Scherfestigkeit von Pflanzengesellschaften, die Regenerationsfa¨higkeit, die berstaubarkeit und die Eignung zur vegetativen Vermehrbarkeit. In der Regel werden fu¨r ingenieurbiologische Verbauungen Weidenarten (Salix sp.) verwendet. Um die Diversifizierung der Pflanzenbesta¨nde in den Verbauungen zu erho¨hen, werden dazwischen andere Arten als Steckho¨lzer oder Sa¨mlinge eingepflanzt. Eine wesentliche Eigenschaft ist die Fa¨higkeit, Adventivwurzeln bilden zu ko¨nnen. Neben den Pflanzen, die fu¨r eine vegetative Vermehrung (Steckho¨lzer) geeignet sind, kommt in Wildba¨chen auch bewurzeltes Pflanzmaterial fu¨r die Bepflanzung von Bo¨schungen zum Einsatz. Zu den am ha¨ufigsten verwendeten Geho¨lzen za¨hlen Grauerle, Gru¨nerle, Ahorn und Eschen. Ingenieurbiologische Konstruktionsmaßnahmen sollten stets in die Betrachtung miteinbezogen werden. Sie eignen sich als seitliche Hangsicherungen und ko¨nnen auch bei massiven Schutzbauwerken erga¨nzend eingesetzt werden. 4.12.7 Kombination von Baustoffen

Bei der Kombination von verschiedenen Baustoffen fu¨r die Errichtung von Schutzbauwerken ist der Einsatz von Baustoffen mit unterschiedlicher Lebensdauer fu¨r tragende Bauwerksteile zu vermeiden. Ausnahmen bestehen fu¨r Bauteile, die wa¨hrend der Lebensdauer eines Schutzbauwerks ausgetauscht werden ko¨nnen.

¨ kologische Aspekte fu¨r die Konstruktion von Querbauwerken 4.13 O

79

Tabelle 22. Materialkennwerte fu¨r Natursteine (Auswahl aus [107])

Druckfestigkeit [N/mm2]

Biegezugfestigkeit [N/mm2]

E-Modul [N/mm2]

Schleifverschleiß [cm3/50 cm2]

Granit

160–240

10–20

40000–60000

5–8

Porphyr

180–300

15–20

20000–160000

5–8

Basalt

250–400

15–25

50000–100000

5–8

Dichte Kalksteine (Dolomite, Marmore)

80–180

6–15

60000–90000

15–40

Sonstige Kalksteine

20–90

5–8

40000–70000

35–100

160–280

13–25

30000–80000

4–10

Naturstein

Gneise

4.13

kologische Aspekte fu¨r die Konstruktion von Querbauwerken Das Ziel des Schutzes vor Wildba¨chen steht ha¨ufig im Konflikt mit o¨kologischen Zielsetzungen am Fließgewa¨sser. Die naturnahe Gestaltung der Schutzbauwerke ist daher eine wichtige Planungsaufgabe. Im Rahmen dieses Abschnitts kann die sehr umfangreiche Bereich nur in Grundzu¨gen behandelt werden. Im brigen wird auf die einschla¨gige Literatur verwiesen [z. B. 60, 90, 112]. Querwerke der Wildbachverbauung stellen in der Regel ku¨nstliche Abstu¨rze im Bachlauf her und fu¨hren zu einer mehr oder weniger starken Unterbrechung des Fließkontinuums. Wa¨hrend der Aufstieg fu¨r Kleinlebewesen (Makrozoobenthos) nur zum Teil behindert wird, wird eine Durchwanderung des Wildbaches fu¨r Fische stark behindert. Die natu¨rliche Wiederbesiedelung von Habitaten oberhalb der Querbauwerke ist nicht mehr mo¨glich. Das Wanderbedu¨rfnis von Fischen und anderen aquatischen Lebewesen entsteht durch die ra¨umliche Trennung von Nahrungsgebieten, Reproduktionsgebieten (Laichpla¨tzen) und Schutzzonen. Durch den Verlust an natu¨rlichen Strukturen in der Sohle von Wildba¨chen (Schotterba¨nken, Schnellen, Kolke) wird der Wanderungsbedarf der Lebewesen noch erho¨ht. Ein Austausch findet im natu¨rlichen Gerinne in alle Richtungen statt: zwischen Zubringer und Vorfluter, in der La¨ngsrichtung des Gerinnes, zwischen Kolk und Bank, zwischen Gewa¨sser und Ufer sowie zwischen Bach und Aquifer [90]. Fu¨r das Fischleben hat in allen Gewa¨sserabschnitten die longitudinale Konnektivita¨t den ho¨chsten Stellenwert [112]. Der gute o¨kologische Zustand, wie er gema¨ß der EU-Wasserrahmenrichtlinie [172] anzustreben ist, kann nur durch die Erhaltung oder Wiederherstellung der Durchga¨ngigkeit innerhalb des Fließgewa¨ssers und im Gewa¨ssersystem (zwischen Zubringern und Vorfluter) erreicht werden.

Wildba¨che geho¨ren dem Gewa¨sserbereich des Rithrals an. Das morphologische Regime ist von großer Bedeutung fu¨r die nachhaltige Entwicklung eines stabilen Fischbestandes. Ba¨che mit ha¨ufigen Vera¨nderungen in der Bachsohle (Aufund Abtra¨ge) oder starkem Feststofftransport bei Hochwasser zeigen ein erho¨htes Risiko fu¨r den Fischbestand, murfa¨hige Wildba¨che sind aufgrund der Prozessdynamik bestenfalls tempora¨r als Fischhabitat geeignet. Die Absturzho¨hen, die von Fischen in Wildba¨chen u¨berwunden werden ko¨nnen, sind beschra¨nkt. Bach- und Regenbogenforellen u¨berwinden springend bis zu 60 cm, im schwimmenden Aufstieg bis 100 cm. Fu¨r Koppen stellt ein Absturz u¨ber 10 cm bereits ein unu¨berwindliches Hindernis dar [90]. Fu¨r die Gestaltung von fischpassierbaren Bauwerken bedeutet dies: – Fließgeschwindigkeit bis maximal 1,5 m/s, – Absturzho¨he nicht gro¨ßer als 30 cm, – Absturzbecken (Kolk) muss ausreichend tief sein (mindestens 60 cm), – berfallstrahl nach Mo¨glichkeit anliegend; wenn er abgelo¨st ist, sollte er wenigstens konzentriert sein, – Wasserstrahl oberhalb des Absturzes muss bis zur Landung ausreichend tief sein, – in Wehranlagen mit dahinter liegendem Stau sind Schlupflo¨cher einzubauen. Folgende Bauweisen haben sich in Wildba¨chen zur Erhaltung der Fischpassierbarkeit bewa¨hrt: – geschichtete Sohlrampen (Neigung von 1:10), – geschu¨ttete Sohlrampen (Neigung 1:15 bis 1:30), – aufgelo¨ste Sohlrahmen mit dazwischenliegenden Becken (Neigung 1:15 bis 1:30), – Umgehungsgerinne (Fischpass, Fischtreppe).

80

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Ausfu¨hrliche Angaben u¨ber die Konstruktion und den Bau von Fischaufstiegshilfen ko¨nnen den Richtlinien des DVWK [60] entnommen werden. Allerdings gilt fu¨r alle Bauweisen, dass ab einer bestimmten Absturzho¨he – die meist mit einem ho¨heren La¨ngsgefa¨lle des Baches in Zusammenhang steht – der Herstellung einer Fischpassierbarkeit technische und o¨konomische Grenzen gesetzt sind. Folgende weitere Faktoren sind u. a. fu¨r die o¨kologische Gestaltung von Fließgewa¨ssern von Bedeutung: – Gestaltung der Gewa¨ssersohle, – Austausch zwischen dem Freiwasser und dem Aquifer, – Zuga¨nglichkeit des Gewa¨ssers im Uferbereich, – ungesicherte Prallufer, – gewa¨sserbegleitende Vegetation, – Herstellung von fließberuhigten Abschnitten (Altarme).

4.14

sthetische Aspekte fu¨r die Konstruktion von Querbauwerken Wie bereits ausgefu¨hrt wurde, steht die Funktionserfu¨llung eines Schutzbauwerkes im Vordergrund. sthetische oder architektonische berlegungen spielen in der Regel keine Rolle, auch wenn der Planer bestrebt sein wird, die Formgebung des Bauwerkes ansprechend zu gestalten. Trotzdem haben sich in der Wildbachverbauung einige Konstruktionsweisen bewa¨hrt, die eine bessere Einbindung der Schutzbauwerke in die Landschaft (Sichtschutz) bewirken: – Vermeidung von großen Sichtbetonfla¨chen, Abdeckung mit Blendmauerwerk, – Vorschu¨ttung vor dem Sperrenbauwerk als Sichtschutz: Diese Maßnahme hat den zusa¨tzlichen Vorteil, dass Aushubmaterial vor Ort gu¨nstig deponiert werden kann. – Vorfeldmauern, die die Sicht auf den zentralen Sperrenko¨rper einschra¨nken, – Bepflanzung des Vorfeldes (Sichtschutz). Generell wird heute in der Wildbachverbauung versucht, durch die Kombination von massiven (tragenden) Bauteilen und natu¨rlichen Baustoffen (Holz, Naturstein, ingenieurbiologische Bauweisen) den „harten“ geometrischen Gesamteindruck der Bauwerke zugunsten unregelma¨ßiger Formen abzuwandeln und so einen naturnahen Charakter zu erreichen. Diese Maßnahmen haben jedoch rein a¨sthetische Bedeutung (Landschaftsbild) und kaum eine o¨kologische Funktion.

Bild 71. sthetische Gestaltungsmo¨glichkeiten fu¨r Querbauwerke der Wildbachverbauung: (A) Sichtschutz durch Bepflanzung des Vorfeldes; (B) Oberfla¨chengestaltung von Mauerwerk

4.15

Errichtung und Bauausfu¨hrung

4.15.1 Baustellenerschließung

Im Optimalfall kann die Baustelle direkt u¨ber eine Forststraße oder eine tempora¨r errichtete Baustellenzufahrt erschlossen werden. Ist die direkte LKW-Befahrbarkeit bis zur Baustelle nicht gegeben erfolgt die Erschließung mittels Kurz- oder Langstreckenseilkra¨nen oder Hubschrauber vom Lagerplatz aus. Somit ist prinzipiell eine direkte und eine indirekte Erschließung der Baustelle zu unterscheiden. Die direkte Erschließung kann u¨ber Forststraßen oder eine eigens errichtete Baustellenzufahrt erfolgen. Bei der indirekten Erschließung wird an einem direkt erschließbaren Ort ein Lagerplatz eingerichtet. Von diesem erfolgt dann die Erschließung der eigentlichen Baustelle mittels Seilkran, Materialseilbahn oder in Sonderfa¨llen einem Transporthubschrauber. Seilkrananlagen ko¨nnen stationa¨r

4.15 Errichtung und Bauausfu¨hrung

errichtet oder mobil auf einem LKW oder Raupenfahrzeug montiert sein. In der Regel werden fu¨ r Baustellen stationa¨re Anlagen verwendet. Mobile Seilkra¨ne werden eher fu¨r kurzfristigere Einsa¨tze, z. B. Holzbringung verwendet. Seilkrananlagen ko¨nnen ein Seilfassungsvermo¨gen von 550 bis 1000 m und Anha¨ngelasten von 1800 bis 4000 kg aufweisen. Ein stationa¨rer Seilkran besteht aus einer Berg- und Talstation und einem dazwischen auf Stu¨tzen gefu¨hrten Tragseil. Durch eine motorbetriebene Winde wird mit dem Zugseil die eigentliche Fo¨rdereinheit, auf der die Lasten ha¨ngen nach oben gezogen. Bei der Errichtung eines Seilkranes sind auf die Seilbahntrasse kreuzende Straßen und Wege zu achten. Diese Kreuzungen sind durch berbauten abzusichern, um Passanten nicht zu verletzen. 4.15.2 Baustellenorganisiation

Schutzmaßnahmen in Wildbacheinzugsgebieten mu¨ssen abgestimmt auf die ablaufenden Prozesse im Bachlauf errichtet werden. Dies sieht vielfach die Errichtung von aufwa¨ndigen Bauwerken in schwer erreichbaren Lagen vor. Die Baustellenorganisation und -abwicklung hat individuell darauf Ru¨cksicht zu nehmen. Die o¨sterreichweit ta¨tigen Bautrupps der Wildbach- und Lawinenverbauung zeichnet dabei eine langja¨hrige Erfahrung in diesem Spezialarbeitsgebiet aus. Da diese Bauwerke in einem Gerinne errichtet werden ist in der Regel eine Wasserhaltung erforderlich. Die Art der Wasserhaltung ha¨ngt vom Abfluss und o¨kologischen Anforderungen (z. B. Fischpassierbarkeit) ab. In der Regel wird zum Zweck der Wasserhaltung wa¨hrend der Bauphase in das Fundament des Sperrenko¨rpers ein Grundablass eingebaut. Dieser Grundablass muß bei Konsolidierungssperren nach Errichtung dauerhaft verschlossen werden um ein unplangema¨ßes Ausschwemmen des Verlandungsmaterials zu unterbinden. Kleinere Wassermengen fließen wa¨hrend der Bauausfu¨hrung direkt durch diesen Grundablass. Eine weitere Mo¨glichkeit ist die Errichtung einer tempora¨ren Wasserfassung. Das gefasste Bachwasser kann mittels Rohr durch den Grundablass (Bild 73 G) oder neben der Baustelle gefu¨hrt werden. Das gesammelte Wasser wird auch mittels Pumpen u¨ber das Bauwerk in den Unterlauf gefo¨rdert. Da Wildba¨che oft periodische Gewa¨sser sind, werden solche Bauwerke in Perioden der Mittel- und Niederwasserfu¨hrung errichtet. Dafu¨r kommt je nach Art des Einzugsgebietes die Periode zwischen dem Ablaufen der Hochwasserwelle infolge der Schneeschmelze und der Frostperiode in Frage. Doch auch in dieser Zeit muß mit spontanem Auftreten von Hochwa¨ssern infolge Stark-

81

regenereignissen oder Feststofftransport (z. B. Muren) gerechnet werden. Daher ist es wichtig sa¨mtliches Baumaterial außerhalb des Abflußquerschnittes zu lagern bzw. die Baumaschinen abzustellen. Gerade in Schluchtstrecken gestaltet sich die praktische Umsetzung dieser Forderung oft sehr schwierig (Bild 74 C). Man kann generell zwei unterschiedliche Arten von Baustellenorganisation unterscheiden, die gut und die schwer erschließbaren Baustellen. 4.15.2.1 Gut erschließbare Baustellen

Die erste Kategorie fa¨llt die Errichtung von Bauwerken die im Betriebszustand regelma¨ßig durch schweres Gera¨t erreichbar sein mu¨ssen. Dies gilt fu¨r alle Bauwerke vom Funktionstyp Retention, Dosierung und Filterung. Zur Sicherstellung der plangema¨ßen Funktion mu¨ssen die Ru¨ckhaltera¨ume dieser Bauwerke regelma¨ßig gera¨umt werden. Der Standort dieser Bauwerke wird bei der Planung so gewa¨hlt, dass er durch eine Forststraße erreichbar ist. Dadurch ko¨nnen diese Baustellen immer direkt erschlossen werden. In der Regel sind solche Bauwerke aus Stahlbeton errichtet. Auf gut erschlossenen Baustellen wird bei gro¨ßeren Bauwerken mit Turmdrehkra¨nen fu¨r das Einbringen der Bewehrung und das Aufstellen der Schalung gearbeitet (Bild 73 A,B,F). An großen Fla¨chen kommen Schalsysteme zur Anwendung (Bild 73 C,D), da die schweren Einzelteile mit dem Turmdrehkran transportiert werden ko¨nnen. Wird Beton fu¨r Sperrenbauwerke eingesetzt ist dies generell Ortbeton. Dabei wird je nach Anforderung und Betonmenge Baustellenbeton und/ oder Transportbeton verwendet. Ab Betonkubaturen von 300 bis 400 m3 wird der Beton aus Kostengru¨nden vor Ort in Zwangsmischern hergestellt. In Abschnitt 4.12.1.5 ist ein ha¨ufig verwendetets Betonrezept angegeben. Bei großen Betonierabschnitten, wie z. B. im Fundamentbereich, wird zusa¨tzlich Transportbeton verarbeitet. Seit dem letzten Jahrzehnt werden zur Einbringung des vor Ort gemischten Betons fast ausschließlich Betonpumpen verwendet. Die Einbringung mit Betonku¨beln durch Kra¨ne (Turmdrehkran oder Seilkran) wurde aufgrund der langen Rotationszeiten zu kostenintensiv. Bei der Verwendung von Pumpbeton mu¨ssen der Pumpentyp, der verwendete Durchmesser der Rohre und Schla¨uche und die Art der Leitungslegung sowie die Leitungsla¨nge und die Betonsorte aufeinander abgestimmt werden. Besonders die Konsistenz und der Luftgehalt mu¨ssen so gewa¨hlt werden, dass die vorgegebenen Grenzwerte am Ende des Pumpvorganges eingehalten werden.

82

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

4.15.2.2 Schwer erschließbare Baustellen

In die zweite Kategorie fallen Bauwerke, die im normalen Betriebszustand nicht durch LKW erreichbar sein mu¨ssen. In diese Kategorie fallen viele Bauwerke des Funktionstyps Stabilisierung/ Konsilidierung. Diese Bauwerke werden errichtet und sollen wa¨hrend der Betriebsphase die Gerinnesohle bzw. Geschiebeherde stabilisieren. Wa¨hren der Betriebsphase mu¨ssen sie nur fußla¨ufig zur Inspektion erreichbar sein. Bei diesen schwer erschließbaren Baustellen erfolgt die Materialzulieferung oft mittels Seilkra¨nen. Geschalt wird dann mit herko¨mmlichen Schaltafeln, die aufgrund der leichteren Manipulierbarkeit den Vorzug gegenu¨ber Schalsystemen bekommen (Bilder 73 E,G und 74). Die Einbringung des Betons erfolgt heute nahezu ausschließlich u¨ber Pumpleitungen. Diese fu¨hren gesichert vom Lagerplatz durch unwegiges Gela¨nde zum Einbauort (Bild 72 B). Nur bei geringen Betonmengen erfolgt in einzelnen Fa¨llen, speziell bei Sanierungen von a¨lteren Schutzbauwerken, der Einbau mittels Betonku¨bel per Seilkran oder Hubschrauber. Bei einem Seilkran ko¨nnen je nach La¨nge und eingesetztem Betonku¨bel (0,5 oder 0,75 m3) Betonmengen von 2 bis 4 m3 pro Stunde gefo¨rdert werden.

Bei der Anlieferung des Betons mittels Betonku¨bel wird der Beton in den seltensten Fa¨llen direkt aus dem Ku¨bel in die Schalung eingebracht (Bild 72 A). In der Regel wird der Beton mit dem Ku¨bel zu einer Verladestation gebracht und dort in einen Schu¨tttrichter gefu¨llt (Bild 71 C). Von diesem Schu¨tttrichter wird der Beton u¨ber Betonrutschen auf der Baustelle verteilt (Bild 72 A,E,F). Als Betonrutschen werden Kunststoffrohre verwendet. Oft sind auch kreative Sonderlo¨sungen notwendig (Bild 72 A). 4.15.3 Nachbehandlung von Betonbauwerken

Da Schutzbauwerke in der Regel aus massigen Betonbauteilen bestehen, die im Betriebszustand Extremeinwirkungen ausgesetzt sind, ist die Nachbehandlung des Frischbetons besonders wichtig. Sie ist nicht nur fu¨r die Tragfa¨higkeit, sondern insbesondere fu¨r die Gebrauchstauglichkeit und die Dauerhaftigkeit wichtig. Die Nachbehandlung muss solange erfolgen, bis die Betondruckfestigkeit des oberfla¨chennahen Betons 50 % des charakteristischen Wertes der verwendeten Festigkeitsklasse erreicht hat. Vor allem dem Schutz vor Wasserverlust kommt große Bedeutung zu, es muß der junge Beton mit Wasser besprengt oder mittels dampfdichten Folien abge-

Bild 72. Beispiele fu¨r die Organisation von schwer zuga¨nglichen Baustellen: (A) Baustelle in einem Wildbach die nicht durch eine Forststraße erschließbar ist, Anlieferung ausschließlich u¨ber Seilkran; (B) oberes Ende des Hanges ist durch eine Zufahrt erschlossen, Einsatz von Betonpumpen

4.15 Errichtung und Bauausfu¨hrung

83

Bild 73. Beispiele fu¨r gut erschließbare Baustellen: (A) Wasserdosiersperre mit Mischanlage fu¨r den Baustellenbeton; (B) Wasserdosiersperre, Manipulation mittels Turmdrehkran; (C) Murbrecher; (D) Schalung einer Stauwandplatte mit Systemschalung; (E) Schalung einer Dosiersperre mittels Holz und Schaltafeln; (F) Manipulation der Schalung mittels Turmdrehkran; (G) Wasserhaltung mittels Stahlrohr und Schalung einer schwer zuga¨nglichen Konsolidierungssperre

84

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken

Bild 74. Beispiele fu¨r schwer erschließbare Baustellen: (A) Fo¨rderung des Betons mittels Rutsche und Betonku¨gels; (B) Konsolidierungssperre in schwer zuga¨nglichem Schkluchtbereich; (C) Anlieferung des Betons mittels Seilkran und Betonku¨bel an die Verladestation mit Schu¨tttrichter; (D) Schalung von Vorfeldwangen (Sanierung); (E) Kunstoffrohre zur Fo¨rderung des Betons auf der Baustelle (Sanierung einer Sperre aus Stampfbeton mittels Vorsetzen eines neuen Sperrenko¨rpers); (F) Von der Verladestation wegfu¨hrende Fo¨rderleitungen fu¨r den Beton, Anlieferung per Seilkran

5.1 Hydrologische Grundlagen

85

deckt werden. Wird die Nachbehandlung nur unzureichend durchgefu¨hrt, entstehen Risse infolge von Fru¨hschwinden und Verformungen bei einseitigem Wasserverlust oder Temperaturdifferenzen. Generell sind fu¨r die Nachbehandlung von eingebautem Frischbeton die Vorgaben von DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 einzuhalten.

5

Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

5.1 Hydrologische Grundlagen Schutzmaßnahmen in Wildba¨chen sollten so dimensioniert werden, dass dem Schutzbedu¨rfnis der von den Gefahren betroffenen Bevo¨lkerung entsprochen wird. Die zu planenden Schutzmaßnahmen sollen die Auswirkungen eines Ereignisses auf ein akzeptables (zumutbares) Ausmaß herabsetzen, wobei die Festlegung der Schutzziele in Abha¨ngigkeit von Objektkategorien oder den zu schu¨tzenden Objekten (Schutzobjekte) erfolgt. Im Hochwasserschutz hat sich ein Gefa¨hrdungsausmaß eines Ereignisses, dessen berschreitungswahrscheinlichkeit mit 1 Mal pro 100 Jahren angesetzt wird, als Untergrenze einer nicht akzeptierten Gefa¨hrdung durchgesetzt (hundertja¨hrliches Ereignis). Dieses Gefa¨hrdungsausmaß, ausgedru¨ckt durch die Art, Intensita¨t und Gro¨ße eines Prozesses, wird durch das sogenannte Bemessungsereignis repra¨sentiert. Deshalb ist es unabdingbar, dass zur Dimensionierung von Schutzmassnahmen (insbesondere fu¨r retendierende Maßnahmen) Szenarien berechnet werden, die aus Kombinationen von Ereignissen unterschiedlicher Art, Gro¨ße und Intensita¨t resultieren. Aus den mo¨glichen Szenarien leiten sich die relevanten Einwirkungskombinationen fu¨r die Bemessung der Schutzbauwerke ab. 5.1.1

Methoden

Die Dimensionierung von Bauwerken in Wildba¨chen basiert auf der Abscha¨tzung des bemessungsrelevanten Prozesses, des Abflusses und der korrespondierenden Feststofffrachten. Die Festlegung des Bemessungsereignisses entzieht sich einer exakten Berechnung, vielmehr stellt sie eine auf zahlreichen Faktoren beruhende Entscheidung u¨ber das wahrscheinlichste Gefa¨hrdungsszenario dar. Das Bemessungsereignis der Wildbachverbauung beruht u. a. auf folgenden Faktoren: – Bemessungsereignisse treten sehr selten auf. – Ereignisse sind zeitlich und ra¨umlich nicht u¨bertragbar, da in jedem Einzugsgebiet eine unterschiedliche Disposition [85] vorliegt.

Bild 75. Szenarienbildung fu¨r Bemessungsereignisse

– –

Datengrundlagen sind nur a¨ußerst spa¨rlich vorhanden, da kaum hydrologische Messdaten aus Wildbacheinzugsgebieten vorliegen [101]. Die Frequenz eines Ereignisses wird durch die Frequenz des auslo¨senden Niederschlages ausgedru¨ckt, da in der Regel keine Vergleichswerte aus den Abflu¨ssen vorliegen.

Als Indikatoren zur Festlegung werden geomorphologische Kleinformen (Prozesse) und physikalische Parameter (z. B. Druck, Geschwindigkeit, Abflusstiefe, Abfluss, Fracht) herangezogen und mu¨ssen einer Eintrittswahrscheinlichkeit, Intensita¨t und Gro¨ße zugewiesen werden. Die Bestimmung dieser Indikatoren kann mit verschiedenen methodischen Ansa¨tzen erfolgen, wobei deren Kombination am zielfu¨hrendsten erscheint. Grundsa¨tzlich unterscheidet man ru¨ckwa¨rts- und vorwa¨rtsgerichtete Indikation [85]. Da sich die Wirkung fru¨herer Ereignisse zumeist an Spuren im Gela¨nde („Stumme Zeugen“) erkennen la¨sst (z. B. Spuren an der Vegetation, Ablagerungen von historischen Ereignissen), wird bei der ru¨ckwa¨rtsgerichteten Indikation in Analogie geschlossen, dass sich solche Ereignisse wiederholen ko¨nnen. Da aber die den Ereignissen zugrundeliegende Disposition u¨blicherweise nicht mehr eruiert werden kann, ist mit einer Interpretation solcher „stummer Zeugen“ sehr sorgfa¨ltig umzugehen. Die vorwa¨rtsgerichtete Indikation hingegen versucht, basierend auf der Analyse von Ursachenfaktoren, kritische Dispositionen zubestimmen und mo¨gliche Wirkungen abzuscha¨tzen. Die genannten Indikationen ko¨nnen auf verschiedene methodische Ansa¨tze [103] zuru¨ckgreifen. Ru¨ckwa¨rtsgerichtete Indikation x

Historische Methode: Der historisch-statistische Ansatz stu¨tzt sich auf die Auswertung von Berichten, Zeugenaussagen und Chroniken. Als Ergebnis dieser Methode lassen sich zumindest Ru¨ckschlu¨sse auf die Frequenz

86

x

x

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

von Ereignissen ziehen. Es ist jedoch zu beru¨cksichtigen, dass Aufzeichnungen u¨ber Ereignisse in der Regel nicht alle stattgefundenen Ereignisse, sondern zumeist nur gro¨ßere (mit Schaden verbundene) Ereignisse, beinhalten. Bestenfalls finden sich auch Hinweise auf die Auslo¨sungsursache, den Verlauf, die Intensita¨t, die Ausbreitung und den Schaden. Morphologische Methode: Die Morphologie bzw. „stummen Zeugen“ geben Aufschluss u¨ber den Prozesstyp und die ra¨umliche Prozessabgrenzung. Zu den Indikatoren za¨hlen die Interpretation von morphologischen Formen historischer Ereignisse, Spuren an der Vegetation, dendrochronologische Datierung und sedimentologische Methoden. Fu¨r die Ableitung eines quantitativen Zusammenhangs von Intensita¨t und Ha¨ufigkeit sind jedoch weiterfu¨hrende Studien erforderlich. Empirisch-statistische Methode: Diese Methode basiert auf Daten, die direkt aus Messungen, aber auch indirekt durch Auswertung von „stummen Zeugen“ erfolgen ko¨nnen. Werden gemessene Daten fu¨r statistische Auswertungen verwendet, ist auf ein dementsprechend großes Kollektiv zu achten, wobei Trends in den Daten ausgeschlossen werden sollten. Durch die Anwendung dieser Methode erha¨lt man Hinweise zur Intensita¨t des Prozesses, bestenfalls sogar einen Bezug zur Eintretenswahrscheinlichkeit.

Vorwa¨rtsgerichtete Indikation x

Numerisch-mathematische Methode: Der Prozess wird auf Basis eines numerischen Modells abgebildet. Diese Verfahren sind in der Regel aufwendig, da bei dieser Methode zumeist eine große Anzahl an Parametern, die die Rahmenbedingungen des Modells darstellen, quantifiziert werden mu¨ssen. Ohne Verifizierung eines numerischen Modells mit realen Daten ist von der Anwendung solcher Methoden eher abzuraten.

x

Physikalische Methode: Eine ebenfalls sehr aufwendige Methode stellen hydraulische Modellversuche dar. Sie sind aufgrund der Modellgesetze nur fu¨r spezielle Gerinneabschnitte oder zur Bestimmung des Verhaltens von Schutzbauwerken (berlastfall, Dammbruch) einsetzbar.

5.1.2

Bestimmung der Verlagerungsprozesse

Der Abfluss in einem Wildbacheinzugsgebiet ist kein linearer Prozess, sondern weist ein a¨ußerst komplexes Verhalten auf. Die Verlagerungsprozesse ko¨nnen sich bei einem Ereignis entlang des Gerinnelaufs je nach den auftretenden Randbedingungen a¨ndern. Um den an einem Betrachtungspunkt auftretenden Verlagerungsprozess festzulegen ist es notwendig, die Prozesse, beginnend im Sammelgebiet entlang dem Gerinneverlauf, zu bestimmen. Dies kann durch eine Kartierung der durch „Stumme Zeugen“ belegten Prozesse erfolgen (Prozesskartierung). Mo¨gliche Transformationen zwischen den auftretenden Verlagerungsprozessen sind in Bild 76 dargestellt. Die Darstellung der Abfolge der Prozesse kann als Prozess-Routing bezeichnet werden. Dieses Prozess-Routing in Wildbacheinzugsgebieten ermo¨glicht die Darstellung prozessa¨ndernder Faktoren im berblick und die daraus resultierenden Transportvorga¨nge fu¨r verschiedene Szenarien [103]. Fu¨r ein Einzugsgebiet erfolgt die Darstellung mittels eines abstrahierten Gerinnesystems (AGS). Dies stellt die Basis fu¨r die Bewertung und Analyse der auftretenden Prozesse dar. Das natu¨rliche Gerinnesystem in einem Einzugsgebiet wird dazu vorerst in quasi-homogene Gerinneabschnitte (GSE), die a¨hnliches Verhalten im Hinblick auf den hydraulisch ausschlaggebenden Transport und/oder Ablagerungsprozess aufweisen, untergliedert (Bild 77). Die Gerinnesystemelemente (GSE) ko¨nnen folgendermaßen charakterisiert werden:

Bild 76. Prozess-Routing, mo¨gliche Prozesstransformationen in einem Wildbachgerinne (aus Hu¨bl [97])

5.1 Hydrologische Grundlagen

87

Bild 77. Homogenbereiche in einem Wildbacheinzugsgebiet (aus Hu¨bl et al. [103])

–

Nullstrecke (keine Vera¨nderung des Transportprozesses), – Zufluss (ein seitlicher Zubringer dotiert den betrachteten Abschnitt entweder mit Reinwasserabfluss, einem fluviatilem oder murartigem Feststofftransport oder einem Murgang), – Feststoffeintrag (punktuell durch Seitenoder Sohlenerosion), – Verklausung (tempora¨res oder permanentes Hindernis im Abflussquerschnitt), – Gerinneerosion (Gerinnestrecke mit vorwiegender Sohlen und/oder Seitenerosion), – Gerinneablagerung (Gerinnestrecke mit vorwiegender Geschiebeablagerung), – Feststoffeintrag durch Hangprozesse (Geschiebeherde, die mit dem Gerinnesystem nicht direkt in Verbindung stehen), – fla¨chiger Ablagerungsbereich (Ablagerungskegel oder Ru¨ckhaltebereich). Beginnend vom obersten Knoten wird sodann unter Beru¨cksichtigung der prozessa¨ndernden Faktoren im GSE dem untenliegenden Knoten ein Prozesstyp zugewiesen. Die mo¨glichen Transformationen sind Bild 76 zu entnehmen. 5.1.3

Abscha¨tzung des Abflusses

5.1.3.1 Niederschlag

Mit den in der Fachnomenklatur dargelegten Begriffen „Niederschlag“, „Niederschlagsgebiet“ und „Niederschlagsdauer“ la¨sst sich ein Niederschlagsereignis als ein nach Menge, Raum und Zeit begrenzter Niederschlag definieren. In Wildba¨chen gelten kurzzeitige Starkniederschla¨ge, Regenperioden mit gewittrigen Regenschauern, Landregen und Schneeschmelze als Auslo¨ser von Verlagerungsprozessen (Bild 78).

Da konvektive Schauerzellen mit sehr hohen Intensita¨ten in ho¨heren Lagen eine geringe ra¨umliche Ausbreitung besitzen und zumeist das obere Einzugsgebiet betreffen, werden sie in den seltensten Fa¨llen von Messgera¨ten erfasst. Durch die hohe zeitliche und ra¨umliche Variabilita¨t, besonders bei schauerartigen Niederschla¨gen oder Gewittern ist die Repra¨sentativa¨t von punktuell, zumeist in Tallagen, gewonnenen Messwerten fu¨r Wildbacheinzugsgebiete ha¨ufig unklar. Außerdem weisen die Messdaten betra¨chtliche Fehler auf, in der Regel wird zu wenig Niederschlag gemessen [74]. Zur Abscha¨tzung der Ho¨he eines punktuellen Niederschlages einer bestimmten Frequenz eignen sich Extremwertanalysen [33]. Verwendung findet vor allem die sogenannte Gumbel-Verteilung (Extremal-Typ I). Fu¨r die Berechnung des Gebietsniederschlages aus Punktscha¨tzungen stehen verschiedene Verfahren, (wie z. B. arithmetisches Mittel, Thiessen-Polygone, Isohyeten-Methode, Kriging) zur Verfu¨gung. Die Abscha¨tzung von Bemessungsniederschla¨gen in der warmen Jahreszeit mit vorwiegend konvektivem Charakter kann durch ein orografisch-konvektives Modell erfolgen [141]. Das zeitabha¨ngige Modell berechnet den lokalen orografischthermischen Antrieb konvektiver Wolken- und Niederschlagsbildung u¨ber komplexem Gela¨nde. Der ermittelte Maximalniederschlag gibt fu¨r jeden Rasterpunkt jene Niederschlagsmenge an, die erwartet werden kann, wenn eine Gewitterzelle mit ihrem Kern genau u¨ber diesen Punkt zieht. Da die Gro¨ße von Wildbacheinzugsgebieten zumeist geringer als die dem Rechenmodell unterstellte Maschenweite ist, ist die Anwendung von Reduktionsverfahren zur Beru¨cksichtigung der Fla¨chenausdehnung der Niederschla¨ge nicht erforderlich [74]. Die Anpassung der Maximalwerte an das

88

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

Bild 78. Niederschlagsereignis und Folgeprozess in o¨sterreichischen Wildba¨chen im Zeitraum von 1972 bis 2000 (Daten: Bundesamt fu¨r Wald, Naturgefahren und Landschaft – BFW, Wien)

Bild 79. Ermittlung von Bemessungsniederschla¨gen durch extremwertstatistische Verfahren

5.1 Hydrologische Grundlagen

gewa¨hlte Wiederkehrintervall erfolgt durch eine extremwertstatistische Auswertung langja¨hriger Messreihen.

89

ra¨umlichen und zeitlichen Auflo¨sung, den vorhandenen Daten und der verfu¨gbaren Software ab. 5.1.3.3 Hydrologische Modelle

5.1.3.2 Abfluss

Die Abflussentstehung in Wildba¨chen wird durch ein komplexes Zusammenspiel im System Atmospha¨re-Vegetation-Gesteinsuntergrund gesteuert. Die mathematische Beschreibung dieser Vorga¨nge ist daher nur na¨herungsweise mo¨glich [120]. Vereinfacht kann die Transformation von Niederschlag in Abfluss als Abfolge von Speichern (Vegetation, Bodenoberfla¨che, Boden, Grundgestein) dargestellt werden (Bild 80). Die Festlegung der zum Zeitpunkt eines Bemessungsereignisses vorhandenen Kennwerte, die zur Berechnung der Speicher und der Schnittstellen zwischen den Speichern erforderlich sind, ist nur sehr eingeschra¨nkt mo¨glich, da durch die Heterogenita¨t eines Einzugsgebietes die Kennwerte ra¨umlich und zeitlich stark variieren. Deshalb werden in der Praxis sehr ha¨ufig empirische Ansa¨tze zur Abflussberechnung angewendet, die fu¨r einfache Anwendungen – z. B. Dimensionierung einer Abflusssektion – in den meisten Fa¨llen auch als ausreichend bezeichnet werden ko¨nnen. Die empirischen Ansa¨tze beru¨cksichtigen nur wenige, aber dafu¨r leicht zu erhebende Parameter, wie z. B. die Fla¨che des Einzugsgebietes. Die Reduktion der Niederschlag- auf die Abflussfracht erfolgt zumeist vereinfacht mittels eines Abflussbeiwertes. Markart et al. [146] stellen dafu¨r ein einfaches Verfahren vor, das auf der Beurteilung des Boden-Vegetationskomplexes beruht. Eine Zusammenstellung bisher in der Praxis der o¨sterreichischen Wildbachverbauung gebra¨uchlicher empirischer Abflussgleichungen findet sich in Hagen et al. [78]. Die Entscheidung, welches Modell zur Abflussberechnung herangezogen wird, ha¨ngt prima¨r von der erforderlichen Genauigkeit, der geforderten

Bild 80. Schema zur Abflussentstehung

Hydrologische Modelle zur Abflussberechnung vereinfachen die natu¨rlichen Zusammenha¨nge mehr oder weniger stark. Somit beschreibt ein mathematisches Modell prinzipiell einen Prozess, den es in der Natur nicht gibt. Daher ist es grundsa¨tzlich unmo¨glich, mithilfe eines Modells gesicherte Aussagen u¨ber das Verhalten der Natur zu erlangen. Aus Simulationen mit einem Modell gewonnene Erkenntnisse u¨ber Naturvorga¨nge sind nur dann glaubwu¨rdig, wenn sie durch ada¨quate Naturmessungen abgesichert sind. Je komplexer ein Modell ist, desto schwieriger ist es, die zur Kalibrierung des Modells und zur anschließenden, an unabha¨ngigen Datensa¨tzen durchzufu¨hrenden Validierung, ada¨quaten Daten zu erhalten. Tendenziell nimmt die Vertrauenswu¨rdigkeit von Simulationsergebnissen fu¨r Ereignisse, die bisher nicht beobachtet wurden, z. B. Bemessungs- bzw. Extremereignisse oder Ereignisse bei gea¨nderten Umweltbedingungen (Nutzungsa¨nderungen, Klimaa¨nderungen) zu, je prozessna¨her das Modell ist und je mehr Information u¨ber das zu beschreibende Einzugsgebiet im Modell verwertet werden kann [120]. In der Literatur findet sich eine sehr große Anzahl unterschiedlichster hydrologischer Modelle. Eine Gruppierung dieser Modelle kann aufgrund des Detailliertheitsgrades der Unterteilung des Einzugsgebietes bzw. des Detailliertheitsgrades der Beschreibung der Prozesse durchgefu¨hrt werden [120]. Detailliertheit der Unterteilung des Einzugsgebietes: x Blockmodelle: Das Einzugsgebiet wird als Einheit betrachtet, eine Untergliederung ist nicht vorgesehen. x Isochronenmodelle: Das Einzugsgebiet wird in Streifen mit gleicher Laufzeit bis zum Gebietsauslass (Isochronenstreifen) unterteilt. Fu¨r die Isochronenstreifen ko¨nnen unterschiedliche Abflussbildungsmodelle (nach Typ oder nach Parametern) angesetzt werden. x Hydrotopmodelle: Das Einzugsgebiet wird in Fla¨chen gleicher bzw. sehr a¨hnlicher hydrologischer Reaktion (Hydrotope) unterteilt. Fu¨r die unterschiedlichen Hydrotope des Einzugsgebietes werden jeweils unterschiedliche Modelle (gleicher Modelltyp mit unterschiedlichen Parametersa¨tzen oder unterschiedliche Modelltypen) angesetzt. Die Abflu¨sse von den einzelnen Hydrotopen mu¨ssen ggf. zum Gebietsauslass transferiert werden (flood routing), wenn der Berechnungszeitschritt

90

x

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

kleiner ist als die Fließzeit vom entferntesten Punkt des Einzugsgebietes bis zum Gebietsauslass. Fla¨chendetaillierte Modelle: Das Einzugsgebiet wird in kleine Teilfla¨chen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten unterteilt (z. B. Rechteck- oder Dreiecknetz, Trajektoriennetz nach Schichten- und Falllinien). Die Berechnung von Abflussbildung und Abflusskonzentration erfolgt zumeist auf Basis physikalischer Gesetzma¨ßigkeiten (s. u. physikalische Modelle) unter Verwendung von unterschiedlich weit gehenden Vereinfachungen. Bodenwassergehalt wird fla¨chen- und tiefenbezogen bilanziert und steuert die Abflussbildung.

Detailliertheit der Beschreibung der Prozesse: x Stochastische Modelle verzichten auf jegliche physikalische Interpretierbarkeit und bauen auf der statistischen Beschreibung beobachteter Zeitreihen auf. x Systemmodelle sind rein empirisch und haben keinen Bezug zum physikalischen Vorgang. x Die mathematische Formulierung in Konzeptmodellen beschreibt jenen Prozess, dessen Gu¨ltigkeit fu¨r den Niederschlag-Abfluss-Prozess gefordert wird (z. B. linearer Speicher, Kaskade von linearen Speichern, Parallelschaltung von Speichern oder Speicherkaskaden, nichtlineare Speicher). x Die mathematische Formulierung physikalischer (physikalisch basierter) Modelle beschreibt jenen Prozess, dessen Gu¨ltigkeit fu¨r den Niederschlag-Abfluss-Prozess gefordert wird (z. B. Green Ampt fu¨r Infiltration, Richardsgleichung fu¨r Wasserbewegung in der ungesa¨ttigten Bodenzone, Darcy’sches Gesetz fu¨r Grundwasserbewegung, St.-VenantGleichungen und ihre Vereinfachungen – kinematische Welle, Diffusionsanalogie, ... – fu¨r den Oberfla¨chenabfluss). Neben der handelsu¨blichen Software existieren zahlreiche Programme, die auf Universita¨ten, in Ingenieurbu¨ros und Verwaltungsstellen entwickelt wurden (s. Tabelle 32). Es empfiehlt sich vor der Anwendung solcher Programme einige Beispiele mit tatsa¨chlich gemessenen Daten zu berechnen, um die Sensitivita¨t der Eingangsparameter zu bestimmen. Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren findet sich z. B. in [33, 61–63, 142]. 5.1.4

Abscha¨tzung der Geschiebefracht

Das Pha¨nomen der Feststoffverlagerung in Wildbacheinzugsgebieten ist seit Jahrzehnten ein Forschungsgebiet unterschiedlicher Disziplinen. Wildbachverbauer, Geologen, Geographen, Morphologen und Hydrauliker versuchen durch die Einarbeitung von Erfahrungswerten und durch

Bild 81. Prinzipskizze zum Geschiebefrachtdiagramm (nach Hu¨bl et al. [103])

numerisch-mathematische Simulation die Verund Ablagerungsprozesse qualitativ zu beschreiben und zu quantifizieren [177]. Vor allem in den letzten Jahrzehnten wurden Formeln und Lo¨sungsalgorithmen zur mo¨glichst realita¨tsnahen Berechnung der Feststoffverlagerungsprozesse (Erosion, Transport und Ablagerung) entwickelt. Neben der richtigen Ansprache des Prozesses und der Wahl des Simulationsmodells ist die Bestimmung der fu¨r die Berechnung erforderlichen Eingangsparameter wesentlich. Die Qualita¨t dieser Werte bestimmt die Zuverla¨ssigkeit der Ergebnisse. Zu beru¨cksichtigen ist dabei, dass mit zunehmendem Detaillierungsgrad der Zeitaufwand fu¨r die Berechnungen enorm wa¨chst. bersteigt dieser einen der Aufgabenstellung angemessenen Rahmen, so ist es gerechtfertigt, auf einfachere Ansa¨tze aus Erfahrung und Empirie zuru¨ckzugreifen. Die Ergebnisse der Berechnungen sind jedenfalls durch erga¨nzende Ansa¨tze (Auswertung von Chroniken, Stumme Zeugen, etc.) auf ihre Plausibilita¨t hin zu u¨berpru¨fen. Empfehlungen zur Abscha¨tzung von Geschiebefrachten finden sich in [4] und [168]. Beiden Anleitungen ist gemein, dass neben Vorarbeiten im Bu¨ro entsprechende Feldaufnahmen, womo¨glich unter Zuziehung von Geologen, zu ta¨tigen sind und die erhobenen Daten entsprechend den mo¨glichen Verlagerungsprozessen interpretiert werden mu¨ssen. Im Rahmen der Geschiebefrachtermittlung werden u¨ber die gesamte La¨nge des Gerinnes die potenziellen Kubaturen der mobilisierbaren Feststoffe (Feststoffpotenzial aus Gerinne, Bo¨schung, Einhang), aber auch die Kubaturen der sedimentierbaren Feststoffe erhoben. Jeder Geschiebeherd wird anschließend einer von fu¨nf mo¨glichen Dispositionsklassen zugeordnet, die die Massenbewegung und ihre Mobilisierungswahrscheinlichkeit charakterisieren [168]. Disposition 1A: Aktiver seichtgru¨ndiger Nachbo¨schungsprozess, leicht mobilisierbar.

5.1 Hydrologische Grundlagen

91

Bild 82. Beispiel fu¨r ein Geschiebefrachtdiagramm (nach Hu¨bl [97])

Disposition 1B: Aktiver tiefgru¨ndiger Nachbo¨schungsprozess, nur bei bestimmten Szenarien mobilisierbar (z. B. hohe Vorbefeuchtung). Disposition 2: Alte, seichte und inaktive Massenbewegung, ma¨ßig leicht mobilisierbar. Disposition 3: Alte, tiefgru¨ndige und inaktive Massenbewegung, bedingt mobilisierbar (eventuell nur Stirnbereich). Disposition 4: Lockermaterialbedeckung des Grabeneinhangs (Verwitterungsmaterial, Hangschutt, glaziale, fluviatile oder glaziofluviatile Ablagerungen) ohne erkennbare Pra¨disposition zu Nachbo¨schungsprozessen, nur unter extremen Bedingungen mobilisierbar. Alle erhobenen Daten ko¨nnen fu¨r die nachfolgende Interpretation und Bewertung vorab in das sogenannte Geschiebepotenzialband [168] u¨bernommen werden, das alle geschieberelevanten Daten entlang dem La¨ngsprofil des Gerinnes beinhaltet.

Das Geschiebepotenzial muss anschließend unter Beru¨cksichtigung der Transportkapazita¨t des unterstellten Verlagerungsprozesses auf die tatsa¨chlich bei diesem Ereignis transportier- und sedimentierbaren Volumina umgelegt werden. Diese Kubatur wird als Geschiebefracht bezeichnet. Aus der Gegenu¨berstellung von erodierbarem und sedimentierbarem Geschiebevolumen kann daraus fu¨r ein Ereignis eine Geschiebebilanz aufgestellt und damit die im jeweiligen Abschnitt transportierte Geschiebefracht eines Ereignisses bestimmt werden. Tra¨gt man die Geschiebefracht u¨ber die Laufla¨nge des Baches auf, erha¨lt man ein sogenanntes Geschiebefrachtdiagramm (GFD). In einem solchen Diagramm zeigt eine ansteigende Kurve Bereiche mit u¨berwiegender Erosion, eine abfallende solche mit Geschiebeablagerung an. Verla¨uft die Kurve waagerecht, handelt es sich um Transportstrecken oder Strecken latenter Erosion. Ein Geschiebefrachtdiagramm liefert somit einen guten berblick u¨ber die Entwicklung der Feststofffracht entlang des Gerinnes. Mithilfe des GFD kann die Wirkung von geschiebebindenden Maßnahmen abgescha¨tzt und geeignete Standorte fu¨r feststoffbindende Maßnahmen ausgewa¨hlt werden [103].

92

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

Eine weitere Mo¨glichkeit der Abscha¨tzung der Geschiebefrachten wird von Hampel [83] vorgeschlagen. Da der Ablagerungskegel sozusagen die Geschichte des Wildbaches (Prozesse und Frachten) speichert, kann aus dem Kegelgefa¨lle und dem mittleren Korndurchmesser auf die Frachten von Ereignissen geschlossen werden. 5.1.5

Abscha¨tzung von Murfrachten

Die Murenfracht umfasst das Volumen des bei einem Ereignis transportierten Wasser-FeststoffGemisches. Empirische Ansa¨tze zur Abscha¨tzung der Murenfracht enthalten in der Regel einfach zu bestimmende Parameter des Einzugsgebietes (s. Tabelle 23). Sie erlauben die Abscha¨tzung entweder eines oberen „Grenz“-Wertes oder eines mittleren Wertes der mo¨glichen Muren- oder Feststofffracht. Die Streuung der tatsa¨chlich beobachteten Frachten kann durch diese Scha¨tzformeln aber nicht abgebildet werden.

5.2 Geotechnische Grundlagen In diesem Abschnitt werden wesentliche Grundlagen wiedergegeben und ansonsten auf die weiterfu¨hrende Literatur verwiesen. Detailliertere Darstellungen u¨ber Lockergestein (Boden) finden sich z. B. bei Adam et al. [1], Groß [76] oder Pregl [167]. Fu¨r Grundlagen des Felsbaus kann beispielsweise auf das Grundbau-Taschenbuch [196] verwiesen werden. Im Boden wirken je nach Bodenart Reibungskra¨fte, Koha¨sionskra¨fte oder eine Kombination von beiden. Somit setzen sich der aktive Erddruck

(„Erddruck“) Ea und der passive Erddruck („Erdwiderstand“) Ep aus Anteilen aus Reibung infolge Eigenlast des Bodens (Anteil aus Bodeneigenlast, Eag bzw. Epg) und/oder Anteilen aus Koha¨sion (Eac bzw. Epc) zusammen. Bei einer durch eine Fla¨chenlast p und/oder o¨rtlichen Belastung (o¨rtliche Vertikallast V bzw. Horizontallast H) zusa¨tzlich belasteten Gela¨ndeoberfla¨che entha¨lt der Erddruck E weitere Anteile aus der jeweiligen Belastung (Ep und/oder EV bzw. EH). Wirken alle Anteile, so ergeben sich die Erddrucklast E bzw. die Erddruckspannungen (Erddruckkoordinaten) e wie folgt (beachte: „–“ fu¨r Ea bzw. ea und „S“ fu¨r Ep bzw. ep). E w Eg E Ec S Ep S EV S EH

(17)

e w eg E ec S ep S eV S eH

(18)

5.2.1

Grenz- und Zwischenwerte des Erddrucks

Nach der mo¨glichen Bewegungsrichtung der Wand sind folgende drei Grenzfa¨lle zu unterscheiden: 1. Fall: Die Stu¨tzwand bewegt sich vom Erdreich weg, ein Erdkeil rutscht nach und belastet die Mauer (Bruchzustand). Das Erdreich wirkt „aktiv“ auf die Mauer, weshalb man vom „aktiven Erddruck Ea“ spricht (kleinster Erddruck) (Bild 83 A). 2. Fall: Die Mauer bewegt sich zum Erdreich hin, schiebt hinter der Mauer einen Erdkeil ab und belastet das Erdreich (Bruchzustand). Das Erdreich wirkt „passiv“, weshalb man vom „passiven Erddruck bzw. Erdwiderstand Ep“ spricht (gro¨ßter Erddruck) (Bild 83 B).

Tabelle 23. Einfache empirische Gleichungen zur groben Abscha¨tzung der Ereignisfracht eines Murganges oder murartigen Feststofftransportes in einem Wildbach (zusammengestellt in Rickenmann [176])

Formel

Quelle

M w K  Ac  100  Jc M w 27000 

Kronfellner-Kraus [128]

A0,78 c

Zeller [219], Rickenmann [174]

Ma w 150  Ac  ð100  Jf s 3Þ

2,3

Hampel [82]

M w Lc  ð110 s 250  Jf s 3Þ

Rickenmann/Zimmermann [178]

Ma w 13600  A0,61 c Ma w 29100  A0,67 c Ma w 70  Ac  Jc1,28

Takei [208]

M Ma Ac Jc

D’Agostino et al. [45]  JG

maximale Ereignisfracht [m3] mittlere Ereignisfracht [m3] Einzugsgebiets-Fla¨che [km2] mittleres Gerinnegefa¨lle

D’Agostino/Marchi [44] Jf Lc K JG

mittleres Kegelgefa¨lle La¨nge des aktiven Gerinnes [m] Torrentialita¨ts-Faktor geologischer Index

5.2 Geotechnische Grundlagen

93

Bild 83. Grenzfa¨lle des Erddrucks: (A) aktiver Erddruck; (B) passiver Erddruck; (C) Erdruhedruck

3. Fall: Wenn sich die Mauer nicht bewegt und damit keine Verformung auftritt, spricht man vom „Erdruhedruck E0“ (Bild 83 C).

aktiven Erddruck hervorzurufen, wu¨rde auf der passiven Seite nur rund den halben Erdwiderstand mobilisieren.

Zur Erreichung dieser Grenzwerte ist eine ausreichende Bewegung erforderlich, die von der Bodenart sowie der Art der Bewegung abha¨ngt. In Tabelle 24 sind die erforderlichen Verschiebungswege (fu¨r Ea bzw. Ep) in ‰ der Stu¨tzwandho¨he h (Verschiebungsfaktoren ka bzw. kp) fu¨r eine lockere und dichte Lagerung fu¨r die maßgebenden Wandbewegungen von massiven Mauern angegeben. In Bild 84 sind die Funktionen dieser Faktoren dargestellt. Die Verschiebungsfaktoren kp ko¨nnen nach DIN 4085 bei Fußpunktverdrehung und Parallelverschiebung mit etwa dem 50 -fachen Betrag bzw. bei Kopfpunktverdrehung mit etwa dem 10 -fachen Betrag der Bewegungswerte beim aktiven Erddruck angesetzt werden. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Aktivierung des vollen passiven Erddruckes viel gro¨ßere Bewegungen erfordert als die Mobilisierung des aktiven Erddrucks. Eine Verschiebung s w sa, die ausreicht, um den

Wenn die zu erwartenden Wandbewegungen kleiner sind als jene Bewegungen, die zur Erreichung von Ea bzw. Ep erforderlich wa¨ren, treten Zwischenwerte des Erddrucks auf. In Abha¨ngigkeit von der Gro¨ße der zu erwartenden Wandbewegung sind folgende Zwischenwerte mo¨glich: –

– – –

„Erdruhedruck E0“ wenn k w 0: Die Wand bewegt sich nicht, d. h. sie bleibt in „Ruhe“. Nach [65] ist fu¨r k J 0,05 ‰ der Erdruhedruck anzusetzen, „erho¨hter Erddruck Eal“ wenn k I ka, „verminderter passiver Erddruck Epl“ wenn k I kp, „Verdichtungserddruck Ev“ bei Verspannung der Hinterfu¨llung infolge starker Verdichtung.

Die Verteilung des Erddrucks infolge Bodeneigenlast ist abha¨ngig von der Wandbewegung. Eine dreieckfo¨rmige Verteilung nach Rankine stellt

Bild 84. Aktiver und passiver Fall

1–2

Dichte Lagerung

Vereinfachte Erddruckverteilung

4–5

ka [ ‰]

100

300

kp [ ‰]

Fußpunktdrehung

Lockere Lagerung

Bezogene Wandbewegung

Art der Wandbewegung

0,5–1

2 50

100

kp [ ‰]

Parallelverschiebung ka [ ‰]

Tabelle 24. Erddruck und Wandbewegung. Erforderliche Verschiebungsfaktoren nach DIN 4085 bzw. NORM B 4434

2–5

8–10

ka [ ‰]

50

150

kp [ ‰]

Kopfpunktdrehung

94 5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

5.2 Geotechnische Grundlagen

sich beim aktiven Erddruck nur bei Fußpunktdrehung bzw. beim passiven Erddruck nur bei Parallelverschiebung ein. Alle u¨brigen Bewegungen ergeben eine abweichende Spannungsverteilung. In Tabelle 24 sind die Erddruckverteilungen fu¨r verschiedene Arten der Wandbewegung dargestellt, wobei die verwendeten Gro¨ßen eagh bzw. epgh den Maximalwerten der horizontalen Erddruckkomponenten bei dreieckfo¨rmiger Verteilung entsprechen. 5.2.2

Grundwerte fu¨r die Berechnung des Erddrucks

Grundwerte fu¨r die Berechnung des Erddrucks bzw. Erdwiderstands sind die Bodenkennwerte und der Wandreibungswinkel. 5.2.2.1 Bodenkennwerte

95

Die Koha¨sion darf nur dann beru¨cksichtigt werden, wenn der Boden in seiner Lage ungesto¨rt ist, oder bei Hinterfu¨llungen mit bindigem Material, wenn diese hohlraumfrei eingebaut worden sind, und gewa¨hrleistet ist, dass der Boden seine Zustandsform nicht a¨ndern kann, d. h. er muss dauerhaft gegen Austrocknen und Frost geschu¨tzt sein. Ferner darf er beim Durchkneten nicht breiig werden [115]. Bei der Festlegung der Werte ist zu beachten: Erho¨ht man die Wichte, so wird der aktive und auch der passive Erddruck gro¨ßer; erho¨ht man den Winkel der inneren Reibung oder die Koha¨sion, so wird der aktive Erddruck kleiner bzw. der passive Erddruck gro¨ßer. Die Werte sind grundsa¨tzlich so zu wa¨hlen, dass alle ungu¨nstig wirkenden Einflu¨sse erfasst werden. 5.2.2.2 Wandreibungswinkel

Die den Erddruck beeinflussenden Bodenkennwerte sind: – die Wichte des Bodens g bzw. g’ (Boden im Grundwasser unter Auftrieb), – der Reibungswinkel f, – die Koha¨sion c.

Durch den Wandreibungswinkel d wird die Reibung zwischen der Mauerru¨ckwand und dem Erdreich erfasst. Er ist abha¨ngig von der Scherfestigkeit des Bodens, von der Oberfla¨chenrauigkeit der Wand und von der Relativbewegung zwischen Wand und Boden.

In einfachen Fa¨llen ko¨nnen diese Werte entsprechend DIN 1055 Teil 2 angenommen werden. Genauere Werte, die ha¨ufig gu¨nstigere Ergebnisse liefern, erfordern die Ermittlung der Bodenkennwerte anhand von repra¨sentativen Bodenproben.

Die Erddruckkra¨fte wirken in der Regel nicht senkrecht auf die betrachtete Stu¨tzfla¨che, sondern bilden mit der Fla¨chennormalen einen Wandreibungswinkel, der bei optimaler Verzahnung mit der Wand maximal dem Reibungswinkel f des Bodenmaterials entspricht.

Tabelle 25. Wandreibungswinkel da gem. E DIN 4085 [65] (ebene Gleitfla¨chen bei f I 35h) erga¨nzt mit Beispielen (aus Pregl [167])

WandWandreibungswinkel d beschaffenheit Ebene Gekru¨mmte Gleitfla¨che Gleitfla¨che Verzahnt Rau

2 f 3 2 dw f 3 dw

1 f 3

Weniger rau

dw

Glatt

dw0

dJf

Beispiel

Wandru¨ckseite gegen das Erdreich betoniert; Pfahlwa¨nde aus Ortbeton; Spundwa¨nde

Unbehandelte Oberfla¨chen von Stahl, Holz; 27,5 j hd J f s 2,5h normal geschalte Wandru¨ckseite bei Beton dw

1 f 2

dw0

Abdeckungen aus verwitterungsfesten, plastisch nicht verformbaren Kunststoffplatten; glatt geschalte Wandru¨ckseite aus sehr dichtem Beton (gehobelte und geo¨lte Holzschaltafeln, glatte Stahltafeln, glatte Kunststoffplatten) Stark schmierige Hinterfu¨llung; plastische Dichtungsschicht auf der Wandru¨ckseite, die keine Schubkra¨fte u¨bertragen kann (bitumino¨se Dichtungsbahn)

96

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

z. B. wenn sich die Stu¨tzwand stark setzt oder im Fall einer Brunnengru¨ndung abgesenkt wird. Neben den o. g. Grundwerten ist d auch vom Neigungswinkel der Mauerru¨ckwand a und von der Gela¨ndeneigung b abha¨ngig. 5.2.3

Erddruckberechnung

In der Regel erfolgt die Erddruckberechnung mithilfe von Erddruckbeiwerten. Die notwendigen Gleichungen ko¨nnen in der Literatur nachgesehen werden (z. B. [1, 190]). Dabei gibt es zu beachten, dass die auf der Erddrucktheorie von Coulomb basierenden Gleichungen zur Berechnung des Erddruckbeiwertes Ka und des Gleitfla¨chenwinkels 4a nach E DIN 4085 nur dann verwendet werden du¨rfen, wenn die Wandneigung a und die Gela¨ndeneigung b die in E DIN 4085 angegebenen Bedingungen erfu¨llen.

Bild 85. Richtungssinn des Wandneigungswinkels a, des Wandreibungswinkels d und der Gela¨ndeneigung b

Im Regelfall ist beim aktiven Erddruck d w da j 0 und beim passiven Erddruck d w dp J 0.

Fu¨r die vom Grundfall abweichenden Fa¨lle liefert die Coulomb’sche Erddrucktheorie unsichere Ergebnisse, weshalb gekru¨mmte oder gebrochene Gleitfla¨chen anzunehmen sind. In Tabelle 26 sind fu¨r verschiedene Gleitfla¨chen Autoren zusammengefasst, die in ihren Werken zum Teil tabellierte Erddruckbeiwerte angeben.

Bei der Festlegung des Wandreibungswinkels ist zu beachten, dass bei Vergro¨ßerung von d der aktive Erddruck kleiner bzw. der passive Erddruck gro¨ßer wird.

Weitere Einflu¨sse auf die Erddruckverteilung ergeben sich aus Auflast, Bodenschichtung, Mauerform, Nachgiebigkeit, Koha¨sion, Gleitfla¨chenform und Erdbebeneinwirkung.

In Sonderfa¨llen kann ein negativer Wandreibungswinkel auch beim aktiven Erddruck auftreten,

Der Einfluss von Wichte, Reibungswinkel und Koha¨sion auf die Erddruckverteilung in einem

Der Wandreibungswinkel ist in Abha¨ngigkeit der Wandbeschaffenheit und der angenommenen Gleitfla¨che gema¨ß Tabelle 25 anzusetzen.

Wichte

g1 6¼ g2

g1 w g2

g1 w g2

Koha¨sion

c1 w c2 w 0

c1 w 0, c2 i 0

c1 w c2 w 0

Reibungswinkel

@1 w @2

@1 w @2

@1 6¼ @2

Bild 86. Erddruckverteilung bei geschichtetem Untergrund a w b w d w 0

5.2 Geotechnische Grundlagen

Tabelle 26. Literatur fu¨r Erddruckbeiwerte verschiedener Gleitfla¨chen (nach [1])

Gleitfla¨che

Verfasser

eben

Krey [227], Ohde [228], Blum [238], Ke`zdi [234], Jumikis [235], Graßhoff [231]

Kreis

Krey [227], Gudehus [232]

Spirale

Ohde [228], Mayer-Vorfelder [239]

Kurve

Brinch-Hansen [237], Sokolovski [229], Caquot/Ke´risel/Absi [230], Pregl/Kristo¨fl [236]

gebrochen

Weißenbach [233], Gudehus [232]

zweischichtigen Untergrund ist in Bild 86 ersichtlich. Eine nderung der Bodenwichte bewirkt einen Knick in der Verteilung, eine nderung der Koha¨sion einen Sprung, eine nderung des Reibungswinkels einen Sprung und Knick. 5.2.3.1 Mindesterddruck

Bei bindigen Bo¨den ist stets zu pru¨fen, ob die bei gleicher Geometrie und Erddruckneigung mit K*ah (Erddruckbeiwert fu¨r f w 40h und c w 0) berechneten Erddruckkoordinaten gro¨ßer sind als die mit Kah (Erddruckbeiwert aus Eigengewicht und Auflast unter Beru¨cksichtigung der Koha¨sion) ermittelten [65]. Fru¨her wurde der Mindesterddruckbeiwert K*ah unabha¨ngig von der Wandund Gela¨ndeneigung mit 0,2 angenommen. 5.2.4

Sonderformen des Erddrucks

Neben aktivem und passivem Erddruck treten ha¨ufig Sonderformen des Erddrucks auf. Die wichtigsten fu¨r Sperrenbauwerke sind: – Erdruhedruck, – erho¨hter aktiver Erddruck, – verminderter passiver Erddruck, – Kriechdruck. 5.2.4.1 Erdruhedruck

Der Erdruhedruck ist jene In-situ-Spannung, die auch auf der Ru¨ckseite eines starren und unbeweglichen Stu¨tzbauwerkes wirkt. Die Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft ist parallel zur Gela¨ndeoberfla¨che anzusetzen, vorausgesetzt der fu¨r den aktiven Erddruck anzunehmende Wandreibungswinkel da gema¨ß Tabelle 25 wird nicht u¨berschritten, ansonsten ist da maßgebend.

97

5.2.4.2 Erho¨hter aktiver Erddruck

Der erho¨hte aktive Erddruck liegt zwischen dem aktiven und dem Erdruhedruck und tritt bei unvollsta¨ndigen Entspannungsbewegungen auf (s. Tabelle 24). Erho¨hter Erddruck ist anzusetzen, wenn die Bewegung von Baugrubenwa¨nden durch vorgespannte Anker verhindert bzw. eingeschra¨nkt wird (s. Bild 107). 5.2.4.3 Siloerddruck

Begrenzt eine starre Wand (z. B. Bauwerk oder Felsanschnitt) den Hinterfu¨llungsraum eines Stu¨tzbauwerks, dessen Breite so klein ist, dass sich der Coulomb’sche Rutschkeil nicht voll ausbilden kann, dann wird die vertikale Spannung und somit auch der Erddruck durch die an beiden Seiten des Erdko¨rpers wirkende Wandreibung reduziert. Formeln zur Berechnung von Bodenund Seitendruck in einem Silo nach der vereinfachten Theorie von Janssen und Koenen werden in [115] angegeben. Fu¨r den Fu¨llprozess wurde die einfache Theorie durch Siloversuche besta¨tigt. Fu¨r die Bemessung ko¨nnen die Lasten beim Fu¨llen und Entleeren in endlicher bzw. unendlicher Tiefe mit den Formeln nach DIN 1055- 6 berechnet werden. Der Siloerddruck wird z. B. zur Bemessung der Inneren Standsicherheit von Kastensperren beno¨tigt, da das Verfu¨llmaterial in Holzkastensperren, a¨hnlich dem Fu¨llmaterial eines Silos, einen Innendruck auf die umhu¨llende Konstruktion ausu¨bt. Der Wert dieses Drucks ha¨ngt laut [28] im Wesentlichen vom Winkel der inneren Reibung f ab. 5.2.4.4 Verminderter passiver Erddruck (mobilisierter Erdwiderstand)

Der verminderte passive Erddruck liegt zwischen dem Erdruhedruck und dem Erdwiderstand. Er tritt auf, wenn die Wandverformung nicht ausreicht, um den vollen passiven Erddruck zu mobilisieren (s. Tabelle 24). 5.2.4.5 Kriechdruck

Soll das Stu¨tzbauwerk unverschieblich einer kriechenden Masse Widerstand leisten, so wirkt auf sie ein u¨ber den aktiven Erddruck hinausgehender Erddruck, der Kriechdruck. Befindet sich ein Hang anna¨hernd im Grenzgleichgewicht, kann sich nach [30] an der Mauerru¨ckseite ein erho¨hter Stau- oder Kriechdruck aufbauen, der den Erdruhedruck deutlich u¨bersteigt. Ist die Bo¨schungsneigung b gleich dem Reibungswinkel f kann die auf das Stu¨tzbauwerk wirkende Seitendruckkraft EKr nach Gl. (19) berechnet werden.

98

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

EKr w m(f)  g 

h2  cosf 2

(19)

mit

h

Mauerho¨he [m]

g Wichte [kN/m3] f Reibungswinkel

Der Vervielfa¨ltigungsfaktor m(f) kann aus Bild 87 entnommen werden. In diesem Bild sind semiempirische Zusammenha¨nge in Abha¨ngigkeit der Bauwerkssteifigkeit abgebildet. Der schraffierte Bereich bildet zahlreiche Bauwerksmessungen seit 1973 ab. Das Diagramm gilt fu¨r den Bereich des Grenzgleichgewichtes f w b. Die gestrichelten Kurven repra¨sentieren theoretische Extremwerte. Man erkennt, dass der Kriechdruck mit zunehmender Hangneigung stark u¨ber den aktiven Grenzwert ansteigt und stark von der Verformbarkeit des Bauwerkes abha¨ngt. Der, in der Abbildung schraffierte Bereich hat sich in der Bemessungspraxis bewa¨hrt. Die Gl. (19) ist nach [30] eine aus dem zweiten Rankine’schen Sonderfall fu¨r koha¨sionslosen Boden abgeleitete Beziehung. Baustellenmessungen haben jedoch gezeigt, dass man diese Formel mit ausreichender Genauigkeit auch in der Praxis verwenden kann, vor allem wenn sich die Bo¨schung im Grenzgleichgewicht des Kriechens befindet. Dabei wird nach [30] von der Na¨herung ausgegangen, dass der Bo¨schungswinkel b gleich dem fiktiven Scherwinkel f’ ist. Dieser beru¨cksichtigt Koha¨sionsanteile und Wirkungen des Stro¨mungsdrucks. Je nach Untergrundverha¨ltnissen, Gela¨ndeneigungen usw. stellt sich nach [30] in einem Zeitraum

von zehn bis 20 Jahren ein stationa¨rer Zustand ein. Dieser Zustand liegt unterhalb des Grenzwertes fu¨r den passiven Erddruck.

5.3 Einwirkungen Schutzbauwerke der Wildbachverbauung sind statischen Belastungen durch Eigengewicht, Wasserund Erddruck ausgesetzt. Zusa¨tzlich sind dynamische Belastungen durch Muren oder anprallende Festko¨rper (Holz, große Blo¨cke) zu beru¨cksichtigen. Einen Sonderfall stellt der seitliche Hangdruck dar, da dieser im Unterschied zu den anderen Lasten quer zur Fließrichtung wirkt. 5.3.1

Eigengewicht

Das Eigengewicht ist die Gewichtskraft des Sperrenko¨rpers aufgrund des Bauwerksvolumens und der Wichte des Baustoffes. Die Eigengewichte der Werkstoffe sind nach NORM EN 1991-1-1 anzusetzen. Eine Auswahl von relevanten Baustoffen findet sich in Tabelle 27. Prinzipiell erfolgt die Bestimmung der charakteristischen Werte des Eigengewichtes, der Abmessungen und Wichten nach EN 1990, 4.1.2. Die Nennwerte der Abmessungen sollten den Zeichnungen entnommen werden. Fu¨r Stoffe, die sich wa¨hrend der Benutzung verdichten ko¨nnen, die gesa¨ttigt werden oder sonst ihre Eigenschaften a¨ndern, ist ein oberer oder ein unterer charakteristischer Wert fu¨r die Wichte zu beru¨cksichtigen. Wirkt das Eigengewicht gu¨nstig ist der untere Wert, wirkt das Eigengewicht ungu¨nstig ist der obere Wert in der Berechnung zu verwenden. 5.3.2

Wasserdruck

Auf ein Sperrenbauwerk kann ein Wasserdruck aus dem Oberwasser, dem Unterwasser und ein Sohlwasserdruck einwirken. Wird ein Sperrenbauwerk u¨berstro¨mt, wirkt ein senkrechter Wasserdruck (Wasserauflast) auf die Sperre ein. Fu¨r die Berechnung der Standsicherheit ist der nach Erfahrung ho¨chste mo¨gliche Wasserdruck aus dem Stauraum (Oberwasser) sowie auch vom Unterwasser her, als jeweils getrennter Lastfall maßgebend und es ist in der Regel die berstro¨mungsho¨he bei der Ermittlung der Wasserauflast im Bereich der Abflusssektion zu beru¨cksichtigen.

Bild 87. Vervielfa¨ltigungsfaktor m(f) w m(b) (nach Brandl [30])

Der Wasserdruck ist mindestens bis zur Ha¨lfte der Einbindetiefe T/2 anzusetzen, wobei die Wasserspiegellage entsprechend dem Bemessungsereignis aus der hydrologischen und hydraulischen Bemessung zu wa¨hlen ist. Bei durchla¨ssigem Material und Anbindung an Fels ist der Wasserdruck bis zur vollen Einbindetiefe T anzusetzen.

5.3 Einwirkungen

99

Tabelle 27. Charakteristische Wichten von Werkstoffen die fu¨r den Bau von Schutzbauwerken relevant sind (Auszug aus NORM EN 1991-1-1)

Werkstoffgruppe

Werkstoff

Wichte [kN/m3]

Beton EN 206

Leichtbeton

9,0–20,0

Normalbeton unbewehrt/bewehrt

24,0/25,0

Schwerbeton unbewehrt/bewehrt

i 24,0/i 25,0

Mo¨rtel

Zementmo¨rtel

19,0–23,0

Natursteine prEN 771-6

Granit, Syenit, Porphyr

27,0–30,0

Basalt, Diorit, Gabbro

27,0–31,0

Kalkstein

20,0

dichter Kalkstein

20,0–29,0

Nadelholz Festigkeitsklasse C141) Holz ENV 338 Festigkeitsklasse C241) Festigkeitsklasse C401) Laubholz

3,5 S 10/MS 102); „gutes Bauholz“3)

4,2

MS 172)

5,0

Festigkeitsklasse

D301)

6,4

Festigkeitsklasse

D701)

10,8

Metalle

Stahl

77,0–78,5

Schu¨ttungen

Sand trocken, Schotter, Kies

15,0–16,0

Bruchstein

20,5–21,5

Kalkstein

13,0

1) 2) 3) 4)

Sortierklasse nach EN 338 Sortierklasse nach DIN 4047-1 „Alte“ Bezeichnung nach NORM B 4100-2 Fu¨r Frischbeton sind die Wichten um 1 kN/m3 zu erho¨hen

5.3.2.1 Ruhender (hydrostatischer) Wasserdruck

Hydrostatischer Wasserdruck entsteht aus dem Oberwasser des unverlandeten Stauraums. Er wirkt bis zur Ho¨he des Stauspiegels auf die Sperre ein. Der Wasserdruck ist abha¨ngig vom spezifischen Gewicht des Wasser-Geschiebegemisches und der Druckho¨he. Das spezifische Gewicht wird je nach Feststoffanteil (Geschiebe und Schwebstoffe) mit 10 bis 14 kN/m3 angenommen, bei Muren kann es bis 20 kN/m3 reichen. Dazu ist auch Abschnitt 2.3.2 zu beachten. Die Druckho¨he setzt sich aus der Stauho¨he hs bis zur Sohle der Abflusssektion und der berstauho¨he hwu¨ zusammen. Der volle hydrostatische Druck tritt bei einer dichten Sohlfuge unter der Sperre auf, d. h. eine Durchstro¨mung kann nicht stattfinden. Dies ist bei Gru¨ndungen auf Fels und einer kolmatierten Bachsohle der Fall (Bild 88 A). Aufgrund der un-

sicheren Witterungsbedingungen ist in der Praxis die Bemessung auf den vollen statischen Wasserdruck, abgesehen von Murbelastungen, auszulegen. Die Druckverteilung wird in der Regel als dreieckige Lastfigur angenommen. 5.3.2.2 Dynamischer Wasserdruck aus Gerinneabfluss

Vereinfacht kann man nach Czerny [43] den stro¨menden Wasserdruck (Wasserdruck aus Gerinneabfluss) als den 1,5- bis 2,0 -fachen hydrostatischen Wasserdruck annehmen. Analytisch la¨sst sich die Erho¨hung durch eine Stro¨mung u¨ber die Impulsgleichung nach Gl. (20) berechnen. Nach [34] kann man aufgrund der Ablenkung der Wasserfa¨den und der Zersta¨ubung des Wassers zusa¨tzlich einen Korrekturfaktor von 0,9 (nach Weisbach) beru¨cksichtigen.

100

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

Bild 88. Wasserdruck: (A) hydrostatisch; (B) reduzierter Wasserdruck

p w 0,9 

gW  Q  v g

(20)

mit gW Wichte des Wassers in [kN/m3]

Q Abflussmenge pro Sekunde und m2 Querschnittsfla¨che [m3/(s · m2)] v

mittlere Fließgeschwindigkeit [m/s]

g

Gravitationskonstante [m/s2]

p

auf die angestro¨mte Fla¨che wirkende Kraft pro m2 [kN/m2]

5.3.2.3 Stro¨mender Wasserdruck durch den Boden

Bei durchstro¨mtem Untergrund werden die Bodenteilchen mit dem Stro¨mungsdruck belastet. Die spezifische Stro¨mungskraft fs (Kraft pro Volumeneinheit Boden) ist vom Gefa¨lle des Grundwasserspiegels i abha¨ngig. Ihre Wirkungsrichtung ist durch die Tangente an die Stromlinie vorgegeben. fs w i  gw

(21)

Wenn ein Bauwerk auf Lockergestein gegru¨ndet ist kann man bei nicht kolmatierten Teilhinterfu¨llungen auf der angestro¨mten Seite von einem reduzierten Wasserdruck ausgehen. Da man beim Ansatz eines reduzierten Wasserdruckes von einer Sickerstro¨mung unter dem Sperrenko¨rper ausgeht ist gleichzeitig der Sohlwasserdruck anzusetzen (Bild 88 B). Eine Wasserstro¨mung um eine Sperre infolge unterschiedlicher Wassersta¨nde vor und hinter der Wand hat eine horizontale und vertikale Wirkung. Die horizontale Wirkung wird vereinfacht durch

Ansatz des hydrostatischen Wasseru¨berdrucks oder genauer durch Bestimmung des Stro¨mungsdrucks aus einem Stromliniennetz erfasst, die senkrechte Wirkung durch Ansetzen der effektiven Wichte g* , welche die volumenbezogene Stro¨mungskraft fs beru¨cksichtigt: x

Wichte fu¨r die Erddruckberechnung infolge der abwa¨rts gerichteten Stro¨mung auf der aktiven Seite: g*a w glS fs w glS i  gw w glS Dgl (22)

x

Wichte fu¨r die Erdwiderstandsberechnung infolge der aufwa¨rts gerichteten Stro¨mung auf der passiven Seite: g*p w gls fs w gls i  gw w gls Dgl (23)

Bei der Umstro¨mung eines Bauwerks ist das hydraulische Gefa¨lle i jedoch nicht konstant, weshalb mit Na¨herungen gerechnet werden muss. Anstelle der genaueren Berechnungsmethode mithilfe des Stro¨mungsnetzes kann fu¨r Spundwandberechnungen bei ausschließlich vertikaler Umstro¨mung und homogenem Baugrund die Na¨herungsformel von Brinch Hansen fu¨r das mittlere Gefa¨lle i verwendet werden [67]. Durch die Annahme eines konstanten hydraulischen Gradienten nimmt der Wasserdruck auf der aktiven Seite sta¨rker ab als der Erddruck zunimmt, wa¨hrend die Verha¨ltnisse auf der passiven Seite genau umgekehrt sind. Ein linear angenommener Druckabbau entlang der Spundwand fu¨hrt folglich zu einer unsicheren Bemessung [221]. Hinsichtlich hydraulischem Grundbruch sowie Beru¨cksichtigung des Wassers bei Gela¨nde- und

5.3 Einwirkungen

101

Bo¨schungsbruchberechnungen wird auf [54, 56, 65] verwiesen..25gz> Nach [66] kann der reduzierte Wasserdruck auf der angestro¨mten Seite na¨herungsweise mit 70 % des hydrostatischen Wasserdrucks angenommen werden, unabha¨ngig vom Durchla¨ssigkeitskoeffizienten des Bodens. Vorraussetzung fu¨r diese Annahme ist ein homogenes, isotropes Bodenmaterial vor, unter und hinter der Sperre und die Anordnung von Entwa¨sserungso¨ffnungen (Kleindolen) im Sperrenko¨rper. 5.3.2.4 Wasserauflast

Bei einer berstro¨mung der Sperre ergibt sich aus der Geometrie des berfalls eine Wasserauflast wu¨, welche je nach dem betrachteten Standsicherheitsnachweis eine gu¨nstige oder ungu¨nstige Wirkung hat. Die Wasserauflast ist abha¨ngig von der berstauho¨he hWu¨, der Breite der Abflusssektion und dem spezifischen Gewicht des Wassers. Dieser Wasserdruck wirkt vertikal und beansprucht das Bauwerk als Scheibe. Als berstauho¨he wird im Regelfall die Abflussho¨he des Bemessungsereignisses angesetzt. Bemessungsereignisse du¨rfen Sperrenbauwerke nur im Bereich der Abflusssektion u¨berstro¨men. In Sonderfa¨llen wird bei unplanma¨ßigen Extremereignissen ein berstro¨men der Flu¨gelbereiche zugelassen. 5.3.2.5 Wasserdruck vom Unterwasser

Der statische Wasserdruck vom Unterwasser tritt dann auf, wenn im Vorfeld eine nennenswerte Fließho¨he gegeben ist. Er ist als getrennter Lastfall nachzuweisen. In der Regel erreicht dieser Druck allerdings nur ein geringes Ausmaß und wird dann in der Berechnung vernachla¨ssigt.

Bild 89. Wasserauflast auf Sperren bei berstro¨mung

derung des Sohlwasserdrucks von der Wasserzur Luftseite hin. Seine Verteilung ist daher von der Abdichtung bzw. den Entwa¨sserungsmaßnahmen stark abha¨ngig und kann durch eine wirksame Dra¨nage zur Luftseite hin deutlich reduziert werden. Laut [66] kann der Auftrieb in der Regel vernachla¨ssigt werden wenn die Standfla¨che der Sperren gering ist, der Auftrieb im Vergleich zum Eigengewicht der Sperre klein ist und die Auftriebskra¨fte in den Sperrenflanken nach oben rasch abnehmen. Bei Sperren mit geringem Eigengewicht (z. B. Holzka¨sten mit Schwerboden) oder großen Basisbreiten (z. B.: Winkelstu¨tzmauern) ist der Einfluss des Auftriebes zu untersuchen. 5.3.3

5.3.2.6 Sohlwasserdruck (Auftrieb)

Bei gleichma¨ßigem und stark durchla¨ssigem oder klu¨ftigem Untergrund wirkt in der Gru¨ndungssohle der Sohlwasserdruck auf das Bauwerk, welcher fu¨r die nach oben wirkende Auftriebskraft verantwortlich ist. Diese zusa¨tzliche Beanspruchung, verursacht eine Vergro¨ßerung des Kippmomentes bzw. der luftseitigen Bodenpressung. Das Modell zur Quantifizierung des Sohlwasserdruckes u¨ber eine Stro¨mungsro¨hre ist in Abschnitt 5.3.2.3 dargestellt. An der Wasserseite, bei nicht hinterfu¨llten Sperren, entspricht der Sohlwasserdruck dem reduzierten Wasserdruck bzw. auf der Luftseite dem erho¨hten Wasserdruck. Da der Sohlenwasserdruck stets o¨rtlichen Einflu¨ssen unterliegt, ist seine Gro¨ße und Verteilung u¨ber die Gru¨ndungssohle ungleichma¨ßig. In den meisten Fa¨llen ergibt sich eine starke Abmin-

Erddruck

Der anzusetzende Erddruck (aktiver, erho¨hter aktiver Erddruck, Erdruhedruck, Sonderformen) ist abha¨ngig von der Bewegung des Bauwerkes und der Mo¨glichkeit zur Ausbildung von potenziellen Gleitfla¨chen. Zur Ermittlung des maßgebenden Erddrucks siehe Abschnitt 5.2. 5.3.4

Talzuschub

Einwirkungen aus Talzuschub sind schwer quantifizierbar. Eine Beschreibung der prinzipiellen Zusammenha¨nge findet sich in Abschnitt 2.3.5, eine na¨here Beschreibung des Kriechdrucks in Abschnitt 5.2.4.5. In der Regel werden eigene Tragwerkstypen fu¨r diese Bereiche eingesetzt (Abschn. 4.6). Im Zweifelsfall ist ein Geologe hinzuzuziehen, da es bei Fehleinscha¨tzungen dieser Kra¨fte zu erheblichen Bauwerksscha¨den kommen kann.

102 5.3.5

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

Dynamischer Murdruck

Murga¨nge setzen sich aus unterschiedlichen Anteilen an Wasser, Fein- und Grobsediment zusammen. Jener Teil des Murenmaterials, welcher eine Mischung aus Wasser und Feinsediment (Korndurchmesser I 1 mm) darstellt und als interstitielles Fluid im Murko¨rper wirkt, wird als Murenmatrix bezeichnet. Zur festen Phase za¨hlt das Grobsediment, welches in der Murenmatrix transportiert wird. Matrix und feste Phase bilden gemeinsam das Murenmaterial, das entsprechend der Konzentration der Komponenten unterschiedliches rheologisches Verhalten aufweist. Visuell kann man eine reine Murenmatrix mit flu¨ssiger Schokolade, die Mischung mit Grobsedimenten mit Fließbeton vergleichen. Fehlen die Grobsedimente weitestgehend trotz hoher Feststoffkonzentration der Murenmatrix, spricht man von viskosen Murga¨ngen (Schlammstro¨men), bei einem u¨berwiegenden Anteil von Grobsediment in der Feststoffkonzentration hingegen von granularen (steinigen) Murga¨ngen.

Beim Auftreffen der Murga¨nge auf ein Schutzbauwerk zeigen die beiden Murenarten ein unterschiedliches Verhalten. Viskose Muren weisen die ho¨chsten Dru¨cke an der Gerinnebasis auf und lassen basisferne Bauteile durch Umlenkung der Mure („vertical jet-like bulge“ [5]) weitestgehend unbelastet. Bei granularen Muren stellt sich hingegen ein viel gleichma¨ßigerer Druckverlauf ein, da die Ablagerung der Mure u¨ber eine gro¨ßere Tiefe am Bauwerk erfolgt (s. Bild 91). In der Literatur finden sich nur wenige Angaben u¨ber die Belastung eines Bauwerkes durch einen Murgang. Kherkheulidze [119] leitet eine Formel (Gl. 24) fu¨r den mittleren Murdruck aus Daten ab, wobei die der Formel zugrundeliegenden Daten ein breites Spektrum abdecken (Geschwindigkeiten von 1,4 bis 22 m/s, Abflusstiefen von 0,1 bis 11,2 m, Dichten von 1,67 bis 2,29 t/m3, Gefa¨lle von 3,8 bis 11,2 m). Dieser Ansatz beru¨cksichtigt einen statischen und dynamischen Druckanteil.

Bild 90. Druckverla¨ufe in 4 Ho¨henstufen an einem Sperrenobjekt: (A) nur mit Matrix (Cb w 0; mudflow); (B) mit 40 Gew.- % Grobkorn (Cb w 0,4, granular flow) (aus Hu¨bl/Holzinger [104])

5.3 Einwirkungen

103

Bild 91. Ausgewertete Druckverteilung an der Sperrenru¨ckwand (aus Suda et al. [206])

  p w 0,10  rwg  g  5  h S v2

mit

p

p w k  g W  hW

(24)

(25)

mit mittlerer Murdruck [kN/m2]

rwg Murdichte

[kg/m3]

g

Erdbeschleunigung [m/s2]

h

Abflusstiefe [m]

v

Fließgeschwindigkeit [m/s]

In der Praxis wird die dynamische Murbelastung eines Bauwerks u¨blicherweise durch den um einen dynamischen Beiwert k erho¨hten statischen Wasserdruck gw ermittelt (s. Bild 92 A). Lichtenhahn [139] schla¨gt dafu¨r einen Wert von 7 bis 10 vor.

k

Lasterho¨hungsfaktor, dynamischer Beiwert [–] k w 7–10 nach Lichtenhahn [139] k w 3–11 in der Praxis u¨blich

gw Wichte des Wassers [kN/m3]

hw Stauho¨he [m] Nach Watanabe/Ikeya [211] verha¨lt sich der Murdruck proportional zur Wichte des Murenmaterials und zum Quadrat der mittleren Fließgeschwindigkeit. Armanini [5] leitet aus Modellversuchen und theoretischen Ansa¨tzen eine Gleichung fu¨r die Ersatzkraft des an der Sperre auftretenden Drucks ab. Sie kann in folgender Kurzform angeschrieben werden:

104

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen

Bild 92. Vorschla¨ge fu¨r Lastverteilungen von Murga¨ngen: (A) dreieckfo¨rmig (nach Lichtenhahn [139]); (B) rechteckig (nach [66]); (C) fu¨r granularen Murgang (nach Suda/Strauss [206]); (D) fu¨r schlammartigen Murgang (nach Suda/Strauss [206]); (E) Einzellast (Stoß durch großen Block)

Pwg w 4,5  rwg  g  h2wg

(26)

Punktuell ho¨here Dru¨cke ko¨nnen am Bauwerk dann auftreten, wenn Grobgeschiebe direkt auf das Bauwerk auftrifft. Dieser Fall tritt aber nur dann ein, wenn das Grobgeschiebe bis zum Bauwerk transportiert wird ohne sich vorher abzulagern. Besonders betroffen sind dabei die Ra¨nder von gro¨ßeren Bauwerkso¨ffnungen oder frei stehende Flu¨gel.

Hu¨bl/Holzinger [104] leiten eine Druckformel fu¨r Maximaldru¨cke viskoser und granularer Murga¨nge aus Laborversuchen ab (Gl. 27). Zur Beschreibung des Fließverhaltens wird die FroudeZahl herangezogen und zur Beschreibung der Dru¨cke werden Druckfaktoren definiert, die den dynamischen und hydrostatischen Druck beschreiben. In die Formel gehen die Dichte des Murmaterials und die Geschwindigkeit und Fließtiefe des frei fließenden Murgangs ein. Dies sind jene Werte, welche sich aufgrund von Erfahrung zumindest in Gro¨ßenordnungen abscha¨tzen lassen. Die Gu¨ltigkeit dieser Formel beschra¨nkt sich auf einen Froude-Bereich von 1 bis 15.  0,6 pmax w 4,5  rwg  v0,8  g  hwg (27)

bliche und mo¨gliche Verteilungen von Dru¨cken aus Mursto¨ßen sind in Bild 92 dargestellt. blicherweise werden Mursto¨ße dreieckfo¨rmig [139] oder als Gleichlast [66] angesetzt (Bild 92 A, B). ber Auswertungen der Versuche von Hu¨bl/ Holzinger [104] schlagen Suda et al. [206] trapezfo¨rmige Verteilungen je nach Feststoff- und Flu¨ssigkeitsanteil der Mure vor (Bild 92 C, D). Die Ho¨he h ist dabei die Summe aus Abflusstiefe und Stauho¨he. Die Verteilungen leiten sich aus den Auswertungen in Bild 91 ab. Zusa¨tzlich sollte der Stoß Fimpact eines mittransportierten Blocks an der ungu¨nstigsten Stelle des Tragwerks angesetzt werden, mindestens in Ho¨he der Abflusstiefe des Murgangs im Bach (Bild 92 E).

mit

5.3.6

pmax maximaler Murdruck [kN/m2]

Fu¨r die Bemessung von Schutzbauwerken auf Einwirkungen durch Lawinen gibt es keine Richtlinien. In der Schweizer Richtlinie Objektschutz gegen Naturgefahren (Egli [64]) finden sich Angaben u¨ber Ho¨he und Verteilung der Lasten.

mit

Pwg Ersatzkraft des Murganges [kN] g

Erdbeschleunigung [m/s2]

hwg Abflusstiefe [m]

rwg Murdichte [kg/m3]

g

Erdbeschleunigung [m/s2]

hwg Abflusstiefe [m] v

Fließgeschwindigkeit [m/s]

Grundsa¨tzlich ist darauf hinzuweisen, dass aus Modellversuchen abgeleitete Formeln nur beschra¨nkt auf den realen Fall zu u¨bertragen sind, da die Evaluierung der Formelergebnisse mit Messdaten aus Naturereignissen noch aussteht.

Lawinendruck

Nach den Eigenschaften einer Lawine unterscheidet man zwei extreme Typen, die Fließlawine und die Staublawine (Bild 93). Fließlawinen haben geringe Abflusstiefen und Dichten je nach Schnee zwischen 150 und 400 kg/m3. Die Schneematrix kann auch mit fremden Feststoffen (Steine, Bodenmaterial, Ba¨ume) vermischt sein. Im Auslaufgebiet verlangsamen sich Fließlawinen durch das

5.3 Einwirkungen

105

Bild 94. Lastansa¨tze aus Lawinen: (A) Fließlawine; (B) Staublawine (nach Egli [64])

hStau w

Bild 93. Lawinentypen: (A) Fließlawine; (B) Staublawine; (C) Mischlawine

flache Gela¨nde und die Ausbreitung. Laut Egli [64] reduzieren sich in diesem Fall die Fließgeschwindigkeiten auf unter 10 m/s und die Abflusstiefen liegen in einem Bereich von 2 bis 10 m. Staublawinen weisen Dichten von 10 –20 kg/m3 auf. Sie ko¨nnen Abflusstiefen im Auslaufgebiet von mehr als 50 m erreichen [64]. In der Regel treten die beschriebenen Extreme gemeinsam mit unterschiedlichen Anteilen als Mischlawine auf. Eine Mischlawine besitzt einen bodennahen Fließanteil und einen Staubanteil. Fu¨r die beiden Extremformen ko¨nnen nach [64] die Verteilungen in Bild 94 zur Bemessung der Bauwerke angesetzt werden. Eine Fließlawine prallt auf die Wasserseite eines Sperrenbauwerkes. Durch den Aufprall entsteht – a¨hnlich einem Murgang – eine Stauho¨he hStau. Die Gesamtho¨he hL an der Ru¨ckseite der Sperre ergibt sich aus der Stauho¨he, der Abflusstiefe hf und der natu¨rlich abgelagerten Schneeho¨he hn. Die Stauho¨he errechnet sich nach Gl. (28). l ist abha¨ngig von der Fließeigenschaft und wird fu¨r leichte, trockene Lawinen mit 1,5 und fu¨r dichte Lawinen zwischen 2 und 3 angenommen.

v2f 2gl

(28)

Ist die Abflusstiefe der Lawine gro¨ßer als die frei stehende Sperrenho¨he ist der Staudruck auf die gesamte Ho¨he anzusetzen. Der Staudruck qf ist von der Dichte und der Geschwindigkeit der Lawine abha¨ngig. Bei der Berechnung des Staudruckes kann die Fließgeschwindigkeit vf u¨ber die Ho¨he konstant angenommen werden. Entha¨lt die Lawine zusa¨tzlich Baumsta¨mme oder Blo¨cke ist dies mittels eines statischen Ersatzdruckes qe zu beru¨cksichtigen. Als Einwirkungsmodell fu¨r eine Staublawine empfiehlt Egli [64] einen Ansatz analog einer Windeinwirkung (Bild 94 B). Fu¨r Mischlawinen sind die beiden Lastansa¨tze entsprechend dem abgescha¨tzten Fließ- und Staubanteil zu kombinieren. Der Druck infolge der dynamischen Beanspruchung qf durch eine Lawine ist abha¨ngig von der Fließgeschwindigkeit, der Dichte und der Form der umflossenen Bauteile und berechnet sich nach Gl. (29). Die Form wird u¨ber den Widerstandskoeffizienten cd beru¨cksichtigt. Fu¨r Fließlawinen und rechteckige Bauten kann er allgemein zwischen 2 und 3 angenommen werden. Die Dichte einer Fließlawine kann mit rf w 0,15– 0,4 t/m3 angesetzt werden. qf w 0,5  cd  rf  v2f

[kN=m3 ]

(29)

Fu¨r Staublawinen ko¨nnen laut [64] die cd-Werte laut SIA 261 Ziffer 6 (Wind) verwendet werden. q ist dabei als Staudruck zu interpretieren. Die

106

6 Hydraulische Bemessung

Tabelle 28. Statische Ersatzkra¨fte fu¨r Anprall von Einzelkomponenten (aus Egli [64])

Masse des Blocks [t]

Fließgeschwindigkeit vf [m/s]

Anprallfla¨che A [m]

Statische Ersatzkraft Qe [kN]

0,1

5

0,30 q 0,30

20

0,5

5

0,50 q 0,50

100

1,0

5

0,65 q 0,65

200

0,1

10

0,30 q 0,30

80

0,5

10

0,50 q 0,50

400

1,0

10

0,65 q 0,65

800

ho¨here Dichte der Staublawine im Vergleich zu jener der Luft erho¨ht den Staudruck qs entsprechend. Als vereinfachter Richtwert kann bei Staublawinen qs w 3–5 kN/m2 angenommen werden. Die maximale Druckwirkung des, der Staublawine vorauseilenden Luftstoßes, gibt [64] mit ca. 5 kN/m2 an.

Egli gibt auch statische Ersatzkra¨fte fu¨r Sto¨ße aus Einzelkomponenten an [64]. Diese Sto¨ße entstehen wenn gro¨ßere Steinblo¨cke oder Baumsta¨mme von einer Lawine mitgefu¨hrt werden (Tabelle 28).

– – –

Temperatureinflu¨sse, Setzungen im Untergrund, Eisdruck.

In der deutschen Erdbebennorm, der DIN 4149, werden Entwurf, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen aus Stahlbeton, Stahl, Holz oder Mauerwerk des u¨blichen Hochbaus in deutschen Erdbebengebieten behandelt. Die DIN 4149 muss außerhalb der Erdbebenzonen 1 bis 3 nicht angewendet werden.

In der Praxis erfolgt die Abscha¨tzung von Lawinendru¨cken u¨ber Modellsimulationen. Weltweit ist eine große Zahl an Programmen verfu¨gbar. In sterreich werden in der Regel die Programme ELBaS und SAMOS verwendet. Beide Programme za¨hlen zur Gruppe der dynamischen Lawinenmodelle, die als Ergebnis Informationen u¨ber Geschwindigkeit, Druck, Fließho¨he etc. liefern. Diese Informationen werden zweidimensional ausgegeben und sind daher auch gut grafisch darstellbar. Neben diesen Programmen wird vor allem das in der Schweiz entwickelte Modell AVAL 1D auf Basis eines dynamischen 1-DModelles eingesetzt. Ergebnisse aus Modellsimulationen sind jedoch immer mit Vorbehalt zu verwenden und soweit mo¨glich mit erhobenen Fakten (Chroniken, Stumme Zeugen, ...) aus dem betroffenen Gebiet zu belegen.

6

Grundlegende weitere Informationen u¨ber Lawinen finden sich in Aulitzky [13]. Informationen u¨ber Lawinen-Bauwerksinteraktionen entha¨lt z. B. [152, 153], Anwendungen von Lawinensimulationen auf konkrete Objekte z. B. [106, 170].

Der Abfluss in Wildba¨chen erfolgt als Fließvorgang mit freier Oberfla¨che. Die Bemessung des Abflusses ist sowohl fu¨r den unverbauten als auch fu¨r den verbauten Wildbach von Interesse. Der Abfluss setzt sich aus dem Wasser und den mitgefu¨hrten Feststoffen (Geschiebe, Wildholz) zusammen. Maßgeblich fu¨r die Bemessung von Schutzmaßnahmen der Wildbachverbauung ist die Hochwasserfu¨hrung mit Geschiebeanteil, daher ist der Abfluss von reinem Wasser als Bemessungsabfluss in der Praxis nicht relevant. Als Sonderfall ist der Abfluss von murartigem Feststofftransport oder Murga¨ngen zu beru¨cksichtigen.

5.3.7

Andere Lastwirkungen auf Schutzbauwerke

Folgende andere Lastwirkungen auf Schutzbauwerk ko¨nnen auftreten und sind im Einzelfall zu beru¨cksichtigen: – Erdbebenkra¨fte,

Hydraulische Bemessung

Die hydraulische Bemessung von Schutzbauwerken umfasst die Dimensionierung der Profile und Bauwerkso¨ffnungen fu¨r die erforderliche Durchflusskapazita¨t der pro Zeiteinheit hindurch bewegten Wasser- und Feststoffmenge sowie der Staura¨ume hinsichtlich der Aufnahmekapazita¨t. Die Durchfluss- bzw. Aufnahmekapazita¨t der Staura¨ume wird der Abflussmenge, Feststofftransportmenge und Feststofffracht des Bemessungsereignisses gegenu¨bergestellt.

6.1

Bemessung des Abflusses im Gerinne

6.1.1

Hydraulische Bemessung des Reinwasserabflusses

6.1.1.1 Abfluss und Wasserbewegung im Wildbach

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

107

Fu¨r die hydraulische Bemessung von Abflu¨ssen in Wildbachgerinnen wird eine stationa¨re Stro¨mung1) angenommen. Als weitere Annahme gilt, dass die Flu¨ssigkeit (Wasser) inkompressibel ist (Newtonsche Eigenschaften). Aufgrund dieser Annahmen wird durch jeden Querschnitt in der gleichen Zeit das gleiche Volumen an Wasser durchfließen. Es gilt die Kontinuita¨tsgleichung: Q w A  v w const.

(30)

mit

Q Abflussmenge, die je Zeiteinheit durch den Querschnitt fließt in [m3/s] A durchflossene Querschnittsfla¨che in [m2] v

Fließgeschwindigkeit in [m/s]

Bei stationa¨rer Fließbewegung ist die gesamte Stro¨mungsenergie, also die Summe aus potenzieller Energie, Druckenergie und kinetischer Energie zeitlich unvera¨nderlich und hat auch la¨ngs der Stro¨mungslinie einen unvera¨nderlichen Wert. Allerdings treten infolge der kinematischen Viskosita¨t des Wassers innere Reibungskra¨fte auf, die Verluste verursachen. Die Verluste sind außerdem auf Reibung, Kru¨mmung und Querschnittsvera¨nderung zuru¨ckzufu¨hren. Entsprechend der Gleichung nach Bernoulli fu¨r die stationa¨re Bewegung mit Verlust (Energiesatz) fa¨llt die Drucklinie mit dem freien Wasserspiegel zusammen und liegt die Energielinie um die Geschwindigkeitsho¨he u¨ber der Drucklinie (Bild 95). Die Energieho¨he hE ist der lotrechte Abstand zwischen dem Bezugshorizont und der Energielinie [189]. hE w z S

p v2 S g 2g

(31)

mit

z

Ho¨he des Stro¨mungsfadens u¨ber dem Bezugshorizont in [m]

p

partieller Stro¨mungsdruck in [kN/m2]

g Wichte der Flu¨ssigkeit in [kN/m3]

g

Gravitationskonstante in [m/s2]

Das Gefa¨lle zwischen zwei Punkten (1, 2) ergibt sich aus dem Quotienten des Vertikalabstandes zum Horizontalabstand L [m] zweier betrachteter Querprofile (s. Bilder 26 und 95). Fu¨r die Bemessung des Wasserabflusses zwischen zwei betrachteten Profilen kann die Bestimmung des Sohlgefa¨lles Iso, Wasserspiegelgefa¨lles Isp und Energieliniengefa¨lles IE nach folgenden Gleichungen erfolgen.

Bild 95. Gleichung von Bernoulli fu¨r reale Flu¨ssigkeiten (nach Ro¨ssert [181])

z2 s z1 L z2 s z1 p2 s p1 Isp w S L gL ISo w

IE w

z2 s z1 p2 s p1 v2 s v21 S S 2 L gL 2gL

Fließgeschwindigkeit und Wasserdruck ha¨ngen nur vom Ort, nicht jedoch von der Zeit ab.

(33) (34)

Der Energiesatz gelangt zur Anwendung, wenn die Energieverluste vernachla¨ssigbar klein sind, bspw. fu¨r den Ausfluss aus einer Sperreno¨ffnung. Grundsa¨tzlich ko¨nnen nach DIN 4044 die in Tabelle 29 dargestellten Arten von Wasserbewegung unterschieden werden [181]. In Wildba¨chen verla¨uft der Abfluss turbulent und stationa¨r-ungleichfo¨rmig, da u¨ber den Stro¨mungsquerschnitt verteilt im Naturgerinne ein sta¨ndiger lokaler Wechsel von Beschleunigung und Verzo¨gerung, beeinflusst durch die Rauigkeitselemente der Sohle, stattfindet. Nur in ku¨nstlichen Gerinnestrecken (Regulierungen) tritt u¨ber la¨ngere Abschnitte eine stationa¨r-gleichfo¨rmige Wasserbewegung auf. Fu¨r den berfall und den Ausfluss aus Sperreno¨ffnungen bei Ru¨ckstau ist die instationa¨re Wasserbewegung relevant. Fu¨r die hydraulische Bemessung von Abflussprofilen geht man trotzdem vereinfachend von der Annahme einer stationa¨r-gleichfo¨rmigen Wasserbewegung aus. Das bedeutet, dass sich die Abflussmenge Q je Zeiteinheit nicht vera¨ndert, die Fließgeschwindigkeit la¨ngs des Gerinnes konstant ist. Aus diesen Annahmen ergibt sich Gl. (35) Iso w Isp w IE w konst.

1)

(32)

(35)

Auf dieser Annahme beruhen die u¨blichen Formeln der Fließbewegung, die fu¨r die Dimensionierung von Abflussprofilen eingesetzt werden. Die

108

6 Hydraulische Bemessung

Tabelle 29. Arten von Wasserbewegung gema¨ß DIN 4044 (nach Ro¨ssert [181], modifiziert) 1. Stu¨rzen, Springen

Wasserbewegung im gasgefu¨llten Raum, wobei das Wasser den wirkenden Kra¨ften nach allen Seiten folgen kann, z. B. Wasserfall, freier Absturz. 2. Fließen

Wasserbewegung auf einer festen Sohle und innerhalb fester Wandungen, unterteilt in: a) Laminares Fließen Die Stromlinien verlaufen parallel. b) Turbulentes Fließen Die Stromlinien verlaufen nicht parallel, sie durchsetzen sich gegenseitig: bliche Wasserbewegung in natu¨rlichen Gerinnen. Unterteilt in Stro¨men und Schießen Der bergang zwischen Stro¨men und Schießen ist in offenen Gerinnen dort, wo die mittlere Fließgeschwindigkeit gleich der Wellengeschwindigkeit ist. 3. Stationa¨re Bewegung

Die Geschwindigkeit in den einzelnen Punkten ist unabha¨ngig von der Zeit, d. h. im gleichen Querschnitt herrscht immer die gleiche Geschwindigkeit und der Abfluss Q ist konstant. Unterteilt in: a) Stationa¨r-gleichfo¨rmige Bewegung Die Geschwindigkeit in den einzelnen Punkten ist unabha¨ngig von Zeit und Ort: z. B. Abfluss in einem ku¨nstlichen Gerinne mit konstantem Querschnitt, wenn im La¨ngsschnitt Wasserspiegellinie und Sohle parallel verlaufen. v1 w v2 Iso w Isp w IE Q1 w Q2 b) Stationa¨r-ungleichfo¨rmige Bewegung Die Geschwindigkeit in verschiedenen Punkten des Stro¨mungsgebietes ist verschieden: z. B. Abfluss in einem natu¨rlichen Gerinne bei konstantem Q. Verzo¨gerte Bewegung: v1 I v2 Iso i Isp I IE Q1 w Q2 Beschleunigte Bewegung: v1 i v2 Iso I Isp i IE Q1 w Q2 4. Instationa¨re Bewegung

Die Geschwindigkeit in den einzelnen Punkten des Stro¨mungsgebietes ist zeitlich vera¨nderlich, z. B. Abfluss aus einem Speicher (Ru¨ckhaltebecken, Stauraum einer Sperre) bei steigendem oder fallendem Wasserspiegel. Qz Ii QA

stationa¨r-gleichfo¨rmige Fließbewegung basiert auf dem Grundsatz der gleichfo¨rmigen Bewegung der Mechanik: Da weder Beschleunigung noch Verzo¨gerung eintritt, werden die gravitativen Kra¨fte durch die Reibungskra¨fte ausgeglichen. 6.1.1.2 Fließgleichungen fu¨r Wildbachgerinne

Bild 96. Grundprinzip der stationa¨r-gleichfo¨rmigen Fließbewegung

Aus dieser Grundbeziehung kann die Fließgleichung von de Chezy fu¨r stationa¨r-gleichfo¨rmige Fließbewegungen abgeleitet werden [181]: pffiffiffiffiffiffiffiffiffi vwc  R  I (36) mit c Rauigkeitsbeiwert in [–] R hydraulischer Radius in [m] I Gefa¨lle in [ %]

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

Die Gleichung nach de Chezy findet zwar in der Praxis heute keine Anwendung mehr, entha¨lt aber alle maßgebenden Bemessungsgro¨ßen fu¨r die Dimensionierung von Abflussquerschnitten. Auf ihr bauen alle heute u¨blichen Fließgleichungen auf. Sa¨mtliche auf der Gleichung von de Chezy aufbauenden Fließgleichungen gelten nur fu¨r den Reinwasserabfluss. Folgende Bemessungsgro¨ßen sind fu¨r die hydraulische Dimensionierung von Abflussquerschnitten zu ermitteln (fu¨r Profile mit trapezfo¨rmigem Querschnitt) (Bild 97) [181]. Bo¨schungsla¨nge: a w h  (1 S n2 )1=2 in [m] Benetzter Umfang: U w 2  a S bso in [m]

(37) (38)

Querschnittsfla¨che: A w (bso S n  h)  h in [m]

(39)

Hydraulischer Radius: R w A=U in [m]

(40)

In der Praxis hat sich heute weitgehend die Fließgleichung nach Strickler [181] durchgesetzt, die in der Regel zur Bemessung von regulierten Abflussquerschnitten Verwendung findet. Mit Einschra¨nkungen kann die Gleichung auch fu¨r unverbaute (natu¨rliche) Abflussprofile angewandt werden. Sie lautet: v w kst  R

2=3

I

1=2

(41)

Der Geschwindigkeitsbeiwert kst ist variabel und nimmt bei konstanter Querschnittsfla¨che A mit abnehmendem benetztem Umfang U zu, d. h. die Abnahme der Rauigkeit dru¨ckt sich nicht nur im hydraulischen Radius R, sondern auch im Geschwindigkeitsbeiwert aus. Der hydraulische Radius kann fu¨r breite Gerinne (ab t i 10 bso) durch die Abflusstiefe t ersetzt werden. bso ist dabei die Sohlbreite. Fu¨r die Wahl von kst fu¨r die praktische Anwendung stehen zahlreiche Angaben in der Literatur zur Verfu¨gung (Tabelle 30). Jarrett [109] gibt den Anwendungsbereich der Stricklergleichung mit

109

einem Gefa¨lle von 0,2 bis 4 % an. Aus diesem Grund ist der Anwendung der Gleichung fu¨r steile Wildba¨che Grenzen gesetzt. In der Gleichung nach Strickler sind der hydraulische Radius R bzw. die Abflusstiefe t die wichtigsten Eingangsgro¨ßen. Diese Parameter lassen sich durch die unregelma¨ßigen Querschnitte fu¨r Naturgerinne aber schwer bestimmen. Ferner nimmt nach Zeller [220] mit zunehmendem Sohlgefa¨lle der Rauigkeitsbeiwert kst ab, sodass ab einem Gefa¨lle von 3 % eine Anpassung vorzunehmen ist. In Tabelle 30 sind die wichtigsten Angaben aus der Literatur zur Festlegung des Geschwindigkeitsbeiwertes kst zusammengefasst, wobei ha¨ufig eine Beziehung zu einem repra¨sentativen Korndurchmesser (d) hergestellt wird. In der Praxis wird die Stricklergleichung auch fu¨r steilere Gefa¨lle (u¨ber 4 %) angewandt, wobei die u¨berproportional hohen Fließgeschwindigkeiten, die die Gleichung fu¨r Steilgerinne ergibt, durch die Wahl eines niedrigeren Abflussbeiwertes ausgeglichen werden. Weiterhin wird in der Bemessungspraxis fu¨r den Reinwasserabfluss die maximale Fließgeschwindigkeit in Wildba¨ chen fu¨r regulierte Gerinnequerschnitte mit 4,5 bis 5 m/s angenommen, um u¨berho¨hte Rechenwerte auf diese Werte zu reduzieren. Beide Vorgehensweisen sind jedoch methodisch nicht einwandfrei und daher zu vermeiden. Fu¨r steile Wildbachgerinne außerhalb des zula¨ssigen Anwendungsbereichs der Stricklergleichung bietet sich die empirische Geschwindigkeits-Gleichung nach Rickenmann [175] an: 0,37  I 0,2  Q 0,34  g0,33 0,35 d 90 (gu¨ltig fu¨r 0,8 I I I 63 %) vw

0,96  I 0,35  Q 0,29  g0,36 0,23 d 90 (gu¨ltig fu¨r 0,09 I I I 0,8 %) vw

kst w

0,56  g0,44  Q 0,11 0,45 I 0,33  d 90

Bild 97. Durchflussprofil

(42)

(43)

(44)

kst nach empirischen Tabellenwerten

kst Tabellenwerte

21,2 ffiffiffiffiffiffi kst w p 6 dm

Ro¨ssert [181]

La¨nger (1989)

Strickler (modifiziert nach Zeller [220])

Garbrecht (zitiert nach [183])

dm

kst w

26 1,6 d90

d90

Korrekturfaktor Dkst zur besseren Anpassung des Rauigkeitsbeiwertes: – fu¨r Flach- und Hu¨gelland: C1 w 239 C2 w 297,2 C1 w 170,9 C2 w 210,8 – fu¨r Bergland und Hochgebirge:

nur fu¨r Flachlandflu¨sse mit kst w 28 bis 37

flussartige Gerinne bei Mittelwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–25 bei Hochwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bis 35

Natu¨rliche Wasserla¨ufe: Wildbach mit grobem Gero¨ll, ruhendes Geschiebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25–28 Wildbach mit grobem Gero¨ll, Geschiebe in Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19–22 Ku¨nstliche Gerinne: Bruchsteinwand, Sohle Sand, Kies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45–50 Grober Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Gebirgsba¨che: Sohle: Kies und Steine, einige Blo¨cke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–33 Sohle: Steine und grobe Blo¨cke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14–25 Blocksohle, sehr unregelma¨ßig, aus dem Wasser ragend, kleine Schnellen . . . . . . . . 10–15 Wildba¨che bei Hochwasser: Grobkiessohle mit Steinen, gerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–25 dito, stark gewunden und Ufer sehr unregelma¨ßig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15–20 Steinsohle mit einzelnen Blo¨cken, sehr unregelma¨ßig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12–17 Blocksohle, sehr unregelma¨ßig, viele Schnellen und Kolke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–15 stark verwachsen, viel verklemmtes Altholz (Wildholzschwellen) . . . . . . . . . . . . . . . 5–12

Kornparameter Anwendungsbereich

21 ffiffiffiffiffiffiffi SDkst kst w p d50 6 d50 " # 0,0063 d50  v0,1025 Dkst w C1  0,0292 s C2 I  R0,0398

kst nach empirischen Tabellenwerten

Zeller und Tru¨mpler [240]

Zeller [220]

Gleichung

Autoren

Tabelle 30. Vorschla¨ge fu¨r die Festlegung des Geschwindigkeitsbeiwertes nach Strickler (zusammengestellt nach Rudolf-Miklau [183])

110 6 Hydraulische Bemessung

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

Die Gleichung ist fu¨r den Gefa¨llebereich von 0,8 bis 63 % gu¨ltig. Eine a¨hnliche Gleichung schla¨gt Meunier, zitiert nach Rickenmann [173] vor: 3,9 v w 0,56  I 0,289  t (45) d 84 6.1.1.3 Beschreibung des Abflussverhaltens

Fu¨r eine gegebene Energieho¨he hE und Abflussmenge Q kann der Abfluss in zwei Wassertiefen erfolgen: Wenn das Wasser mit großer Tiefe und geringer Geschwindigkeit abfließt, herrscht stro¨mender Abfluss, wenn es jedoch mit großer Geschwindigkeit und geringer Tiefe abfließt, herrscht schießender Abfluss. Der schießende Abfluss weist die gro¨ßere kinetische Energie auf und ist deshalb in offenen Gerinnen meist unerwu¨nscht. Sein Auftreten ist jedoch vor allem in steilen und sehr glatten Gerinnen oft nicht zu vermeiden, sodass ggf. Einbauten zur Energieumwandlung erforderlich sind. Bei stro¨mendem Abfluss macht sich die Wirkung von Maßnahmen (Querschnittsa¨nderung, Einbauten) entgegen der Fließrichtung bemerkbar, daher sind in diesem Fall die Berechnungen entgegen der Fließrichtung durchzufu¨hren. Bei schießendem Abfluss wirken sich Maßnahmen in Fließrichtung aus, die Berechnungen erfolgen daher ebenfalls in diese Richtung. Der bergang vom stro¨menden zum schießenden Abfluss erfolgt kontinuierlich, dagegen verla¨uft der bergang vom Schießen zum Stro¨men diskontinuierlich in Form eines Wechselsprungs (z. B. unterhalb von Wehren im Tosbecken) [28]. Zur Beschreibung des Abflussverhaltens wird die Froude-Zahl Fr verwendet [189]: v (46) Fr w pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi g  ho Die hydraulische Tiefe ho (in [m]) ergibt sich aus dem Quotienten der Querschnittsfla¨che des Profils A und der Wasserspiegelbreite Bsp : A ho w (47) Bsp Die Froude-Zahl entspricht dem Verha¨ltnis zwischen der Abflussgeschwindigkeit und der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit einer Sto¨rung an der Wasseroberfla¨che. Der Abflussvorgang ist stro¨mend, wenn Fr I 1 ist. Der Abflussvorgang ist schießend, wenn Fr i 1 ist. Der Abfluss findet bei kritischer Tiefe statt, wenn Fr w 1 ist.

111

Bei der Bewertung des Abflussverhaltens in Wildba¨chen wird zwischen einem Abfluss u¨ber einer hydraulisch glatten und einer hydraulisch rauen Sohle unterschieden. Eine hydraulisch glatte Sohle tritt praktisch nur in befestigten Regulierungsstrecken auf, wa¨hrend in Naturgerinnen die Rauigkeitswirkung der groben Sohlelemente (Formrauigkeit) maßgeblich ist. Die relative berdeckung ist das Verha¨ltnis zwischen der Abflusstiefe und der Ho¨he der Rauigkeitselemente. Sie liegt in Wildba¨chen in der Regel zwischen 1 und 10 [23]. Je nach relativer berdeckung stellt sich ein unterschiedliches Fließverhalten ein. Bei geringer relativer berdeckung ko¨nnen folgende Typen von Abflusszusta¨nden unterschieden werden [17]: x durchgehend stro¨mender Abfluss: Fr I 1 x durchgehend schießender Abfluss: Fr i 1 Kaskadenfo¨rmiger Abfluss: stro¨mender und schießender Abfluss wechseln kleinra¨umig. Aus dieser Bewertung des Abflussverhaltens ergeben sich fu¨r die Bemessung des Abflusses folgende Schlussfolgerungen: 1. Fu¨r die Ermittlung des Abflusses spielt das Sohlgefa¨lle und die relative berdeckung eine wichtige Rolle. Beide Parameter wa¨ren daher bei Abflussgleichungen zu beru¨cksichtigen. 2. Durch die hohe Variabilita¨t der relativen berdeckung ist die Bestimmung des hydraulischen Radius bzw. der mittleren Fließtiefe oft problematisch. 6.1.1.4 Bemessung von Vera¨nderungen im Abflussprofil

In ku¨nstlichen Gerinnen (Regulierungsstrecken) treten ha¨ufig Vera¨nderungen im Abflussprofil (Querschnittserweiterungen, Querschnittsverengungen) auf, die jeweils zu Verlusten in der Stro¨mungsenergie fu¨hren [189]. Ziel ist es daher, Profilu¨berga¨nge mo¨glichst verlustfrei zu gestalten und die Ausbildung von Walzen oder Wechselspru¨ngen zu verhindern. Fu¨r die Planung der berga¨nge kann die Ermittlung der Verlustho¨hen (hv) von Bedeutung sein. Fu¨r die Querschnittsverengung gilt Gl. (48), basierend auf Bild 95.  2  v2 v21 hv w c  (48) s 2 2 mit

v1 Fließgeschwindigkeit oberhalb der Querschnittsverengung in [m/s] v2 Fließgeschwindigkeit unterhalb der Querschnittsverengung in [m/s] c

Verlustbeiwert (0,5 fu¨r scharfkantigen bergang; 0,05 fu¨r trompetenfo¨rmigen bergang)

112

6 Hydraulische Bemessung

Bei einer Querschnittserweiterung ist die Ausbildung von verlustbildenden Walzen nicht so leicht zu vermeiden wie bei Querschnittsverengungen. Bei stetiger Erweiterung ist der Verlust nur so lange gering, wie die Erweiterung unter einem Winkel von 6 bis 10 Grad stattfindet. Bei sta¨rkeren Erweiterungen sind die Verluste ebenso betra¨chtlich wie bei unstetigen Erweiterungen. Fu¨r die u¨berschla¨gige Ermittlung kann man im Falle eines stro¨menden Abflusses annehmen, dass der Erweiterungsverlust gerade den Wasserspiegelanstieg infolge der Verringerung der Geschwindigkeit aufhebt. Man liegt auf der sicheren Seite, wenn man die Wasserspiegellinie des Unterwassers bis zur engsten Stelle verla¨ngert und von hier aus die Berechnung der Wasserspiegellage zum Oberwasser hin fortsetzt. Zur Abscha¨tzung kann man beim bergang von einem Rechteckquerschnitt auf einen Trapezquerschnitt bei konstanter Sohlbreite folgende Gleichung anwenden:  2  v v2 hv w c  1 s 2 (49) 2 2 mit

v1 Fließgeschwindigkeit oberhalb der Querschnittserweiterung in [m/s] v2 Fließgeschwindigkeit unterhalb der Querschnittserweiterung in [m/s] c

Verlustbeiwert (1,0 bei unstetiger Erweiterung; 0,1 bei stetiger Erweiterung)

6.1.1.5 Bemessung von Kru¨mmungen

In Regulierungsstrecken von Wildba¨chen (Kunstgerinnen) spielt in engen Kru¨mmungen die Wasserspiegellage eine wichtige Rolle. So kann es aufgrund der Zentrifugalkra¨fte im Außenbogen zu einer Auslenkung des Wasserspiegels und zum berborden kommen. Daher ist bei der Bemessung enger Kru¨mmungen in Regulierungsstrecken ein ausreichendes Freibord oder eine Kurvenu¨berho¨hung zu beru¨cksichtigen [181]. Die Erho¨hung des Wasserspiegels Dh im Außenbogen kann fu¨r stro¨menden Abfluss nach Gl. (50) ermittelt werden:   v2 r2 Dh w  ln (50) g r1 mit

r1 Kru¨mmungsradius im Außenbogen [m] r2 Kru¨mmungsradius im Innenbogen [m] v

Fließgeschwindigkeit oberhalb der Kru¨mmung [m/s]

6.1.2

Bemessung des Geschiebetransportes im Gerinne

6.1.2.1 Fluviatiler Feststofftransport

In Wildba¨chen tritt bei Hochwasserereignissen selten Reinwasserabfluss auf. Der Transport von Geschiebe und anderen Feststoffen (Wildholz, Schwebstoffe, Schwemmstoffe) ist ein fester Bestandteil der hydraulischen Bemessung von Gerinnequerschnitten. Der Feststofftransport in Wildba¨chen ist zwar zum Abfluss korreliert, verla¨uft aber im brigen sehr variabel: Zu beru¨cksichtigen sind die Feststoffmobilisierung, die Wechselwirkung mit der Sohle (Deckschicht) sowie der bergang zum murartigen Transportprozess. Bei fluviatilem Feststofftransport werden die Feststoffkomponenten vom Wasser rollend, gleitend und springend u¨ber der Sohle fortbewegt. Durch selektive Ausschwemmung der Sohle und Einregelung der groben Komponenten entsteht eine Deckschicht, die stabiler gegen die Schleppkraft ist (Abpflasterung). Dabei entstehen Sohlstrukturen (Schwellen, Stufen, Kolke), die ein Charakteristikum der natu¨rlichen Sohle eines Wildbaches darstellen [195]. Findet der Feststofftransport mit hoher Konzentration statt, vera¨ndert sich die Fließgeschwindigkeit in Relation zum Reinwasserabfluss [175]. Der fluviatile Feststofftransport erfolgt nicht kontinuierlich, sondern unterliegt starken Fluktuationen („pulsierende“ Transportspitzen mit dazwischen liegenden Ruhephasen). Die Korrelation zwischen Abflussmenge und Feststofftransport ist nicht in jeder Phase der Abflussganglinie gleich stark. Das „Pulsieren“ der Transportrate wa¨hrend eines Hochwasserereignisses ist in Wildba¨chen auch auf hydraulische Instabilita¨ten und auf diskontinuierliche Mobilisierungsmechanismen (z. B. spontanes Abgleiten einer Uferbo¨schung, Aufreißen der Deckschicht mit nachfolgender Erosion der Grundschicht) zuru¨ckzufu¨hren. In Wildba¨chen ko¨nnen folgende Typen fu¨r Transportvorga¨nge unterschieden werden: a) Transport u¨ber eine intakte Deckschicht (Abpflasterung der Sohle), b) Transport u¨ber eine Deckschicht mit Sedimentaustausch (aktive Deckschicht), c) Transport nach Aufbrechen der Deckschicht (bei permanenten Austausch zwischen Transportgeschiebe und Sohlsediment, Erosion der Sohle). Geschiebetransport findet erst ab einer gewissen Grenzschleppkraft statt (Transportbeginn). Zuna¨chst erfolgt der Transport nach Typ a noch mit selektiver, korngro¨ßenabha¨ngige Mobilita¨t der Geschiebefraktionen, wechselt bei Typ c zu

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

einem unselektiven (korngro¨ßenunabha¨ngigen) Massentransport (Sohlerosion). In Gebirgsba¨chen ist der Geschiebetransport in der Regel feststofflimitiert und ha¨ngt von der im Einzugsgebiet bereitgestellten Feststoffmenge ab (vgl. Abschnitt 2.3.2). Ein weiterer wichtiger Faktor fu¨r die Bemessung des Abflusses mit fluviatilem Geschiebetransport in Wildba¨chen ist die kontinuierliche Vera¨nderung des Fließwiderstandes wa¨hrend einem Hochwasserereignis. Wa¨hrend am Anfang eines Hochwasserabflusses noch u¨ber einer grobblockigen Sohle die groben Rauigkeitselemente den Fließwiderstand bestimmen, verringert sich mit zunehmendem Geschiebetransport die Rauigkeit sukzessiv, weil die Zwischenra¨ume der Grobkomponenten in der Sohle mit feinem Sediment aufgefu¨llt werden. Dadurch gla¨ttet der Wildbach die Sohle und erho¨ht weiter die Transportkapazita¨t. Erst mit abnehmendem Geschiebetrieb wird die Sohle wieder zunehmend von Feinteilen erodiert und die Sohlrauigkeit steigt wieder. Der Geschiebetransportbeginn (Mobilisierungsbeginn) ist jener Zeitpunkt, bei dem durch steigende Schleppspannung die ersten Ko¨rner aus dem Sohlverband gelo¨st und abtransportiert werden. Fu¨r die Modellierung des Geschiebetransports ist dieser Faktor von großer Bedeutung und durch den dimensionslosen Shields-Faktor uc ausgedru¨ckt (auch: dimensionslose Sohlschubspannung). Dieser Faktor ha¨ngt von der Schleppspannung t, dem Korndurchmesser d, der Gerinneneigung I und der Dichte des Sediments rs bzw. des Wassers rw ab. Die meisten Geschiebetransportgleichungen basieren auf diesem Konzept [161]. Die Schleppspannung ergibt sich aus Gl. (51): t w r  g  h  IE

(51)

Shields [192] gibt fu¨r eine hydraulisch raue Sohle einen konstanten Wert fu¨r uc mit 0,05 an. Nach Bezzola [23] ist aufgrund des Einflusses der Kornform mit einem Schwankungsbereich von 0,02 bis 0,65 zu rechnen. Fu¨r steile Gerinne u¨ber 2 % mit grobem Sohlsediment (Gebirgsba¨che) schla¨gt Bathurst et al. [20] folgende Gleichung fu¨r den Shields-Faktor vor, der den durch das Gefa¨lle geringeren Stro¨mungsangriff auf die Sohle beru¨cksichtigt: t hI  w  E  uc w (52) r g  d  rg s rw d  g s1 rw

mit t

Schleppspannung in [N/m2]

g

Gravitationskonstante in [m/s2]

d

Korndurchmesser in [m]

113

rs Dichte des Feststoffs (Geschiebe) in [kg/m3] rw Dichte des Wassers in [kg/m3]

IE Energieliniengefa¨lle w Wasserspiegel bei stationa¨ren Verha¨ltnissen [–] Weitere Gleichungen zur Festlegung des Geschiebetransportbeginns mit dem Shields-Faktor (dimensionslos) oder alternativ dem kritischen Abfluss qc ko¨nnen der Arbeit von Rickenmann/ Brauner [177] entnommen werden. Bei der Wahl der geeigneten Gleichung ist vor allem die Ausbildung der Deckschicht von Bedeutung. Als obere Grenzbedingung fu¨r den Transportbeginn kann Gl. (53) nach Whittaker/ Ja¨ggi [216], und als untere Grenze des Transportbeginns Gl. (54) von Bathurst et al. [18] verwendet werden. rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi ffi rg s rw qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 3  I s 7=6 qc w 0,257   g  d65 (53) rw (0,02 I I I 0,09) qc w 0,15  I s 1,12 

qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 3 g  d50

(54)

(0,05 I I I 0,25) mit

qc kritische Abflussmenge (fu¨r 1 m Gerinnebreite) in [m3/s.m] Iso Sohlgefa¨lle in [–] Fu¨r die weitere Anwendung der Geschiebetransport-Modelle im Rahmen dieses Kapitels ist die Gleichung nach Rickenmann [173] maßgebend: 1,5 qc w 0,065  (rg rw s 1)1,67  g0,5  d50  Isos 1,12 (55) mit

qc kritische Abflussmenge (fu¨r 1 m Gerinnebreite) in [m3/s.m] Iso Sohlgefa¨lle in [–] Die gro¨ßte Problematik der Anwendung dieser Gleichung fu¨r den Wildbach besteht in der Schwierigkeit der Erfassung der fu¨r den Geschiebetransportbeginn relevanten Kornverteilung (Deckschicht) und des repra¨sentativen Korndurchmessers, weil weder die Methodik der Sedimentanalyse noch die Wahl des Probeortes zufriedenstellende Ergebnisse bringt. Besonders schwierig gestaltet sich die Erhebung der repra¨sentativen Korndurchmesser dm, d90, d50, d30 (s. Rudolf-Miklau [183]). Weitere Faktoren, die die Anwendbarkeit von im Labor entwickelten Geschiebetransportgleichungen in Wildba¨chen stark einschra¨nken sind:

114 – – – – –

6 Hydraulische Bemessung

wechselnde Transportbedingungen und Transportprozesse (fluviatil, murartig), stark wechselnde Bedingungen in der Sohle: Deckschichtbildung, Rauigkeitsverha¨ltnisse, ungleichma¨ßiger Geschiebetransportbeginn, pulsierender Feststofftransport, Unsicherheit bei der Feststellung der relevanten Geschiebekonzentration, große Unterschiede zwischen der Zusammensetzung des Transportgeschiebes und Sohlgeschiebes.

In der Literatur sind zahlreiche Geschiebetransportgleichungen beschrieben [219, 247, 289]. Die Transportgleichungen unterschiedlicher Form (Schreibweise) ko¨nnen einheitlich durch den Shields-Faktor und den Einstein-Faktor dargestellt werden. Der Einstein-Faktor F, das ist die dimensionslose spezifische Geschiebetransportrate, ergibt sich nach folgender Gleichung: qs ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi (56) F w r  rs s r 3  g  d r mit

qs Geschiebetransportrate in [m3/s.m] Durch Umformung erha¨lt man daraus die spezifische Transportrate qs : sffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi   rs s r qs w F  (57)  g  d3 r Am ehesten gelangen heute jene Geschiebetransportgleichungen zum Einsatz, die speziell fu¨r Steilgerinne entwickelt wurden und die maximale Transportkapazita¨t ergeben.

Gerinne nach der Gleichung von Smart/Ja¨ggi [195] berechnet werden:  0,2 4 d90 qg w  q  I 1,6  rg rw s1 d30   uc  ðrs =rw s1Þ  dm (59) 1s hg S w  I mit

hgSw Fließtiefe bei Geschiebetransport in [m] dm

geometrisches Mittel der Sieblinie (d64) in [m]

Die Gleichung gilt fu¨r einen Gefa¨llebereich von 0,2 I I I 20 %, wobei uc konstant mit 0,05 und d90/d30 (Ungleichfo¨rmigkeitsgrad) I 10 angenommen werden kann. Aus diesen Annahmen ergibt sich eine vereinfachte Form der Gleichung:   dm qg w 2,5  q  I 0,6  I s (60) 12,1  hg S w Die Gleichungen nach Smart und Ja¨ggi bzw. Rickenmann basieren auf einem Satz von Labordaten, die in einer Reihe von Modellversuchen am VAW (ETH-Zu¨rich) entwickelt wurden. Palt [161] erweiterte diesen Datensatz um Naturdaten aus dem Karakorum-Gebirge und ermittelte zwei Geschiebetransportgleichungen, in die ein Formverlustfaktor (kst/ks)2 eingeht. In diesen Gleichungen kommt bei Intensivierung der Transportrate ein verringerter Einfluss der Formrauigkeit der Sohle bzw. ein vergro¨ßerter Schubspannungsangriff zum Ausdruck. Palt fu¨hrt als Gru¨nde dafu¨r das Aufbrechen der Deckschicht und die Zersto¨rung der Sohlformen an.  2 !5,25  2 ! kst kst F w 10041  u mit u I 0,22 kr kr

Fu¨r steile Wildba¨che kann die Gleichung nach Rickenmann [173] angewandt werden:  0,2 12,6 d90 qg w   ðq s qc Þ  I 2 1,6  d30 rg rw s1 (58)

fu¨r 0,2 I Iso I 12,4 %:

mit

qs Geschiebetransportrate in [m3/s.m]

  kst w 0,1  Isos 0,36 kr

(61)

d30 Korndurchmesser: 30 % der Sieblinie in [m]

 2 !1,42  2 ! kst kst F w 29,57   u mit u i 0,22 kr kr

q

fu¨r

d90 Korndurchmesser: 90 % der Sieblinie in [m] spezifischer Reinwasserabfluss fu¨r 1 m Gerinnebreite in [m3/s.m]

   0,21 kst h 0,28 s 5 I Iso I 20 %:  w 0,13  Iso d90 kr

Die Gleichung gilt in Wildba¨chen fu¨r einen Gefa¨llebereich von 5 % I I I 20 %. Basierend auf dem Ansatz der kritischen Schubspannung kann der Geschiebetransport fu¨r steile

mit

kr Rauigkeitsbeiwert nach Palt

(62)

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

6.1.2.2 Murartiger Geschiebetransport

Bei murartigem Geschiebetransport kommt es zu einer maßgeblichen Vera¨nderung der Eigenschaften des Transportprozesses. In den Vordergrund treten dabei folgende Faktoren: – Viskosita¨t und Turbulenz des transportierten Mediums, – dispersive Kra¨fte durch die Kollision der Grobkomponenten, – Scherkra¨fte der Matrix (Feinkomponenten und Wasser). Je nach Dominanz dieser rheologischen Prozesseigenschaften werden Schlammmuren (ohne grobe Komponenten) und granulare Murga¨nge (grobe Komponenten in feinko¨rniger Murmatrix) unterschieden. Wa¨hrend bei den Schlammmuren die Viskosita¨t und Turbulenz von Bedeutung ist, dominiert in den granularen Murga¨ngen der Einfluss der dispersiven Kra¨fte der Grobkomponenten und die Viskosita¨t der Matrix. Der murartige Feststofftransport kann durch intensive Feststoffeinsto¨ße ins Gerinne, die Verflu¨ssigung großer Sohlkompartimente oder nach dem Durchbruch von Verklausungen (Dammbruch) entstehen. Die unterschiedlichen Verlagerungsprozesse fu¨hren zur Ausbildung typischer Formen der Abflussganglinien (Bild 98) [185]. Zeigen fluviatiler und murartiger Feststofftransport eine hochwassera¨hnliche Auspra¨gung, weist ein Murgang angena¨hert eine dreieckfo¨rmige Ganglinienform mit a¨ußerst steilem Anstieg auf. Der Spitzenabfluss wird innerhalb ku¨rzester Zeit erreicht (Murfront) und nimmt dann kontinuierlich wieder ab (Murko¨rper, Murschwanz). Außerdem ist bei einem Murgang zu beachten, dass sich die Feststoffverlagerung auch auf mehrere Murschu¨be aufteilen kann, wodurch sich der Spitzenabfluss verringert, die Ereignisdauer aber verla¨ngert. Ein Murgang verla¨uft somit weitgehend unabha¨ngig von der fu¨r ein Ereignis berechneten Hochwasserganglinie. Dieses Verhalten der Abflu¨sse in Wildbacheinzugsgebieten zeigte sich auch deutlich anla¨sslich der Ereignisse im August 2005 in Tirol (Bild 94). Trotz etwa gleich hohem Gebietsniederschlag,

a¨hnlicher Geologie und Waldausstattung weisen murartige Verlagerungsvorga¨nge und Muren weit ho¨here Abflussspenden auf als Einzugsgebiete mit fluviatilen Prozessen. Nur wenige geschiebehydraulische Modelle sind fu¨r eine Geschiebetransportberechnung in steilen Gerinnen (i 10 Prozent) und murartigem Feststofftransport geeignet (s. Tabelle 32). Deshalb kann na¨herungsweise mit Zuschla¨gen zum Reinwasserabfluss Qw gerechnet werden, wie es auch in der DIN19 663 [55] vorgesehen ist. Unter Beru¨cksichtigung des Geschiebefrachtdiagramms la¨sst sich die volumetrische Konzentration cv des Abflusses eines Ereignisses an verschiedenen Gerinnestandorten abscha¨tzen. Fu¨r die volumetrische Feststoffkonzentration (mit VW w Wasserfracht, VG w Geschiebefracht) gilt: VG cv w (63) VW S VG Daraus la¨sst sich ein Faktor (Mengenfaktor BF) ableiten, der die Erho¨hung des Reinwasserabflusses durch Geschiebetransport repra¨sentiert. cv BF w 1S (64) (1scv ) Der Bemessungsabfluss des Gemisches errechnet sich somit zu: Qwg w Qw  BF

(65)

Da ein Murgang nur eine sehr kurze Ereignisdauer twg bei weit ho¨herer Fracht als ein Hochwasser tw aufweist, muss zur Abscha¨tzung des Spitzenabflusses diese kurze Ereignisdauer speziell beru¨cksichtigt werden. Dadurch erho¨ht sich der Spitzenabfluss gegenu¨ber dem theoretischen Reinwasserabfluss bis zum Faktor 100. Die große Bandbreite der mo¨glichen Spitzenabflu¨sse Qwg aus WasserFeststoffgemischen vereinfacht die Entscheidung des Planers nicht, sie spiegelt aber die Variabilita¨t der Reaktion von Wildbacheinzugsgebieten wieder. Bei Vorliegen von Analysen stattgefundener Ereignisse la¨sst sich die Bandbreite der aufgelisteten Zuschla¨ge (Intensita¨tsfaktor IF) einschra¨nken. Qwg w Qw  IF

(66)

Tabelle 31. Prozessspezifische Zuschla¨ge zum Reinwasserabfluss bei der Ermittlung des Spitzenabflusses von Wasser-Feststoff-Gemischen (nach Hu¨bl [97])

cv [–]

twg/tw [–]

IF [–]

Hochwasser

0,00–0,05

1,00

1,00–1,05

Fluviatiler Feststofftransport

0,05–0,20

0,90–1,00

1,05–1,40

Murartiger Feststofftransport

0,20–0,40

0,50–0,90

1,40–3,50

Murgang

0,50–0,80

0,05–0,50

3,50–100,00

Prozess

115

116

6 Hydraulische Bemessung

Bild 98. Typen der Abflussganglinien von WasserFeststoff-Gemischen: (A) Hochwasser; (B) Feststofftransport; (C) Murgang (nach Hu¨bl [97])

Bild 99. Abflussspenden von Wildba¨chen anla¨sslich des Ereignisses vom 22./23.8.2005 in Tirol, klassifiziert nach Verlagerungsprozessen (nach Hu¨bl et al. [101])

In einem Wildbach muss ab einer mittleren Sohlneigung von 18 % und bei Fehlen stabilisierender Sohlstrukturen mit murartigen Transportvorga¨ngen gerechnet werden. Mit den Transportgleichungen nach Smart/Ja¨ggi [195] sowie Rickenmann [173] kann fu¨r steile Gerinne und hohe Abflussintensita¨ten Feststoffkonzentrationen ermittelt werden, wie sie fu¨r murartige Transportprozesse typisch sind. Fu¨r Wildbachstrecken mit hoher Sohlrauigkeit (stark strukturierte Sohle) und Abflu¨sse nahe dem Mobilisierungsbeginn u¨berscha¨tzen die Gleichungen allerdings die Transportrate fu¨r murartige Prozesse stark.

Der Einsatz von hydraulisch-sedimentologischen, numerischen Simulationsmodellen fu¨r den Bereich der Schotterflu¨sse ist in der Ingenieurpraxis bereits weit fortgeschritten. Die Anwendung dieser Modelle auf Wildba¨che ist hingegen unter Verweis auf das zuvor ausgefu¨hrte Anwendungsproblem kritisch zu betrachten. Einen berblick u¨ber die in der Praxis u¨blichen Simulationsmodelle, deren Anwendung in Wildba¨chen mit gewissen Vorbehalten mo¨glich ist, gibt Tabelle 32 [177]. Die am ha¨ufigsten bisher fu¨r Wildba¨che eingesetzten Simulationsmodelle sind MORMO, FLUMEN, HEC-RAS und FLO-2D.

1D (kinematische Welle)

1D

1D

1D

1D

1D

1D

1D

1D (2D)

1D (2D)

1D (2D)

1D (2D)

2D

2D

2D

3D

SETRAC-HYDRAC

BOSS DAMBRK

FLDWAV

HEC-RAS

MORMO

FLUX.DDS

SEC-HY 11

SEDICOUP

QUASED/HEC2SR

FLUVIAL-12

GSTARS 2.1

CCHE

FLUMEN

MIKE-FLOOD

FLO-2D

SSIIM

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

eventuell in Zukunft

eventuell in Zukunft

ja

ja

Berechnung Geschiebetransport

andere

MPM1)

MPM,SJ

MPM,SJ

andere

MPM, Parker

MPM

MPM

MPM

MPM, SJ

MPM, SJ

MPM, SJ

[MPM]

SJ, RI

andere

Transportformeln

ja

ja

Berechnung Murga¨nge

hohe Stabilita¨t, Hydraulik

hohe Stabilita¨t Hydraulik

Bemerkungen

IAN

(IAN)

IAN

IWHW

IAN, IWHW

IAN, IWHW

IAN

IAN

IWHW

Erfahrungen an der BOKU

Na¨herungsformel (siehe FLO-2D Manual). Abku¨rzungen: MPM w Meyer-Peter/Mu¨ller (1984), SJ w Smart/Ja¨ggi (1983), RI w Rickenmann (1990), ANFI w Institut fu¨r Alpine Naturgefahren und Forstliches Ingenieurwesen, IWHW w Institut fu¨r Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau, BOKU w Universita¨t fu¨r Bodenkultur Wien.

1D (kinematische Welle)

KINEROS

1)

Hydraulische Berechnung nur 1D oder auch 2D

Name des Simulationsmodells

Tabelle 32. berblick u¨ber die hydraulisch-sedimentologischen Simulationsmodelle mit bedingter Eignung fu¨r den Einsatz in Wildba¨chen (nach Rickenmann/Brauner [177])

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne

117

118

6 Hydraulische Bemessung

6.2

Hydraulische Bemessung von Querbauwerken

6.2.1

Bemessung der berfalls (Abflusssektion)

Der Abfluss u¨ber ein Querwerk kann als vollkommener oder unvollkommener berfall erfolgen. Der vollkommene berfall liegt vor, wenn eine Beeinflussung des Oberwasserstandes und damit der u¨berfallenden Wassermenge durch das Unterwasser nicht gegeben ist. Ein unvollkommener berfall liegt vor, wenn der Oberwasserstand und damit die u¨ber das Querwerk abfließende Wassermenge vom Unterwasserstand beeinflusst sind [189]. Der Abfluss u¨ber ein Sperrenbauwerk erfolgt meist als vollkommener berfall (Bild 100). Der Zufluss im Oberwasserbereich erfolgt gleichfo¨rmig, bis es zur Absenkung des Wasserspiegels (kritische Abflusstiefe hk) und zum kontinuierlichen bergang vom stro¨menden zum schießenden Abfluss kommt. Der berfallstrahl stu¨rzt u¨ber die Abflusssektion in das Tosbecken, wird dort verzo¨gert und vollzieht wiederum den bergang vom schießenden zum stro¨menden Abfluss. Der bergang erfolgt diskontinuierlich in Form eines Wechselsprungs; dabei wird meist eine Deckwalze ausgebildet. Unterhalb des Wechselsprungs erfolgt der Abfluss wieder gleichfo¨rmig. In der Wildbachverbauung treten fu¨r Querbauwerke in Abha¨ngigkeit der Ho¨he des Absturzes DH und des Fließverhaltens des Zuflusses (stro¨mend oder schießend) verschiedene berfalltypen in Erscheinung. Das Abflussvermo¨gen bei vollkommenem berfall wird nach der Gleichung von Weisbach ermittelt, wenn eine Anstro¨mgeschwindigkeit zu beru¨cksichtigen ist:

" 3=2  2 3=2 # pffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2 v2 v Q w  m  bm  2  g h€u S s 3 2g 2g (67)

Kann die Anstro¨mgeschwindigkeit vernachla¨ssigt werden, kann die Gleichung von Poleni zur Anwendung gelangen: Qw

pffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2 3=2  m  2  g  bm  h€u 3

(68)

mit

hu¨ Ho¨he der Profils der Abflusssektion (wird der Energieho¨he hE gleichgesetzt) in [m] v

Anstro¨mgeschwindigkeit in [m/s]

m berfallbeiwert: fu¨r breite, scharfkantige Wehrkrone w 0,55 [–] [28]

bm mittlere Breite der berfallsektion in Ho¨he 1=3  HA in [m] g

Gravitationskonstante in [m/s2]

Fu¨r die Wahl der Breite der Abflusssektion ist zu beachten, dass durch die Hebung der Gerinnesohle die Sohlbreite des Gerinnes im Oberwasser wesentlich breiter wird als im unverbauten Zustand bzw. die Sohlbreite im Unterwasserbereich der Sperre. Die Kontraktion des stro¨menden Zuflusses soll in der Abflusssektion mo¨glichst gering gehalten werden. Andererseits tritt eine Dilatation des Wasserstrahls im berfall ein, sodass dieser in gro¨ßerer Breite als bA auf die Sohle im Sperrenvorfeld auftrifft. Bei zu geringer Breite im Sperrenvorfeld ko¨nnen daher die Talflanken vom berfallstrahl beaufschlagt werden und sind unbedingt gegen Erosion

Bild 100. Vollkommener berfall u¨ber ein Querbauwerk (nach Zeller [218])

6.2 Hydraulische Bemessung von Querbauwerken

119

Bild 101. berfalltypen u¨ber Querbauwerken der Wildbachverbauung (nach Zeller [218])

Bild 102. Schema des Sperrenu¨berfalls – vollkommener berfall (nach Bo¨ll [28])

zu sichern. Als Richtwert zur Beru¨cksichtigung dieses Faktors fu¨r die Gestaltung der Breiten der Abflusssektion und der Sohle im Vorfeld gilt nach [28] (Mindestwert): bA w ð0,8  0,9Þ  bs

(69)

mit

bA Breite der Abflusssektion an der berfallkante bs Breite der Sohle im Sperrenvorfeld

(Bild 103) abgeleitet werden und ha¨ngt von der Wehrform sowie vom Verha¨ltnis der Abflusstiefe im Oberwasser hu¨ und der Abflusstiefe im Unterwasser hu ab [181]. Durch den berfall bilden sich nicht nur vertikale Wirbel (Walzen) aus (Deckwalze, Grundwalze), sofern eine ausreichende Sohlbreite im Vorfeld der Sperre gegeben ist, treten auch Randwalzen in Erscheinung, die durch Ru¨ckstro¨mung im Bereich der Ufer gebildet werden.

Die Bemessung des Abflussvermo¨gens bei unvollkommenem berfall erfolgt nach Gl. (70): pffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2 3=2 Q w c   m  2  g  b  h€u (70) 3

In der Natur treten in der Regel keine konstanten Abflu¨sse auf, sodass beim Ablauf einer Hochwasserwelle mit einem mehrfachen Wechsel des berfalltyps zu rechnen ist. Diese Variabilita¨t ist bei der Dimensionierung des berfalls und Tosbeckens (Vorfeldes, Kolks) unbedingt zu beachten.

Der berfall ist unvollkommen fu¨r c I 1,0. Der Beiwert c kann aus dem Nomogramm nach Ro¨ssert

Je nach Art des Querbauwerks bildet sich ein voll aufliegende oder ein frei fallender berfallstrahl

120

6 Hydraulische Bemessung

Die Energieumwandlung des berfallstahls ist umso vollkommener, je mehr die Abflussverha¨ltnisse dem berfalltyp 3 (Vollkommener berfall mit bedecktem Tauchstrahl) gleich kommen. Deshalb ist aus hydraulischer Sicht die Ausbildung eines freien, tiefen Sperrenkolks von Vorteil. Da die freie Kolkbildung aus Sicht der Standsicherheit des Querbauwerks selten vertretbar ist, wird im Vorfeld von Sperren ha¨ufig ein Tosbecken mit ku¨nstlicher Vertiefung (eingesenkte, befestigte Sohle) angeordnet oder die Kolkbildung wird durch die Anordnung einer Tosbeckenschwelle (Vorsperre) begrenzt.

Bild 103. Unvollkommener berfall: Bestimmung des Beiwertes c (nach Ro¨ssert [181])

aus [218]. Ein aufliegender berfallstrahl kann durch Sogwirkung und Kavitation Scha¨den am Bauwerk verursachen. Daher ist es von großer Bedeutung, dass die Unterseite des berfallstrahls gut belu¨ftet ist. Andernfalls wird der berfallstrahl instabil und pendelt bei gleichem Zufluss hin und her.

Die meisten Gleichungen fu¨r den berfall gehen von der Voraussetzung aus, dass die Zuflussgeschwindigkeit sehr klein ist und die Sohle im Oberwasserbereich gegenu¨ber der berfallkante tief liegt. Dieser Fall tritt in der Wildbachverbauung allerdings nur im unverlandeten Zustand des Querbauwerks auf. Die Zuflussgeschwindigkeit beeinflusst maßgeblich die Sprungweite und somit die Lage des Kolks. In der Wildbachverbauung ist der ha¨ufigste Fall jener eines hinterfu¨llten Querbauwerks (oberhalb ebene, geneigte Sohle), wobei der Abfluss im Bereich der berfallkante in Schießen u¨bergeht (vollkommener berfall) oder vom Unterwasser ru¨ckgestaut wird (gewellter oder unvollkommener berfall) [218]. Das Querbauwerk wirkt querschnittsverengend, aber auch durch die Breite der Krone (Mauersta¨rke) auf den Abflussvorgang ein. Fu¨r die Bemessung des berfalls u¨ber Querbauwerke der Wildbachverbauung bleibt dieses Kriterium jedoch unberu¨cksichtigt.

Tabelle 33. berfalltypen zu Bild 101 (nach Zeller [218])

Typ

Beschreibung

Typ 1

unvollkommener berfall

Dh I 1/3 H

Typ 2

gewellter berfall

1/3 H I Dh I H Der Zufluss zum berfall wird vom Unterwasser beeinflusst

Typ 3

vollkommener berfall mit bedecktem Tauchstrahl

Dh i 2 H

Typ 4

vollkommener berfall mit unbedecktem Tauchstrahl

Sonderform von Typ 3

Typ 5–7

Sonderformen

Typ 8–9

vollkommener berfall mit schießendem Zufluss

Der Zufluss zum berfall wird vom Unterwasser stark beeinflusst: „ru¨ckgestauter“ berfall

Der Zufluss wird im Bereich h I Dh I 2 h immer noch leicht beeinflusst. Bei gro¨ßeren Werten von Dh ist keine Beeinflussung mehr feststellbar

bergang einer Schussrinne in einen Vorfluter analog Typ 3

berleitung einer Schussrinne in einen Vorfluter

6.2 Hydraulische Bemessung von Querbauwerken

121

Kolks kommen (unterschiedliche Orte des Auftreffens des berfallstrahls, verschiedene Kolkformen). Fu¨r die freie Ausbildung von Kolken ist die Erodierbarkeit der Sohle von zentraler Bedeutung. In der Sohle von Wildba¨chen trifft man ha¨ufig ein breites Kornspektrum des Sediments an, welches von großen Blo¨cken (teilweise kolluvial aus dem Hang eingetragen) bis zu feinem Sand reicht. Dabei ist entscheidend, ob es sich um koha¨sionsloses oder bindiges Material handelt. Fallweise tritt auch Fels in Erscheinung, wobei bei verschiedenen Gesteinsarten die Erodierbarkeit unterschiedlich zu bewerten ist. (Na¨heres dazu siehe Zeller [218]).

Bild 104. Die Ausbildung der Deckwalze, Grundwalze und Randwalze im Sperrenvorfeld (nach Knauss [121])

In der Vergangenheit wurden zahlreichen Versuche zur empirischen Modellierung von Kolken unterhalb von Wildbachsperren, u¨berwiegend mit koha¨sionslosem Sediment, durchgefu¨hrt (Ermittlung der Kolktiefe). Die dabei entwickelten Modelle – z. B. Koutoulas [122] oder VAW (Bo¨ll [28]) – ha¨ngen maßgeblich von der Zusammensetzung des Sohlsediments ab. In der Praxis der Wildbachverbauung ist die Ermittlung von allgemein gu¨ ltigen Kornverteilungskurven mit vertretbarem Aufwand kaum mo¨glich, weil neben der Zusammensetzung der Deckschicht auch die Kornverteilung der Grundschicht bis zur maximalen Kolktiefe maßgebend ist. Daher wird die Kolktiefe in der Praxis nicht berechnet, sondern nur nach Erfahrungswerten gescha¨tzt. Vielmehr wird dem Kolkproblem durch konstruktive Vorkehrung Rechnung getragen. Fu¨r die Planung dieser Vorkehrungen (Tosbecken, Vorsperren) ist die Kenntnis der maximalen La¨ngsausdehnung der Kolkwirkung erforderlich. Ebenso wichtig ist die Breite des Tosbeckens im Zusammenhang mit der Entwicklung von Randwalzen.

Bild 105. Vollkommener berfall: (A) bei fester und (B) bei beweglicher Sohle im Unterwasserbereich (nach Zeller [218])

6.2.2

Bemessung des Tosbeckens und des Sperrenkolks

Der Kolk ist eine Folgeerscheinung des Fließwechsels, der beim berfall des Abflusses u¨ber die Sperre (Grundschwelle) auftritt. Im Kolk tritt ein diskontinuierlicher Fließwechsel vom schießenden zum stro¨menden Abfluss (Wechselsprung) auf. Durch die in Abschnitt 6.1.1.3 beschriebene Variabilita¨t des Abflusses kann es wa¨hrend des Hochwasserereignisses bei freier Kolkbildung zu starken Vera¨nderungen der Morphologie des

Fu¨r die Bemessung der Tosbeckenbreite im Bereich der Vorsperre wird fu¨r die Praxis die 1,5fache Sohlbreite im Bereich der Abflusssektion vorgeschlagen [13]. Fu¨r die Bemessung der Tosbeckenla¨nge LT werden in der Praxis verschiedene empirisch entwickelte Gleichungen verwendet. Die Gleichung nach Angerholzer beru¨cksichtigt eine Zuflussgeschwindigkeit und ist daher auch fu¨r verlandete Sperrenbauwerke mit geneigter Sohle anwendbar: sffiffiffiffiffiffiffiffi pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi DH (71) LT w (v0 S 2  g  h)  Sh g mit DH Absturzho¨he in [m]

hu¨

Durchflussho¨he in der Abflusssektion in [m]

v0

Zuflussgeschwindigkeit in [m/s]

122

6 Hydraulische Bemessung

Die Gleichung nach Angerholzer wird in der Praxis als Mindestwert fu¨r die Tosbeckenla¨nge verwendet. Die Gleichung nach Mu¨ller beruht hingegen auf einer geringen Zuflussgeschwindigkeit (Ru¨ckstau) und vernachla¨ssigt diese: LT w 4  DH 1=2  h3=2 6.2.3

(72)

Abfluss aus Sperreno¨ffnungen

Die Bemessung des Abflusses aus Sperreno¨ffnungen ist eine weitere wichtige Fragestellung der hydraulischen Bemessung von Querbauwerken der Wildbachverbauung. Die hydraulische Bemessung der ffnungen erfolgt mit der Einschra¨nkung, dass die ffnung frei ist. Sobald eine Verringerung des Querschnittes durch Verlegung mit Feststoffen (Verklausung) oder ein vo¨lliger Verschluss der ffnung (Verlandung) eintritt, verliert die Berechnung ihre Relevanz. Tendenziell ist daher die hydraulische Bemessung von Sperreno¨ffnungen als Mindestwert aufzufassen. Der Abfluss aus ffnungen beruht auf dem Gesetz des freien Falls. Fu¨r diesen Fall ist der konstante Abfluss Q nach folgender Gleichung zu ermitteln, wenn die Zuflussgeschwindigkeit v0 klein ist [181]: pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi (73) Q w a  A  2  g  ho mit a Abflusszahl zur Beru¨cksichtigung der Strahleinschnu¨rung, Reibung und Ho¨he der Ausflusso¨ffnung

Aus dieser Grundgleichung ergibt sich der freie Ausfluss aus einer beliebigen ffnung mit Querschnitt A: sffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi   v20 Qwa  A  2  g  hS (74) 2g mit

h

berstauho¨he vom Schwerpunkt der ffnung gemessen [m] w ðh1 S h2 Þ=2

v0 Zuflussgeschwindigkeit [m/s] Fu¨r die hydraulische Bemessung von nach oben geschlossenen Sperreno¨ffnungen (Dolen) schla¨gt Leys [136] bei Ru¨ckstau (Zuflussgeschwindigkeit v w 0) folgende Gleichungen vor: Fu¨r Dolen mit rechteckigem Querschnitt: pffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2 3=2 3=2 Q w  m  b  2  g  (h1 s h2 ) 3 Fu¨r Dolen mit kreisrundem Querschnitt: rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi pffiffiffiffiffiffiffiffiffi ðh1 S h2 Þ 2 Qwm  b 2  g  2

(75)

(76)

Bild 106. Abfluss aus einer beliebigen ffnung (modifiziert nach Ro¨ssert [181])

mit

b

Breite (Durchmesser) der Dole

m Durchflussbeiwert (0,65– 0,7)

h1 berstauho¨he u¨ber der Unterkante der Dole h2 berstauho¨he u¨ber der Oberkante der Dole 6.2.4

Bemessung des Stauraums (Speicherkapazita¨t) fu¨r die Feststofffracht

Die Speicherkapazita¨t des Stauraums (Verlandungsraums) einer Wildbachsperre entspricht jener Feststoffmenge, die wa¨hrend eines Ereignisses zuru¨ckgehalten werden kann. Fu¨r mehrere hintereinander geschaltete Staura¨ume erfolgt die Ermittlung des Ru¨ckhaltevermo¨gens durch Summation. Weiterhin ist fu¨r die Bemessung des Stauraums entscheidend, welche Feststoffmenge unretentiert durch die Sperre(n) durchdriften kann. Dies ha¨ngt maßgeblich von der Durchga¨ngigkeit der Sperre(n) ab. Die Ermittlung des Volumens des Stauraums erfolgt in der Regel auf der Basis eines (digitalen) Gela¨ndemodells, in welches die Sperre als vordere Begrenzungsfla¨che eingefu¨gt wird. Fu¨r eine Vorbemessung – z. B. im Rahmen eines Variantenstudiums zur Auswahl eines geeigneten Sperrenstandortes – kann jedoch die Volumenermittlung u¨berschla¨gig auch aus geoda¨tischen Querprofilen erfolgen, in welche die Verlandungslinie, die zuvor aus dem La¨ngenschnitt abgenommen wurde, eingetragen wird. Ansatzpunkt der Verlandungslinie ist die wasserseitige Kante der Abflusssektion im La¨ngsprofil. Die Verlandungslinie wird im La¨ngsprofil mit dem Verlandungswinkel aufgetragen und mit der Linie der urspru¨nglichen Bachsohle zum Schnitt

123

7.1 Normative Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen

gebracht. Konstruktiv erha¨lt man so die Stauwurzel. Die Neigung der Verlandungslinie (Verlandungswinkel) fu¨r Ru¨ckhaltera¨ume bei Vollstau ha¨ngt maßgeblich von der Art des Transportprozesses und der Zusammensetzung der Feststoffe inklusive des Wasseranteils ab. Fu¨r die Festlegung des Verlandungswinkels werden die Richtwerte aus Tabelle 34 empfohlen. Bei der Festlegung des maßgeblichen Verlandungsgefa¨lles (Verlandungswinkels) ist zu beachten, dass der Transportprozess und die Zusammensetzung des Sediments oft nur mit Unsicherheiten identifiziert werden ko¨nnen. Im Zweifelsfall ist daher immer der niedrigere Wert aus Tabelle 34 anzunehmen. [m3])

Der verfu¨gbare Stauraum (in wird fu¨r die Bemessung der Feststofffracht des Ereignisses gegenu¨bergestellt. Jene Feststoffmenge, die durch die Sperre ungestaut durchdriften und im Unterlauf schadlos abtransportiert werden kann, kann vom erforderlichen Ru¨ckhaltevolumen in Abzug gebracht werden. Allerdings darf diese Reduktion nur dann vorgenommen werden, wenn eine Verklausung der Sperreno¨ffnung ausgeschlossen werden kann. Kann dies nicht mit ausreichender Sicherheit angenommen werden, ist die volle Ereignisfracht fu¨r die Bemessung des Stauraums anzusetzen. Ein weiterer Faktor ist die Freihaltung des Stauraums fu¨r das Bemessungsereignis durch regelma¨ßige Ra¨umung durch den Erhaltungsverpflichteten oder durch Selbstentleerung. Da angenommen werden muss, dass die Erhaltungsverpflichtung nicht in vollem Umfang erfu¨llt wird oder der Stauraum durch vorangegangene Ereignisse vorverfu¨llt ist, ist aus Sicherheitsgru¨nden fu¨r die

Bemessung des Stauraums die maßgebliche Ereignisfracht um 30 % zu erho¨hen (Vorverfu¨llungsFaktor). Die Bemessung von Speichern fu¨r den Hochwasserru¨ckhalt (Hochwasserdosierung) ha¨ ngt vom Verha¨ltnis der zulaufenden und ablaufenden Abflussganglinie ab und kann z. B. nach dem Seeretentionsverfahren durchgefu¨hrt werden. Na¨heres dazu findet sich beispielsweise bei Ro¨ssert [181].

7

Statische Berechnung und Bemessung

7.1

Normative Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen Da fu¨r Schutzbauwerke keine eigenen Normenwerke existieren, wird in der Regel bei der Bemessung auf die normativen Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen von Stu¨tzbauwerken zuru¨ckgegriffen. Die Nachweise sind fu¨r einen Großteil der Bautypen gleich, daher wird im Abschnitt 7.2 die innere und a¨ußere Standsicherheit global abgehandelt. Auf Besonderheiten der einzelnen Bautypen wird in den Folgekapiteln eingegangen. 7.1.1

ußere Standsicherheit

Als europa¨ische Rahmenverordnung fu¨r den Entwurf, die Berechnung und Bemessung in der Geotechnik gilt der Eurocode 7 (DIN EN 1997-1) mit nationalem Anwendungsdokument (NAD), in Deutschland die DIN 1054:2005- 01 „Baugrund s Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau“. Beide Normenwerke beruhen auf dem Teilsicherheitskonzept.

Tabelle 34. Empfohlener Verlandungswinkel der Ablagerung von Feststoffen fu¨r die Bemessung von Staura¨umen von Wildbachsperren (in Richtung der Bachachse gemessen)

Maßgeblicher Transportprozess

Zusammensetzung des Sediments

Empfohlener Verlandungswinkel

Hochwasser

Schwebstoff und feinko¨rniges Geschiebe

0%

Fluviatiler Feststofftransport

Feinko¨rniges Geschiebe (kiesig-sandig)

0–5 %

Murartiger Feststofftransport Schlammstro¨me (feinko¨rnige Muren) Granulare Muren mit Matrix Granulare Muren ohne Matrix (Gero¨llmuren)

Grobko¨rniges Geschiebe (Steine und Blo¨cke)

10–15 %

Grobes bis sehr feines Geschiebe

5–15 %

Schlamm und feines Geschiebe

0–5 %

Grobgeschiebe mit feinko¨rniger Matrix

10–15 %

Nur grobe Komponenten (Steine und Blo¨cke) ohne Feinteil

15–25 %

124

7 Statische Berechnung und Bemessung

Die Nachweise der Tragfa¨higkeit und der Gebrauchstauglichkeit fu¨r Stu¨tzmauern ko¨nnen nach folgenden Normen gefu¨hrt werden: x DIN 1054: Baugrund – Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau (2005). x E DIN 4017: Baugrund – Berechnung des Grundbruchwiderstands von Flachgru¨ndungen (2001). x E DIN 4017, Beiblatt 1: Baugrund – Berechnung des Grundbruchwiderstands von Flachgru¨ndungen – Berechnungsbeispiele, Entwurf (2004). x E DIN 4084: Baugrund – Gela¨ndebruchberechnungen, Entwurf (2002). x DIN EN 1997: Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 1: Allgemeine Regeln; deutsche Fassung EN 1997-1: 2004 (2005).

setzung des Eurocode 4 fu¨r Verbundtragwerke in eine nationale Norm dar. Holzquerschnitte sind, sofern sie bemessen werden, nach DIN 1052:2004 bzw. EN 1995-1-1 zu bemessen und konstruktiv durchzubilden. Mit der DIN 1052:2004 wurde das Sicherheitskonzept, das auch den Eurocodes zugrunde liegt, umgesetzt. Angaben u¨ber die Pru¨fmethoden zur Dauerhaftigkeit europa¨ischer Ho¨lzer finden sich in der DIN EN 350 -1 und -2. Die Nomenklatur der in Europa verwendeten Handelsho¨lzer (Rund- und Schnittholz) ist der DIN EN 13 556 zu entnehmen. Nadelschnittholz wird nach DIN 4074 -1 sortiert, Laubschnittholz nach DIN 4074 -5. Rundholz fu¨r tragende Zwecke hat folgenden Normenwerken zu entsprechen: DIN EN 13 556, DIN EN 14 251, DIN EN 14 544, E DIN EN 1927-1, E DIN EN 1927-2, E DIN EN 1927-3.

Die wesentliche Norm zur Ermittlung der Einwirkungen aus Erddruck fu¨r Stu¨tzkonstruktionen (insbesondere Winkelstu¨tzmauern) ist: x DIN 4085: Baugrund – Berechnung des Erddrucks.

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise Bei erdberu¨hrten Bauwerken unterscheidet man die Nachweise der a¨ußeren und inneren Standsicherheit. Aufgrund der mittlerweile erfolgten Anpassung der nationalen Normenwerke an den Standard der Eurocodes sind die zugrunde liegenden Sicherheitskonzepte fu¨r innere und a¨ußere Standsicherheit gleich (Teilsicherheitskonzept). Sie basieren auf den Festlegungen der EN 1990 (Eurocode 0).

7.1.2

Innere Standsicherheit

Bei Schutzbauwerken fu¨r die Wildbachverbauung werden Beton-, Stahlbeton-, Stahl-, Stahl-BetonVerbund- und Holzquerschnitte eingesetzt. Stein (Zementmo¨rtelmauerwerk, Trockenmauerwerk) ist auf spezielle Anwendungsbereiche beschra¨nkt, bzw. wird bei Sanierungen von a¨lteren Bauwerken verwendet. Grundsa¨tzlich erfolgt die Bemessung und konstruktive Durchbildung von Beton- und Stahlbetontragwerken nach DIN 1045:2001, Teile 1 bis 4 bzw. DIN EN 1992-1-1, DIN EN 206-1:2001 und DIN 1055-100. Diese Normen sind bauaufsichtlich eingefu¨hrt.

Stahlteile sind nach DIN 18 800 -1 und -2 zu bemessen. Das dieser Norm zugrunde liegende Sicherheitskonzept ist auf die zu erwartende europa¨ische Norm abgestimmt. Die Anpassungsrichtlinie Stahlbau [50] entha¨lt Festlegungen zu einzelnen Normelementen sowie Regelungen zur Anwendung von Fachnormen und DASt-Richtlinien, die noch auf dem alten Sicherheitskonzept basieren. Die Anwendung der Vornorm DIN V ENV 1993 Teil1-1 (Eurocode 3), deren Regelungsumfang weitgehend DIN 18 800 -1 und -2 entspricht ist ebenfalls mo¨glich. Es sind jedoch die in der Richtlinie zur Anwendung von DIN V ENV 1993-1-1 (DASt-Rili 1023 Ausgabe 11.93) enthaltenen Bestimmungen zu beachten. Stahl-Beton-Verbundquerschnitte sind nach DIN 18 800 -5 zu bemessen. Sie wurde auf Grundlage der EN 1994 -1-1 erarbeitet und stellt die Um-

7.2.1

Teilsicherheitskonzept

Beim Teilsicherheitskonzept werden im Grenzzustand die Bemessungswidersta¨nde Rd den Bemessungseinwirkungen Fd bzw. -beanspruchungen Ed gegenu¨bergestellt. Dabei muss das Bemessungskriterium nach Gl. (77) erfu¨llt sein. Rd j Ed

(77)

7.2.1.1 Charakteristischer Wert

Als charakteristischer Wert wird der Wert einer Einwirkung oder eines Widerstandes bezeichnet, von dem angenommen wird, „dass er mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit im Bezugszeitraum unter Beru¨cksichtigung der Nutzungsdauer des Bauwerks und der Bemessungssituation nicht u¨berschritten oder unterschritten wird“ [54]. Charakteristische Gro¨ßen werden durch den Index „k“ gekennzeichnet. Charakteristische Festigkeitswerte fu¨r Werkstoffe (innere Standsicherheit) sind in den Normen angegeben. Sie werden statistisch aus Versuchen abgeleitet und als 5%-Fraktile der Verteilung des Widerstandes und als 95%-Fraktile der Einwirkung festgelegt. Die Festlegung von charakteristischen Bodenkennwerten (a¨ußere Standsicherheit) za¨hlt zu den schwierigsten Aufgaben in der Geotechnik und erfolgt i. d. R. durch einen geotechnischen Sachversta¨ndigen.

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise

7.2.2

Grenzzusta¨nde

Das Bemessungskriterium gibt an ob ein definierter Grenzzustand mit hinreichender Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Ein Grenzzustand ist erreicht, wenn ein Bauwerk (inklusive Untergrund), oder ein Teil davon, die Entwurfsanforderungen nicht mehr erfu¨llt. Die Grenzzusta¨nde sind in Tabelle 35 zusammengestellt. 7.2.2.1 Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit GZ 1A

Dieser Grenzzustand behandelt das Versagen eines Bauwerks durch Gleichgewichtsverlust ohne Bruch. Dazu geho¨ren bspw. die Versagensmechanismen Kippen, Auftriebsbruch, und hydraulischer Grundbruch. 7.2.2.2 Grenzzustand des Versagens von Bauwerken oder Bauteilen GZ 1B

Dieser Grenzzustand beschreibt das Versagen von Bauwerken oder Bauteilen durch Bruch im Bauwerk oder Bruch des stu¨tzenden Bodens (z. B. Bruch eines Ankerstabs, Versagen durch Gleiten oder Grundbruch). Kennzeichen des GZ 1B ist die Berechnung der Schnittkra¨fte mit charakteristischen Gro¨ßen. Erst unmittelbar vor der Nachweisfu¨hrung werden die charakteristischen Gro¨ßen mit den Teilsicherheitsbeiwerten in Bemessungsgro¨ßen umgewandelt. Dieses Verfahren wird als das Verfahren mit faktorisierenden Widersta¨nden (VFW) bezeichnet [221]. Die Vorgehensweise bei der Berechnung im GZ 1B ist in Tabelle 36 zusammengestellt.

125

7.2.2.3 Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit GZ 1C

Dieser Grenzzustand beschreibt das Versagen des Baugrundes ggf. einschließlich auf ihm befindlicher Bauwerke durch Bruch im Boden oder Fels (z. B. Bo¨schungs-, Gela¨ndebruch). Kennzeichen des GZ 1C ist die Umwandlung der charakteristischen Widersta¨nde bzw. Einwirkungen in Bemessungsgro¨ßen vor der eigentlichen Berechnung. Dieses Verfahren, bei dem a priori die Scherwidersta¨nde abgemindert werden, wird als das Verfahren mit faktorisierenden Scherparametern (VFS) bezeichnet [221]. 7.2.2.4 Gebrauchstauglichkeit GZ 2

Dieser Grenzzustand tritt ein, wenn ein Tragwerk unter Gebrauchslast seine planma¨ßige Nutzung nicht mehr erfu¨llen kann. Dies kann durch zu große Verformungen, erhebliche Rissbildungen, Setzungen im Untergrund, Schwingungsanfa¨lligkeit oder Undichtwerden bedingt sein. Solche Ma¨ngel ko¨nnen zu einer Verminderung der Dauerhaftigkeit fu¨hren. Zur Sicherstellung von bestimmten Nutzungsbedingungen ko¨nnen daru¨ber hinaus spezifische Grenzzusta¨nde durch den Bauherrn selbst oder durch eine Beho¨rde festgelegt werden. Dabei gilt es i. d. R. zu u¨berpru¨fen, ob die eintretenden Verformungen (Setzungen, Verdrehungen etc.) schadlos vom Bauwerk aufgenommen werden ko¨nnen. Dabei sind die Verformungen immer mit charakteristischen Gro¨ßen zu bestimmen. Wenn nach Entfernung der maßgebenden Einwirkung die berschreitung des Grenzzustandes bleibt, spricht man vom nicht umkehrbaren GZ, sonst vom umkehrbaren GZ [221].

Tabelle 35. Grenzzusta¨nde nach DIN 1054

Gruppe

Bezeichnung Beschreibung

Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit ULS (Ultimate Limit State)

GZ 1A

Grenzzustand der Lagesicherheit1) (Kippen, hydraulischer Grundbruch, Auftriebsbruch)

GZ 1B

Grenzzustand des Versagens von Bauwerken oder Bauteilen1) 2) (Bruch in der Konstruktion, Gleiten, Grundbruch)

GZ 1C

Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit1) (Bruch im Untergrund: Bo¨schungs-, Gela¨ndebruch)

Grenzzustand der GZ 2 Gebrauchstauglichkeit SLS (Serviceability Limit State) 1) 2)

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit1) 2) (berpru¨fung der Bauwerksverformungen: Setzungen, Verdrehungen, ...)

Beinhalten Nachweise zur a¨ußeren Standsicherheit. Beinhalten Nachweise zur inneren Standsicherheit.

126

7 Statische Berechnung und Bemessung

Tabelle 36. Vorgehensweise bei der Berechnung im GZ 1B (nach Schneider [190])

1 Wahl der Abmessungen des Bauwerkes und des statischen Systems 2 Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen 3 Ermittlung der charakteristischen Beanspruchungen in Form von Schnittkra¨ften oder Spannungen in maßgebenden Schnitten durch das Bauwerk und in Beru¨hrungsfla¨chen zwischen Bauwerk und Boden, getrennt nach Ursachen 4 Ermittlungen der charakteristischen Widersta¨nde des Baugrundes (z. B. passiver Erddruck, Grundbruchwiderstand, Pfahlwiderstand oder Herausziehwiderstand durch Berechnung, Probebelastung oder aufgrund von Erfahrungswerten 5 Ermittlung der Bemessungswerte der Beanspruchungen durch Multiplikation der charakteristischen Beanspruchungen mit den Teilsicherheitsbeiwerten fu¨r Einwirkungen je nach Lastfall nach Tabelle 36 6 Ermittlung der Bemessungswerte der Widersta¨nde durch Division der charakteristischen Widersta¨nde mit den Teilsicherheitsbeiwerten fu¨r Bodenwidersta¨nde sowie Ermittlung der Bemessungswidersta¨nde der Bauteile (z. B. widerstehende Druck-, Zug-, Querkra¨fte, Biegemomente oder Spannungen) nach den Regeln der jeweiligen Bauartnormen (s. Abschn. 7.1.2). Eine Auswahl der wichtigsten Werkstoffwidersta¨nde entha¨lt Tabelle 37 7 Nachweis der Einhaltung des Bemessungskriteriums (Grenzzustandsbedingung)

7.2.3

Bemessungswert

Der Bemessungswert ist der Wert einer Einwirkung, einer Beanspruchung oder eines Widerstandes, der dem Nachweis eines Grenzzustandes zugrunde gelegt wird. Die Bemessungswerte (Index „d“) werden aus den charakteristischen Gro¨ßen bestimmt, indem die Einwirkungen F bzw. Beanspruchungen E mit den Teilsicherheitsbeiwerten gF bzw. gE j 1,0 multipliziert und die Widersta¨nde R durch den Teilsicherheitsbeiwert gR j 1,0 dividiert werden (Gl. 78). Rk j Ek  gS (78) gR Die Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungsbzw. Widerstandsseite (Tabelle 38) sind abha¨ngig von der Art des betrachteten Grenzzustandes und dem jeweiligen Lastfall. Dabei sind bei der Festlegung der Bemessungssituation und der Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit und Gebrauchstauglichkeit folgende Punkte zu beachten: – Baugrundverha¨ltnisse allgemein und speziell hinsichtlich Gela¨ndebruchsicherheit und Bewegungen im Untergrund, – Art und Gro¨ße des Bauwerkes sowie die an ein Bauwerk gestellten Anforderungen, z. B. Nutzungsdauer des Bauwerks und seiner Teile, – aus der Umgebung herru¨hrende Umsta¨nde (z. B. Nachbarbebauung, Verkehr, Versorgungsleitungen), – Grundwasserverha¨ltnisse, – regionale Erdbebenta¨tigkeit,

–

Umwelteinflu¨sse (Hydrologie, Gewa¨sser, Senkungen, jahreszeitliche Schwankungen von Temperatur und Feuchtigkeit).

Damit ist zuna¨chst die geotechnische Kategorie festzulegen. 7.2.4

Geotechnische Kategorien (GK)

Die drei geotechnischen Kategorien GK 1, GK 2 und GK 3 (Tabelle 37) legen die Mindestanforderungen an Umfang und Qualita¨t geotechnischer Untersuchungen, Berechnungen und berwachungsmaßnahmen fest. Die Einordnung einer geotechnischen Konstruktion in eine geotechnische Kategorie wird in DIN 1054 bei den zugeho¨rigen Sicherheitsnachweisen behandelt. In DIN 4020 erfolgt die Zuordnung nach den Kriterien Baugrund, Grundwasser und Bauwerk, wobei als Regelfall GK 2 betrachtet wird. Kriterien fu¨r die Einordnung in die GK 1 bzw. GK 3 nach Kuntsche sind in [221] angefu¨hrt, ebenso wie die Zuordnung zu den GK bei Stu¨tzwa¨nden, die i. d. R. in die GK 2 fallen. Fu¨r Schutzbauwerke in der Wildbachverbauung wird vorgeschlagen (entsprechend dem Kriterium Bauwerk) die Einteilung aufgrund der Bauwerkskategorien nach ONR 24 803 [160] vorzunehmen. Standardbauwerke ko¨nnen demnach in GK 1 eingeordnet werden. Schlu¨sselbauwerke sind in GK 2 oder GK 3 einzuteilen. Definition von Standardund Schlu¨sselbauwerken siehe Abschnitt 8.

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise

127

Tabelle 37. Geotechnische Kategorien nach DIN 1054 in Anlehnung an DIN 4020

GK Schwierigkeitsgrad der Baumaßnahme

BeNachweise rechnung

Grundlagen

Umfang

1

gering

nein

(Beurteilung aufgrund Erfahrung von Erfahrung)

2

mittel

ja

Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit

Geotechnische Kennt- Geotechnischer nisse und Erfahrung Untersuchungs- und Entwurfsbericht

3

hoch

ja

Tragfa¨higkeit und Gebrauchstauglichkeit

Zusa¨tzliche Untersuchungen sowie vertiefte Kenntnisse und Erfahrungen

7.2.5

Einwirkungen

Die vielfa¨ltigen Einwirkungsarten nach DIN 1055-100 werden in DIN 1054 auf folgende drei Hauptgruppen, die in [221] ausfu¨hrlich erla¨utert sind, beschra¨nkt: – Gru¨ndungslasten, – grundbauspezifische Einwirkungen, – dynamische Einwirkungen. Bei geotechnischen Bauwerken u¨berwiegen die grundbauspezifischen Einwirkungen (insbesondere Eigengewicht, Erddruck, Wasserdruck, Nutzlasten auf der Gela¨ndeoberfla¨che), wobei in der Geotechnik neben dem Wasserdruck vor allem der Ansatz des Erddrucks besondere Aufmerksamkeit erfordert (Bild 107). Bei der inneren Standsicherheit unterscheidet man die direkten Einwirkungen aus Lasten und die

–

Geotechnischer Untersuchungs- und Entwurfsbericht

indirekten Einwirkungen, welche aus einer aufgezwungenen oder behinderten Verformung des Bauteiles (Zwang) resultieren. Dieser kann durch Temperatureinwirkung, Bewegungen im Untergrund, oder Schwinden und Kriechen des Werkstoffes induziert sein. Diesen indirekten Einwirkungen ist besonders bei massigen Betonteilen große Aufmerksamkeit zu schenken. Die direkten Einwirkungen werden fu¨r die innere Standsicherheit wie folgt eingeteilt: – sta¨ndige Einwirkungen (G), – vera¨nderliche Einwirkungen (Q), – außergewo¨hnliche Einwirkungen (A). Den Einwirkungsarten sind unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte zugeordnet. Geotechnische Einwirkungen werden charakteristisch ermittelt und anschließend mit den jeweiligen Teilsicher-

Bild 107. Erddruckansa¨tze zur Bemessung von Stu¨tzwa¨nden in Abha¨ngigkeit der Nachgiebigkeit der Konstruktion (in Anlehnung an Tabelle A.2 der E DIN 4085 [65])

128

7 Statische Berechnung und Bemessung

heitsbeiwerten versehen. Aus dem Bauwerk und seiner Einwirkungen resultierende Spannungsverteilungen im Boden werden fu¨r die innere Standsicherheit als Einwirkung angesetzt. Die Einwirkungen auf Schutzbauwerke sind in Abschnitt 5.3 zusammengefasst. 7.2.6

Widersta¨nde

Die Widersta¨nde von Bo¨den und Fels, welche auf das Fundament, den Gru¨ndungsko¨rper oder auf das Stu¨tzbauwerk wirken, erzeugen Schnittkra¨fte bzw. Spannungen, die entweder im Bauwerk oder im Baugrund auftreten. Die Gro¨ße dieser Schnittgro¨ßen oder Spannungen ha¨ngt wesentlich von den Steifigkeitsverha¨ltnissen des Bodens zum Stu¨tzbauwerk bzw. der Interaktion Baugrund – Bauwerk ab. Die Widersta¨nde ko¨nnen folgendermaßen auftreten: – Erdwidersta¨nde, – Eindring- und Herausziehwidersta¨nde von Pfa¨hlen, Zuggliedern, Ankern etc.,

– – – –

Seitenwidersta¨nde bzw. Reibwidersta¨nde von Pfa¨hlen, Sohlwidersta¨nde, Steifigkeiten, Scherfestigkeiten.

Problematisch ist in der Geotechnik, dass sich Widersta¨nde und Einwirkungen nicht immer sauber voneinander trennen lassen. Hinzu kommt die gegenseitige Abha¨ngigkeit von Einwirkungen und Widersta¨nden: Einerseits ist der passive Erdwiderstand (Widerstandsgro¨ße) von der Wandbewegung (aufgrund der Einwirkung) abha¨ngig und andererseits der aktive Erddruck (Einwirkungsgro¨ße) vom Reibungswinkel (Widerstandsgro¨ße). Die Einwirkungen auf Schutzbauwerke sind in Abschnitt 5.3 zusammengefasst. Fu¨r Einwirkungen und Beanspruchungen werden die Teilsicherheitsbeiwerte je nach Lastfall (Tabelle 40) zwischen 0,9 und 1,5 angesetzt, fu¨r Widersta¨nde Werte zwischen 1,1 und 1,4 (Tabelle 38).

Tabelle 38. Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r Einwirkungen (Beanspruchungen) und Widersta¨nden nach DIN 1054

Einwirkung, Widerstand

Formelzeichen

Lastfall LF 1

LF 2

LF 3

Einwirkungen (Beanspruchung)

GZ 1A: Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit

Gu¨nstige sta¨ndige Einwirkungen (Eigengewicht)

gG,stb

0,90

0,90

0,95

Ungu¨nstige sta¨ndige Einwirkungen (Auftrieb)

gG,dst

1,00

1,00

1,00

Stro¨mungskraft bei gu¨nstigem Untergrund

gH

1,35

1,30

1,20

Stro¨mungskraft bei ungu¨nstigem Untergrund

gH

1,80

1,60

1,35

gG,dst

1,00

1,00

1,00

gG

1,35

1,20

1,00

Beanspruchungen aus sta¨ndigen Einwirkungen aus Erdruhedruck

gE0g

1,20

1,10

1,00

Beanspruchungen aus ungu¨nstigen vera¨nderlichen Einwirkungen

gQ

1,50

1,30

1,00

Sta¨ndige Einwirkungen

gG

1,00

1,00

1,00

Ungu¨nstige vera¨nderliche Einwirkungen

gQ

1,30

1,20

1,00

Ungu¨nstige vera¨nderliche Einwirkungen

GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen

Beanspruchungen aus sta¨ndigen Einwirkungen allgemein1)

GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit

GZ 1C: Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Sta¨ndige Einwirkungen bzw. Beanspruchungen

gG

1,00

Vera¨nderliche Einwirkungen bzw. Beanspruchungen

gQ

1,00

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise

129

Tabelle 38. Fortsetzung

Einwirkung, Widerstand

Formelzeichen

Lastfall LF 1

LF 2

LF 3

gEp, gGr

1,40

1,30

1,20

gGl

1,10

1,10

1,10

Druckwiderstand aus Probebelastung

gPc

1,20

1,20

1,20

Zugwiderstand aus Probebelastung

gPt

1,30

1,30

1,30

Druck und Zug aufgrund von Erfahrungswerten

gP

1,40

1,40

1,40

Widerstand des Stahlzuggliedes

gM

1,15

1,15

1,15

Herausziehwiderstand des Verpressko¨rpers

gA

1,10

1,10

1,10

Reibungsbeiwert tan f’ des dra¨nierten Bodens und Reibungsbeiwert tan fu des undra¨nierten Bodens

glf, gfu

1,25

1,15

1,10

Koha¨sion c’ des dra¨nierten Bodens und Scherfestigkeit cu des undra¨nierten Bodens

gc, gcu

1,25

1,15

1,10

gN, gZ

1,40

1,30

1,20

Verpressko¨rper von Verpressankern

gA

1,10

1,10

1,00

flexible Bewehrungselemente

gB

1,40

1,30

1,20

GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Bodenwidersta¨nde

Passiver Erddruck (Erdwiderstand) und Grundbruchwiderstand Gleitwiderstand

Widerst¨ande

Pfahlwidersta¨nde

Verpressankerwidersta¨nde

GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Scherfestigkeit

Herausziehwidersta¨nde

Boden- bzw. Felsna¨gel, Ankerzugpfa¨hle

1)

Inklusive sta¨ndigem und vera¨nderlichem Wasserdruck.

Die Widersta¨nde der inneren Standsicherheit basieren auf den Werkstoffeigenschaften und den Querschnittsgeometrien. Sie sind je nach verwendetem Werkstoff in den werkstoffspezifischen Normen angegeben. In den Regelfa¨llen werden Festigkeiten (Zug-, Druckfestigkeit, ...) und Steifigkeitsparameter (E-Moduli, Tra¨gheitsmomente, ...) fu¨r die Nachweise beno¨tigt.

x

x

x

7.2.7

Einwirkungskombinationen

Eine Einwirkungskombination (EK) umfasst die gleichzeitig mo¨glichen Einwirkungen, wie sie bei der Betrachtung eines Grenzzustandes auftreten ko¨nnen. DIN 1054 unterscheidet folgende drei Einwirkungskombinationen:

EK1: Regel-Kombination mit den sta¨ndigen und wa¨hrend der Funktionszeit des Bauwerkes regelma¨ßig auftretenden vera¨nderlichen Einwirkungen. EK2: Seltene Kombination, bei der die Einwirkungen aus der Regel-Kombination mit selten sowie einmalig planma¨ßig auftretenden Einwirkungen kombiniert werden. EK3: Außergewo¨hnliche Kombination, bei welcher die Einwirkungen aus der RegelKombination mit gleichzeitig mo¨glichen außergewo¨hnlichen Einwirkungen (Naturkatastrophen, Unfa¨lle etc.) kombiniert werden.

130

7 Statische Berechnung und Bemessung

Tabelle 39. Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r Widersta¨nde der Baustoffe

Baustoffe

Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit

Grenzzusta¨nde der GebrauchsSta¨ndige und Außergewo¨hntauglichkeit voru¨bergehende liche BemesBemessungssungssituation situation gc

1,50

1,30

1,00

gc

1,80

1,55

1,00

gs

1,15

1,00

1,00

Festigkeiten und Steifigkeiten gM0 beim Nachweis der Tragsicherheit

1,10

1,00

1,00

Fu¨r Sonderfa¨lle (siehe Norm)

gM1

1,00

1,00

1,00

Bauholz und Holzwerkstoffe

gM

1,30

1,00

1,00

Auf Biegung beanspruchte stiftfo¨rmige Verbindungsmittel

gS

1,10

1,00

1,00

Konstruk- Normalbeton tionsUnbewehrter Beton beton1) (Druck und Zug) Bewehrungsstahl oder Spannstahl Stahl2)

Holz3)

1) 2) 3)

Nach DIN 1045:2001 Nach DIN 18 800 Nach DIN 1052:2004

7.2.8

Sicherheitsklassen

Die Sicherheitsklassen beschreiben „den Sicherheitsanspruch bei den Widersta¨nden in Abha¨ngigkeit von Dauer und Ha¨ufigkeit der maßgebenden Einwirkung“ [54]. DIN 1054 unterscheidet dabei: x SK1: Zusta¨nde wa¨hrend der Funktionszeit des Bauwerkes. x SK2: Zusta¨nde bei der Herstellung, Konstruktion bzw. Ertu¨chtigung und Instandsetzung des Bauwerkes. x SK3: Einmalige oder voraussichtlich nie auftretende Zusta¨nde wa¨hrend der Funktionszeit eines Bauwerkes. 7.2.9

Tabelle 40. Festlegung der Lastfa¨lle SK 1

SK 2

SK 3

EK 1

LF 1

LF 2

–

EK 2

LF 2

LF 21)

LF 3

EK 3

–

LF 3

LF 32)

1) 2)

x

Lastfa¨lle

DIN 1054 unterscheidet die drei Lastfa¨lle LF 1, LF 2 und LF 3, die aus der Einwirkungskombination in Verbindung mit der Sicherheitsklasse fu¨r die Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit GZ 1 gema¨ß Tabelle 40 gebildet werden. Die Lastfa¨lle stellen nun je nach Sicherheitsklasse bestimmte Bemessungssituationen dar: x LF1: sta¨ndige Bemessungssituation in Verbindung mit dem Zustand der Sicherheitsklasse SK1,

x

Interpolation zwischen LF 2 und LF 3 ggf. gF w gE w gR w 1,0

LF2: voru¨bergehende Bemessungssituation, bei der die anzusetzenden Einwirkungskombinationen sowohl mit der Sicherheitsklasse SK1 als auch der SK2 in Verbindung stehen ko¨nnen und LF3: außergewo¨hnliche Bemessungssituation, bei der die Einwirkungskombination mit der Sicherheitsklasse SK2 oder SK3 in Verbindung stehen kann.

Fu¨r die Gru¨ndung von Stu¨tzkonstruktionen maßgebend ist: x LF1 fu¨r alle sta¨ndigen und voru¨bergehenden Bemessungssituationen des aufliegenden Tragwerkes,

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise x

x

LF2 fu¨r die voru¨bergehenden Beanspruchungen der Gru¨ndung in Bauzusta¨nden des aufliegenden Stu¨tzsystems und LF3 fu¨r außergewo¨hnliche Bemessungssituationen des aufliegenden Stu¨tzbauwerkes, sofern sich diese ungu¨nstig auf die Gru¨ndung auswirken.

7.2.10 Nachweise

An mauerartigen, vorwiegend normal auf die Fla¨che des Bauko¨rpers belasteten, La¨ngs- und Querbauwerken sind die gleichen Nachweise zu fu¨hren, allerdings mit unterschiedlichen Einwirkungskombinationen. Die a¨ußere (globale) Standsicherheit eines sperrenartigen Schutzbauwerkes ist dann gegeben, wenn die Bemessungskriterien Grundbruch, Gleiten, Kippen sowie Gela¨ndeund Bo¨schungsbruch und innere Standsicherheit erfu¨llt sind. Da ein Großteil der Wildbachsperren und Ufermauern die Kra¨fte u¨ber eine anna¨hernd horizontale Sohlfla¨che in den Untergrund u¨bertragen, ko¨nnen die Nachweise der a¨ußeren Standsicherheit nach DIN 1054 fu¨r Flachgru¨ndungen gefu¨hrt werden. Erweist sich ein gewa¨hlter Querschnitt als nicht standsicher, kann man z. B. durch folgende nderungen Verbesserungen erzielen: – Verbreiterung der Sohle (zur Erho¨hung der Sicherheit gegen Grundbruch), – Spornverla¨ngerung (Winkelstu¨tzmauer) (zur Erho¨hung der Sicherheit gegen Gleiten und hydraulischem Grundbruch), – Tieferlegen der Sohle, – Erho¨hung des Eigengewichtes durch einen gedrungenen Querschnitt (zur Erho¨hung der Sicherheit gegen Kippen),

– –

131

Neigen der Sohle (zur Erho¨hung der Sicherheit gegen Gleiten), Versta¨rkung des Tragwerkes mit flussparallelen Pfeilern (Scheiben).

7.2.10.1 Kippen (GZ 1A)

Dies ist der Nachweis der Lage der Resultierenden aller angreifenden Kra¨fte in der Sohle. An einer Fundamentsohle ko¨nnen nur Druckspannungen u¨bertragen werden. Greifen auch Momente an, wird die Spannungsverteilung asymmetrisch. Vereinfacht geht man von einer linearen Spannungsverteilung, z. B. von einem Spannungstrapez, aus. Eine klaffende Fuge tritt bei jener Exzentrizita¨t evorh auf, bei der sich nicht mehr an der gesamten Sohle Druckspannungen einstellen (Bild 108). M (79) evorh w N Nach DIN 1054 ist die Kippsicherheit gegeben, wenn folgende zwei Bedingungen eingehalten werden: Die Sohldruckresultierende N aus sta¨ndigen Lasten sollte innerhalb der Kernfla¨che (1. Kernweite) liegen, d. h. es darf bei dieser Lastkombination keine klaffende Fuge auftreten. Dies ist bei Einzelund Streifenfundamenten der Fall wenn die Bedingung nach Gl. (80) eingehalten ist. ey ex 1 1 (80) J oder J 6 6 bx by Die Sohldruckresultierende (N) aus der Gesamtlast darf in begrenztem Umfang ein klaffen der Sohlfla¨che verursachen und zwar ho¨chstens bis zum Schwerpunkt der Sohlfla¨che (2. Kernweite). Fu¨r Gru¨ndungen mit Rechteckquerschnitt ist dies der Fall, wenn:

Bild 108. (A) Sohlspannungsverteilung und einachsige Ausmitten abha¨ngig von der Lastexzentrizita¨t; (B) Kernweiten und zweiachsige Ausmitten einer Fla¨chengru¨ndung

132

7 Statische Berechnung und Bemessung

ey ex 1 1 J oder J 3 3 bx by bei zweiachsiger Belastung gilt:  2  2 ey ex 1 J S 9 bx by

(81)

Ak  gG,dst SQk  gQ,dst J Gk  gG.stb SEav,k  gG,stb

Hierbei sind ex und ey die Ausmittigkeiten der resultierenden Vertikalkraft N in Richtung der Gru¨ndungsseiten bx und by. Sie errechnen sich nach Gln. (82) und (83). ex w

My Mx und ey w jN j jN j

Im Grenzzustand GZ 1A werden keine Widersta¨nde betrachtet, sondern die Bemessungswerte der ungu¨nstigen Einwirkungen mit denen der gu¨nstigen Einwirkungen verglichen. Bei unverankerten Konstruktionen ist das Kriterium nach Gl. (86) zu erfu¨llen.

(82) (83)

Die Sohlspannungen bei einachsiger Ausmitte lassen sich, abha¨ngig von der Lage der Resultierenden N, mit den Gln. (84) und (85) berechnen.   N 6  ex sl,r w  1e bx  b y bx f Resultierende in der 1. Kernweite 2N   smax w bx 3 s ex  by 2

(84)

f Resultierende in der 2. Kernweite

(85)

(86)

Die ungu¨nstigen Einwirkungen sind die hydrostatische Auftriebskraft Ak, und Qk, welche die Summe der ungu¨nstig wirkenden vera¨nderlichen Einwirkungen in vertikaler Richtung bildet (Stro¨mungskra¨fte). Von den vera¨nderlichen Einwirkungen sind nur jene mit destabilisierender Wirkung (z. B. außergewo¨hnliche Wasserspiegelschwankungen) zu beru¨cksichtigen. Gk ist der untere Wert der gu¨nstig wirkenden sta¨ndigen Einwirkungen wie dem Eigengewicht der Konstruktion (s. Abschn. 5.3.1). Zusa¨tzlich kann die vertikale Komponente des aktiven Erddruckes Eav,k als sta¨ndige gu¨nstige Einwirkung nach Gl. (87) angesetzt werden. Eav,k w Eah,k  tanda

Fu¨r die Lastfa¨lle LF1 und LF2 ergibt sich die maßgebende Sohldruckresultierende aus der ungu¨nstigsten Kombination der charakteristischen Werte aus sta¨ndigen und vera¨nderlichen Einwirkungen. Ist beim Lastfall LF3 die Grundbruchsicherheit gegeben, so kann ein Nachweis der Sicherheit gegen Kippen entfallen (DIN 1054, 7.5.1). 7.2.10.2 Hydraulischer Grundbruch und Auftriebsbruch (Aufschwimmen; GZ 1A)

(87)

Werden Scherkra¨fte am vertikalen Bauwerksrand beru¨cksichtigt wie bspw. Eav,k muss bei Dauerbauwerken nachgewiesen werden, dass das Bemessungskriterium auch ohne Beru¨cksichtigung der Scherkra¨fte fu¨r den LF 3 erfu¨llt ist. Die Teilsicherheitsbeiwerte sind nach Tabelle 38 anzusetzen. Dieser Nachweis kann bei leichten Konstruktionen wie z. B. Grundschwellen in Holzkastenbauweise relevant sein (Bild 109). Hydraulischer Grundbruch tritt dann auf, wenn die Stro¨mungskraft einer nach oben gerichteten Stro¨mung gro¨ßer als das Gewicht des unter Auftrieb stehenden Bodenko¨rpers wird. Die Nachwiese zum Hydraulischen Grundbruch finden sich z. B. im Grundbau-Taschenbuch [196].

Wenn an der Stu¨tzmauersohle oder am gesamten Bauwerk hydrostatische Auftriebskra¨fte oder eine nach oben gerichtete Stro¨mung angreifen, so ist eine ausreichende Sicherheit gegen Aufschwimmen nachzuweisen. Der Auftrieb ist die Resultierende der auf die Begrenzungsfla¨chen (Oberfla¨chen, Seitenfla¨chen, Sohlfla¨chen) eines Bauwerkes wirkenden Wasserdru¨cke. Bei ruhendem Grundwasserspiegel errechnet sich die hydrostatische Auftriebskraft Ak, welche gleich dem verdra¨ngten Volumen ist, aus der Ho¨he des Grundwasserspiegels. Bei stro¨mendem Grundwasser kann der Auftrieb aufgrund vereinfachender Annahmen bezu¨glich der Randstromlinie oder aufgrund eines Stro¨mungsbildes ermittelt werden.

Bild 109. Auftriebsbruch einer Holzkastensperre

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise

7.2.10.3 Grundbruch (GZ 1B)

Bei einem mechanischen Grundbruch ist die Standsicherheit einer Gru¨ndung infolge der Ausbildung von Gleitfla¨chen nicht gegeben. Der Untergrund verformt sich durch die von der Last des Bauwerks hervorgerufenen Spannungen entsprechend seiner Zusammendru¨ckbarkeit und Scherfestigkeit. Lotrechte Lasten verursachen zuna¨chst vor allem lotrechte Verschiebungen (Setzungen). Mit zunehmender Last bilden sich progressiv fortschreitende Gleitfla¨chen aus, der Boden wird dabei seitlich verdra¨ngt und das Fundament sinkt ein. Bei Bauwerken an einer Bo¨schung oder einem Gela¨ndesprung kann anstelle des Grundbruchnachweises der Gela¨nde- oder Bo¨schungsbruchnachweis maßgebend sein. Der charakteristische Grundbruchwiderstand Rn,k ist nach E DIN 4017 wie folgt zu ermitteln: Rn,k w al bl ðg2  bl Nb S g1  d  Nd S c  Nc Þ (88)

Er ist abha¨ngig von der Gru¨ndungsla¨nge a und der Gru¨ndungsbreite b, der Gru¨ndungstiefe d, der Wichte des Bodens oberhalb g1 bzw. unterhalb der Gru¨ndungssohle g2 und der Koha¨sion c. Zudem sind Neigung und Exzentrizita¨t der Sohldruckresultierenden sowie Form, Tragfa¨higkeit und Neigung des Gela¨ndes und der Sohle mit den Beiwerten Nb, Nd und Nc zu beru¨cksichtigen. Nach DIN 1054 wird der Bemessungswert des Grundbruchwiderstandes Rn,d dem Bemessungswert der Einwirkung senkrecht auf die Fundamentsohle Nd gegenu¨bergestellt. Nd J Rn,d

(89)

Die Teilsicherheitsbeiwerte zur Umrechnung der charakteristischen Werte in die Bemessungswerte auf Einwirkungs- und Widerstandsseite sind Tabelle 38 zu entnehmen. Fu¨r einfache Regelfa¨lle darf anstelle des Grundbruchnachweises auch ein Vergleich der einwirkenden und aufnehmbaren Sohlpressungen er-

133

folgen. DIN 1054 entha¨lt hierzu ein vereinfachtes Regelfallverfahren mit Tabellenwerten, fu¨r das genaue Anwendungsvoraussetzungen gelten [54]. 7.2.10.4 Gleiten (GZ 1B)

Die Gleitgefahr entsteht aufgrund der Summe der horizontalen Kra¨fte T, die in der Sohlfla¨che wirken. Dabei kann das Bauwerk entlang der Sohlfla¨che, bei horizontaler Sohlfla¨che oder einer darunter befindlichen Schnittfla¨che im Baugrund bei Mauern mit in Gleitrichtung ansteigender Sohlfla¨che, Mauern mit Sporn oder bei Anstehen einer Schicht mit geringer Scherfestigkeit in ma¨ßiger Tiefe gleiten (Bild 110). Das Gleitkriterium (Gl. 90) nach DIN 1045 gilt als erfu¨llt, wenn der Bemessungswert der parallel zur maßgebenden Gleitfla¨che angreifenden Kraft Td kleiner als der Bemessungswert der widerstehenden Kra¨fte ist. Die Widersta¨nde setzen sich aus einem Gleitwiderstand Rt,d und dem passiven Erddruck Ep,d an der Stirnfla¨che der Mauer zusammen. Td J Rt,d S Ep,d

(90)

Der Bemessungswert des Gleitwiderstandes errechnet sich u¨ber den Teilsicherheitsbeiwert fu¨r Gleiten gGl nach Tabelle 38. Ob der passive Erddruck an der Stirnfla¨che der Mauer angesetzt wird, ist abha¨ngig von der Verschiebung und vom Bauzustand. Er sollte nur angesetzt werden, wenn konstruktiv sichergestellt wird, dass diese Bereiche nicht durch das vorbeifließende Wasser erodiert werden. In der Praxis wird in diesen Fa¨llen der Winkel dp mit 0h angenommen. Bei Ufermauern ohne Sohlsicherung und Konsolidierungssperren ohne Vorfeldsicherung sollte diese Komponente nicht angesetzt werden. Eine Vernachla¨ssigung des Erdwiderstands Ep liegt stets auf der sicheren Seite. Falls eine Abgrabung vor dem Stu¨tzmauerfuß beabsichtigt ist und nur voru¨bergehend bestehen bleibt, ist von einem Bauzustand auszugehen, und es sind hierfu¨r die Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r den LF2 zu verwenden.

Bild 110. Gleiten am Beispiel einer Konsolidierungssperre (Gewichtsmauer): (A) mo¨gliche Gleitfugen bei horizontaler Sohlfla¨che; (B) mo¨gliche Gleitfugen bei Anstehen einer Schicht mit geringer Scherfestigkeit in ma¨ßiger Tiefe; (C) zu untersuchende Gleitfuge bei geneigter Sohle

134

7 Statische Berechnung und Bemessung

7.2.10.5 Spannungsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit)

Generell ist bei allen Arten von Bauteilen nachzuweisen, dass die Spannungen aus den Bemessungswerten der Einwirkungen kleiner als die Bemessungswerte der Festigkeiten sind. Die spezielle Form der Nachweise ist werkstoffabha¨ngig. Im Beton- und Stahlbetonbau werden Druck- und Zugfestigkeiten nachgewiesen, Momentenbeanspruchungen entsprechend umgerechnet. Im Stahlbau wird die gleiche Strategie angewendet mit dem Unterschied, dass der Bemessungswert der Druck- und Zugfestigkeit gleich groß ist. Im Holzbau muss aufgrund des orthotropen Materialverhaltens zwischen Druck- und Zugfestigkeiten quer und la¨ngs der Faserrichtung unterschieden werden. Biegebelastungen werden durch eine eigene Biegefestigkeit nachgewiesen. Werkstoffklassen und zugeordnete Werkstoffkennwerte finden sich im Abschnitt 4.12. Allen Nachweisen im Holzbau ist die Nutzungsklasse 3 zugrunde zu legen. 7.2.10.6 Stabilita¨tsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit)

Wenn als Folge der Verformung zusa¨tzliche Schnittkra¨fte (Verformungsmomente) entstehen (Theorie II. Ordnung), ko¨nnen diese zu einem Gleichgewichtsverlust fu¨hren (Instabilita¨tsprobleme). Bei stabfo¨rmigen Bauteilen wie Balken und Stu¨tzen ist im allgemeinen Fall Biegedrillknicken nachzuweisen. Je nach Werkstoff und maßgeblicher Belastung (Biegung oder/und Normalkraft) gibt es vereinfachte Nachweisverfahren. Beulen kann bei plattenartigen Bauteilen, welche auf Druck beansprucht werden, auftreten (Scheibenwirkung). 7.2.10.7 Gela¨ndebruchsicherheit (GZ 1C)

Der Nachweis der Gesamtstandsicherheit ist bei Sperren oder Ufermauern insbesondere dann zu erbringen, wenn die Ru¨ckseite der Wand stark zum Erdreich hin geneigt ist, das Gela¨nde hinter der Wand ansteigt bzw. vor ihr abfa¨llt, unterhalb

Bild 111. Mo¨gliche Versagensfa¨lle bei Gela¨ndebruch

des Wandfußes Boden mit geringer Tragfa¨higkeit ansteht oder im steilen Bereich der mo¨glichen Gleitfla¨chen besonders hohe Lasten wirken. Bild 111 zeigt mo¨gliche Versagensfa¨lle durch Gela¨ndebruch bei Stu¨tzmauern. In E DIN 4084 wird ausreichende Sicherheit auch fu¨r die ungu¨nstigste Gleitfla¨che verlangt. 7.2.10.8 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2)

Aus der Sicht des entwerfenden Ingenieurs muss jedes Bauwerk standsicher, in dem beabsichtigten Sinne nutzbar und dauerhaft sein. Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit kann auf der Grundlage von Erfahrungen erfolgen, wenn im LF1 die Stu¨tzmauer auf mindestens mitteldicht gelagertem nichtbindigen oder mindestens steifem bindigen Boden gegru¨ndet und die Tragfa¨higkeit im GZ 1B und GZ 1C nachgewiesen worden ist. Die Gebrauchstauglichkeit ist auch erfu¨llt, wenn Verdrehungen (Sohlspannungsresultierende aus sta¨ndigen Lasten innerhalb der ersten Kernweite – keine klaffende Fuge), Verschiebungen in der Sohlfla¨che und Setzungen begrenzt sind und die Nachweisfu¨hrung gegen Bo¨schungs- und Gela¨ndebruch im GZ 1C erfolgt. Bei erho¨hten Anforderungen an die Setzung und Verkantung aufgrund benachbarter empfindlicher Bauwerke sind gesonderte Nachweise mit den charakteristischen Werten der Einwirkungen zu fu¨hren, wobei das statische System der Schnittgro¨ßenermittlung im GZ 1B maßgebend ist. Bei Stu¨tzbauwerken in weichen Bo¨den wird die Beobachtungsmethode nach DIN 1054, 4.5 empfohlen. Der EC 2 beschreibt die Grenzzusta¨nde der Gebrauchstauglichkeit in Bezug auf die Innere Standsicherheit wie folgt: Verformungen und Durchbiegungen, welche das Erscheinungsbild oder die planma¨ßige Nutzung eines Tragwerks beeintra¨chtigen oder Scha¨den an Betonoberfla¨chen oder nichttragenden Bauteilen verursachen, Schwingungen, die Unbehagen bei Menschen oder Scha¨den am Bauwerk oder seiner Einrich-

135

7.3 Einwirkungskombinationen fu¨r Wildbachsperren

tung verursachen oder die seine Funktionsfa¨higkeit einschra¨nken, Risse im Beton, die das Aussehen, die Dauerhaftigkeit oder die Wasserdurchla¨ssigkeit beeintra¨chtigen ko¨nnen, Scha¨digung des Betons infolge u¨berma¨ßiger Druckbeanspruchung, die zu einer Beeintra¨chtigung der Dauerhaftigkeit fu¨hren ko¨nnen. Die u¨blichen Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit sind: – Begrenzung der Spannungen, – Begrenzung der Rissbreiten, – Begrenzung der Verformungen, – Begrenzung der Schwingungen. Die speziellen Nachweise sind werkstoffabha¨ngig und in den einschla¨gigen Normen angegeben. Es gilt zu beachten, dass fu¨r die Grenzzusta¨nde der Gebrauchstauglichkeit andere Lastkombinationen als fu¨r jene der Tragfa¨higkeit anzuwenden sind.

7.3

Einwirkungskombinationen fu¨r Wildbachsperren Wildbachsperren unterliegen mehreren, oft gleichzeitig wirkenden Einwirkungen. Die Einwirkungen sind in Abschnitt 5.3 beschrieben. Eine systematische Angabe von Einwirkungskombinationen fand sich erstmals in der Schweizer Richtlinie zur Dimensionierung von Wildbachsperren aus

Beton und Stahlbeton [66]. Basierend auf diesen Ausfu¨hrungen, eigenen Erfahrungen der Autoren und der Bemessungspraxis der sterreichischen Wildbach- und Lawinenverbauung werden in der ONR 24 802 [159] die im Folgenden dargestellten Einwirkungskombinationen vorgeschlagen. Bei der Bemessung einer Sperre an einem konkreten Standort sind durch befugte und befa¨higte Projektanten unter Einbeziehung eines Sachversta¨ndigen fu¨r Wildbach- und Lawinenverbauung die Bedingungen im Einzugsgebiet einzuscha¨tzen und die daraus resultierenden Lastkombinationen festzulegen. Ein gleichzeitiges Auftreten von Sturzprozessen und Erdbeben in außergewo¨hnlichen Bemessungssituationen muss nach ONR 24 802 aus Gru¨nden der geringen Wahrscheinlichkeit dieser Kombination nicht beru¨cksichtigt werden. Die Wahl der maßgebenden Einwirkungskombination ha¨ngt von folgenden Faktoren ab: – maßgeblicher Bemessungsprozess gema¨ß Abschnitten 2.3.2 und 2.3.4 (Hochwasserabfluss, fluviatiler Feststofftransport, murartiger Feststofftransport oder Murgang); – Funktionstyp der Sperre gema¨ß Abschnitt 3.2.1 (Ableitung, Stabilisierung, Konsolidierung, Retention, Dosierung, Filterung, Energieumwandlung, Ablenkung);

Tabelle 41. Einwirkungskombinationen, die in Abha¨ngigkeit des Funktionstyps des Bauwerkes mindestens zu beru¨cksichtigen sind (Empfehlung); nach [159]

Funktion

Maßgeblicher Bemessungsprozess fluviatile Verlagerungsarten

murartige Verlagerungsarten

LF 1

LF 2

LF 3

LF 1

LF 2

LF 3

Konsolidieren

EGF1)

AGBGCGD

M, N, O, P

KGL

BGH

M, N, O, P

Retendieren

AGB

M, N, O, P

GGH S IGJ

M, N, O, P

Dosieren

AGB

M, N, O, P

GGH S IGJ

M, N, O, P

Filtern

AGB

M, N, O, P

GGH S IGJ

M, N, O, P

Energieumwandlung (Absturzbauwerke)

KGL

Energieumwandlung (Murbrecher)

GGH S IGJ

BGH

M, N, O, P M, N, O, P

Es bedeuten: LF 1: sta¨ndige Bemessungssituation LF 2: voru¨bergehende Bemessungssituation LF 3: außergewo¨hnliche Bemessungssituation G oder, z. B. EGF bedeutet: EK E oder EK F ist maßgebend S und, z. B EGF S KGL bedeutet: EK E oder EK F und EK K oder EK L sind maßgebend 1)

Soll das Tragwerk dauerhaft seitlichem Hangdruck widerstehen, ist diese Einwirkung gemeinsam mit EK O anzusetzen.

136 –

7 Statische Berechnung und Bemessung

Ho¨he der Verlandung im Bau- und/oder Betriebszustand (plangema¨ß nicht verlandet, teilverlandet, verlandet).

Fu¨r die Bemessung der Bauzusta¨nde sind die potentiellen Prozessereignisse wa¨hrend der Bauzeit zu beru¨cksichtigen. In Tabelle 41 werden den Funktionstypen (s. Tabellen 8 und 9) zugeordnete Einwirkungskombinationen vorgeschlagen. Ferner erfolgt ein Vorschlag der Einteilung in Lastfallklassen nach DIN 1054 (s. Abschnitt 7.2.7). Fu¨r die folgenden Einwirkungskombinationen gilt generell: Ob eine Sickerstro¨mung anzusetzen ist, ha¨ngt von der Zeitdauer des Einstaues und den Bodenverha¨ltnissen ab und ist im Einzelfall zu entscheiden. Der Wasserdruck im Boden ist bis zur Unterkante der Stauwandplatte anzusetzen. Eine dynamische Einwirkungskomponente des Wasserdruckes wowD ist nur bei Beanspruchung durch einen Wasserdruck aus Gerinneabfluß anzusetzen. Kommt es infolge des Wasserdruckes aus Gerinneabfluß zur Beanspruchung durch

mitgefu¨hrte Einzelkomponenten (Steinblo¨cke, Baumsta¨mme) ist die Ersatzkraft FE an der fu¨r das Tragwerk ungu¨nstigsten Stelle anzusetzen. Der hydrodynamische Anteil aus einem Gerinneabfluss und die Ersatzkraft FE wirken dabei nur auf die u¨ber der Verlandungssohle liegenden Bauwerksteile (insbesondere auf die Sperrenflu¨gel). 7.3.1

Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus fluviatilen Verlagerungsarten

Die Einwirkungskombination EK A und EK B (Bild 112) beru¨cksichtigen Einwirkungen auf nicht verlandete Sperrenko¨rper (z. B. Dosiersperren, Retentionssperren im nicht verlandeten Zustand). EK A und EK B ko¨nnen auch fu¨r Bauzusta¨nde von noch nicht hinterfu¨llten Konsolidierungssperren angewandt werden. Die Einwirkungskombinationen EK C und EK D (Bild 113) beru¨cksichtigen Einwirkungen auf teil-

Bild 112. Einwirkungskombinationen auf einen nicht gefu¨llten Verlandungsraum (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

Bild 113. Einwirkungskombinationen auf eine Sperre mit teilgefu¨lltem Verlandungsraum (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

7.3 Einwirkungskombinationen fu¨r Wildbachsperren

137

Bild 114. Einwirkungskombinationen auf eine Sperre mit vollsta¨ndig verlandetem Verlandungsraum (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

Bild 115. Einwirkungskombinationen mit Muren auf eine nicht verlandete Sperre (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

verlandete Sperrenko¨rper. Die Ho¨he der zu beru¨cksichtigenden Teilverlandung ist in Abha¨ngigkeit der Erhaltungsstrategie (Ra¨umungsintervalle) festzulegen. Die Einwirkungskombination EK E und EK F (Bild 114) beru¨cksichtigen Einwirkungen auf vollsta¨ndig verlandete Sperrenko¨rper (z. B. Konsolidierungssperre). 7.3.2

Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus murartigen Verlagerungsarten

Grundlagen zu den Einwirkungen aus Muren, Bemessungsmodelle und Lastverteilungen sind in Abschnitt 5.3.5 zusammengestellt.

Die Einwirkungskombinationen EK G bis EK L (Bild 115) gelten fu¨r eine Belastung durch Muren. EK G und EK H beru¨cksichtigen die Einwirkung auf nicht verlandete Sperrenko¨rper (z. B. Murbrecher). EK G liegt die Annahme zu Grunde, dass die Mure innerhalb des Gerinneabflusses auf das Bauwerk einwirkt. Der Untergrund wird daher als vollsta¨ndig wassergesa¨ttigt angenommen. EK H ist fu¨r Bauwerke relevant an denen die Mure ohne Gerinneabfluß auf das Bauwerk einwirkt. Der Boden kann in diesem Fall als entwa¨ssert angenommen werden. Das Eigengewicht der Mure ist als Auflast auf den Erddruck zu beru¨cksichtigen.

138

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 116. Einwirkungskombinationen mit Muren auf eine teilverlandete Sperre (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

Bild 117. Einwirkungskombinationen mit Muren auf eine vollsta¨ndig verlandete Sperre (Schnitt parallel zur Bachachse durch einen idealisierten Sperrenko¨rper); nach [159]

EK I und EK J (Bild 116) beru¨cksichtigen einen Murgang auf eine teilverlandete Sperre (z. B. Konsolidierungssperre) oder einen zweiten Murgang, der auf einen ersten folgt. EK I liegt die Annahme zu Grunde, dass die Mure innerhalb des Gerinneabflusses auf das Bauwerk einwirkt. Der Untergrund wird daher als vollsta¨ndig wassergesa¨ttigt angenommen. EK J ist fu¨r Bauwerke relevant, an denen die Mure ohne Gerinneabfluß auf das Bauwerk einwirkt. Der Boden kann in diesem Fall als entwa¨ssert angenommen werden. Das Eigengewicht der Mure ist als Auflast auf den Erddruck zu beru¨cksichtigen. EK K und EK L (Bild 117) beru¨cksichtigen einen Murgang auf die seitlichen Sperrenflu¨gel wie

dies bei voll verlandeten Konsolidierungssperren auftreten kann. EK K liegt die Annahme zu Grunde, dass die Mure innerhalb des Gerinneabflusses auf das Bauwerk einwirkt. Der Untergrund wird daher als vollsta¨ndig wassergesa¨ttigt angenommen. EK L ist fu¨r Bauwerke relevant an denen die Mure ohne Gerinneabfluß auf das Bauwerk einwirkt. Der Boden kann in diesem Fall als entwa¨ssert angenommen werden. Das Eigengewicht der Mure ist als Auflast auf den Erddruck zu beru¨cksichtigen. Wenn davon ausgegangen wird, dass der Boden unter der Gerinnesohle wassergesa¨ttigt ist, wirkt der statische Lastanteil einer Mure pMuS als Auflast auf den Wasserdruck im Boden.

7.4 Statische Systeme von Schutzbauwerken

7.3.3

139

Kombinationen und Sonderlastfa¨lle

Als LF 3 sind im Bedarfsfall neben den angegebenen Kombinationen zusa¨tzliche außergewo¨hnliche Einwirkungen (Erdbeben, Lawinen, Sturzprozesse,...) zu beru¨cksichtigen. Diese Einwirkungskombinationen sind nur in bestimmten Fa¨llen maßgeblich und werden in der Regel durch den Naturgefahrenexperten, den Geotechniker und dem Konstrukteur im Einzelfall festgelegt. Als Sonderlastfa¨lle ko¨nnen: – Steinschlag (EK M), siehe Bild 118, – Lawinen (EK N), – seitlicher Hangdruck (EK O), – Erdbeben (EK P) zu beru¨cksichtigen sein. Der Sonderlastfall seitlicher Hangdruck sollte nach Mo¨glichkeit durch konstruktive Vorkehrungen nach Abschnitt 4.6 gelo¨st werden.

7.4 Statische Systeme von Schutzbauwerken Ein wesentlicher Parameter fu¨r die Wahl eines geeigneten statischen Systems ist die Mobilisierung von geotechnischen Widersta¨nden. Horizontalen Einwirkungen wie Erd- und Wasserdru¨cken, sowie Mursto¨ßen ko¨nnen als Widersta¨nde neben dem Eigengewicht und der Form des Bauwerks, geotechnische Widersta¨nde in der Sohle und den

Bild 118. Beispiel fu¨r einen Sonderlastfall Steinschlag (nach [159])

Flanken gegenu¨berstehen. Ein Sperrenbauwerk kann die Einwirkungen prima¨r u¨ber die Bauwerkssohle (Typ A), die seitlichen Flanken (Typ C) oder aufgeteilt auf beide Widersta¨nde (Typ B) abtragen (Bild 119). Bei Gru¨ndungen in Festgestein (Fels) kann von einer Aktivierung der seitlichen Widersta¨nde ausgegangen werden. Im Lockergestein ist bei der Mobilisierung von seitlichen Widersta¨nden zu beachten, dass das Bauwerk eine bestimmte Bewegung durchzufu¨hren hat, um den seitlichen Erddruck zu mobilisieren (s. Abschn. 5.2.1).

Bild 119. Einteilung der statischen Systeme nach der Art der Lastabtragung in den Untergrund

140

7 Statische Berechnung und Bemessung

Tabelle 42. Einteilung der statischen Systeme von Schutzbauwerken nach ONR 24800 [157]

Gewichts- Gewo¨lbesperren sperren

Plattensperren einfache Plattensperre

Pfeilerplattensperre

Aufgelo¨ste Tragwerke

Winkelstu¨tzmauer

massenaktive Tragwerke

vektoraktive Tragwerke

biegesteif biegeweich (Gittersperren) (Netzsperren)

Die Einteilung der statischen Systeme laut ONR 24 800 [157] orientiert sich neben dem Konzept der a¨ußeren Standsicherheit am Kraftfluss innerhalb des Bauwerks (vgl. Abschn. 3.2.3). Bei der Betrachtung der a¨ußeren Standsicherheit ist es maßgebend, ob die Flanken in der Lage sind Lasten, abzutragen oder nicht. Der Kraftfluss innerhalb des Bauwerks wird neben den Steifigkeiten der Bettungen im Untergrund, maßgeblich von der Form der Bauteile (Stab-, Fla¨chenelemente) und deren Steifigkeiten (biegeweich, biegesteif) beeinflusst. Die Art der angenommenen Lagerung des Bauwerks im Untergrund hat entscheidenden Einfluss auf den inneren Kraftfluss. In Bauwerken vom Typ A und C wird bei der Bemessung von einem einachsigen Spannungszustand ausgegangen. In diese Kategorie fallen z. B. Gewichtsmauern, Winkelstu¨tzmauern und Netzsperren. Geht man bei der Bemessung von einem aktivierbaren Widerstand in der Sohle und den Flanken aus (Typ B), bildet sich im Bauwerk ein mehrachsiger Spannungszustand aus. Reine Plattensperren sind in diesem Fall als dreiseitig gelagerte (eingespannte) zweiachsige Platten zu bemessen. Gewo¨lbesperren tragen aufgrund der Grundrissform Horizontallasten prima¨r u¨ber die seitlichen Flankenwidersta¨nde ab. Vom Kraftfluss innerhalb des Bauwerks unterscheidet man Systeme, die die Schnittkra¨ fte einerseits prima¨r u¨ber Biegung und Eigengewicht (Masse) und andererseits prima¨r u¨ber Normalkra¨fte abtragen. Zu den ersten Systemen geho¨ren die Gewichtssperren sowie alle Plattensperren und die massenaktiven aufgelo¨sten Tragsysteme. Einen Grenzfall stellen die Gewo¨lbesperren dar, welche Horizontallasten prima¨r u¨ber Druckkra¨fte abtragen. Allerdings sind Stahlbetonquerschnitte in der Lage auch Biegemomente aufzunehmen. Je geringer der Stich einer Bogensperre wird, desto mehr na¨hert sich das Tragverhalten dem einer Platte an. Normalkra¨fte ko¨nnen in einfachen oder ra¨umlichen Fachwerks- und Vierendeelsystemen (Rahmensystemen) als Druck und Zugkra¨fte auftreten. In diesem Zusammenhang spricht

man von aufgelo¨sten vektoraktiven biegesteifen Systemen. Dazu za¨hlen die Gittersperren. In biegeweichen aufgelo¨sten Systemen ko¨nnen die Einwirkungen nur Zugkra¨fte erzeugen, wie das bei Netzsperren der Fall ist. Im Unterschied zu allen anderen Systemen erzeugen diese in den Widerlagern Zugkra¨fte, mu¨ssen also verankert werden. Bei weitgehend ebenen plattenartigen Wildbachsperren kann man drei grundlegend unterschiedliche Tragmechanismen unterscheiden: Gewichtsmauer, Platte und Winkelstu¨tzmauer. Der Unterschied besteht neben den unterschiedlichen Wirkungsweisen in der inneren Statik, im Wesentlichen in der Art der angenommenen geotechnischen Widersta¨nde. Die prinzipiellen Auspra¨gungen von massiven, ebenen Sperrenquerschnitten, abha¨ngig von der Wahl des Tragmodells, sind in Bild 120 dargestellt. Beim Modell A – Gewichtsmauer wird die a¨ußere Standsicherheit der Mauer hauptsa¨chlich durch ein entsprechend hohes Eigengewicht sichergestellt. Sehr dicke, massige Bauko¨rper sind die Folge. Die Reaktionskra¨fte aus den Einwirkungen werden u¨ber die Sohlfuge in den Untergrund u¨bertragen (Typ A). Das Modell B – Platte folgt der Betrachtung als dreiseitig gelagerte oder eingespannte Platte. Diese Platte besitzt keine verbreiterten Fundamentbereiche. Die zumeist horizontal wirkenden Kra¨fte werden u¨ber eine seitliche und eine untere Bettung in die Talflanken und den Untergrund u¨bertragen (Typ B). Dieses Modell setzt mobilisierbare geotechnische Widersta¨nde an den gelagerten Plattenra¨ndern voraus. Von der statischen Wirkungsweise der Platte kann man drehbar gelagerte Ra¨nder und eingespannte Ra¨nder unterscheiden. Eine Lagerung in der Na¨he der Einspannung wird sich bei Gru¨ndungen in Fels einstellen. Bei Lagerungen auf Lockergestein und Bo¨den geht man eher von einer gelenkigen Auflagerung der Plattenra¨nder aus. Sind die Lagerungsverha¨ltnisse, welche sich tatsa¨chlich einstellen schwer abscha¨tzbar, sollte man zur Sicherstellung der

7.4 Statische Systeme von Schutzbauwerken

141

Bild 120. Auspra¨gung der Sperrenquerschnitte, abha¨ngig von der Wahl des Tragmodells: (A) Gewichtsmauer; (B) reines Plattentragwerk; (C) Winkelstu¨tzmauer; (D) Hybridmauer

inneren Standsicherheit die Querschnittsabmessungen und Bewehrungsfla¨chen jeweils auf das Schnittkraftmaximum aus beiden Lagerungsextremen (gelenkig, eingespannt) auslegen. Das Modell C – Winkelstu¨tzmauer geht von der Betrachtung als L-fo¨rmige Winkelstu¨tzmauer aus. Hier werden die einwirkenden horizontalen Lasten auf den vertikalen Schenkel in eine Sohlpressung unter dem horizontalen Schenkel umgewandelt (Typ A). Durch diese Bauweise kann bei einem geringen Materialeinsatz ein hohes

Widerstandsmoment in der Sohlfla¨che erzielt werden. Der Vorteil dieses Modells ist, dass die gesamten einwirkenden Lasten u¨ber die untere Sohlfuge u¨bertragen werden ko¨nnen und Widersta¨nde in den Flanken, welche meist schwer abscha¨tzbar sind, nicht angesetzt werden mu¨ssen. Aufgrund der schwer abscha¨tzbaren geotechnischen Randbedingungen wird in der Praxis meist eine Mischung aus den Modellen A bis C verwendet (Modell D – Hybridmauer). Je nach Eigengewicht der Mauer und La¨nge des waage-

Tabelle 43. Modellu¨bersicht

Modell

Widersta¨nde Widersta¨nde gegen Kippen (Auflager)

Idealisierter innerer Spannungszustand

A

Gewichtsmauer

Sohlfuge

Eigengewicht

einachsig

B

Platte

Sohlfuge Flanken

Eigengewicht Widerstand der Talflanken

zweiachsig

C

Winkelstu¨tzmauer

Sohlfuge

EG Mauer einachsig EG Boden auf waagerechtem Schenkel

D

Hybridmauer

Sohlfuge Flanken

EG Mauer ein- oder zweiachsig EG Boden auf waagerechtem Schenkel (Widerstand der Talflanken)

142

7 Statische Berechnung und Bemessung

rechten Schenkels, la¨sst sich jede gewu¨nschte Aufteilung der Reaktionskra¨fte auf die Flankenbereiche und die Sohlfuge erreichen (Typ B). Streng genommen handelt es sich um eine Winkelstu¨tzmauer mit kurzem horizontalen Schenkel. Durch gekru¨mmte Grundrisse (Gewo¨lbesperren) kann eine Bogentragwirkung erreicht werden. Dadurch treten anstelle von Biegemomenten Druckspannungen auf, was diese Systeme besonders fu¨r Steinmauern und unbewehrte Betonmauern interessant macht. Bei einer Ausfu¨hrung in Stahlbeton la¨sst sich durch Aktivierung einer Bogentragwirkung Betonmasse einsparen.

Durch aufgelo¨ste Systeme lassen sich hohe Widerstandsmomente in der Sohlfla¨che durch geringen Materialeinsatz erreichen. Das Tragwerkssystem wird eingesetzt, wenn eine maximale Durchga¨ngigkeit oder eine hohe Flexibilita¨t des Systems gegen dynamischen Lastangriff erforderlich ist. Die Konstruktions-Tragwerks-Matrix (Tabelle 44) stellt wichtige Zusammenha¨nge zwischen dem Einsatzbereich der statischen Systeme und der funktionsabha¨ngigen Konstruktion des Sperrenbauwerks dar.

Tabelle 44. Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit dem statischem System und dem Konstruktionstyp (Konstruktions-Tragwerks-Matrix)

Konstruktionstyp Geschlossene Sperre (Vollwandsperre) Gewichtssperren

Offene Sperre Dolensperre kleindolig

Konsolidierungssperre, Geschieberetentionssperre, Absturzsperre

großdolig

Schlitzsperre

Aufgelo¨ste Sperre

Gittersperre, Netzsperre, Seilsperre

Geschiebedosiersperre Geschiebefiltersperre, Wildholzfiltersperre Murbrecher

Gewo¨lbesperren

Geschiebedosiersperre

Statisches System

Plattensperren Reine Plattensperren Pfeilerplattensperren Winkelstu¨tzmauer

Konsolidierungssperre, Geschieberetentionssperre, Absturzsperre

Geschiebedosiersperre Geschiebefilter, Wildholzfilter, Murbrecher

Aufgelo¨ste Tragwerke Massenaktive Tragwerke

Vektoraktive Tragwerke

Geschiebefilter, Wildholzfilter, Murbrecher Geschiebefilter, Wildholzfilter

7.5 Gewichtssperren

7.5

Gewichtssperren

7.5.1

Allgemeines

Die Stu¨tzwirkung dieser Bauten erfolgt ausschließlich durch die Schwerkraft. Das in der Sohlfuge wirkende Moment infolge horizontaler Erddrucklasten wird u¨ber das ru¨ckdrehende Moment aus vertikalen Eigengewichtslasten aufgenommen. Dadurch entstehen massige Bauwerke (Bild 121). Bei der Bemessung wird von einem einachsigen Spannungszustand ausgegangen. Eine seitliche Einbindung in die Bo¨schung wird statisch als nicht wirksam angenommen. Gewichtsmauern haben in der Regel einen trapezfo¨rmigen Querschnitt. Der Anzug an der Luftseite muss bedingt durch eine Verdrehung der Wand um den Fußpunkt, infolge des aktiven Erddruckes ausgefu¨hrt werden. Im Allgemeinen betra¨gt die

143

Neigung 4:1 bis 10:1. Die Wasserseite kann nicht nur vertikal, sondern auch geneigt oder abgetreppt ausgefu¨hrt werden (Bild 122). Gewichtsmauern werden im Grundriss meist als gerade Querwerke gestaltet, ihr Einsatzgebiet ist vor allem bei instabilen Talflanken (z. B. weniger tiefe Ta¨ler mit schwach geneigten Talflanken). Wird die Mauer im unteren Teil unterschnitten (Bild 122 B3), verringert dies den Erddruck und damit die erforderliche Querschnittsfla¨che betra¨chtlich. Es muss jedoch die Standsicherheit der nicht verlandeten Mauer oder Sperre gewa¨hrleistet werden. Gewichtsmauern als Sperrenbauwerke sind im Allgemeinen kronengeschlossene Bauwerke (Bild 121 A). Sie ko¨nnen allerdings auch als Flankenbauwerke von kronenoffenen Sperren (z. B. Schlitzsperren) zum Einsatz kommen. Sie ko¨nnen

Bild 121. Gewichtsmauern: (A) als Querbauwerk (verlandete Konsolidierungssperre); (B) als Ufermauer

Bild 122. Querschnitte von Gewichtsmauern aus Beton: (A) mit gerader Ru¨ckwand; (B) mit hinterschnittener oder abgestufter Ru¨ckwand (materialsparend)

144

7 Statische Berechnung und Bemessung

als Bauwerke aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton (Stahlbeton), als Steinsperren aus Trockenoder Zementmauerwerk, Holzkastensperren oder Drahtschottersperren ausgefu¨hrt werden. 7.5.2

Gewichtssperren in Konstruktionsbeton

In den meisten Fa¨llen werden Gewichtsmauern aus unbewehrtem Beton hergestellt und erhalten ggf. wasserseitig eine rissreduzierende Oberfla¨chenbewehrung, um die Rissbildung zu hemmen. Diese Bauwerke haben zwar hohen Materialverbrauch, ko¨nnen dafu¨r aber mit einem vergleichsweise geringen Aushubvolumen errichtet werden. Gewichtssperren aus Stahlbeton werden nicht ausgefu¨hrt, da das Eigengewicht von auf die innere Tragfa¨higkeit optimierten Querschnitten zu gering fu¨r die Erfu¨llung der a¨ußeren Standsicherheit ist. In diesem Fall werden eine Hybridmauer, Plattensperre oder eine Winkelstu¨tzmauer konstruiert. In der Praxis hat sich eine Mindestdicke der Sperrenkrone von 70 cm bewa¨hrt. 7.5.3

Vorgespannte Betongewichtssperre

Eine vorgespannte Gewichtsmauer ist eine spezielle Bauart der Wildbachverbauung, die jedoch nur sehr selten zum Einsatz kommt. Die Ankerkra¨fte der Spannanker verursachen in den horizontalen Fugen der Gewichtsmauer Druckspannungen, die den, bei Vollbelastung der Sperre auftretenden Zugspannungen entgegen wirken. Die Zugspannungen aus der Belastung werden somit zum Teil oder ganz aufgehoben.

Die Vorspannung dient somit zur Verringerung des notwendigen Eigengewichts der Gewichtsmauer und fu¨hrt zu einer weitestgehenden Rissefreiheit. Bei der Planung sollten die, bei leerem Becken luftseitig auftretenden Zugspannungen nicht u¨bersehen werden. Diese Situation kann laut Czerny [43] vermieden werden, indem die Vorspannung in der Sperre erst nach einem Teilstau vorgenommen wird. Weiterhin sollte, aus Gru¨nden des Korrosionsschutzes, auf eine ausreichende Verpressung des Spannkanals geachtet werden. Einstabanker, Litzenanker und Bodenna¨gel sollten mit einfachem oder doppeltem werkma¨ßigen Korrosionsschutz versehen werden. Bei einer Vorspannung mit nachtra¨glichem Verbund sollten die Spannglieder mit einer Korrosionsschutzmasse umhu¨llt und in ein PE-Hu¨llrohr eingebracht werden, wodurch sich diese als Daueranker eignen. Nach [43] liegt die wirtschaftliche und technische Grenze bei der Verwendung der Vorspannung bei einer Sperrenho¨he von 15 bis 60 m und damit u¨ber den maximalen Ho¨hen der Wildbachverbauung. Bild 123 zeigt die Spannungsberechnung einer vorgespannten Sperre. 7.5.4

Steinsperre

Sie ist eine aus Stein erstellte Sperre aus Trockenoder Zementmauerwerk. Die Querschnitte sind a¨hnlich denen der Betonmauern (Bild 122).

Bild 123. Spannungsberechnung einer vorgespannten Sperre (nach Czerny [43])

7.5 Gewichtssperren

145

7.5.4.1 Trockenmauern (Zyklopenmauern)

7.5.5

Besteht die Gewichtsmauer aus formgenauen Steinen ohne Mo¨rtel, bezeichnet man sie als Trocken- oder Zyklopenmauer. Dieser Mauertyp wird mit einer luftseitigen Neigung von 5:1 bis 2:1 ausgefu¨hrt und eignet sich als Stu¨tzkonstruktion fu¨r geringe Ho¨hen. Bei der Errichtung einer Trockenmauer ist hinsichtlich der Tragfa¨higkeit und Dauerhaftigkeit vor allem auf den Schubund Reibungsverbund zwischen den Steinen zu achten. Dieser Verbund ha¨ngt wesentlich von der Passgenauigkeit und der Gro¨ße der Kontaktfla¨chen ab.

Grundsa¨tzlich kann man nach [28] zwischen einwandigen bzw. zwei- und mehrwandigen Konstruktionen unterscheiden. Zwei- oder mehrwandige Konstruktionen werden auch als Krainerwa¨nde bezeichnet. Diese Holzkrainerwa¨nde sind Raumgitterkonstruktionen aus Holz, welche mit Steinen, Grobschlag oder Aushubmaterial befu¨llt werden. Durch die Verwendung von lokalen Materialen fu¨r die Erstellung der Holzka¨sten hat sich eine Vielzahl von leicht unterschiedlichen Konstruktionsmethoden entwickelt. Zu den verwendeten Holzarten siehe Abschnitt 4.12.3. Um ein Ausspu¨len der Verfu¨llung des Holzkastens zu verhindern, muss besonders bei Konsolidierungssperren ein Schwerboden, bestehend aus dicht an dicht verlegten Rundho¨lzern, als Fundament angebracht werden (Bild 126).

Trockenmauern bieten eine Vielzahl an Mo¨glichkeiten der Oberfla¨chengestaltung. Die verwendeten Steine zur Errichtung der Sperre sollten aus der Umgebung gewonnen werden, wodurch eine bessere Eingliederung in das Landschaftsbild gegeben ist. In der Regel werden Trockenmauern als Grundschwellen oder niedrige Konsolidierungssperren verwendet. Eine besondere Form der Trockenmauerung stellt heute die Grobsteinschlichtung dar, die in der Regel mit großen Erdbaugera¨ten auf eine geneigte Bo¨schung zu deren Befestigung verlegt wird. Grobsteinschlichtungen werden in der Praxis nicht bemessen. Bei Ufermauern oder Stu¨tzmauern ko¨nnen nach Florineth [72] die Zwischenra¨ume der Trockenmauern durch eine Gra¨ser-Kra¨uter-Mischung mittels Hydrosaat ausgefu¨llt werden. Dabei erreicht man mit Weidensteckho¨lzern und/oder bewurzelten Laubgeho¨lzen (gut geeignet sind Ballenpflanzen) einen guten Bewuchs. Sinnvoll ist die Einlage von Pflanzen wa¨hrend des Baus der Trockenmauer, jedoch besteht die Gefahr der Bescha¨digung durch die schweren Steine. So ko¨nnen die Steckho¨lzer und Pflanzen auch nach der Erstellung in die mit Erde gefu¨llten Zwischenra¨ume gesteckt werden. 7.5.4.2 Zementmo¨rtelmauerwerk

Je nach Konstruktionstyp sind berga¨nge von Zementmo¨rtelmauerwerk bis hin zu schwach bewehrtem Beton mo¨glich. Legt man eine fla¨chige Bewehrung (8 mm J ds J 14 mm mit s w 25 cm) ein, hilft diese bei der Rissbeschra¨nkung und kann auch eventuell auftretende Zugspannungen aus Erddruck oder Setzungen aufnehmen. Will man das Ausbrechen von Steinen aus dem Mauerwerk unterbinden, besteht die Mo¨glichkeit in gewissen Absta¨nden, ca. ein Meter, abgewinkelte Bewehrungseisen einzulegen. In Mauern mit vermo¨rtelten Fugen mu¨ssen unbedingt Entwa¨sserungso¨ffnungen zur Dra¨nage eingebaut werden.

Holzkastensperren

7.5.5.1 Einwandige Holzkastensperren

Einwandige Konstruktionen zur Stabilisierung der Bachsohle bestehen aus La¨ngsho¨lzern, die mit Zangen im Erdreich verankert werden. Sofern die Mo¨glichkeit besteht, sollten einwandige Holzsperren luftseitig durch in den Boden gerammte Pfa¨hle unterstu¨tzt werden. Die in den Boden gerammten Pfa¨hle wirken fu¨r die Sperrenflu¨gel als Auflager und tragen zudem noch einen Teil der Belastung in den Untergrund ab. Die La¨ngsho¨lzer sollten mindestens einen Meter in die Flanken eingebunden sein. Die Sperre sollte nach [28] nicht steiler als 10:1 geneigt sein, damit die Luftseite sta¨ndig benetzt ist. Die maximale Ho¨he der Sperre HS sollte bei einwandigen Bachsperren eine Ho¨he von zwei Meter, unter optimalen Bedingungen drei Meter, nicht u¨berschreiten. Im Wesentlichen sind einwandige Holzsperren wie doppelwandige ohne Ru¨ckwand ausgefu¨hrt. 7.5.5.2 Doppelwandige Holzkastensperren

Der Holzkasten tra¨gt seine Lasten in erster Linie als Gewichtsmauer ab. Falls keine La¨ngsho¨lzer gestoßen werden mu¨ssen und die Einbindung der Sperre in den seitlichen Flanken gut ist, kann der Holzkasten nach [29] auch eine horizontale Tragwirkung ausu¨ben. Der doppelwandige Holzkasten besteht aus zwei parallel angeordneten La¨ngsho¨lzern, welche durch Querho¨lzer (Zangen) miteinander verbunden sind. La¨sst man bei Sperrenbauwerken die oberwasserseitigen Querho¨lzer herausragen, kann man laut [28] eine zusa¨tzliche Ru¨ckverankerung erreichen. Eine solche Lo¨sung kommt nicht in Frage, wenn im Verlandungsbereich Bodensetzungen zu erwarten sind. Die La¨ngs- und Querho¨lzer sind an den Knotenpunkten mit Na¨geln aus Bewehrungsstahl oder Schmiedeeisen verbunden.

146

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 124. (A) Holzkastensperren mit schra¨gen Flu¨geln; (B) mit Einsteckflu¨geln; (C) dicht an dicht gelegte Rundholzbedielung der Abflusssektion; (D) dreiwandige Holzkastensperre

Bild 125. Einwandige Holzsperre (Stabilisierung) – Ansicht Luftseite und Schnitt

Die Sperre wird nach [29] auf einer sauber ausgeglichenen Fla¨che gegru¨ndet. Sperrenbauwerke sollten aufgrund der Robustheit auf einen Schwerboden gestellt werden. Der Schwerboden lagert Luftseitig in der Regel auf einem La¨ngsholz. Zur zusa¨tzlichen Erho¨hung der Sicherheit gegen Gleiten ko¨nnen wasserseitig Piloten aus Stahlprofilen in den Boden gerammt werden (Bild 126).

Da die La¨ngsho¨lzer gerade in diesem Bereich sehr stark beansprucht werden, ist es no¨tig, diese gut mit dem System zu verbinden. Dies kann nach [28] mittels durchgehender Schrauben bzw. Gewindestangen mit Muttern an beiden Seiten oder durch geschmiedete Stahlklammern oder -na¨gel („Schlachtenna¨gel“) erreicht werden.

7.5 Gewichtssperren

147

Bild 126. Doppelwandige Holzkastensperre mit aufgesetzten Drahtschotterko¨rben (nach Bo¨ll [28])

Der leere Holzkasten hat eine sehr geringe Steifigkeit, da statisch gesehen die Knoten Gelenke darstellen. Die erforderliche Steifigkeit erlangt das System erst durch die Verfu¨llung mit groben Steinen. Diese mu¨ssen zumindest an den Ra¨ndern sauber geschlichtet werden. Die Steine du¨rfen nur aus dem Bachbett entnommen werden, wenn man sich bei der Entnahme auf den Verlandungsbereich beschra¨nkt. Handelt es sich bei dem Geschiebe um feines Material, kann es lange dauern, bis die Holzkastensperre hinterfu¨llt wird. In diesem Fall hilft das Anbringen von Geotextilgewebe an der Oberwasserseite oder die Verfu¨llung der Holzka¨sten mit feinerem Material. Im letzteren Fall muss die Steifigkeit nach [28] durch zusa¨tzliche Holzverstrebungen erho¨ht werden und die Flu¨gel mu¨ssen mit demselben System errichtet werden. Bei der Verwendung von Geotextilien sind in der Praxis allerdings fallweise Probleme mit der Durchsickerung aufgetreten, wenn das Gewebe mit Feinteilen verschlemmt. Holzka¨sten ko¨nnen bei sorgfa¨ltiger Bauweise eine Ho¨he von bis zu vier, bei besonders guten Bedingungen fu¨nf Meter erreichen. Die Neigung der doppelwandigen Bauwerke sollte denen der einwandigen entsprechen. Bei sehr hohen Sperren gilt nach [28] eine Neigungsgrenze von 7:1. Stark beanspruchte Teile sollten leicht auswechselbar sein und an kritischen Stellen ist laut [28] eine durchgehende Verschraubung der traditionellen Vernagelung vorzuziehen. Das Aufreißen des Holzes durch die Vernagelung ist durch Vorbohren zu vermeiden, denn die Lebensdauer einer Holzkonstruktion ha¨ngt im Wesentlichen von der Qualita¨t der einzelnen Verbindungen und Anschlu¨sse ab. Im Bereich von Sto¨ßen in den La¨ngs-

ho¨lzern sind diese zu verdoppeln und links und recht des Stoßes sind Querho¨lzer anzuordnen. In der Wildbachverbauung werden die Querho¨lzer laut [28] in der Regel u¨bereinander angebracht, damit in der Abflusssektion mo¨glichst wenig herausragende Ho¨lzer vorhanden sind (Bild 126). Die Ausfachungen einer doppelwandigen Holzkastensperre ko¨nnen aus Holz- oder Steineinlagen hergestellt werden. Der Vorteil einer Steinausfachung liegt in der ho¨heren Steifigkeit und in der ho¨heren Lebensdauer. Der Mangel an geeigneten Steinen fu¨hrt in der Praxis aber oft zur Wahl anderer Ausfachungsarten. Wird der Kasten mit feinerem Aushubmaterial verfu¨llt, dann muss nach [29] mit Auswaschungen gerechnet werden. Die Steine werden so in die Ausfachung gelegt, dass sie nicht herausfallen ko¨nnen (Bild 127 A). Nach [29] soll die erste Lage Steine nicht aus mehreren plattenfo¨rmigen Steinen, sondern aus einem Stein, der sich in der ffnung verkeilen kann, bestehen. Gru¨nde dafu¨r sind der horizontale Druck im Kasten und eventuelle Auswaschungen. Nach den Ausfachungssteinen sollte nach [29] idealerweise eine durchgehende Wand aus Steinen trocken aufgemauert werden. Der Verbau mit Holz parallel zum La¨ngsholz kann in zwei unterschiedliche Varianten unterteilt werden. Bei der ersten Variante werden die Ho¨lzer mit demselben Durchmesser wie die zu verfu¨llenden ffnungen verwendet (Bild 127 B1). Diese Rundho¨lzer werden an die La¨ngsho¨lzer genagelt. Bei der zweiten Variante verwendet man Ho¨lzer mit einem gro¨ßeren Durchmesser als die zu schließenden Ausfachungen und verfu¨llt damit die ffnung von hinten (Bild 127 B2). Dabei ist

148

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 127. Ausfachung von Holzka¨sten: (A) Ausfachung mit Steinen; (B) zwei Varianten zur Ausfu¨llung mit Holzlagen parallel zu den La¨ngsho¨lzern; (C) Ausfachung mit Holzlagen parallel zu den Querho¨lzern (nach Bo¨ll [28])

der Nagelaufwand deutlich geringer, allerdings ko¨nnen sich die eingelegten Ho¨lzer durch nachtra¨gliche Setzungen verschieben. Bei der Holzverfu¨llung parallel zum Querholz liegt das Fu¨llholz auf dem vorderen und hinteren La¨ngsholz auf (Bild 127 C). Dadurch ergibt sich ein etwas niedrigeres Raumgewicht der Sperre. Dieser Umstand kann bei schlechtem Baugrund von Vorteil sein. In der Ansicht ist zwischen Fu¨llund Querholz nur noch schwer zu unterscheiden. Allerdings muss nach [29] immer darauf geachtet werden, dass ein sauberes Geru¨st aus La¨ngs- und Querholz und eine technisch einwandfreie Ausbildung der Knoten gegeben ist. Der Nachteil

dieser Bauart ist die ku¨rzere Lebensdauer der Sperre, vor allem an wechselfeuchten Standorten. Die Sperrenflu¨gel ko¨nnen unterschiedlich ausgefu¨hrt sein. Die Flu¨gelbauweise mit Drahtsteinko¨rben wird trotz der la¨ngeren Lebensdauer und der gro¨ßeren Stabilita¨t in der Praxis kaum ausgefu¨hrt (Bild 128 A). Die Bauweise der Flu¨gel in Holz ist nach [29] der der Sperre a¨hnlich. Dabei ist nicht außer acht zu lassen, dass die Lebensdauer von Holzflu¨geln durch die Wechselfeuchte stark herabgesetzt wird. Holzflu¨gel werden mit horizontalen, aber auch mit zur Abflusssektion geneigten La¨ngsho¨lzern ausgefu¨hrt (Bild 128 B). Einen ho¨heren Widerstand gegen Abscheren

Bild 128. Unterschiedliche Ausbildung der Sperrenflu¨gel: (A) Flu¨gel aus Drahtsteinka¨sten; (B) geneigte und horizontale Holzflu¨gel; (C) Blocksteinflu¨gel; (D) Einsteckflu¨gel

7.5 Gewichtssperren

bieten Einsteckflu¨gel. Dabei werden, wie in Bild 128 D dargestellt, die Rundho¨lzer der Flu¨gel zwischen die La¨ngs- und Querho¨lzer gesteckt. Die in Bild 128 C dargestellten Flu¨gel aus Steinblo¨cken sind als historischer Bautyp einzustufen. Die Abflusssektionen der Holzsperren, die meist mit Einsteckflu¨geln murprofilartig ausgefu¨hrt werden, unterliegen bei starkem Geschiebetrieb einer großen Beanspruchung, weshalb ein besonderer Kronenschutz notwendig ist (z. B. Ausgießen der obersten Steinfu¨llung mit Zementmo¨rtel, Rundholzbedielung, Stahlbetonkrone, Stahlblechabdeckung).

149

7.5.5.3 Dreiwandige Holzkastensperren

In fru¨heren Zeiten wurden in der Wildbachverbauung zum Teil sehr große Sperren in dreiwandiger Ausfu¨hrung gebaut. Große dreiwandige Systeme werden heute selten angewendet. Sie ko¨nnen Ho¨hen bis 15 m erreichen (Bild 124 D). Diese Sperren sind meist im unteren Bereich drei- und im oberen Bereich zweiwandig gebaut. 7.5.6

Drahtschottersperren (Drahtsteinko¨rbe, Gabionensperren)

Drahtschottersperren sind prismatisch angeordnete, u¨bereinandergesetzte Drahtko¨rbe, die mit Steinen befu¨llt werden [213]. Bild 129 zeigt

Bild 129. Drahtschotterko¨rbe: (A) Ausfu¨hrungen mit gerader Aufstandsfla¨che; (B) Ausfu¨hrungen mit geneigter Aufstandsfla¨che; (C) Beispiel Stu¨tzmauerquerschnitt; (D) Beispiel Sperrenquerschnitt

150

7 Statische Berechnung und Bemessung

verschiedene Mo¨glichkeiten der Anordnung der Ko¨rbe. Nach [28] ko¨nnen Drahtsteinko¨rbe aus verzinktem Drahtgeflecht bzw. Drahtnetz bestehen. Bo¨ll zieht die flexibleren Drahtgeflechte den geschweißten, steiferen Drahtnetzen vor. Drahtsteinko¨rbe werden eher im Hangverbau als in der Wildbachverbauung verwendet. Nach [28] kommen in der Wildbachverbauung Drahtsteinko¨rbe bei geringem und feinem Geschiebe in Betracht. Bei gu¨nstigen Voraussetzungen haben Drahtsteinko¨rbe allerdings eine recht hohe Lebensdauer, in Italien bspw. existieren Sperren mit einem Alter von etwa hundert Jahren. Nach [2] ist ein wesentlicher Vorteil des Gabionenverbaus der, dass man die Sperre beliebig erweitern bzw. reduzieren kann, indem man einfach eine Reihe von Drahtsteinka¨sten hinzu gibt bzw. wegnimmt. Da Drahtschottersperren wasserdurchla¨ssige Stauwerke darstellen, mu¨ssen die Ha¨nge aus weitgehend wasserundurchla¨ssigem Material bestehen. Die Widerstandskraft gegen Muren, soweit es sich nicht um grobko¨rnige Muren handelt, ist verha¨ltnisma¨ßig groß, dabei ist die Art der Kronenabdeckung wesentlich. Bei Rundholzbedielungen kann mit einer Lebensdauer von sieben bis zehn Jahren bei normaler Geschiebefu¨hrung gerechnet werden. Stahlblechabdeckungen und Stahlbetonabflusssektionen sind demgegenu¨ber weit widerstandsfa¨higer. Besonderes Augenmerk ist nach [28] auf die Qualita¨t der Verfu¨llung der Drahtka¨sten zu legen. In der Wildbachverbauung ist eine saubere ha¨ndische Verfu¨llung mit grobem und kantigem Material anzustreben. Die vorderste und hinterste Lage der Drahtka¨sten ist nach [28] a¨hnlich einer Trockenmauer auszufu¨hren. 7.5.7

Berechnung und Bemessung

Sperrenbauwerke sind je nach funktionalem Typ auf die maßgeblichen Einwirkungskombinationen nach Abschnitt 7.3 zu bemessen. Ufermauern werden in der Regel nur durch Erddruck (mit und ohne Hangwasser) belastet. 7.5.7.1 ußere Standsicherheit

Es mu¨ssen die Nachweise der Tragfa¨higkeit (Kippen, Gleiten, Grundbruch, Gela¨ndebruch, Hydraulischer Grundbruch) und der Gebrauchstauglichkeit erfu¨llt sein (s. Abschn. 7.2.10). Gema¨ß E DIN 4085 [65] ist bei Gewichtsmauern in der Regel der aktiven Erddruck anzusetzen. Fu¨r verformungsarme Konstruktionen ist der erho¨hte aktive Erddruck (in Ausnahmefa¨llen der Erdruhedruck) und bei hinterfu¨llten Stu¨tzbauwerken der Verdichtungserddruck maßgebend. Gru¨ndungen auf Festgestein bei ebenen Systemen sind als unnachgiebig einzustufen und daher auf

den erho¨hten aktiven Erddruck, in Ausnahmefa¨llen auf den Erdruhedruck, zu bemessen. Bei Drahtsteinko¨rben kann der Wandreibungswinkel d mit 0,9 · f angenommen werden. Nach [73] kann der Wandreibungswinkel bei Krainerwa¨nden, abweichend von Ortbetonwa¨nden, mit einem gro¨ßeren Wandreibungswinkel als 2/3 f angenommen werden, aber nicht gro¨ßer als f. Fu¨r die Berechnung des aktiven Erddrucks ist der Parameter Reibungswinkel f von großer Bedeutung, da der Winkel der inneren Reibung f auch den Wandreibungswinkel festsetzt. Nach [73] nimmt nicht nur die Gro¨ße der Erddruckkraft mit kleinerem Reibungswinkel zu, sondern auch das aktive Moment wird durch die flachere Erddruckresultierende gro¨ßer. Die Abmessungen von Gewichtsmauern mu¨ssen so gewa¨hlt werden, dass die Sohlspannungsresultierende aus Eigengewicht und Erddruck (eventuell auch Wasserdruck), die Sohlfla¨che innerhalb der ersten Kernweite schneidet (Sicherheit gegen Kippen). Durch eine schra¨ge Sohlfla¨che kann zwar die Gleitsicherheit nicht erheblich verbessert jedoch der Materialverbrauch verringert werden. Der Nachweis der Grundbruchsicherheit ist fu¨ r die Bemessung von Gewichtsstu¨tzmauern und erdgefu¨llten Bauteilen oft maßgebend. 7.5.7.2 Innere Standsicherheit

Der Nachweis der inneren Standsicherheit fu¨r Gewichtssperren erfolgt, abha¨ngig vom verwendeten Werkstoff, durch Untersuchungen der inneren Kra¨fte und Spannungen. Dabei werden die Nachweise an einem ein Meter breiten Streifen in der Na¨he der Abflusssektion erbracht (Bild 130). Eine Beschreibung der Werkstoffeigenschaften ist in Abschnitt 4.12 zu finden, eine Zusammenstellung der relevanten Normenwerke in Abschnitt 7.1.2. Beton- und Stahlbetonsperren

Die Konstruktion und alle Bauteile mu¨ssen die Einwirkungen dauerhaft schadensfrei und ohne Verlust der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit aufnehmen ko¨nnen. Außerdem ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit durch Beschra¨nkung der Rissbreiten nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1-1 zu fu¨hren. Ist eine Bewehrung notwendig, sind die Anforderungen aus DIN 1045-1 zu beru¨cksichtigen. Dabei sind zumindest 20 % der Hauptbewehrung als Querbewehrung anzuordnen. Bei der Bemessung von unbewehrten Betonquerschnitten ist nach DIN 1045-1 die Zugfestigkeit des Betons fct bei einem auf Biegung beanspruchten Bauteil nicht zu beru¨cksichtigen. Fu¨r den

7.5 Gewichtssperren

151

Bild 130. Lage des maßgeblichen Bemessungsschnittes bei einer Gewichtssperre

Querkraftnachweis darf die Zugfestigkeit angesetzt werden. Nach DIN 1045-1:2001 gelten fu¨r unbewehrten Beton, welcher auf Biegung mit und ohne La¨ngskraft oder auf La¨ngskraft alleine beansprucht wird, folgende Annahmen und Grundsa¨tze: x x

x

x

Ebenbleiben der Querschnitte. Betonzugspannungen du¨rfen im Allgemeinen nicht angesetzt werden. Ausnahmen wie z. B. Fundamente werden mit fctk; 0,05/gc bemessen. Dabei ist fu¨r gc der Wert fu¨r unbewehrten Beton zu verwenden. Die Betondruckspannungen ko¨nnen wahlweise aus den fu¨r die Bemessung maßgebenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen ermittelt werden. Dabei sind nach DIN 1045-1, Abschnitt 9.1.6, alle idealisierten Spannungs-DehnungsBeziehungen zula¨ssig, sofern sie im Hinblick auf die Verteilung der Druckspannung dem Parabel-Rechteck-Diagramm entsprechen. Rechnerisch darf keine ho¨here Betondruckfestigkeit als C35/45 angesetzt werden.

Kann fu¨r einen unbewehrten Betonquerschnitt nachgewiesen werden, dass die Betonzugspannungen im Grenzzustand der Tragfa¨higkeit kleiner sind als fctk; 0,05/gc, berechnet sich die Querkrafttragfa¨higkeit in den auflagernahen Bereichen nach Gl. (91). s ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi ffi  I  bw fctk;0,05 2 fctk;0,05 VRd,ct w  s a1  scd  S gc gc (91)

mit

I

Fla¨chenmoment 2. Grades des Querschnittes

S

Fla¨chenmoment 1. Grades des Querschnittes bezogen auf dessen Schwerpunkt

a1

lx/lbpd J 1,0 bei Vorspannung im sofortigen Verbund; in den u¨brigen Fa¨llen w 1

lx

Abstand des betrachteten Querschnittes vom Beginn der Verankerungsla¨nge des Spanngliedes

lbpd oberer Bemessungswert der bertragungsla¨nge des Spanngliedes fctk;0,05 unterer Quantilwert Betonzugfestigkeit, jedoch fctk;0,05 J 2,7 N/mm2 gc

Sicherheitsbeiwert fu¨r unbewehrten Beton (Tabelle 37)

bw

kleinste Querschnittsbreite

s cd Bemessungswert Betonla¨ngsspannung in Ho¨he des Querschnittsschwerpunktes, mit NEd s cd w in N=mm2 Ac

Du¨rfen bei einer Momenten-/Normalkraftbelastung keine Zugspannungen im Querschnitt auftreten, muss die Resultierende in den jeweiligen Nachweisschnitten in der ersten Kernweite liegen. Dadurch ist der gesamte Querschnitt u¨berdru¨ckt. In keinem Querschnitt des Bauwerks darf der Bemessungswert der Betondruckfestigkeit u¨berschritten werden. Weitere Ausfu¨hrungen zur Bemessung von unbewehrten Betonquerschnitten finden sich z. B bei Hegger et al. [84]. Holzkastensperren

Doppel- bzw. mehrwandige Holzkastensperren werden nur in besonderen Fa¨llen bemessen. Dabei kann nach [28], unter Annahme eines Raumgewichtes der Sperre von 14 kN/m3, eine genu¨gende Sicherheit gegenu¨ber Kippen und Gleiten bei einer Basisbreite von B w 0,5 · H erzielt werden. Erfahrungen zeigten, dass eine positive Auswirkung auf die Tragsicherheit und insbesondere auf die Gebrauchstauglichkeit durch eine saubere Ausfu¨hrung, sorgfa¨ltige Verfu¨llung, gute Einbindung in die Flanken und sorgfa¨ltige Unterhaltung erzielt wird. Innerhalb des Holzkastens ist der Siloerddruck anzusetzen. Der auf die Begrenzungsho¨lzer wirkende Druck kann in einen horizontalen und vertikalen Anteil aufgeteilt werden. Die Wa¨nde haben, durch den Horizontaldruck das Bestreben, sich voneinander weg zu schieben. Dieser Tendenz

152

7 Statische Berechnung und Bemessung

wirken die Querho¨lzer entgegen, indem sie die La¨ngsho¨lzer in ihrer gegenseitigen Lage fixieren. Damit wirken die Querho¨lzer als Zugsta¨be und die Knoten sind dementsprechend auszubilden. Die einer La¨ngsholzlage entsprechenden Querho¨lzer liegen auf den La¨ngsho¨lzern auf. Da ein Teil der Schubbeanspruchung durch Reibung infolge des vertikalen Drucks aufgenommen wird, mu¨ssen die Querho¨lzer an der Unterseite ausgekehlt werden. Statisch gesehen wirken Holzka¨sten nach [29] a¨hnlich Scheiben. Die luftseitigen La¨ngsho¨lzer, welche durch Querho¨lzer mit der Mauerru¨ckwand verbunden sind, wirken wie Durchlauftra¨ger. Durch die mit Steinen verfu¨llten Ka¨sten ergibt sich ein relativ komplexes statisches System. Man untersucht aus diesem Grund erforderlichenfalls nicht nur die Gesamtstabilita¨t der Sperre (Gleiten, Kippen) sondern auch die innere Statik der Ka¨sten. Bei der Bemessung doppelwandiger Sperren wird nach [29] die seitliche Verankerung in der Bo¨schung nicht mitberu¨cksichtigt. Drahtschottersperren

Bei der Bemessung der Stahlkastensperren ko¨nnen nach [28] Unterlagen von Herstellern oder Handelsfirmen herangezogen werden. In diesen Unterlagen wird das Fundament in der Regel eher breit und der Querschnitt einfach angelegt (Bild 129 A, B). Da in der Wildbachverbauung, aufgrund des steilen Gela¨ndes, das Fundament auf ein Minimum reduziert werden soll, besteht die unterste Korbreihe unter Umsta¨nden aus einer ein Meter breiten Korbreihe (Bild 131). Diese unterste Reihe fungiert als sogenannte Zange, welche die Sperre nach hinten abstu¨tzt. Damit diese Zangenwirkung voll zur Geltung kommen kann, mu¨ssen die einzelnen Drahtsteinko¨rbe miteinander verbunden werden. Diese Verbindungen werden nach [28] in den meisten Fa¨llen mit dicken, eingeflochtenen Dra¨hten oder in manchen Fa¨llen mit du¨nnem, durchgestoßenem Rundstahl hergestellt.

Bild 131. Korblage einer Drahtschottersperre

7.6

Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

7.6.1

Allgemeines

Gewo¨lbesperren (Bogensperren) weisen einen bogenfo¨rmigen Grundriss mit einem bachaufwa¨rts gerichteten Scheitel auf (Bild 132). In der Wildbachverbauung werden Bogensperren zum gro¨ßten Teil wasserseitig senkrecht und luftseitig mit einem Maueranzug ausgefu¨hrt. Zwischen der ebenen Gewichtsmauer und der Bogenmauer gibt es eine bergangskonstruktion, die gekru¨mmte Gewichtsmauer (Bogengewichtsmauer). Allerdings erfolgt bei gekru¨mmten Gewichtsmauern die Lastu¨bertragung in den Untergrund prima¨r u¨ber die Sohlfla¨che. Der Widerstand gegen Kippen wird ausschließlich u¨ber die Geometrie und das Eigengewicht des Sperrenko¨rpers erreicht. Bei einer echten Gewo¨lbesperre hingegen wird ein Teil der horizontalen Belastung (Wasser-, Erddruck) auf die seitlichen Talflanken abgeleitet (Bogenwirkung), wa¨hrend der Rest auf die Sohle u¨bertragen wird (Kragtra¨gerwirkung). Nach Leys [135] entspricht die Bogensperre somit statisch einem liegenden Gewo¨lbe mit gekru¨mmter Mauerachse, welches an den Ka¨mpfern gelenkig im Gela¨nde eingebunden ist. Der bevorzugte Standort sind daher Schluchtstrecken oder

Bild 132. Gewo¨lbesperren: (A) einfache Gewo¨lbesperre (Konsolidierungssperre); (B) Gewo¨lbesperre mit Flu¨geln und Dolen (Dosiersperre)

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

153

Ho¨henlinien des Tales in allen Schichten anna¨hernd gleich bleibt. Die typische Gleichwinkelmauer als Talsperre ist im Mittelquerschnitt anna¨hernd senkrecht (Bild 134 B). Wird der Kru¨mmungsradius zur Basis hin kleiner, entsteht im Bogenscheitel ein trapezfo¨rmiger Querschnitt, a¨hnlich wie in Bild 134 A dargestellt.

Bild 133. Unterscheidung in der Lastabtragung: (A) gekru¨mmte Gewichtsmauer (Bogengewichtsmauer); (B) Gewo¨lbesperre (Bogenmauer)

enge Felsprofile. Die prinzipiellen Unterschiede sind in Bild 133 dargestellt. Nach der Form von Gewo¨lbemauern (Bogenstaumauern) werden diese in Zylindermauern, Gleichwinkelmauern und in freie Mauerformen unterteilt. Letztere finden im Bereich der Wildbachverbauung keine Anwendung. Kennzeichnend fu¨r Zylindermauern ist ein ungefa¨hr gleicher Kru¨mmungsradius auf allen Mauerho¨hen. Der ffnungswinkel wird zur Basis hin kleiner. Nach Drobir [59] kann in einem sehr engen Tal mit fast senkrechten Talflanken mit guter Na¨herung angenommen werden, dass der Wasserdruck u¨ber die Bogenwirkung horizontal zu den Talflanken abgetragen wird. Die Gleichwinkelmauer ist unter dem Gesichtspunkt konstruiert, dass der Schnittwinkel der Ka¨mpfertangente mit den

Leys [135] gibt Vor- und Nachteile von Bogensperren an. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die Mauer aufgrund der prima¨ren Druckbelastung großteils aus unbewehrtem Beton ausgefu¨hrt werden kann. Eine Bogenmauer ist gegenu¨ber einer berbelastung wesentlich robuster als Plattentragwerke. Durch du¨nnere Mauerquerschnitte bei normalkraftbeanspruchten Bauteilen kommt es im Vergleich zu biegebeanspruchten Bauteilen zu einer Materialeinsparung. Bei tragfa¨higem Fels in den Flanken ist die Gewo¨lbemauer eine gu¨nstige Bauform. Es ist auch mo¨glich, unsymmetrische Sperren zu konzipieren, wenn die Abflusssektion außerhalb der Sperrenmitte liegen soll. Pasche [162] nennt als weiteren Vorteil das elastische und monolithische Verhalten der Struktur, welches durch die geringe Eigenmasse und die statische Verbundwirkung hervorgerufen wird. Dieser Umstand fu¨hrt dazu, dass sich Gewo¨lbemauern auch fu¨r erdbebengefa¨hrdete Gebiete eignen. Als Nachteile gibt [135] prima¨r die schwierigere und kostenintensive Bauausfu¨hrung im Vergleich zu geraden Bauko¨rpern an. Sind die Flanken nicht tragfa¨hig, wie dies bei Rutschha¨ngen, nassen Ha¨ngen und generell bei minderwertigem Locker-

Bild 134. Prinzipielle Formen von Gewo¨lbesperren: (A) Zylindermauer; (B) Gleichwinkelmauer

154

7 Statische Berechnung und Bemessung

gestein der Fall ist, kann der Ka¨mpferdruck nicht aufgenommen werden. Die bei geringer tragfa¨higem Boden angeordnete Ka¨mpferverbreiterung erfordert viel Beton und die Einsparung in der Betonmenge durch du¨nnere Querschnitte im eigentlichen Bogen wird wieder kompensiert. Fu¨r die Berechnung von Bogensperren ist das Steifigkeitsverha¨ltnis Boden (Fels)/Bauwerk sehr wichtig. Besitzen die Widerlager eine geringe Steifigkeit, na¨hert sich das Tragverhalten des Bogens jenem der Platte. Bei den Spannweiten-/ Stich-Verha¨ltnissen (Bild 135) laut Gln. (92) und (93) kann man von einer Bogentragwirkung ausgehen. Nach [135] liegt das gu¨nstigste Spannweiten-/Stich-Verha¨ltnis hinsichtlich des Horizontalschubes zwischen 3,5 und 4. l=f J 3 fu¨r unbewehrte Mauern

(92)

l=f J 7  10 fu¨r Stahlbetonmauern

(93)

Laut [135] sollte der technische und wirtschaftliche Grundsatz im Bogensperrenbau die Suche

nach der gu¨nstigsten Gewo¨lbewirkung bei geringstem Baustoffverbrauch sein. Um eine gu¨nstige Gewo¨lbewirkung zu erzielen, und damit geringe Querschnittsabmessungen zu erhalten und die Druckfestigkeiten des Werkstoffes (Stein, Beton) optimal auszunutzen, muss bei Bogensperren der Kru¨mmungsradius klein und der ffnungswinkel (Zentriwinkel) groß sein. Ho¨here Mauersta¨rken verringern die Elastizita¨t des Sperrenko¨rpers und induzieren gro¨ßere Biegemomente. Optimal sind daher Bogensperren mit mo¨glichst geringer Mauersta¨rke. Dadurch kommt es zu einem vorwiegend bogenartigen Lastabtrag u¨ber Normalkra¨fte. Beim Entwurf einer Bogensperre sollte man bei entsprechendem Verha¨ltnis einen mo¨glichst gleichbleibenden ffnungswinkel und einen kleinen Kru¨mmungsradius anstreben. Wenn aber bedingt durch die Talquerschnittsform, die Radien zur Sohle hin kleiner werden, verlagern sich bei Gleichwinkelmauern die Betonmassen auf die Luftseite. Dadurch ko¨nnen wasserseitig Zugspannungen auftreten. Durch ein Verschieben der Mittelpunkte der Bogenlamellen im unteren Teil der Staumauer gegen die Wasserseite kann dieser Nachteil vermieden werden. Dadurch entsteht eine Doppelkru¨mmung der Sperrenmauer. In der Regel haben Bogensperren einen kreisfo¨rmigen Grundriss (Segmentbogen). In der Praxis kommen ffnungswinkel f zwischen 60h und 135h vor. Hampel [80] und Jo¨rgensen [111] geben den wirtschaftlichsten Zentriwinkel von Gleichwinkelmauern mit f Z 133 an. Bei diesem Winkel ergibt sich die gro¨ßte Materialeinsparung. Wenn dieser Zentriwinkel der einzelnen Bogenlamellen angestrebt wird, muss auch beachtet werden, dass die Ka¨mpfertangente die Ho¨henlinien der Felsha¨nge in Kronenna¨he nicht unter einem spitzeren Winkel als b w 40h und im u¨brigen Sperrenko¨rper nicht unter b w 30h schneiden sollte (Bild 135). Gestattet die Form des Tales die Einhaltung des Winkels b nicht, mu¨ssen die Widerlager am Fels entsprechend ausgearbeitet werden. Durch große Zentriwinkel entsteht der Bogenschub mehr in Talla¨ngsrichtung, wodurch die Querverformung der Ha¨nge vermieden wird. Je kleiner der Halbmesser, je gro¨ßer die Kru¨mmung und je gro¨ßer der Zentriwinkel f, umso geringer der Anteil der Kragtra¨gerwirkung und umso gro¨ßer die Bogenwirkung. 7.6.1.1 Ka¨mpferverbreiterungen

Bild 135. Ka¨mpferbereich: Winkel zwischen umgebenden Felsen und Ka¨mpfertangente

berschreiten die Druckspannungen aus der resultierenden Ka¨mpferkraft F den Bemessungswert der aufnehmbaren Bodenspannung, ist es mo¨glich durch eine Ka¨mpferverbreiterung die Spannungen aus dem Ka¨mpfer zu reduzieren. Die Verbreiterung kann kontinuierlich erfolgen oder konsolenartig unmittelbar im Ka¨mpferbe-

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

155

Bild 136. Grundrissformen von Gewo¨lbemauern: (A) konstanter Querschnitt; (B) kontinuierliche Ka¨mpferverbreiterung; (C) konsolenartige Ka¨ mpferverbreiterung (betrachtet wird eine Bogenlamelle)

reich (Bild 136). Die erforderliche Verbreiterung der Ka¨mpfer tK kann nach [135] u¨ber die Proportion in Gl. (94) bestimmt werden. fcd tK (94) w fbd tM mit

fcd Bemessungswert der Druckfestigkeit der Mauer [N/mm2] fbd Bemessungswert der Bodenpressung [N/mm2] tk Mauersta¨rke im Ka¨mpferbereich [m] tM Mauersta¨rke außerhalb der Ka¨mpferverbreitung [m] Leys [135] schla¨gt vor, die Ka¨mpfermitte in den Drittelpunkt des Mauerquerschnittes zu legen. Von diesem Punkt wird die Verbreiterung aufgetragen. Dies ergibt eine Verbreiterung zur Luftseite hin. Zur Einsparung von Betonmasse kann der Lastausbreitungswinkel bis 45h angenommen werden, besser sind 60h. Um einen ausreichenden Schubwiderstand zu erreichen, werden die Ankerko¨pfe ca. 0,5 bis 1 m parallel zur Sperre gezogen. Danach laufen die Konsolen unter einem Winkel von 15 bis 45h in den Mauerko¨rper aus. Laut [135] liegen die Winkel in der Praxis an der Wasserseite zwischen 15 und 45h und an der Luftseite zwischen 30 und 45h (Bild 137). Die Einleitung in das Gela¨nde soll anna¨hernd orthogonal erfolgen. Dadurch ergibt sich eine Abstufung in der Sperre entsprechend der angenommenen Bogenlamellen. Ein Beispiel einer Sperre mit konsolenartiger Ka¨mpferverbreiterung ist in Bild 149 dargestellt.

Bild 137. Ausbildung einer konsolenartigen Ka¨mpferverbreiterung: Ka¨mpferko¨pfe parallel zur Sperrenachse (nach Leys [135])

Ka¨mpferverbreitungen nach Bild 136 C sind analog einer Konsole nach DIN 1045-1 zu bemessen. Geeignete Stabwerkmodelle zum Nachweis von Konsolen finden sich in Abschnitt 7.9.3.2. Gewo¨lbesperren sind sehr empfindlich gegen Nachgeben eines Widerlagers. Weicht eine Auflagerseite nach außen aus, entsteht in der Regel in Bogenmitte ein Riss auf der Luftseite im Bereich der gro¨ßten Zugspannungen. Der erste Riss entsteht an der Stelle des geringsten Querschnittes und fu¨hrt bei ffnungen von Dole zu Dole. Ein a¨hnliches Rissbild entsteht bei berlastung des Sperrenko¨rpers, z. B. durch einen Murgang. Wasserseitige Risse entstehen, wenn die Widerlager nach innen (zur Bachachse) geschoben werden. Dies ist bei seitlichem Hangdruck der Fall. 7.6.1.2 Sperrenflu¨gel

Die Sperrenflu¨gel stehen auf dem Sperrenko¨rper und bilden keine durchgehende Lamelle, da sie durch die Abflusssektion unterbrochen sind. Der Bereich der Sperrenflu¨gel u¨ber der obersten Bogenlamelle ist gesondert zu bemessen. Dabei sind die maßgebenden Einwirkungskombinationen entsprechend dem funktionalen Sperrentyp anzusetzen. Bestehen Sperrenflu¨gel aus unbewehrtem Beton oder Mauerwerk sind sie wie Gewichtsmauern zu bemessen. Flu¨gel aus Stahlbeton sind nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1 zu bemessen und u¨ber die Bewehrung entsprechend mit dem restlichen Sperrenko¨rper zu verbinden.

156

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 138. Rissbildung in Bogenmitte: (A) luftseitig bei Ausweichen der Widerlager bei steiler Drucklinie (minimale Stu¨tzlinie) durch starke wasserseitige Belastung; (B) wasserseitig bei starken seitlichen Dru¨cken bei flacher Drucklinie (maximale Stu¨tzlinie) (nach Leys [135])

7.6.2

Vorbemessung

Die erste Abscha¨tzung der Bauteilabmessung kann nach Pasche [162] u¨ber die Ringformel erfolgen. Mittlere Gewo¨lbedicke: t j 2,0 m

(95)

l Kru¨mmungsradius außen: ra w 2  sin a (mit a w 66h47’ entspricht optimalen ffnungswinkel) (96) H  gw  ra g s c,y s H  w 2 (mit Ringspannung: 3 sc,y w  fcd,red z 4  8 N=mm2 ) 4

Fußdicke: tMB w

(97)

Schalendicke am Mauerkopf:

tMK j 1 m und J 0,4 · h 7.6.3

(98)

Berechnung und Bemessung

Die Bemessungsverfahren fu¨r eine Bogensperre ko¨nnen in das Verfahren mit Bogenlamellen, das Verfahren mit Tra¨gerrost und das Verfahren auf Basis der Finiten-Elemente-Methode (FE-Modellierung) eingeteilt werden (Bild 139). Beim Verfahren mit Bogenlamellen werden die Lasten nur u¨ber die seitlichen Flanken in den Untergrund u¨bertragen. Beim Verfahren mit Tra¨gerrost wird zusa¨tzlich eine bertragung in die Sohle ermo¨glicht. Dabei werden die Lasten proportional auf die Bogenlamellen und Kragtra¨ger aufgeteilt. Das FE-Modell unterstellt eine kontinuierliche Bettung, welche entsprechend der Steifigkeitskennwerte des Bodens eingegeben wird. Die FEMethode ist weitgehend der Tra¨gerrostmethode a¨hnlich. Nach [59] haben sich in der Praxis das

Tra¨gerrostverfahren und die Methode der finiten Elemente durchgesetzt. 7.6.3.1 Lastfa¨lle und Berechnungsansa¨tze

Gewo¨lbemauern sind je nach funktionalem Typ auf die maßgeblichen Einwirkungskombinationen nach Abschnitt 7.3 zu bemessen. Dabei sollten zusa¨tzlich die im Folgenden genannten Fakten beru¨cksichtigt werden. Neben den direkten Einwirkungen sind gerade bei Gewo¨lbemauern die indirekten, wie Temperatur, Schwinden, Quellen und Zwang zu beru¨cksichtigen. Die Wirkung des Eigengewichts ist laut Baldia [15] abha¨ngig von der Art der Bauausfu¨hrung, dabei insbesondere von der Reihenfolge des Auspressens der Arbeitsfuge zwischen den einzelnen Blo¨cken. Fu¨r eine Vorbemessung genu¨gt allerdings die Annahme, dass das Eigengewicht auf die lotrechten Kragtra¨ger wirkt. Die Temperatureinflu¨sse spielen in einem Gewo¨lbebauwerk eine bedeutende Rolle, weil diese Zugspannungen verursachen ko¨nnen, die nur von einer Bewehrung aufgenommen werden ko¨nnen. Die Betrachtung einer vera¨nderlichen Temperaturverteilung wird herangezogen, wenn diese die u¨brigen Spannungen negativ beeinflusst. Dies ist der Fall, wenn die Talseite im Winter erwa¨rmt wird und somit an der Wasserseite Zugspannungen entstehen und im Sommer verursacht die wasserseitige Erwa¨rmung einen ungu¨nstigen Einfluss. Der Fall mit der auftretenden Zugspannung an der Wasserseite (Bild 138 B) ist jedoch der ungu¨nstigere, da bei einer eventuellen Rissbildung die eingelegte Bewehrung korrodiert und bei Frost eine Sprengwirkung auftreten kann. Um Schwindspannungen abzubauen, empfiehlt es sich auch bei kleinen Bogenmauern, in der

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

157

Bild 139. Verfahren zur Berechnung von Gewo¨lbesperren: (A) Verfahren mit Bogenlamellen; (B) Verfahren mit Tra¨gerrost; (C) Verfahren mit FE-Modellierung

Wildbachverbauung offene Blockfugen, welche nachtra¨glich verpresst werden, zu errichten. Da laut Baldia [15] Staumauern wie jede andere elastische Konstruktion zu Schwingungen neigen, ist es notwendig, dass sich die Eigenfrequenz der Sperre von der Frequenz des Untergrundes unterscheidet, damit Resonanzerscheinungen vermieden werden ko¨nnen. Nach Hohberg et al. [88] tritt bei Bogenstaumauern ein nichtlineares Verhalten unter Erdbebenwirkung in erster Linie in den vertikalen Blockfugen auf. Durch das Schwingen der Mauer werden die horizontalen Bogendruckkra¨fte abgebaut und dadurch ko¨nnen sich die Fugen o¨ffnen. 7.6.3.2 Bemessungsverfahren mit Bogenlamellen

Bei diesem Verfahren wird die Sperrenmauer durch zur Gewo¨lbeachse parallele Ebenen in einzelne Bogenlamellen mit einer Breite von 1 m unterteilt. Die so entstandenen Bogenlamellen ko¨nnen jede fu¨r sich als 1 m breiter Bogentra¨ger oder vereinfacht mit der Ringformel von Navier (Kesselformel) bemessen werden. Bei diesem Verfahren kann nur eine Lastabtragung in den Flanken und nicht in der Sohle beru¨cksichtigt werden.

7.6.3.3 Ringformel

Die Ringformel gibt die Spannungen in durch Gleichlast belasteten rotationssymmetrischen Ko¨rpern mit konstantem Radius an. Sie beruht als Membranspannung auf einem reinen Kra¨ftegleichgewicht. Es sind zur Berechnung der Spannungen keine Verformungsannahmen und Steifigkeitskennwerte erforderlich. Die Ringformel gilt fu¨r du¨nnwandige, gekru¨mmte Membranen. Von einer du¨nnwandigen Membran kann man ab einem Verha¨ltnis von Außenzu Innendurchmesser I 1,2 ausgehen. Die resultierende Tangentialspannung s c,y ergibt sich nach Gl. (99), die La¨ngsspannung s c,z nach Gl. (100). px  Rm s c,y w (99) t px  Rm s c,z w (100) 2t Fu¨r die Berechnung von Bogenlamellen kann die Ringformel nur als grobe Na¨herung verwendet werden, da der Grundriss der Bogensperren nicht immer einem Kreis folgt und die Lamellen keinen geschlossenen Ring bilden und in der Regel nicht du¨nnwandig sind. Zudem geht die Ringformel

Bild 140. Verfahren mit Bogenlamellen: Aufteilung des Sperrenko¨rpers in einzelne Bogenlamellen mit der Ho¨he 1 m

158

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 141. Bogenlamelle: (A) geometrische Gro¨ßen der Ringformel; (B) La¨ngs- und Tangentialspannungen

von einer gleichma¨ßig verteilten und zum Mittelpunkt des Kreises wirkenden Belastung aus, wie sie bei ruhendem Wasserdruck vorkommt. Belastungen durch Einzelsto¨ße oder asymmetrische Belastungen ko¨nnen nicht beru¨cksichtigt werden. Es ist auch nicht mo¨glich u¨ber die Ringformel die Einspannmomente zu erfassen. Wenn trotzdem in der Wildbachverbauung die Ringformel fu¨r die Berechnung von Gewo¨lbesperren Verwendung findet [80, 135], ist es laut Czerny [43] notwendig den Bemessungswert der Druckfestigkeit des Betons fcd,red auf 4 bis 8 N/mm2 zu begrenzen. „Die Ringformel vernachla¨ssigt das Eigengewicht, die durch das Eigengewicht herru¨hrenden Randspannungen, die Einwirkung

auf die Bachsohle, Temperatureinwirkungen und Schwingungen durch Hochwasseru¨berfall“ [135, 245]. Bogentra¨ger

Die Bogenlamellen werden je nach Steifigkeit der Auflager vereinfacht als gelenkig oder eingespannt gelagerter Bogentra¨ger idealisiert. Czerny [43] empfiehlt, um eine bessere bereinstimmung der Berechnungsannahmen mit den Gegebenheiten zu erreichen, die einzelnen Bogenlamellen als symmetrischen Kreisbogen mit konstanter Bogendicke und beidseitig elastischer Einspannung anzunehmen. Da Bogensperren vorteilhaft

Bild 142. Bogentra¨ger: (A–C) gelenkig gelagert; (D–F) eingespannt

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

in Fels gegru¨ndet werden, kann unter Umsta¨nden auch eine Einspannung erfolgen. Im Zweifelsfall ist es zielfu¨hrend, a¨hnlich den Plattensperren, beide Extreme der Lagerungsbedingungen zu untersuchen und den Querschnitt auf die Maximalwerte aus beiden zu bemessen. Im Bild 142 sind beispielhaft einige wichtige Belastungssituationen (Gleichlast, Einzellast, Temperaturverformung) angegeben. Die Gleichlast kann na¨herungsweise fu¨r die Bemessung von Wasser- und Erddruck verwendet werden. ber Einzellasten

159

ko¨nnen Mursto¨ße beru¨cksichtigt werden. Aus der aus der Auflagerreaktion A, B und dem Horizontalschub HA ermittelten Normalkraft N und dem Biegemoment MB lassen sich die Randspannungen ermitteln. 7.6.3.4 Bemessungsverfahren mit Tra¨gerrost

Beim Verfahren mit Bogenlamellen ko¨nnen keine Spannungen quer zur Bogenebene und kein Lastabtrag in die Sohle beru¨cksichtigt werden. Beim

Tabelle 45. Auflagerrektionen der in Bild 135 dargestellten Systeme

Auflagerreaktionen A

B

HA w HB w

x3 x4  5F l 1 x HA w HB w   S s2 8 f 1Sk l l l kw

C

q  l2 1 15 Js  mit k w 2  8f 1 S k 8f As

Auflagerreaktionen D

E

15 Js  8f 2 As

HA w HB w

15  E  JS  at  t 15 Js mit k w 2  8  f 2  (1S k) 8f As

F

q  l2 AwBw 2 45 Js kw 2 4f As HA w HB w

q  l2 1  8  f 1Sk

MA w MB w

q  l2 k  12 1 S k

x2 x3  AwF 1s3 s2 l l

     x2 x2 BwF 3 S2 l l

 15 F  l x x2 2 1 HA w HB w s 4 f l l 1Sk

  x3  2 2 x x MA w HA  f s F  l s 2 S 3 l l l

     2 3 2 x x MB w HB  f s F  l S 3 l l AwBw0 45 Js kw 2  4f As HA w HB w

45  E  Js  at  t 4  f 2  (1 S k)

MA w MB w

15  E  Js  at  t 2  f  (1 S k)

Die Bogenform ist als Parabel angenommen und der Querschnitt folgt der Bedingung: J · cos a w Js mit a Neigungswinkel der Bogenachse gegen die Horizontale Js Tra¨gheitsmoment im Bogenscheitel S As Querschnittsfla¨che im Bogenscheitel S

160

7 Statische Berechnung und Bemessung

Verfahren mit Tra¨gerrost werden die waagerechten Bogenlamellen durch senkrechte Kragtra¨ger zu einem Tra¨gerrost verbunden. Der Tra¨gerrost liegt in den seitlichen Flanken und der Bachsohle auf. Bild 143 A zeigt eine schematische Darstellung eines Tra¨gerrostsystems. In den einzelnen Knoten mu¨ssen die Vertra¨glichkeitsbedingungen erfu¨llt sein. Somit sind die Verformungen der einzelnen Lamellen von den Nachbarlamellen abha¨ngig. Die Aufeilung der Einwirkungen auf die Bogenund Kragtra¨gerlamelle erfolgt derart, dass die Verformungen in den Knotenpunkten des Tra¨gerrostes fu¨r die Bogen- und Kragtra¨gerlamelle gleich groß sind (Vertra¨glichkeitsbedingung). Die Lastaufteilung kann nach dem Versuchslastverfahren und dem Lastaufteilungsverfahren erfolgen. Beide Methoden gehen auf Ritter zuru¨ck. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass sie nach Mu¨ller [150] die folgenden vier statischen Voraussetzungen erfu¨llen mu¨ssen: x

x

x

x

Die Forma¨nderungseigenschaften des Mauerko¨rpers mu¨ssen sich durch Elastizita¨tsmoduli und Poissonzahlen ausdru¨cken lassen (nur mo¨glich, solange der Beton z. B. nicht kriecht). Der Sperrenko¨rper muss in kleine Elemente zerlegt gedacht werden, welche in geometrischer Vertra¨glichkeit und mechanischem Gleichgewicht zueinander stehen. Alle Elemente mu¨ssen sich so deformieren, dass die Vertra¨glichkeitsbedingungen erfu¨llt sind. Die Spannungen und Verschiebungen mu¨ssen auch an den Systemgrenzen die Randbedingungen erfu¨llen.

In den Kreuzungspunkten von Kragtra¨ger und Bogenlamelle kann man die Radial-, Tangentialund Vertikalverformung gleichsetzen. Dadurch ergeben sich sechs Freiheitsgrade. Da bei einer genauen Bemessung eine mo¨glichst große Anzahl an Einzeltra¨gern untersucht werden soll, ergibt sich ein hochgradig statisch unbestimmtes System und eine Vielzahl an linearen Gleichungssystemen. Aus diesem Grund gab man sich nach [59] anfa¨nglich mit dem Ausgleich der Radialverschiebung dr, der Tangentialverschiebung dt und der Verdrehung um die horizontale tangentiale Achse ft zufrieden (Bild 143 B). Nach Kettner [118] beeinflussen sich die einzelnen Ausgleiche selbst. Jeder Ausgleich ruft eine Radial- und Tangentialverschiebung und Verformung hervor. Dies bedeutet, dass die Ausgleiche mehrmals durchzufu¨hren sind, bis die gewu¨nschte Koinzidenz erreicht ist. Laut [118] wird dies in den meisten Fa¨llen, aufgrund der starken Konvergenz, bereits im zweiten Berechnungsschritt erreicht. Nachdem die bertragungskra¨fte auf die beiden

Bild 143. Verfahren mit Tra¨gerrost: (A) schematische Darstellung eines Tra¨gerrostes; (B) Knoten mit den Verformungen (Verschiebung d, Verdrehung f)

Tragsysteme aufgeteilt wurden, ko¨nnen getrennt fu¨r Bogen- bzw. Kraglamelle die Spannungen ermittelt werden. Bei der Berechnung der Kragtra¨ger werden diese laut Baldia [15] wegen ihrer nur gering von der Vertikalen abweichenden Form als gerade Sta¨be angenommen. Die Nachgiebigkeit des Felsens an der Aufstandfla¨che wird durch eine elastisch nachgiebige Einspannung nachempfunden. Die Schnittgro¨ßen und die Verru¨ckungen werden nach [15] rekursiv berechnet. Bei den Bogenlamellen handelt es sich um dreifach statisch unbestimmte Systeme. Fu¨r die Berechnung werden sie nach [15] an den beiden Ka¨mpfern als elastisch nachgiebig eingespannte, gekru¨mmte Tra¨ger angesehen. Zudem ko¨nnen die Achsen der Bogenlamellen verschiedene Formen haben. Tra¨gerrostformen

Je nach Talbreite wird der ein- oder mehrschnittige Tra¨gerrost verwendet (Bild 144). Beim einschnittigen Tra¨gerrost findet nur ein Kragtra¨ger Verwendung. Dieses Verfahren wird auch

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

als einschnittiges Lastaufteilungsverfahren bezeichnet. Dabei handelt es sich laut [43] um eine scheibentheoretische Berechnungsmethode nach Ritter. Hier wird die Sperre in ein System von Bogenlamellen und einem Mittelscheitel-Kragtra¨ger zerlegt. Aus den gemeinsamen Durchbiegungen der einzelnen Elemente ko¨nnen die Belastungen (Wasserdruck, Erddruck, ...) auf die Bogenlamellen bzw. auf den Kragtra¨ger aufgeteilt werden. Ein Kragtra¨ger spannt sich von Bogenlamelle zu Bogenlamelle und ist auf diesen elastisch gelagert. Die Kragtra¨ger und die Bogenlamellen sind dabei im Gela¨nde elastisch eingespannt (Bild 144 A). Nachdem den einzelnen Elementen die zugeho¨rige Lastabtragung zugewiesen wurde, ko¨nnen die Querkraft und die Biegemomente ermittelt werden. Dieses einschnittige Lastaufteilungsverfahren gibt bei kleinen Sperren, wie dies Wildbachsperren sind, einen guten berblick u¨ber die horizontalen und auch vertikalen Spannungsverteilungen. Die Lasten ko¨nnen nach dem Versuchslast- oder Lastaufteilungsverfahren den Systemteilen zugewiesen werden. Ein mehrschnittiger Tra¨gerrost wird bei großen Sperren in einem Tal mit unsymmetrischer Form verwendet. Bei einem komplexen Bauwerk dieser Art sind nach Czerny [43] eingehendere Untersuchungen erforderlich. Hierzu eignet sich das mehrschnittige Lastaufteilungsverfahren (Bild 144 B). Betrachtet man außer dem Scheitelkragtra¨ger weitere Kragtra¨ger, welche eine unterschiedliche Biegesteifigkeit aufweisen, ergibt sich laut [43], aufgrund der die Kragtra¨ger verbindenden Bogenlamellen, eine sehr viel genauere Aufteilung der Belastungen. Durch diese genauere Aufteilung der Lasten kann ein genaueres Spannungsbild u¨ber das gesamte Bauwerk gegeben werden. Die Anwendung dieses Verfahrens ist nach [43] aber nur bei großen Bogenstaumauern im Kraftwasserbau no¨tig und u¨blich.

161

Verfahren zur Lastaufteilung

Das Versuchslastverfahren beruht nach Kettner [118] darauf, dass zu Beginn eine Last angenommen wird, anhand derer die Verformungen in beiden Tragsystemen in den jeweiligen Kreuzungspunkten berechnet und miteinander verglichen werden. In einem weiteren Schritt werden die bertragungskra¨fte durch Probieren soweit korrigiert, bis eine ausreichende Koinzidenz in allen Kreuzungspunkten eintritt. Dies gilt nach [118] fu¨r den Radial-, den Tangential- und den Torsionsausgleich. Bei dem Lastaufteilungsverfahren besteht nach [118] die Mo¨glichkeit, die bertragungskra¨fte aus einem linearen Gleichungssystem (Elastizita¨tsgleichung) direkt zu ermitteln. Diese Elastizita¨tsgleichungen ko¨nnen aus der Forderung erstellt werden, dass die Verschiebungen und Verdrehungen in den Kreuzungspunkten der Bogenund Kragtra¨gerlamellen gleich groß sein mu¨ssen. Aus dieser Forderung kann man nach [118] ableiten, dass fu¨r jeden Ausgleich (Radial-, Tangentialund Torsionsausgleich) so viele Gleichungen mit derselben Anzahl an Unbekannten vorhanden sind wie Kreuzungspunkte. Die Lo¨sungswerte dieser Gleichungen entsprechen den gesuchten bertragungskra¨ften. Na¨herungsweise kann die Lastaufteilung der Wasserkraft auf die Bogenlamellen und die Kragtra¨ger nach Ritter durchgefu¨hrt werden (Bild 145). Dabei ist nach Czerny [43] zu erkennen, dass im oberen Bereich der Sperre die Lasten zum Großteil von den Bogenlamellen aufgenommen werden. Im unteren Teil werden die Lasten dann immer mehr von den Kragtra¨gern u¨bernommen. Diese Aufteilung beruht auf der Tatsache, dass der Kragtra¨ger im oberen Bereich zu weich ist, um Lasten aufnehmen zu ko¨nnen. Mit dem Einspannmoment und der Normalkraft aus dem Eigengewicht kann man sich das Biegemoment an der Einspannstelle berechnen. Dabei ko¨nnen wasserseitig Biegezugspannungen auftreten.

Bild 144. Tra¨gerrostformen: (A) einschnittiger Tra¨gerrost; (B) mehrschnittiger Tra¨gerrost

162

7 Statische Berechnung und Bemessung

zur Modellierung einer du¨nnen Mauer Schalenelemente. Dicke Mauern werden durch ra¨umliche Elemente erfasst. Die Traglastberechnung wird nach Promper [169] in Form einer elastoplastischen Finite-ElementeModellierung durchgefu¨hrt. Pomper spricht von einem elastoplastischen Verhalten, da der anfa¨nglich elastische Zustand von plastischen Verformungen ab der berschreitung einer gewissen Spannungskonzentration u¨berlagert wird. Dieses Spannungsniveau ist abha¨ngig von bereits vorhandenen plastischen Verformungszusta¨nden. Das plastische Verhalten ist damit durch irreversible Dehnungszusta¨nde gekennzeichnet. Laut [169] beginnt die Tragwerksanalyse mit der Elementierung der Sperre. Die unterschiedlichen Elementtypen und deren Eigenschaften haben Auswirkungen auf die Geometrie und die Rechenergebnisse und damit legen die Elementtypen auch die Eigenschaften fu¨r spa¨tere Anforderungen fest. Zu den wichtigsten Eigenschaften za¨hlen:

Bild 145. Lastaufteilungsverfahren (nach Ritter, aus Czerny [43])

Die resultierende Wasserlast W des Kragtra¨gers berechnet sich nach Gl. (101). Die maximale horizontale Wasserlast pmax errechnet sich nach Gl. (102), das untere Einspannmoment aus der Wasserlast des Kragtra¨gers nach Gl. (103). gW  t 2 6 pmax w gW  t Ww

Mw

gW  54

t3

(101) (102) (103)

7.6.3.5 Verfahren mit FE-Methode

Der bedeutendste Vorteil der Methode der finiten Elemente ist die Mo¨glichkeit einer weitgehend realita¨tsnahen Simulation der tatsa¨chlich vorliegenden Gegebenheiten im Hinblick auf die Geometrie und die Stoffgesetze. Eine weitere nicht zu vernachla¨ssigende Sta¨rke ist die fast unbegrenzte Mo¨glichkeit die Parameter zu variieren, wobei sowohl das Material- als auch das Geometrieverhalten nichtlinear angesetzt werden kann. Zusa¨tzlich besteht die Mo¨glichkeit, mit der Methode der finiten Elemente einen ausreichend großen Teil des umgebenden Felsens zu erfassen. Somit ist der gesamte Komplex – Felsen und Sperre – in einem einheitlichen Rechenmodell erfasst. Die Mauer wird in eine Vielzahl von Einzelelementen geteilt, welche u¨ber Vertra¨glichkeitsbedingungen miteinander gekoppelt sind und in den Knoten Kra¨fte und Momente u¨bertragen ko¨nnen. Nach Drobir [59] verwendet man

Bild 146. Anordnung von Blockfugen

7.6 Gewo¨lbesperren (Bogensperren)

–

– –

–

Volumenformen, welche durch einen mo¨glichst vollsta¨ndigen Polynomansatz gekennzeichnet sind; Hexaeder, Pentaeder und Tetraederformen mu¨ssen mo¨glich sein; eine mo¨glichst genaue Darstellung der Sperrenoberfla¨che, sei es an den Elementra¨ndern, wie auch an der Sperrenoberfla¨che; Abstimmung der Integrationsordnung auf die Ansatzfunktionen, damit „Wackeleffekte“ verhindert werden.

Die Projektierung einer Talsperre gliedert sich laut [169] in den tatsa¨chlichen Sperrenentwurf – das ist die Festlegung der Parameter der geometrischen Form – und in die Umsetzung in das Berechnungsnetz. Von vielen Autoren wird die Mittelfla¨che der Sperre als Bezug vorgeschlagen.

Bild 147. Gewo¨lbesperre

7.6.4

163

Konstruktive Durchbildung

Die Durchbildung von Beton- und Stahlbetontragwerken hat nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1 zu erfolgen. Bei der Anordnung von Arbeits- oder Bewegungsfugen sind die Angaben aus Abschnitt 4.9.7 zu beachten. 7.6.4.1 Blockfugen

In Hinsicht auf die Bauausfu¨hrung ist nach Pasche [162] anzumerken, dass obwohl im Vergleich zu Gewichtsmauern sehr schlanke Bauwerke entstehen, beim Betoniervorgang noch so viel Abbindewa¨rme entwickelt wird, dass eine gestaffelte Bauweise in Betonblo¨cken erforderlich ist (Bild 146). Zur Herstellung des Verbundes werden die Betonblo¨cke trapezfo¨rmig verzahnt und mit einem Fugenband abgedichtet. Die Arbeitsfugen

164

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 148. Gewo¨lbesperre: (A) Ansicht von oben; (B) Ansicht von der Luftseite; (C) Ansicht aus dem Retentionsraum

Bild 149. Gewo¨lbesperre mit Ka¨mpferverbreiterung: Ansicht, Grundriss, Schnitt

7.7 Einfache Plattensperre

165

werden nicht bis zur Luftseite durchgefu¨hrt. Bei großen Sperren sollten nach [59] die Blo¨cke eine maximale Gro¨ße von 18 bis 20 m nicht u¨berschreiten. Handelt es sich um eine sehr hohe Sperre, ist die Blockfuge u¨ber die Ho¨he in ca. 15 m hohe Abschnitte zu unterteilen. 7.6.5

Ausgefu¨hrte Beispiele

7.6.5.1 Gewo¨lbesperre

Die dargestellte Dolensperre aus Stahlbeton wurde 1979/80 errichtet. Sie u¨bt im Teil unter den Dolen eine Geschieberetentionsfunktion aus. Im Bereich daru¨ber wirkt sie als Geschiebe- und Wasserdosiersperre. Sie ist als Bogensperre mit gleichbleibendem Kru¨mmungsradius konzipiert (Zylindermauer). Der Kru¨mmungsradius betra¨gt 18 m, die Ho¨he 15,8 m und die Spannweite 24 m. An der Basis ist die Mauer 2,6 m stark, an der Krone 1 m. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt im unteren Teil 20 %, im oberen Teil 7 %. Die Dolen haben Abmessungen von 5 q 1 m. Die Sperre ist in Fels gegru¨ndet (Hauptdolomit). Der Verlandungsraum besitzt ein Volumen von 124.000 m3 und ein Verlandungsgefa¨lle von 1,2 %. 7.6.5.2 Gewo¨lbesperre mit Ka¨mpferverbreiterung

Die dargestellte Dolensperre aus Stahlbeton wurde 1982 errichtet. Sie ist als Bogensperre mit gleichbleibendem Kru¨mmungsradius konzipiert (Zylindermauer). Der Kru¨mmungsradius betra¨gt 40 m, die Ho¨he 8 m und die Spannweite 60 m. An der Basis ist die Mauer 1,9 m stark, an der Krone 1,4 m. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt im unteren Teil 7 %. Die Dolen haben Abmessungen von 3,5 q 1 m. Die Sperre ist in Lockermaterial gegru¨ndet (kolluvialer Schutt), daher wurden die Widerlager mit Ka¨mpferverbreiterung ausgefu¨hrt. Der Verlandungsraum besitzt ein Volumen von 40.000 m3 und ein Verlandungsgefa¨lle von 2,4 %.

7.7

Einfache Plattensperre

7.7.1

Allgemeines

Einfache Plattentragwerke finden nur als Querbauwerke Verwendung. Da Wildbachsperren in vielen Fa¨llen in schwer zuga¨nglicher Lage errichtet werden mu¨ssen, ist es unabdingbar eine materialsparende Bauweise anzuwenden. Plattensperren werden als Stahlbetontragwerke konzipiert. Es handelt sich um ebene Fla¨chentragwerke. Sie haben in Bezug auf La¨ngen- und Ho¨henabmessung der Sperre eine verha¨ltnisma¨ßig geringe Querschnittsdicke (Bild 151). Der Lastabtrag findet bei Platten u¨berwiegend u¨ber Biegung zu den Talflanken statt. Ihr Einsatzgebiet ist daher vor

Bild 150. Gewo¨lbesperre mit Ka¨mpferverbreiterung: (A) Ansicht aus dem Retentionsraum; (B) und (C) Ansicht von der Luftseite

allem auf Bereiche mit stabilen Talflanken begrenzt. Als reine Plattensperren kommen nur Vollwandsperren infrage. Im Unterschied zu den Pfeilerplattensperren und den Winkelstu¨tzmauern haben sie keinerlei Versta¨rkungsrippen (Scheiben) und kein verbreitertes Fundament. Die Mauerquerschnitte ko¨nnen konstant oder nach unten hin breiter ausgebildet werden (Bild 152).

166

7 Statische Berechnung und Bemessung

7.7.2.1 Plattentafeln

Bild 151. Einfache Plattensperre mit Konsolidierungsfunktion (Vollwandsperre)

Die senkrecht zur Mittelebene wirkenden Lasten (Erddruck, Wasserdruck, Geschiebedruck) lo¨sen eine Plattenwirkung aus, wa¨hrend die in der Mittelebene wirkenden Lasten (Eigengewicht, Auflast auf die Sperrenkrone) eine Scheibenwirkung hervorrufen. Fu¨r baupraktische Zwecke ist es nach Czerny [35] zula¨ssig die durch die Scheibenwirkung auftretenden, relativ geringen Spannungen sz, zu vernachla¨ssigen und das Tragwerk infolge der durch die Plattenwirkung auftretenden Spannungen s x und sy zu bemessen. Die Scheibenwirkung ist dann zu beru¨cksichtigen wenn eine Sperre im Mittelteil unterkolkt wird und daher eine ausschließliche Abstu¨tzung der Sperre auf die Talflanken angenommen werden muss oder wenn die Sperre einem starken seitlichen Gebirgsdruck ausgesetzt ist. 7.7.2

Berechnung und Bemessung

Fla¨chentragwerke werden mittels FE-Methode berechnet. Fu¨r Kontrollrechnungen oder einfache Tragwerke (z. B. kleine Konsolidierungssperren) kann auf a¨ltere Methoden wie die Streifenmethode [22] oder Plattentafeln zuru¨ckgegriffen werden.

Plattentafeln haben immer nur fu¨r eine bestimmte Geometrie Gu¨ltigkeit. Aus diesem Grund wird im heutigen Sprachgebrauch noch zwischen Trapez-, Rechteck-, Dreieck-, Halbkreis- oder Halbkreisringplatten unterschieden. Die Wahl der geeigneten Platte ha¨ngt dabei in erster Linie von der Talform ab. Bei einem breiten Talquerschnitt kann in guter Na¨herung eine Trapezplatte, oder Halbkreisplatte angewendet werden; bei einem engen Talquerschnitt wird die Sperre als Dreieck oder Parabelplatte betrachtet. Am ha¨ufigsten werden trapezfo¨rmige Querschnitte ausgefu¨hrt. Rechteckplatten finden nur in Verbindung mit Pfeilerplattensperren, Winkelstu¨ tzmauern mit Querrippen oder in Aufgelo¨sten Tragwerken Verwendung. Bild 153 zeigt die verschiedenen geometrischen Mo¨glichkeiten fu¨r Plattensperren. Dabei wurde bei der Berechnung je nach Art des Gela¨ndes idealisiert die am ehesten passende Plattenform verwendet. Die Lagerungsbedingungen des Plattentragwerks an den Einbindelinien zum Baugrund werden je nach Steifigkeit der Einbindung elastisch bis starr eingespannt angenommen. Die Kronenlinie wird als freier, ungestu¨tzter Rand betrachtet. Gru¨ndungen in Festgestein (Fels) ko¨nnen eingespannt angenommen werden. Sind die Lagerungsbedingungen schwer abscha¨tzbar oder unsicher wird die Bemessung fu¨r beide Extremfa¨lle (gelenkig, eingespannt) durchgefu¨hrt und die jeweils erforderliche ho¨here Bewehrung aus beiden Bemessungen in den Querschnitt eingelegt. Die Plattentafeln wurden fu¨r dreieckige Belastungen (Wasserdruck, Erddruck, Geschiebedruck) und fu¨r gleichma¨ßige Belastungen, zur Superpositionierung, entwickelt. Fu¨r alle vorstehenden Geometrien gibt es Lo¨sungen fu¨r dreiseitig frei drehbar und dreiseitig eingespannt gelagerte Platten, die vierte Seite ist immer frei. Weiterhin gibt es Tafeln fu¨r konstant starke Querschnitte und Querschnitte mit vera¨nderlicher Plattensta¨rke (Bild 152 A, C). Plattentafeln fu¨r dreiseitig gelagerte Rechteckplatten mit Dreieckbelastung bzw. mit gleich-

Bild 152. Mo¨gliche Querschnitte von Plattensperren: (A) mit konstanter Dicke; (B) mit einseitigem Anzug; (C) mit beidseitigem Anzug

7.7 Einfache Plattensperre

167

Bild 153. Mo¨gliche Geometrien von Plattensperren: (A) Rechteckplatte; (B) Trapezplatte (Regelform); (C) Dreieckplatte; (D) Halbkreisplatte; (E) Halbkreisringplatte; (F) Parabelplatte

Bild 154. bersicht Plattentafeln: (G) Geometrien (1 Trapezplatten inklusive Rechteck- und Dreiecksplatten, 2 Halbkreisplatten, 3 Halbkreisringplatten); (E) Einwirkungsarten (1 Gleichlast, 2 Dreieckslast, 3 Lininenlast am freien Rand, 4 Einzellast am freien Rand, 5 Kraterlast); (L) Lagerungsarten fu¨r drei- und vierseitig gelagerte Platten; (Q) Querschnittsarten (1 konstanter Querschnitt, 2 vera¨nderlicher Querschnitt)

168

7 Statische Berechnung und Bemessung

Tabelle 46. Plattentafeln: bersicht u¨ber verfu¨gbare Geometrien, Einwirkungsarten, usw. Geometrie G 1 1

Einwirkungsarten Quer- m Winkel SeitenE schnitt verha¨ltQ nisse

Lagerungsarten L 2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 1

2

3

4

q q q q q q q q q q q q q q q q

5

1

2

q

q q q

q

q

q q

q q q q q q q q q q q q q q

q q q q q q

q q

q q q

3

q

q q q

ma¨ßiger Vollbelastung wurden unter anderem von Czerny entwickelt [36, 37, 39]. Diese Plattentafeln beruhen auf der Kirchhoff ’schen Plattentheorie unter der Voraussetzung einer gleichma¨ßigen Plattendicke. Außerdem wurde ein isotropes Materialverhalten mit und ohne Beru¨cksichtigung der Querdehnungszahl angenommen. Mithilfe eines Na¨herungsverfahrens, welches auf der dreiseitig gelagerten Rechteckplatte beruht, entwickelte Czerny [40] Plattentafeln fu¨r beliebig ausgebildete Platten. Dabei entstanden Tafeln fu¨r Dreiecksplatten, Halbkreisringplatten [40] und Parabelplatten [42]. Mithilfe des Differenzenverfahrens mit dreieckfo¨rmigem Maschengitter entwickelte Bo¨ck [24 –26] Tafeln und Diagramme fu¨r Trapezplatten fu¨r hydrostatische und gleichfo¨rmige Belastung. Mit derselben Grundlage wurden von Molin [147] Bemessungstafeln fu¨r Halbkreisringplatten erstellt. Vor der Entwicklung von Plattentafeln fu¨r vera¨nderliche Plattendicken war es u¨blich, Sperren mit den Bemessungstafeln fu¨r konstante Dicken zu dimensionieren. Bei nach unten dicker werdenden Sperrentypen wurde die zula¨ssige Betondruckspannung im Bereich der eingespannten Plattenra¨nder nicht voll ausgescho¨pft bzw. wurde die erforderliche Bewehrung nicht zu knapp bemessen.

0

90h

1,0–2,0

[41]

0

90

1,0–2,0

[41]

0

90

1,0–2,0

[41]

0,2 30, 45, 0,2–1,5 60, 75, 90

[22]

q

90

q q q q

2

0 q

q

Literatur

1,0–2,0

60

[38] [26, 27]

0

[40]

0

[147]

Diese Vorgehensweise geht auf eine analoge Betrachtung bei Stabtragwerken – fu¨r den Fall der Rechteck- und Trapezplatte – mit eingespannten Ra¨ndern zuru¨ck. In diesem Fall hat die Vergro¨ßerung der Plattendicke zum Rand hin eine Vergro¨ßerung der am eingespannten Rand wirkenden Einspannmomente auf Kosten der Verkleinerung der Feldmomente zur Folge. Diese Momentenumlagerung ist nach Guldan [77] je nach dem Verha¨ltnis von Plattendicke am freien Rand (Kronenlinie) zu Plattendicke am eingespannten Rand mehr oder weniger ausgepra¨gt. Die ju¨ngsten Plattentafeln wurden von Bergmeister/Kaufmann [22] vero¨ffentlicht. 7.7.3

Konstruktive Durchbildung

Bei der konstruktiven Durchbildung sind die Vorschriften der DIN 1045:2001 bzw. der EN 1992-1-1 zu beachten. 7.7.3.1 Rechteckplatten

Der konstruktiven Durchbildung liegt der prinzipielle Gedanke zugrunde, den Erfordernissen der Praxis durch einfache, u¨bersichtliche und wirtschaftliche Verlegung der Bewehrung optimal Rechnung zu tragen.

7.7 Einfache Plattensperre

Infolge der starken Richtungsabweichung der Trajektorien der Hauptbiegemomente von den Plattenra¨ndern empfiehlt Czerny [41] bei an drei Ra¨ndern frei drehbar gelagerten Rechteckplatten eine Trajektorienbewehrung. Bei kleineren Spannweiten wird baupraktisch eine randparallele Netzbewehrung vorteilhaft sein und in den frei drehbar gelagerten Plattenecken ist eine untere Bewehrung u¨bereck und normal dazu eine obere Diagonalbewehrung (unter 45h) auszufu¨hren, wobei die mittleren Sta¨be der oben liegenden Bewehrung, die Ecksta¨be, gleichzeitig zur Deckung der negativen Verankerungskraft verwendet werden ko¨nnen. Beide Bewehrungslagen sind jeweils fu¨r das gro¨ßte Drillmoment in der Plattenecke zu bemessen und als a¨ußerste Bewehrungslage anzuordnen. Die Bewehrung parallel zum freien Rand (fu¨r mxfrm) wird als 2. Lage, die normal zum freien Rand verlaufende Bewehrung (mymax) als 3. Lage anzuordnen sein und zur besseren Verankerung soll diese den freien Rand umschließen. Bei gro¨ßeren Konstruktionsdicken empfiehlt Czerny auch an den Seitenfla¨chen des ungestu¨tzten Plattenrandes eine Netzbewehrung zur Rissbreitenbeschra¨nkung anzuordnen.

169

7.7.3.2 Dreiseitig frei drehbar gelagerte Trapezplatten Zur Bewehrung von dreiseitig gelagerten Trapezplatten kann man aus Bo¨ck [27] einige Angaben entnehmen (Bild 155). Die Momente sollen mit Ausnahme weniger Extremwerte durch einen geometrisch regelma¨ßigen Bewehrungsraster mit runden Stababsta¨nden abgedeckt werden, wobei sich die obere und untere Lage weitestgehend decken sollen. Ein gleichzeitiges Beschra¨nken auf wenige Stabdurchmesser erfordert im Allgemeinen an der Plattenunterseite Zulagen im gro¨ßten Feldbereich (aex S Zulagen) sowie an der Plattenoberseite im Bereich des schra¨gen Randes (aey S Zulagen). Die Momente der stumpfen Ecke sollen durch eine in Richtung der Hauptmomente verlegte dritte Bewehrungslage ae1 und ae2 abgedeckt werden. Eine ausschließlich orthogonale Eckbewehrung ist bei 60h-schiefen Platten nicht mehr zu vertreten, da hier die Richtungsabweichung der x-y-Koordinaten von der Hauptmomentenrichtung zu groß wird [27]. Außerdem kann die obere Eckbewehrung ae2 bei ausreichender Verankerung die positive Eckstu¨tzkraft Re (Festhaltekraft) aufnehmen.

Bild 155. Bewehrungsvorschlag fu¨r eine dreibahnige Netzbewehrung bei dreiseitig frei drehbar gelagerten Trapezplatten: (A) luftseitige Bewehrung; (B) wasserseitige Bewehrung (nach Bo¨ck [27])

170

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 156. Bewehrungsvorschlag fu¨r eine dreibahnige Netzbewehrung bei dreiseitig starr eingespannten Trapezplatten: (A) luftseitige Bewehrung; (B) wasserseitige Bewehrung (nach Bo¨ck [27])

Bild 157. Einfache Plattensperre

7.8 Hybridmauern

171

Bild 158. Einfache Plattensperre als Konsolidierungssperre: (A) Ansicht der Sperrenkrone; (B) Ansicht von der Luftseite; (C) Ansicht aus dem Retentionsraum

Der freie Rand ist mit einer umfassenden Randbewehrung (Verbu¨gelung mit La¨ngszulagen) zu versehen, um die Rissbildung zu beschra¨nken und Betonabplatzungen zu vermeiden.

20 cm. Die Sperre ist in Fels gegru¨ndet. In der Abflusssektion ist eine Niederwasserrinne angeordnet.

7.8

Hybridmauern

7.7.3.3 Dreiseitig eingespannte Trapezplatten

7.8.1

Allgemeines

Das orthogonale Grundnetz ist jenem der dreiseitig frei drehbar gelagerten Platte a¨hnlich. An der Plattenunterseite ist im freien Randbereich kein so stark ausgepra¨gter Feldstreifen erforderlich. Die Plattenoberseite dagegen verlangt an den Plattenra¨ndern eine Einspannbewehrung, die am wirksamsten in erster Lage von oben, der Hauptmomentenrichtung zwei entsprechend, normal zum Rand gefu¨hrt werden mu¨sste (Bild 156).

Diese Form des Mauerquerschnittes wird in der Literatur auch als „semi gravity wall“ bezeichnet. Im Konzept zur Abtragung der Lasten in den Untergrund stellt sie eine bergangsform zwischen den reinen Gewichtsmauern, den Winkelstu¨tzmauern und den einfachen Plattensperren dar. Somit reichen die Auspra¨gungen des Querschnittes von massigen Querschnitten mit kleinen Fundamentvorspru¨ngen bis zu schlankeren Querschnitten mit la¨ngeren vertikalen Schenkeln (Bild 160). Zu den Gewichtsmauern, den Winkelstu¨tzmauern und den Plattentragwerken ko¨nnen sie nur durch methodische berlegungen abgegrenzt werden. Bei den Gewichtsmauern und den Winkelstu¨tzmauern erfolgt die bertragung der Lasten in den Untergrund ausschließlich u¨ber die Sohlfla¨che, ohne oder mit vertikalem Schenkel. Plattensperren u¨bertragen einen Großteil der horizontalen Einwirkungen in die Flanken. Hybridmauern werden in der Regel in Stahlbeton hergestellt.

7.7.4

Beispiele

7.7.4.1 Einfache Plattensperre

Die dargestellte Konsolidierungssperre aus Stahlbeton wurde 1982/83 errichtet (s. Bilder 157 und 158). Die Sperrenplatte aus C25/30 besitzt eine konstante Plattensta¨rke von 1,8 m. Die Ho¨he der Platte betra¨gt 11,7 m und die Spannweite 38,8 m. Die gro¨ßeren Entwa¨sserungsdolen haben Abmessungen von 0,6 m q 0,8 m, die runden Entwa¨sserungso¨ffnungen haben einen Durchmesser von

172

7 Statische Berechnung und Bemessung

Die Form der Hybridmauer ha¨ngt im Wesentlichen davon ab wie hoch die gu¨nstig wirkenden Einwirkungen (Widerstand der Talflanken RT) und Eigengewicht der Hinterfu¨llung GE auf dem horizontalen Schenkel) konzipiert werden (Bild 159). In [66] finden sich empirisch ermittelte Kurven zur Bestimmung des Widerstandes der Talflanken RT. Dieser Widerstand ist abha¨ngig von der Einbindetiefe und der mittleren Ho¨he der senkrechten Sperrenplatte. 7.8.2

Bild 159. Parameter, die den Entwurf der Querschnittsform beeinflussen

Berechnung und Bemessung

Die Bemessung von Hybridmauern mit sehr kurzem vertikalen Schenkel erfolgt analog den Gewichtsmauern, jene mit la¨ngerem vertikalen Schenkel analog den Winkelstu¨tzmauern. Bei den Nachweisen zur inneren Standsicherheit gilt es zu beachten, dass die Lasten durch den Ansatz der Widersta¨nde in den Sperrenflanken zweiachsig abgetragen werden. Die Stauwandplatte ist somit als zweiachsig gespannte Platte zu bemessen und zu bewehren.

Bild 160. Typische Querschnitte von Hybridmauern: (A) mit sehr kurzem vertikalem Schenkel; (C) mit langem vertikalem Schenkel

Bild 161. Hybridmauer als Schlitzsperre

7.8 Hybridmauern

7.8.3 Beispiele 7.8.3.1 Schlitzsperre mit Hybridquerschnitt Die dargestellte Schlitzsperre aus Stahlbeton wurde 2001/02 errichtet. Die ebene Stahlbetonplatte ist an der Basis 1,8 m und an der Krone 1 m stark. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt 10:1. Der Schlitz hat eine Breite von 30 cm, die Niederwassero¨ffnung misst 50 cm q 50 cm. Das Sperrenvorfeld ist mit einer Grobsteinschlichtung gesichert.

173

7.8.3.2 Konsolidierungssperre mit Hybridquerschnitt

Die dargestellte Schlitzsperre aus Stahlbeton wurde 2004 errichtet. Die ebene Stahlbetonplatte ist an der Basis 3 m und an der Krone 0,8 m stark. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt 5:1. Die Entwa¨sserungso¨ffnungen haben Abmessungen von 70 auf 80 cm. Die ffnung zur Wasserhaltung im Bauzustand misst 1 m q 1 m. Die rechte Flanke ist mit einer Vorfeldwange gesichert.

Bild 162. Hybridmauer als Schlitzsperre: (A) Ansicht von der Luftseite; (B) Ansicht von der Wasserseite; (C) Niederwasserrinne an der Schlitzbasis

Bild 163. Hybridmauer als Konsolidierungssperre

174

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 164. Hybridmauer als Konsolidierungssperre: (A) Ansicht von der Seite, Krone mit Kalkstein; (B) Ansicht von der Luftseite; (C) Ansicht von der Wasserseite

Bild 165. Hybridmauer als Wasserdosiersperre

7.9 Winkelstu¨tzmauern

175

Bild 166. Hybridmauer als Wasserdosiersperre: (A) Ansicht von der Luftseite; (B) Ansicht von der Wasserseite mit Wildholzrechen

7.8.3.3 Wasserdosiersperre mit Hybridquerschnitt

Die dargestellte Wasserdosiersperre aus Stahlbeton wurde 2004 errichtet. Das Bauwerk ist in der Sohle auf Fels gegru¨ndet. Das Ru¨ckhaltevolumen des Retentionsraumes betra¨gt 45.500 m3. Die ebene Stahlbetonplatte ist an der Basis 3,80 m und an der Krone 1,2 m stark. In Ho¨he der Abflusssektion misst sie 1,6 m. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt 5:1. Die Grunddole hat Abmessungen von 70 auf 60 cm. Um sie vor Verklausungen frei zu halten ist wasserseitig ein senkrechter Wildholzrechen angeordnet.

7.9

Winkelstu¨tzmauern

7.9.1

Allgemeines

Winkelstu¨tzmauern ko¨nnen einerseits als Sperrenbauwerke (Querbauwerk) und andererseits als Ufermauern (La¨ngsbauwerk) eingesetzt werden (Bild 167). Die Winkelstu¨tzmauer ist ein aus Platten und Scheiben zusammengesetztes Tragwerk. Sie ko¨nnen schlanker als Gewichtsmauern ausgefu¨hrt werden und sind an einem verbreiterten Fuß eingespannt. Bei Betrachtung der inneren Stabilita¨t werden sie prima¨r auf Biegung beansprucht und daher bewehrt, um die auftretenden Zugspannungen aufzunehmen. Der Querschnitt besteht aus einem stehenden und einem liegenden Schenkel (L-Profil). Der senkrechte Schenkel wird durch den horizontalen Wasser- und Erddruck belastet, wa¨hrend der liegende Schenkel die Auflast aus Hinterfu¨llung bzw. Wasser tra¨gt. Aufgrund der meist großen Aufstandsfla¨che eignen sie sich besonders auf wenig tragfa¨higem Baugrund. Die Eigenlast dieser Stahlbetonkonstruktion ist im Vergleich zur Schwergewichtsmauer gering, sie wird jedoch durch die Eigenlast der Hinterfu¨llung vergro¨ßert. Charakteristisch fu¨r Winkelstu¨tzmauern ist, dass die Resultierende der Normalspannungen aus den

Einwirkungen auch außerhalb der Kernweite des jeweiligen Mauerquerschnitts liegen kann. Nach Czerny [43] sollte man bei Wildbachsperren die Gro¨ße der Bodenplatte so wa¨hlen, dass auch die Resultierende der Gesamtlast in die 1. Kernweite fa¨llt. Der Vorteil dieses Modells ist, dass die gesamten einwirkenden Lasten u¨ber die untere Sohlfuge u¨bertragen werden ko¨nnen und Widersta¨nde in den Flanken, welche meist schwer abscha¨tzbar sind, nicht angesetzt werden mu¨ssen. Ein baupraktischer Nachteil der Winkelstu¨tzmauern ist die große Menge an anfallendem Aushub durch den waagerechten Schenkel, welcher in den meist engen Wildbachtobeln kaum deponiert werden kann. Querschnitte von Winkelstu¨tzmauern als Schutzbauwerke sind in Bild 168 dargestellt. Winkelstu¨tzmauern ko¨nnen mit und ohne Querrippen ausgefu¨hrt werden. Bei Winkelstu¨tzmauern ohne Querrippen (Bild 168 A–D) wirkt die vertikale Sperrenplatte als Kragarm (Kragplatte). Der Abtrag der Einwirkungen ist entsprechend eines Kragsystems sicherzustellen. Bei Ufermauern oder bei Sperrenbauwerken, in deren Vorfeld hohe Kolktiefen zu erwarten sind, ko¨nnen die Querschnitte mit einem Kolkschutz ausgefu¨hrt werden (Bild 168 B). Die Winkelstu¨tzmauer mit Sporn (Bild 168 C) weist eine ho¨here Sicherheit gegen Gleiten auf. Der Sporn verla¨ngert zudem den Sickerweg und erho¨ht die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch und Unterstro¨mung. Eine Winkelstu¨tzmauer mit luftseitigem Schenkel (Bild 168 D) eignet sich fu¨r Sperrensanierungen, wenn ein selbsttragender Sperrenko¨rper vor einen bestehenden gesetzt wird. Eine Winkelstu¨tzmauer mit Querrippen verursacht in der vertikalen Sperrenplatte, als auch in der horizontalen Bodenplatte aufgrund der Lagerung

176

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 167. Winkelstu¨tzmauern: (A) ohne Querrippen (verlandete Konsolidierungssperre); (B) mit Kolkschutz als Ufermauer; (C) mit wasserseitigen Querrippen (teilverlandete Konsolidierungssperre); (D) mit luftseitigen Querrippen (Querrippen bilden als Vorfeldwangen eine Vorfeldsicherung)

Bild 168. Formen von Winkelstu¨tzmauern: (A) ohne Querrippen; (B) mit Kolkschutz; (C) mit Sporn (erho¨hte Sicherheit gegen Gleiten); (D) mit Konsole; (E) mit wasserseitigen Querrippen; (F) mit luftseitigen Querrippen; (G) Sonderform mit luftseitigen Querrippen

7.9 Winkelstu¨tzmauern

auf den Querrippen ein Durchlaufplattensystem mit abwechselnden Zug- und Druckzonen in den Platten. Die wechselnden Beanspruchungsarten (Zug- und Druckzonen) in den Platten als auch in den Querrippen sind bei der Dimensionierung zu beru¨cksichtigen. 7.9.2

Vorbemessung

Der Anzug der Wand (stehender Schenkel) wird in der Regel im Bereich von 6:1 bis 12:1 festgelegt. Die Ausfu¨hrung als Winkelstu¨tzmauer ohne Querrippen ist laut Czerny [43] bis zu einer Ho¨he von 5 m sinnvoll. Das Biegemoment in der Kragplatte nimmt mit dem Quadrat der Kragla¨nge zu. Bei gro¨ßeren Ho¨hen empfiehlt [43] eine Variante mit und ohne Querrippe zu untersuchen und die Materialersparnis den Kosten des erho¨hten Schalungsaufwandes bei Querrippen gegenu¨berzustellen. Nach [43] kann als einfacher Na¨herungswert fu¨r die La¨nge des liegenden Schenkels bei Quer-

177

bauwerken tFUN w 0,6 h bis 0,7 h angenommen werden (s. Bild 159). 7.9.3

Berechnung und Bemessung

7.9.3.1 ußere Standsicherheit

Bei den Lastansa¨tzen zum Nachweis der a¨ußeren Standsicherheit gilt es nach der Art des Bauwerkes zu unterscheiden. Sperrenbauwerke sind je nach Funktionstyp auf die maßgeblichen Einwirkungskombinationen nach Abschnitt 7.3 zu bemessen. Ufermauern werden in der Regel nur durch Erddruck (mit und ohne Hangwasser) belastet. Bei der a¨ußeren Standsicherheit geht man allgemein von einer Winkelstu¨tzmauer mit langem Horizontalschenkel aus, die dem Erddruck durch eine kleine Horizontalverschiebung nachgibt. Es bildet sich ein Gleitkeil aus, der nicht an der Mauerru¨ckseite, sondern im Erdreich gleitet und mit der Theorie von Rankine betrachtet wird. Dabei unterscheidet man die Fa¨lle mit langem und kurzem liegenden Schenkel (Bild 169).

Bild 169. Erddruckansa¨tze fu¨r den Nachweis der a¨ußeren Standsicherheit von Winkelstu¨tzmauern: (A) Ansatz der tatsa¨chlichen Gleitfla¨chenverla¨ufe an Mauern mit langem Schenkel; (B) vereinfachter Ansatz von (A) an einer senkrechten Ersatzebene; (C) Ansatz der Gleitfla¨ chenverla¨ufe an Stu¨tzmauern mit kurzem Schenkel; (D) Erdruhedruck

178

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 170. Erddruckansa¨tze auf den stehenden Schenkel fu¨r den Nachweis der inneren Standsicherheit von Winkelstu¨tzmauern: (A) Ansatz bei langem liegenden Schenkel; (B) Ansatz bei kurzem liegenden Schenkel

Die Lage der vorderen und ru¨ckwa¨rtigen Gleitfla¨che ergibt sich durch die Winkel 4 und 4l. Diese errechnen sich aus dem Gela¨ndeneigungswinkel b und dem Bodenreibungswinkel f nach den Gln. (104) und (105).   1 sin b f b (104) 4 w  arc cos S S 2 sin f 4l w 90 s 4 S f

(105)

Schneidet die vordere Gleitfla¨che (DC) nicht die Mauerru¨ckseite, ist das Modell mit langem liegenden Schenkel zu verwenden (Bild 169 A). In diesem Fall wird die Erddruckkraft Ea1 des Erdkeils an der vorderen Gleitfla¨che (DC) angesetzt. Vereinfacht kann die vordere Gleitfla¨che durch eine lotrechte Wandfla¨che (GC) ersetzt werden, an der eine Ersatzerddruckkraft Eag,E parallel zur Gela¨ndeneigung da w b angreift (Bild 169 B). Diese Vereinfachung ist nur bei einem homogenen Boden, keine begrenzten Fla¨chenlasten und keinem gebrochenen Gela¨ndeverlauf zula¨ssig. Bei verlandeten Konsolidierungssperren ist dies oft der Fall. Fu¨r den Fall, dass die vordere Gleitfla¨che die Wandru¨ckseite schneidet, sind die Erddru¨cke laut Modell mit kurzem liegendem Schenkel anzusetzen (Bild 169 C). Fu¨r kurze Horizontalschenkel gilt der vereinfachte Ansatz aus Bild 169 B nur na¨herungsweise. Wenn keine Bauwerksbewegungen mo¨glich sind, wie dies bei der Gru¨ndung auf Fels der Fall ist, ist in beiden Fa¨llen der Erdruhedruck E0 anzusetzen (Bild 169 D). Untersuchungen zu den Einwirkungen auf Winkelstu¨tzwa¨nden aus Bodeneigenlast und Oberfla¨chenlasten finden sich bei Arnold [7]. 7.9.3.2 Innere Standsicherheit

Grundsa¨tzlich erfolgt die Bemessung und konstruktive Durchbildung von Beton und Stahlbetontragwerken nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1-1. Die Anforderungen an die Dauerhaftigkeit ergeben sich nach EN 1992-1-1 bzw. EN 206-1. Bild 171. Erddruckansa¨tze auf den liegenden Schenkel fu¨r den Nachweis der inneren Standsicherheit von Winkelstu¨tzmauern: (A) Erddruckansatz; (B) luftseitiger Vorsprung (Konsole-Kragarm)

Zur Ermittlung der Schnittkra¨fte fu¨r den Nachweis der inneren Standsicherheit von Winkelstu¨tzmauern ohne Querrippen ist gema¨ß E DIN 4085 [65] an der Ru¨ckseite der Wand der erho¨hte aktive Erddruck Ea’ anzusetzen, da es sich um eine an-

179

7.9 Winkelstu¨tzmauern

na¨hernd unnachgiebige Konstruktion handelt. Fu¨r die zugeho¨rigen Neigungswinkel gilt da 6¼ d0. Beim Fall mit kurzem liegenden Schenkel kann u¨ber Punkt F ein aktiver Erddruck Ea mit da w 2f/3 angesetzt werden. Bei Winkelstu¨tzmauern mit Querrippen kann von einem unnachgiebigen senkrechten Mauerschenkel ausgegangen werden. In diesem Fall sollte der Erdruhedruck E0 angesetzt werden.

auch nach unten gerichtet sein. Aus diesem Grund sind bei Bedarf mehrere Lastfa¨lle zu untersuchen, um die ungu¨nstigste Belastung in jeder Richtung festzustellen. In diesem Fall muss die Bodenplatte eine untere und obere Hauptbewehrung erhalten. Als Querbewehrung ist entsprechend den Vorschriften fu¨r einachsig gespannte Platten mindestens 20 % der Querschnittsfla¨che der Hauptbewehrung anzuordnen. Die Querbewehrung in den Flu¨gelbereichen ist gesondert zu untersuchen.

Winkelstu¨tzmauer ohne Querrippen

Der luftseitige Vorsprung der Bodenplatte wird durch den Sohldruck und eine Bodenauflast beansprucht. Die Bodenauflast sollte nur angesetzt werden, wenn sichergestellt wird (Kolkschutzmaßnahmen), dass sie dauerhaft vorhanden ist. Im Zweifelsfall ist sie zu vernachla¨ssigen. In Abha¨ngigkeit der La¨nge und Ho¨he des Vorsprungs ist er als Konsole oder Kragtra¨ger zu berechnen und zu bewehren (Gln. 106 und 107). Die ungu¨nstigste Einwirkungskombination diesbezu¨glich ist dann gegeben, wenn zusa¨tzlich auf der Hinterfu¨llung die Wasser- bzw. Geschiebeauflast bei berstro¨mung in Rechnung gestellt wird. FEd ist die Resultierende der Sohldruckverteilung unter der Konsole.

Der stehende Winkelschenkel ist als Kragarm (Kragplatte) fu¨r die einwirkende Belastung zu berechnen. Nach Czerny [43] erfolgt diese Berechnung am besten fu¨r den Anschnitt (vertikaler Winkelschenkel – Bodenplatte) und fu¨r die Drittelpunkte der Ho¨he. Der Wandquerschnitt wird dann entweder u¨ber die gesamte Ho¨he unvera¨ndert beibehalten oder trapezfo¨rmig angenommen und in den Drittelpunkten u¨berpru¨ft. Bei einer abgestuften Bewehrung sind die erforderlichen Stoß- und Verankerungsla¨ngen nach DIN 1045-1 zu beachten. Die statisch erforderliche Bewehrung liegt jeweils in der Zugzone (Erdseite). An der Außenseite wird eine konstruktive risseverteilende Bewehrung angeordnet. Der wasserseitige Teil der Bodenplatte wird durch die Auflast der Hinterfu¨llung und dem Sohldruck beansprucht. Dieser Druckunterschied kann im Bereich der Bodenplatte sowohl nach oben als

a J hFun f Bemessung als Konsole (Bild 172)

(106)

a i hFun f Bemessung als Kragtra¨ger

(107)

Bild 172. Fachwerkmodelle zur Konsolenbemessung: (A) Konsole (0,4 hFun J ac J hFun) nach [48, 49]; (B) kurze Konsole (ac J 0,5 hFun) nach [48, 49]; (C) sehr kurze Konsole (ac J 0,2 · hFun) (nach Schlaich/Scha¨fer [188])

180

7 Statische Berechnung und Bemessung

Die innere Standsicherheit kann vereinfacht am Meterstreifen nachgewiesen werden. In diesem Fall sind die Einwirkungen auf die Flu¨gelbereiche in die Belastung pro Meter einzurechnen. Winkelstu¨tzmauer mit Querrippen

Bei den Winkelstu¨tzmauern mit Querrippen (Versteifungsrippen) werden die Schenkel des Winkels nicht mehr als frei aus der Winkelecke auskragende Balkenstreifen (Kragarme) berechnet. Die Vorderwand (der vertikale Winkelschenkel) und die Bodenplatte (der horizontale Winkelschenkel) bilden eine Durchlaufplatte, welche auf den Scheiben auflagert. Sind die Rippen wasserseitig angeordnet, werden sie vorwiegend auf Zug beansprucht, und zwar durch den Auflagerzug der senkrechten Wand (infolge der horizontalen Einwirkungen auf die Vorderwand) und durch den Zug der Bodenplatte (infolge der vertikalen Einwirkungen auf die Bodenplatte). Die Bemessung der Scheiben kann vereinfacht mit einem geeigneten Stabwerksmodell erfolgen. Die Felder des stehenden und liegenden Winkelschenkels ko¨nnen vereinfacht als dreiseitig gelagerte Rechteckplatten (drei Ra¨nder starr eingespannt und der vierte Rand frei) mittels Plattentafeln berechnet werden. Bei hohen Einspannmomenten in der Ecke ist es zu empfehlen, die Winkelecke mit einer Schra¨ge auszufu¨hren und durch Zusatzbewehrung (diagonal) zu sichern. Aus statischen und konstruktiven Gru¨nden ist es empfehlenswert, vor allem die Vorderwand entsprechend dem Belastungsverlauf und der Verteilung des Biegemomentes mit vera¨nderlicher Konstruktionsdicke auszufu¨hren (Bild 168 E, F). Zur vereinfachten Bemessung oder Vorbemessung stehen auch hier Plattentafeln zur Verfu¨gung [57, 58].

Bild 173. Prinzipielle Bewehrungsfu¨hrung am luftseitigen Fundamentvorsprung, die restliche Bewehrung ist nicht dargestellt

Je nach der La¨nge der Mauerabschnitte bei mehr als zwei Querrippen ist die Vorderwand bzw. die Bodenplatte als durchlaufendes System (die Kontinuita¨tsra¨nder liegen in der Achse der Querrippen) zu berechnen, wobei auch Teilbelastungen infolge der Hinterfu¨llung einzelner Rippenfelder beru¨cksichtigt werden ko¨nnen. Die Querrippen mit einer Querschnittsho¨he h J 0,25 l kann man als Plattenbalkenquerschnitt berechnen, wobei die Vorderwand den Druckgurt bildet. Die mitwirkende Plattenbreite beff ist laut DIN 1045-1 zu ermitteln. Die erforderliche Zugbewehrung wird an der ru¨ckwa¨rtigen Begrenzung der Rippe (im Steg des Plattenbalkens) untergebracht. Zur Aufnahme der Schubkra¨fte ist eine ausreichende Bu¨gelbewehrung vorzusehen. 7.9.4

Konstruktive Durchbildung

Bewehrte Winkelstu¨tzmauern sind nach DIN 1045-1:2001 bzw. EN 1992-1 durchzubilden. Der luftseitige Vorsprung kann in Anlehnung der Konsolenbewehrung nach Bild 173 ausgefu¨hrt werden. Fu¨r Konsolen mit ac i 0,5 hc sind die Bu¨gel vertikal anzuordnen und der Querschnitt sollte fu¨r 70 % der Vertikallast FEd ausgelegt sein, falls VEd j VRd, ct ist. Fu¨r Konsolen mit ac J 0,5 hc sind die Bu¨gel horizontal oder geneigt anzuordnen und der Gesamtquerschnitt soll 50 % der Gurtbewehrung erhalten.

7.10

Pfeilerplattensperre

7.10.1 Allgemeines

Pfeilerplattensperren finden als Vollwandsperren oder offene Sperren Verwendung. Es handelt sich um ebene Fla¨chentragwerke, welche durch parallel zur Fließrichtung liegende Scheiben (Pfeiler) gestu¨tzt werden (Bild 174). Die Pfeiler ko¨nnen als Vollpfeiler, Hohlpfeiler oder Spreizpfeiler ausgefu¨hrt und luft- oder wasserseitig angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Pfeilern werden Stahlbetonplatten oder gegen Schwinden und Temperatur weniger empfindliche Bo¨gen angeordnet. Eine Stauwandplatte kann, entsprechend der Abnahme des Wasserdruckes, mit nach oben geringer werdender Querschnittsta¨rke ausgefu¨hrt werden oder mit konstantem Querschnitt schra¨g bachaufwa¨rts geneigt sein (Bild 175). Im Unterschied zu den Winkelstu¨tzmauern mit Querrippen gibt es hier keine durchgehende Fundamentplatte. Sperrenplatte und Pfeiler sind auf Streifenfundamenten gegru¨ndet. Angreifende Horizontallasten werden u¨ber die Pfeiler in deren Sohlfuge in den Untergrund u¨bertragen. Dabei wirkt sich das um ein Vielfaches vergro¨ßerte Widerstandsmoment der Sohlfla¨che im Vergleich zu einer einfachen Plattensperre gu¨nstig aus.

7.10 Pfeilerplattensperre

181

Bild 174. Pfeilerplattensperren: (A) mit luftseitigen Stu¨tzpfeilern (Konsolidierungssperre); (B) mit wasserseitigen Stu¨tzpfeilern, die zugleich als Rostwangen dienen (Dosiersperre)

Diese Bauweise kann bei gro¨ßeren Talbreiten zur Anwendung kommen, da dadurch der eigentliche Sperrenko¨rper schlanker ausgefu¨hrt werden kann. Eine Anwendung ist auch denkbar, wenn unter Umsta¨nden bei schlechtem Baugrund nur einzelne Pfeiler sorgfa¨ltig gegru¨ndet werden ko¨nnen. Durch die Anordnung von Pfeilern eignen sich diese Tragwerke a¨hnlich den Winkelstu¨tzmauern fu¨r Standorte mit gering tragfa¨higen Flanken. Der Vorteil gegenu¨ber Winkelstu¨tzmauern kann in der geringeren Sohlfla¨che und somit am geringeren Auftrieb liegen. Diese Konstruktionsform bildet den bergang zu den aufgelo¨sten Bauweisen, bei denen die ffnungen zwischen den Pfeilern gar nicht oder nur durch Rechen (Balken) abgedeckt werden und lediglich die Flu¨gel durch Platten gebildet werden. 7.10.2 Sperre mit wasserseitigen Stu¨tzpfeilern

Diese Ausfu¨hrung wird gewa¨hlt, wenn die Pfeiler neben der Abflusssektion gleichzeitig als Befestigung fu¨r einen schra¨gen Rechen, Balken oder Rost verwendet werden. Diese Ausfu¨hrung wird ha¨ufig bei Retentions- und -Dosiersperren mit einer vorgelagerten Filtereinrichtung angewendet (Bild 174 B). Bei der Anordnung von wasserseitigen Pfeilern ist es mo¨glich, die Pfeiler gegen den Baugrund vorzuspannen, um die Sicherheit gegen Kippen und Gleiten zu erho¨hen. Ein ausgefu¨hrtes Beispiel dazu ist in Abschnitt 7.10.6.1 dargestellt. 7.10.3 Sperre mit luftseitigen Stu¨tzpfeilern

Die bei diesem Typ ausgefu¨hrten Vorfeldwangen ko¨nnen sehr zur Standsicherheit des Sperrenko¨rpers beitragen. Ist beispielsweise der seitliche

Anzug der Flu¨gel zu flach ausgefu¨hrt (Optimum 10 –20 %), kann es bei einer berstro¨mung zu einem Auskolken der seitlichen luftseitigen Talflanken kommen, was zu einer Verringerung des Sperrenwiderstandes fu¨hrt. Durch die Anordnung von Vorfeldwangen kann ein Auskolken verhindert werden (Bild 174 A). 7.10.4 Berechnung und Bemessung 7.10.4.1 ußere Standsicherheit

Bei den Lastansa¨tzen zum Nachweis der a¨ußeren Standsicherheit gilt es nach der Art des Bauwerkes zu unterscheiden. Sperrenbauwerke sind je nach Funktionstyp auf die maßgeblichen Einwirkungskombinationen nach Abschnitt 7.3 zu bemessen. Ufermauern werden in der Regel nur durch Erddruck (mit und ohne Hangwasser) belastet. Die Erd- und Wasserdru¨cke sind auf die Ru¨ckseite der Stauwandplatte und die projizierende Fla¨che der Pfeiler anzusetzen. Bei sehr schmalen Pfeilern kann diese Lastfla¨che auch vernachla¨ssigt werden. Dienen Pfeiler gleichzeitig als seitliche Wangen, ist zumindest der aktive Erddruck auf die Scheibenfla¨che anzusetzen (Plattentragwirkung). Besteht aufgrund der Bauwerksgeometrie und den hydrologischen Verha¨ltnissen die Mo¨glichkeit eines einseitigen Erd- oder Wasserdruckes auf die Seitenfla¨chen der Pfeiler, sind diese Bemessungssituationen getrennt nachzuweisen. Aufgrund der Pfeiler kann von einer anna¨hernd unnachgiebigen Konstruktion ausgegangen werden, somit sollte der erho¨hte aktive Erddruck Eal angesetzt werden. Wenn keine Bauwerksbewegungen mo¨glich sind, wie dies bei der Gru¨ndung auf Fels der Fall ist, ist der Erdruhedruck E0 anzusetzen.

182

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 175. Formen von Pfeilerplattensperren: (A, C, E) mit wasserseitigem Pfeiler; (B, D, F) mit luftseitigem Pfeiler; (a) und (b) sind jeweils mo¨gliche alternative Formen der Stauwandplatte

Nach [34] kann aufgrund der geringen Gru¨ndungsfla¨che der Pfeiler und der, bei Wildbachsperren nur kurzzeitig vorhandenen Vollbelastung, die Beru¨cksichtigung des Sohlwasserdruckes vernachla¨ssigt werden. 7.10.4.2 Innere Standsicherheit

Die Regelungen der werkstoffeinschla¨gigen Normen laut Abschnitt 7.1.2 sind zu beru¨cksichtigen. Die Bemessung erfolgt in der Regel mittels FEProgrammen. Fu¨r ha¨ndische Nachrechnungen ist es zweckma¨ßig, das Tragwerk in einzelne Platten und Scheiben zu zerlegen. Die Horizontallasten werden dabei auf die Platten angesetzt. Die Auflagerreaktionen der Platten bilden die Einwirkung auf die Scheiben. Die Bemessung der Scheiben kann mittels geeigneter Stabwerksmodelle erfolgen (z. B. Schlaich [9], Avak/Goris [188]). Luftseitige Spreizpfeiler werden als Stu¨tze auf Druck belastet. Sie sind auf Stabilita¨tsversagen zu bemessen. Wasserseitige Spreizpfeiler wirken als Zugstab. Die Gebrauchstauglichkeit (Rissbreite etc.) ist nach den jeweiligen Bemessungsnormen nachzuweisen. Die meist rechteckigen Stauwandplatten ko¨nnen nach Czerny [34] an drei Ra¨ndern frei drehbar gelagert und am vierten (oberen horizontalen) Rand stu¨tzungsfrei modelliert werden. Sie wird auf Biegung beansprucht und es muss ferner den infolge Schwinden und Temperatur auftretenden La¨ngena¨nderungen durch Fugen auf Pfeilern und ausreichende Bewehrung Rechnung getragen

werden. Wenn die dreiseitige Lagerung der Stauwandplatte nicht gewa¨hrleistet ist, kann die Berechnung zweckma¨ßig als beidseitig gestu¨tzter Plattenstreifen (mit Hauptbewehrung in der Stu¨tzrichtung) erfolgen. Diese Bemessungssituation kann eintreten, wenn die Einbindung an der Sohle durch ein Kolk oder eine Unterspu¨lung unwirksam ist. Die Fundamente unter Scheiben sind als Streifenfundamente zu berechnen, Fundamente unter Strebepfeilern als Einfeldbalken mit der aus den maßgeblichen Gesamtlasten resultierenden Sohlspannung als Einwirkung. Neben diesem statischen System kann auch eine monolithische Ausfu¨hrung mit in den Pfeilern eingespannten Platten gewa¨hlt werden. Die Zwa¨nge aufgrund von Kriechen, Schwinden und Temperatur mu¨ssen dann u¨ber die Bewehrung aufgenommen werden. 7.10.5 Konstruktive Durchbildung

Da es sich in der Regel um ein Stahlbetontragwerk handelt, erfolgt die konstruktive Durchbildung des Bauko¨rpers nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1. Die Pfeiler werden wasserseitig zweckentsprechend steiler als luftseitig ausgefu¨hrt. Aus baupraktischen Gru¨nden wird vielfach eine vertikale Stauwand vorgezogen. Damit ist ein wasserseitiger Pfeiler lotrecht, wa¨hrend ein luftseitiger Pfeiler eine Neigung von 70 bis 80haufweisen soll.

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

183

Bild 176. Pfeilerplattensperre mit wasserseitigen Stu¨tzpfeilern: (A) Ansicht der Abflusssektion und des Rostes von der Seite; (B) Ansicht von der Luftseite; (C) Ansicht aus dem Retentionsraum

7.10.6 Ausgefu¨hrte Beispiele 7.10.6.1 Pfeilerplattensperre mit wasserseitigen Streben Die dargestellte Dolensperre aus Stahlbeton wurde 1971 errichtet. Sie ist als Geschiebedosiersperre konzipiert. Die Sperrenplatte wird an der Wasserseite durch zwei Pfeiler und an der Luftseite durch einen Pfeiler versta¨rkt. Die wasserseitigen Pfeiler sind gegen den Fels mit Ankern vorgespannt. Auf diesen Rostwangen liegt ein Rost aus I-Tra¨gern als Filtereinrichtung. Die Ho¨he der Platte betra¨gt 14,5 m und die Spannweite 34,5 m. An der Basis ist die Mauer 2,5 m stark, an der Krone 0,7 m. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt 10:1. Die oberen drei Dolen haben Abmessungen von 3 m q 1,4 m, die untere Dole 5 m q 1,4 m. Die Sperre ist in Fels gegru¨ndet.

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme In diese Ordnung ko¨nnen Bauwerke eingereiht werden, deren Tragsystem sich aus mehreren unterschiedlichen Tragwerksteilen mit unterschiedlichen Tragmechanismen zusammengesetzt. Der Großteil der aufgelo¨sten Sperrentypen kann in diese statische Ordnung eingeteilt werden. Allen gemeinsam ist, dass es sich um offene Sperren handelt. Je nach dem, ob die einwirkenden Lasten im Tragsystem hauptsa¨chlich Biegung oder Normalkra¨fte erzeugen, kann in die massenaktiven und die vektoraktiven aufgelo¨sten Tragwerke unterschieden werden.

7.11.1 Massenaktive aufgelo¨ste Tragwerke

Zu den massenaktiven Systemen geho¨ren Tragwerke, die die Kra¨fte hauptsa¨chlich u¨ber Biegebeanspruchung ihrer Bauteile in den Untergrund ableiten. Die Tragwerke sind je nach Anforderung aus Platten, Scheiben, Balken und schlanken Pfeilern zusammengesetzt. Sie besitzen eine hohe Variabilita¨t die von der Funktion des Bauwerkes abha¨ngt. Einige typische Beispiele sind in Bild 178 dargestellt. Diese Bauwerke ko¨nnen auch mit vektoraktiven aufgelo¨sten Tragsystemen kombiniert werden. Zum Schutz der seitlichen Einbindungen sind in der Regel, zusa¨tzlich zu den seitlichen Flu¨geln, Rostwangen und/oder Vorfeldwangen angeordnet. Der Bereich zwischen den Flu¨geln, in dem das Abflussgeschehen stattfindet, wird durch parallel zur Fließrichtung angeordnete Scheiben oder schlanke Pfeiler unterbrochen. Die Verwendung von Scheiben und schlanken Pfeilern ha¨ngt von der Funktion des Bauwerks und der einwirkenden Last ab. Wildholzfilter werden in der Regel mit schlanken Pfeilern ausgefu¨hrt (Bild 178 C). Bei Bauwerken, die auf eine Beanspruchung durch Muren bemessen werden (z. B. Murbrecher), werden wasserseitig parallel zur Fließrichtung liegende Scheiben oder abgestu¨tzte Pfeiler angeordnet (Bild 178 D). Solche Scheiben werden auch als Murteiler bezeichnet. Dadurch erho¨ht sich einerseits der Bauteilwiderstand und andererseits verlagert sich der Schwerpunkt des Bauwerkes zur Wasserseite, was die

184

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 177. Pfeilerplattensperre mit wasserseitigen Stu¨tzpfeilern

Sicherheit gegen Kippen vergro¨ßert. Die einzelnen Scheiben ko¨nnen einzeln oder auf einer gemeinsamen Platte gegru¨ndet sein. Letzteres erho¨ht die Robustheit des Bauwerkes wesentlich. Der Vorteil dieser Bauwerksordnung ist, dass die Tragsysteme entsprechend der Funktion und der Belastung optimiert werden ko¨nnen. Dies kann zu materialsparenden und robusten Konstruktionen fu¨hren. Czerny [34] gibt weitere Vorteile aufgelo¨ster Tragsysteme an. Im Vergleich zu Gewichtsmauern kann es durch eine Systemoptimierung zu einer erheblichen Baustoffeinsparung kommen. Damit verbunden kann eventuell eine Bauzeitverku¨rzung erreicht werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die komplizierte Form der Scheiben oder der schlanken Pfeiler (4 Schalungsseiten) ho¨here Kosten verursacht, welche durch

die Materialeinsparung wettgemacht werden mu¨ssen. Besitzt das Bauwerk keine durchgehende Bodenplatte kann durch die begrenzte Gru¨ndungsfla¨che der Scheiben fu¨r die bei Wildbachsperren nur kurzzeitig vorhandene Vollbelastung die Beru¨cksichtigung des Sohlwasserdruckes vernachla¨ssigt werden. Die Scheiben ko¨nnen gegen den Baugrund vorgespannt werden, was die Sicherheit gegen Kippen und Gleiten wesentlich erho¨ht. Die Bauausfu¨hrung kann in einzelne Ausfu¨hrungsabschnitte (insbesondere bezu¨glich der Pfeiler und Platten) getrennt werden, so dass die Schalungselemente mehrfach verwendet werden ko¨nnen. In hydraulischer Hinsicht ist es ein Vorteil, dass im Vergleich zu Vollwandsperren wa¨hrend der Bauausfu¨hrung die Wasser- und Geschiebeabfuhr zwischen den Scheiben leichter vorgenommen werden kann (Wasserhaltung).

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

185

Bild 178. Massenaktive Tragwerke: (A) aufgelo¨ste Sperre mit Balken (Dosiersperre, bestehend aus Scheiben, Platten und Balken); (B) Großdolensperre (Dosiersperre, bestehend aus Scheiben, Platten und Balken); (C) leichte Ausfu¨hrung einer aufgelo¨sten Sperre (Wildholzfilter, bestehend aus Scheiben, Platten, Balken, schlanken Pfeilern); (D) versta¨rkte Ausfu¨hrung einer aufgelo¨sten Sperre (Murbrecher, bestehend aus Platten und Scheiben)

Unterschiedliche Ausfu¨hrungen bei den Scheiben und Pfeilern sind gebra¨uchlich. Pfeiler ko¨nnen aus Stahlbeton, aus Stahlprofilen oder aus betonierten Hohlprofilen aus Stahl (Verbundquerschnitte) bestehen (Bild 179 A). Pfeiler aus Stahlbeton weisen in der Regel einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Falls notwendig ist die angestro¨mte Seite hydraulisch gu¨nstiger ausgefu¨hrt, um den hydraulischen Widerstand zu verringern oder bei Murteilern die Angriffsfla¨che der Muren zu minimieren (Bild 179 C,3). Pfeiler werden in der Regel in Bauwerken (Filtersperren, Wildholzrechen) a¨hnlich Bild 178 C verwendet. Scheiben ko¨nnen grundsa¨tzlich luft- oder wasserseitig angeordnet werden. Die beiden a¨ußersten Scheiben unterscheiden sich in der Form meist von den Murteilern (Bild 179 B). Dies ist in unterschiedlichen Funktionen begru¨ndet. Die beiden a¨ußersten Scheiben (Rostwangen, Vorfeldwangen) begrenzen den Durchflussbereich in der Seite und stu¨tzen die seitlichen Flanken ab. Die Scheiben im Bachbett sind komplexer geformt, um einerseits auftreffende Muren zu bremsen oder dem Wildholz das Aufschwimmen auf der Bauwerksru¨ckseite zu erleichtern, um die Gefahr der Verklausung zu verringern. Scheiben werden in Bauwerkstypen a¨hnlich Bild 178 A und D verwendet.

Auf wasserseitig angeordneten Scheiben kann zusa¨tzlich ein Rost oder Balken als Filtereinrichtung angeordnet werden (Bild 178 B). 7.11.2 Vektoraktive aufgelo¨ste Tragwerke

Zu den vektoraktiven Systemen geho¨ren Tragwerke die aus relativ schlanken Bauteilen zusammengesetzt sind und in denen die Einwirkungen hauptsa¨chlich Zug- und Druckkra¨fte erzeugen (Bild 180). In Abha¨ngigkeit der Biegesteifigkeit der Bauteile ko¨nnen sie weiter in die biegesteifen Systeme (Gittersperren) und die biegeweichen Systeme (Netzsperren) unterteilt werden. 7.11.2.1 Gittersperren

Gittersperren bestehen aus biegesteifen Bauteilen. Prinzipiell unterscheidet man zwischen ebenen und ra¨umlichen Gittersperren. Ebene Gittersperren tragen noch einen Teil der Einwirkung u¨ber Biegung ab. Den bergang zu ra¨umlichen Systemen stellen abgestu¨tzte ebene Systeme dar (Bild 180 C). Ra¨umliche Tragsysteme ko¨nnen aus Fachwerken oder Vierendeelsystemen (Rahmentragwerken) gebildet werden.

Ebene Systeme ko¨nnen in Festgestein u¨ber Punktfundamente und Anker direkt gegru¨ndet werden (Bild 180 A). In Lockergestein werden sie in mas-

186

7 Statische Berechnung und Bemessung

siven Flu¨geln verankert, die ihrerseits die Lasten in den Untergrund ableiten. Ein Beispiel einer abgestu¨tzten ebenen Gittersperre ist in Bild 180 C dargestellt.

Fu¨r die Sta¨be werden in den meisten Fa¨llen Profiltra¨ger aus Stahl bzw. selten Holztra¨ger verwendet [127].

Bild 179. Ausbildung von Pfeilern und Scheiben: (A) Pfeilerformen (1, 2 Stahlbeton, 3, 4 Stahl-StahlbetonVerbundquerschnitt, 5, 6, 7 Stahlprofile); (B) Scheibenformen (1 mit Anzug, 2 einfach geknickt, 3 zweifach geknickt); (C) Ausbildung der angestro¨mten Seite von Pfeilern und Scheiben (1 ungepanzert, 2 gepanzert gerades Stahlblech, 3 gepanzert gebogenes Stahlblech)

Bild 180. Vektoraktive Tragwerke: (A) ra¨umliche Gittersperre (biegesteif); (B) Netzsperre (biegeweich); (C) abgestu¨tzte ebene Gittersperre kombiniert mit massiven Flu¨geln; (D) Seilsperre kombiniert mit massiven Flu¨geln

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

Ebene abgestu¨tzte Systeme werden dann eingesetzt, wenn ein Tal eine gro¨ßere Breite aufweist (Bild 181 B). Das ebene Gittertragwerk muss dann entweder mit massiven Zwischenpfeilern oder Streben unterstu¨tzt werden. Die stu¨tzende Strebe kann ober- oder unterwasserseitig angebracht werden. Der vertikale Pylon kann auch in Form eines dreieckigen Rahmentra¨gers ausgebildet werden (Bild 181 B,3). In diesem Fall muss die Druckstrebe u¨ber ein zusa¨tzliches Fundament die Kra¨fte in das Bachbett u¨bertragen. Die auf die vertikalen Pfeiler aufliegenden Balken ko¨nnen abnehmbar gestaltet werden, um ggf. die Sperre mit schwerem Gera¨t zu ra¨umen. Die ra¨umliche Gitterrostsperre besteht aus einem ra¨umlichen Fachwerk- oder Vierendeelsystem, das in den Untergrund und die seitlichen Flanken verankert ist (Bild 181 C). Bei Fachwerken erfolgt die Aussteifung nur in den flussparallelen vertikalen und den horizontalen Fachwerksverba¨nden. Die ffnungen quer zur Bachachse bleiben somit frei von Diagonalsta¨ben, damit wird der Durchfluss nicht behindert. In den meisten Fa¨llen bestehen die einzelnen Elemente aus Stahlprofilen in der La¨nge der freien Felder. Dadurch ist die Sperre in kleine Teile zerlegbar und beliebig verla¨ngerbar. Mit zunehmender freier Sperrenla¨nge vergro¨ßert sich die Ho¨he der liegenden und ste-

187

henden Fachwerksverba¨nde. In den Knotenpunkten werden die einzelnen Elemente mit Schrauben und Knotenblechen verbunden. Die Absta¨nde der horizontalen Fachwerksverba¨nde werden nach Kronfellner-Kraus [127] von unten nach oben hin immer gro¨ßer, und zwar umgekehrt proportional zu der einwirkenden Belastung, die von oben nach unten zunimmt. Mit dieser Konstruktionsart erreicht man, dass der untere Bereich mit dem ersten Geschiebeanfall verlandet und dadurch die Stabilita¨t der Sperre erho¨ht. Der obere Bereich bleibt la¨nger fu¨r Wildholz und Grobgeschiebe frei. Die vertikalen Sta¨be haben u¨ber die gesamte Profilbreite denselben Abstand. Durch den Umstand hat man in allen Ho¨henlagen dieselbe Fachwerksausbildung, was zu einer mo¨glichst kleinen Anzahl an verschiedenen Elementen im Baukastensystem fu¨hrt. Nach [127] sollte, obwohl die Sperre im gesamten Querschnitt durchla¨ssig ist, im Lockergestein nicht auf die Ausbildung einer Abflusssektion verzichtet werden, um eine Konzentrierung des Abflusses auf einen bestimmten Bereich des Bachbettes zu erreichen (Bild 180 A). Im felsigen Untergrund kann auf die Ausbildung von Flu¨geln und Abflusssektionen verzichtet werden. Die Art der Verankerung des ra¨umlichen Fachwerks ist von der Art und Tragfa¨higkeit des Unter-

Bild 181. Gittersperren: (A) ebene Systeme (1 Rechen-, 2 Balken-, 3 Rostsperre); (B) abgestu¨tzte ebene Systeme (1 luftseitig gestu¨tzt, 2, 3 wasserseitig gestu¨tzt); (C) ra¨umliche Systeme (1 Fachwerk, 2 Vierendeelsystem)

188

7 Statische Berechnung und Bemessung

Bild 182. Netzsperren: (A) Seilsperre; (B) Netzsperre; (C) Netzsperre (Murgangbarriere) fu¨r gro¨ßere Talbreiten (i 15 m)

grundes Abha¨ngig. In Festgestein ko¨nnen Punktfundamente oder Felsanker verwendet werden. Ist die Tragfa¨higkeit zu gering, werden massive Flu¨gel ausgebildet. 7.11.2.2 Netzsperren

Zum Unterschied zu Gittersperren sind die Tragelemente der Netzsperren biegeweich. Sie sind somit nur in der Lage Zugkra¨fte aufzunehmen. Hu¨bl et al. [105] definiert Netzsperren als Sperren, welche entweder u¨ber die gesamte La¨nge oder zumindest im Mittelteil aus flexiblen, wabenartigen Elementen bestehen. Fru¨her wurden Netzsperren nur fu¨r tempora¨re Zwecke eingesetzt, seit einigen Jahren werden sie in Wildba¨chen mit zunehmendem Erfolg als Wildholzfilter und als flexible Murbarrieren eingesetzt. Nach Kronfellner-Kraus [127] sollte die Vorderseite von Netzsperren vertikal ausgebildet sein, damit nach Verlandung der Wasser- und Geschiebeaufschlag auf die Vorderseite vermieden werden kann. Da dieser Sperrentyp vo¨llig durchla¨ssig ist, ist nach [127] die Vorfeldsicherung besonders wichtig. Diese Vorfeldsicherung wird ebenfalls mit Netzkonstruktionen durchgefu¨hrt. Die Konstruktion der Netzsperren kann entweder in Form von „Vorha¨ngen“ (ha¨ngend montierte Netze)

oder in Form von „Klapptaschen“ (durch Gestelle und Ankerseile gehaltene kastenfo¨rmige Netze) hergestellt werden. Das Geschiebe, welches auf dem Unterlagsnetz zu liegen kommt, unterstu¨tzt nach [127] automatisch die Stabilisierung des Werkes. Nach [129] haben diese Sperren den Nachteil, dass die Instandhaltung der Netzwerke, das Kolk- und berfallproblem und die Ausbildung der Sperrenkrone zum Teil sehr schwierig sind. Die in Talrichtung konvexe Seilspannung kann sich, bei Verlandung der Sperre, als nachteilig fu¨r die Ufer auswirken. Zudem ist bei der Planung einer Netzsperre zu bedenken, dass immer die Gefahr des Durchrostens der Seile besteht. Sondernetzformen wie Ringnetze oder Omeganetze besitzen gegenu¨ber Seilnetzen eine ho¨here Leistungsfa¨higkeit. 7.11.3 Berechnung und Bemessung

Fu¨r das Bauwerk sind die Grundbruch- (GZ 1B), die Gleit- (GZ 1B), die Gela¨ndebruchsicherheit (GZ 1C) und die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch sowie gegen Aufschwimmen (GZ 1A), wenn die Voraussetzungen gegeben sind, nachzuweisen.

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

189

7.11.3.1 Massenaktive aufgelo¨ste Tragwerke

7.11.3.3 Netzsperren

Bei den Lastansa¨tzen zum Nachweis der a¨ußeren Standsicherheit gilt es nach der Art des Bauwerkes zu unterscheiden. Sperrenbauwerke sind je nach Funktionstyp auf die maßgeblichen Einwirkungskombinationen nach Abschnitt 7.3 zu bemessen.

Im Unterschied zu Gittersperren wird bei der Berechnung von Netzsperren die Seildehnung beru¨cksichtigt. Der Aufprall durch Murga¨nge erfolgt nicht in einem Schub, sondern in zwei bis sieben Schu¨ben [114]. Aus diesem Grund handelt es sich beim ersten Schub um einen dynamischen Lastangriff, bei allen weiteren Schu¨ben um eine Mischung aus dynamischem und statischem Lastangriff. Nach Ka¨stli et al. [114] kann in Bezug auf das Gero¨llvolumen gesagt werden, dass der erste Schub immer der Gro¨ßte ist und die nachfolgenden immer kleiner werden, das Volumen von Schub zu Schub wird laut Definition halbiert. Nach [114] ist die Auslenkung der Netzsperre von der Anzahl der Schu¨be unabha¨ngig und wird entsprechend dem Volumen der einzelnen Schu¨be aufgeteilt. Durch die von Schub zu Schub ansteigende Steifigkeit werden die Kra¨fte auf die Sperre von Schub zu Schub gro¨ßer. Grund dafu¨r ist die nach [114] abnehmende Deformierbarkeit.

Grundsa¨tzlich sind alle ffnungen als verklaust anzunehmen. Die Erd und Wasserdru¨cke sind auf die Ru¨ckseite der projizierenden Fla¨che der Abflusssektion anzusetzen. Dienen Scheiben gleichzeitig als seitliche Wangen, ist zumindest der aktive Erddruck auf die Scheibenfla¨che anzusetzen (Plattentragwirkung). Besteht aufgrund der Bauwerksgeometrie und der hydrologischen Verha¨ltnisse die Mo¨glichkeit eines einseitigen Erd- oder Wasserdruckes auf die Seitenfla¨chen der Pfeiler, sind diese Bemessungssituationen getrennt nachzuweisen. Sind Erddru¨cke in Bachachse anzusetzen, kann bei Tragwerken mit Scheiben bzw. winkelstu¨tzmauera¨hnlichen Querschnitten von einer anna¨hernd unnachgiebigen Konstruktion ausgegangen werden, somit sollte der erho¨hte aktive Erddruck Eal angesetzt werden. Wenn keine Bauwerksbewegungen mo¨glich sind, wie dies bei der Gru¨ndung auf Fels der Fall ist, ist der Erdruhedruck E0 anzusetzen (Bild 169 D). Bauwerke dieser Art lassen sich wirtschaftlich am besten mittels FE-Modellen bemessen und optimieren. Fu¨r ha¨ndische Vorbemessungen oder berpru¨fungen von Ergebnissen aus FE-Modellen mu¨ssen die Tragwerke in ihre Einzelteile zerlegt betrachtet werden. Die Auflagerkra¨fte eines Bauteiles werden jeweils als Einwirkung auf den darunter liegenden angesetzt. Platten ko¨nnen mittels Plattentafeln oder FE-Modellen, Scheiben mittels geeigneten Stabwerkmodellen oder nichtlinearen FE-Modellen bemessen werden. Schlanke Pfeiler sind statisch betrachtet Kragtra¨ger. Das untere Ende ist in den Fundamentbalken eingespannt, das obere Ende ist frei. 7.11.3.2 Gittersperren

Ra¨umliche Fachwerke werden im statischen System mit gelenkigen Knoten, Rahmensysteme mit biegesteifen Knoten modelliert. Der Sinn von Gittersperren liegt nach [127] in der Entleerung und Neuanfu¨llung der Sperre und ist dadurch dynamischen Kra¨ften ausgesetzt. Somit wird empfohlen, Gittersperren auf EK B und EK F, nach Abschnitt 7.3, mit dynamischem Wasserdruck zu bemessen. Bei der Gefahr eines Murgangs im hinterfu¨llten Zustand zusa¨tzlich EK J als außerordentliche Kombination. Wirkt die Gittersperre als Murbrecher, so ist sie auf den Murgang zu bemessen (EK G).

Ka¨stli et al. [114] empfiehlt fu¨r die Berechnung die Verwendung der Maximalkraft fu¨r einen Schub, mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5, um die Auswirkung von mehr Schu¨ben zu beru¨cksichtigen. Die ho¨chste Energie wirkt auf die Sperre, wenn der Murgang nur aus einem Schub besteht. Deshalb empfiehlt [114] mit dieser ho¨chsten Energie die Netzsperre zu bemessen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei der Bemessung von Netzsperren, laut [114], das gescha¨tzte Volumen des Murgangs, die Art des Murgangs, die Dichte, Art und Gro¨ße des erwarteten Murgangmaterials und die Geometrie des Sperrenprofils beru¨cksichtigt werden sollen. Bei einem Murgang wird die Belastung nach [114] als fla¨chenma¨ßig angenommen, anders als beim Steinschlag, wo sie punktuell angenommen wird. Fu¨r die Bemessung wird die Energie in eine quasistatische Kraft umgewandelt. Dieser Ansatz wurde durch Messungen und Ru¨ckrechungen gerechtfertigt. Fu¨r Bemessung der Netze u¨ber Computersimulationen kann z B. das an der ETH Zu¨rich entwickelte Programm FARO (Falling Rocks) verwendet werden. Dieses Programm wurde prima¨r fu¨r die Bemessung von Einschla¨gen von Blo¨cken in Steinschlagnetze entwickelt, eignet sich jedoch auch fu¨r die Bemessung auf Murga¨nge. Das Programm wurde mit den Ergebnissen aus statischen Zugversuchen der einzelnen Tragwerksteile und Feldversuchen geeicht. 7.11.4 Konstruktive Durchbildung

Die generelle Durchbildung der Stahlbetonteile erfolgt nach DIN 1045-1 bzw. EN 1992-1-1, jene der Stahlteile nach DIN 18 800 bzw. EN 1993-1.

190

7 Statische Berechnung und Bemessung

Pfeiler und Scheiben aus Stahlbeton werden je nach Ho¨he der Beanspruchung und der Ha¨rte des auftreffenden Geschiebes ungepanzert oder gepanzert ausgefu¨hrt. Je nach Abflussho¨he des maßgebenden Ereignisses sind diese Elemente nur im unteren Bereich oder u¨ber die gesamte Ho¨he gepanzert. Da das Geschiebe die Scheiben und Pfeiler auch an den parallel zur Fließrichtung liegenden Seiten abrasiert, werden diese in der Regel auch gepanzert. Als Panzer werden Grobbleche mit einer Sta¨rke zwischen 8 und 20 mm verwendet. Sie sind mittels aufgeschweißter Kopfbolzen mit dem Konstruktionsbeton verbunden.

Die Netze von Wildholzfiltern haben in der Regel einen lichten Abstand zur Gewa¨ssersohle, um den Abfluss nicht zu behindern. Wildholz schwimmt in der Regel auf der Hochwasserwelle und wird zuru¨ckgehalten. 7.11.5 Beispiele 7.11.5.1 Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben

Die dargestellte offene Sperre aus Stahlbeton wurde 1998 errichtet. Sie ist als Dosierwerk konzipiert. Die plattenfo¨rmige Gru¨ndung ist im luftund wasserseitigen Bereich durch einen Balken

Bild 183. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben (Dosiersperre)

Bild 184. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben (Balkensperre): (A) Ansicht Luftseite; (B) Ansicht Wasserseite [51]

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

191

versta¨rkt. Die monolithisch mit der Platte verbundenen flussparallelen Scheiben haben an der Basis Abmessungen von 800 cm q 75 cm. Die ffnungen sind mit Stahlbalken verschlossen. Die Gesamtho¨he der Sperre im Bereich der Abflusssektion betra¨gt 8,5 m, die Breite 47,7 m. Das Sperrenvorfeld ist mit Vorfeldwangen und einer seitlichen Grobsteinschlichtung gesichert. 7.11.5.2 Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben

Die dargestellte offene Sperre aus Stahlbeton wurde 1995 errichtet. Sie ist als Murbrecher (Energieumwandlung) konzipiert. Die plattenfo¨rmige Gru¨ndung ist im vorderen Bereich durch einen Balken versta¨rkt. Er dient gleichzeitig als Kolkschutzriegel. Die monolithisch mit der Platte verbundenen flussparallelen Scheiben (Murteiler) haben an der Basis Abmessungen von 900 cm q 120 cm und sind im unteren Bereich und an der angestro¨mten Seite mit Stahlblechen gepanzert. Die Gesamtho¨he der Sperre im Bereich der Abflusssektion betra¨gt 14,5 m, die Breite 11,5 m. Das Sperrenvorfeld ist mit einer seitlichen Grobsteinschlichtung und einer Vorsperre gesichert.

Bild 186. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben (Murbrecher): Ansicht der gepanzerten Murteiler und Rostwangen

Bild 185. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Scheiben (Murbrecher)

192

7 Statische Berechnung und Bemessung

7.11.5.3 Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit schlanken Pfeilern

Die dargestellte offene Sperre aus Stahlbeton wurde 1991 errichtet. Sie ist als Filtersperre konzipiert. Die plattenfo¨rmige Gru¨ndung ist im vorderen Bereich durch einen Balken versta¨rkt. Die monolithisch mit dem Balken verbundenen Kragarme haben an der Basis Abmessungen von 90 cm q 109 cm und sind im unteren Bereich mit Stahlblechen gepanzert. Die Gesamtho¨he der Sperre im Bereich der Abflusssektion betra¨gt 7,5 m, die Breite 22 m. Der Sperrenanzug an der Luftseite betra¨gt 10:1.

Bild 188. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem mit Pfeilern (Filtersperre): (A) Ansicht Luftseite; (B) Pfeiler sind im unteren Teil gepanzert

Bild 187. Massenaktives aufgelo¨stes Tragsystem (Filtersperre)

7.11 Aufgelo¨ste Tragsysteme

7.11.5.4 Kombiniertes massen- und vektoraktives System

Die dargestellte offene Sperre (Ringnetz) wurde 2004 errichtet. Sie besteht prima¨r aus einem massenaktiven aufgelo¨sten Tragsystem, sekunda¨r ist ein biegeweiches vektoraktives System befestigt. Diese Sperre ist als Wildholzfilter konzipiert. Der starre zahnfo¨rmige Teil wirkt als Grobfilter, der Ringnetzteil als Feinfilter. Die Tragseile sind mit-

193

tels Spiralseilanker in den Stahlbetonflu¨geln verankert. Die Kragtra¨ger in der Abflusssektion sind als Stahl-Beton-Verbundquerschnitte ausgefu¨hrt und mittels Blockfundamenten mit der Gru¨ndung verbunden. Die lichte Weite zwischen den Pfeilern betra¨gt 1 m. Die Gesamtho¨he der Sperre betra¨gt 4,9 m, die Breite 20 m. Die freie Durchflussho¨he unter dem Ringnetz betra¨gt ca. 1 m. Das Vorfeld ist mittels Grobsteinschlichtung gegen Auskolken gesichert.

Bild 189. Kombiniertes massenaktives und biegeweiches vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem (Filtersperre)

Bild 190. Kombiniertes massen- und vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem (Wildholzfilter mit Feinholzfilter): (A) Ansicht der Pfeiler mit Verbundquerschnitt von der Seite; (B) Filter wa¨hrend des Ereignisses [51]

194

7 Statische Berechnung und Bemessung

7.11.5.5 Biegeweiches vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem

Die dargestellte offene Sperre (Ringnetz) wurde 2002 errichtet. Sie ist den biegeweichen vektoraktiven aufgelo¨sten Tragwerken zuzuordnen. Sie ist als Wildholzfilter konzipiert. Die Tragseile

sind mittels Spiralseilanker im Felsen befestigt. Ein Spiralseilanker besitzt eine Nutzlast von 470 kN und hat eine La¨nge von 2,5 m. Die Gesamtho¨he der Sperre betra¨gt 6,3 m, die Breite 5,25 m. Die freie Durchflussho¨he unter der Sperre betra¨gt ca. 1 m.

Bild 191. Biegeweiches vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem (Filtersperre)

Bild 192. Biegeweiches vektoraktives aufgelo¨stes Tragsystem (Netzsperre als Wildholzfilter): (A) Ansicht von der Wasserseite; (B) Filter nach einem Ereignis [51]

8 Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken

8

Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken

Nach La¨nger [130] richtet sich die Lebensdauer von technischen Verbauungsbauwerken nach der Eigenart des Baustoffes und dessen Verarbeitung, der Bauausfu¨hrung und Instandhaltung sowie nach der inneren und a¨ußeren Beanspruchung des Bauwerks nach der Errichtung. Aufgrund dieser Kriterien ko¨nnen fu¨r die Bestandsdauer der Bauwerke nur allgemeine Durchschnittswerte angegeben werden. So gibt La¨nger in [130] fu¨r Verbauungswerke aus Rundholz mit heimischen Nadelholzarten eine durchschnittliche Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren an. Dieser Wert kann minimal mit zehn bis 15 Jahren angenommen werden. Bauwerke, die aus impra¨gniertem Holz hergestellt wurden haben mindestens die doppelte Lebenserwartung, sollten aber aus Gru¨nden des Umweltschutzes dem natu¨rlichen Holz nicht vorgezogen werden. Bo¨ll [28] gibt auf Basis von Untersuchungen die Lebensdauer von Holz in der Wildbachverbauung mit 30 bis 50 Jahren an, bei gu¨nstigen Bedingungen sogar 80 Jahre. Unter gu¨nstigen Bedingungen versteht man Beschattung, sta¨ndig gleichma¨ßige hohe Feuchte und konstruktiv einwandfreie Ausfu¨hrung. Wird das Verbauungswerk aus Schnittholz hergestellt, kann laut [130] mit einer Lebensdauer von durchschnittlich zehn Jahren gerechnet werden. Die Lebensdauer von Drahtschotterko¨rben wird sehr stark von einer eventuellen mechanischen Bescha¨digung des Drahtgeflechts durch Geschiebe oder Unholz beeinflusst. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, die Abflusssektion zu bedielen. In Obero¨sterreich gibt es Drahtschottersperren schon seit u¨ber 70 Jahren, in Norditalien seit u¨ber 100 Jahren. Wurden die Verbauungswerke aus Trockenmauerwerk hergestellt, dann war bislang die geringe Gru¨ndungstiefe des Bauwerks die Schwachstelle. Aus diesem Grund wurden nach [130] die Bau-

195

werke durch eine Vorfeldpflasterung abgesichert, die aber fru¨her oder spa¨ter zersto¨rt wurde. Nach der Zersto¨rung dieser Vorfeldpflasterung fielen die meisten Trockenmauerwerke einer Unterkolkung zum Opfer. Dies kann durch eine Wasserpolsterung, hervorgerufen durch eine Vorsperre, verhindert werden. Ist dies der Fall ko¨nnen Trockenmauersperren nach [130] eine fast unbegrenzte Bestandsdauer haben, wie Sperren in Ka¨rnten und Obero¨sterreich, Baujahr ca. 1890, beweisen. Nach [130] ist die Schwachstelle bei Sperrenbauwerken aus Zementmo¨rtelmauerwerk und Beton die Mo¨rtelfuge zwischen den Kronensteinen der Abflusssektion. Fließt sta¨ndig Wasser, ist der Angriff des Wassers und der Feststoffe problematisch; bei Trockenfallen fu¨hrt die mechanische und biologische Verwitterung zu Problemen. An den Mauerko¨rpern selbst ist bei Zementmo¨rtelmauerwerk die Mo¨rtelfuge zwischen den Bruchsteinen und bei einer Betonmauer die luftseitige Außenwandung die Schwachstelle. Werden die zuvor beschriebenen Schwachstellen regelma¨ßig instandgesetzt, kann die Lebensdauer der Bauwerke deutlich verla¨ngert werden. Allgemein kann man sagen, dass die Bauwerke der Wildbachverbauung in den Alpenla¨ndern, welche ab dem Ende der 1950er Jahre errichtet wurden, in einem ausreichend guten Zustand sind. Aus diesem Grund wird bei diesen Bauwerken von einer gescha¨tzten Lebenserwartung bis zu 100 Jahren ausgegangen, wobei die Lebensdauer neben einer korrekten Ausfu¨hrung wesentlich von den einwirkenden Prozessen und der Instandhaltung der Bauwerke beeinflusst wird. Um die Bestandsdauer der Sperrenbauwerke durch regelma¨ßige Instandhaltung optimal verla¨ngern zu ko¨nnen, ist eine kontinuierliche Zustandsu¨berwachung der Bauwerke erforderlich. Da im Alpenraum bereits eine unu¨berschaubar große Zahl von Wildbachschutzbauwerken errichtet wurde, ist es notwendig, die berwachungskapazita¨ten auf die relevanten Bauwerke zu

Tabelle 47. Werkstoffspezifische Lebensdauer von Schutzbauwerken laut Literatur (aus Rudolf-Miklau)

Bauwerkstyp/Baustoff

Lebensdauer

Literaturangabe

Holzsperren (Steinkastensperren)

20–50 Jahre max. 60 Jahre

Zeller und Ro¨thlisberger [224] La¨nger [130] Bo¨ll et al. [29] No¨tzli et al. [225]

Steinsperren Gemauerte Sperren

60–80 Jahre max. 100 Jahre

La¨nger [130] Romang et al. [226]

Sperren in Beton und Stahlbeton

ca. 100 Jahre (bis 150 Jahre) alte Bauwerke: 50–80 Jahre

Zeller und Ro¨thlisberger [224] Romang et al. [226]

196

8 Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken

konzentrieren. In der ONR 24803 [160] wird daher die Einteilung der Schutzbauwerke in Standardbauwerke und Schlu¨sselbauwerke empfohlen.

Standardbauwerke sind Bauwerke, deren Versagen nur mittlere oder geringe (lokale) Auswirkungen auf das Verbauungssystem und geringe Auswirkungen auf die geschu¨tzten Bereiche haben. Schlu¨sselbauwerke sind Bauwerke, deren Versagen entscheidende Auswirkungen auf die geschu¨tzten Bereiche oder das Verbauungssystem haben. Beispielsweise sind Murbrecher, Geschiebe(Wasser-)dosiersperren und Bauwerkssysteme (Staffelungen), in denen das Versagen eines Bauwerkes zu einem Serienversagen fu¨hren kann, in diese Kategorie einzuordnen. Als grober Leitfaden zur Einteilung wurde Tabelle 48 entworfen, welche auf den Schadensfolgeklassen nach EN 1990 beruht. Die Einteilung in Schlu¨ssel- und Standardbauwerke hat Auswirkungen auf das Inspektionsintervall (Tabelle 50) und die Zeitdauer in der Scha¨den behoben werden sollten. Ebenso kann diese Einteilung zur Fest-

legung der geotechnischen Kategorie (GK) herangezogen werden (s. Abschn. 7.2.4). Bei der Beurteilung der Sicherheit eines Einzelbauwerks ist es zwingend erforderlich, das gesamte Verbauungssystem zu betrachten, da z. B. das Versagen eines Einzelbauwerks durch die Wirkungsbeziehungen Auswirkungen auf die restliche Verbauung und die geschu¨tzten Bereiche hat. Der Begriff Versagen umfasst dabei neben dem Versagen der Tragfa¨higkeit auch das Versagen der Gebrauchstauglichkeit (Funktionalita¨t) eines Einzelbauwerks oder des Gesamtsystems. Ein Versagen der Gebrauchstauglichkeit liegt vor, wenn das Einzelbauwerk oder das Gesamtsystem nicht in der Lage war Geschiebe, Hochwasser, Muren, Lawinen ausreichend zuru¨ckzuhalten, um die maximalen Bemessungsmengen im Siedlungsbereich nicht zu u¨berschreiten. Somit ist die Sicherheit eines solchen Ingenieurbauwerks neben der Standsicherheit wesentlich von dessen Gebrauchstauglichkeit (Funktionserfu¨llung) abha¨ngig. Bild 193 zeigt die wesentlichen externen und internen Randbedingungen, denen ein Schutzbauwerk unterliegt.

Tabelle 48. Zusammenhang zwischen den Auswirkungen auf das Verbauungssystem und die geschu¨tzten Bereiche bei Versagen eines Bauwerkes und den Schadensfolgeklassen nach NORM EN 1990, (grau: Bauwerke sind Schlu¨sselbauwerke nach ONR 24803)

Auswirkungen auf das Verbauungssystem

Auswirkungen auf die geschu¨tzten Bereiche hoch

mittel

Locker besiedelte Dicht besiedelte Gebiete, EinzelGebiete, Siedlungskerne, wichtige Infra- geba¨ude, untergeordstruktureinrichtungen, nete Verkehrswege; mittleres u¨berregionale Personenrisiko Verkehrswege; hohes Personenrisiko

gering Nebengeba¨ude, keine Infrastruktur, Nebenverkehrswege; geringes Personenrisiko

hoch (Auswirkungen auf die gesamte Verbauung – Serienversagen)

CC3

CC3

CC3

mittel

CC3

CC3

CC2

gering (nur lokale Auswirkungen, keine Auswirkung auf das Versagen weiterer Bauwerke)

CC3

CC2

CC1

Die Schadensfolgeklassen sind nach NORM EN 1990 wie folgt definiert: Schadensfolgeklasse CC3: hohe Folgen fu¨r Menschenleben oder sehr große wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeintra¨chtigende Folgen. Schadensfolgeklasse CC2: mittlere Folgen fu¨r Menschenleben und betra¨chtliche wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeintra¨chtigende Folgen. Schadensfolgeklasse CC1: niedere Folgen fu¨r Menschenleben und keine oder vernachla¨ssigbare wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeintra¨chtigende Folgen.

hoch

mittel

mittel

hoch

mittel

mittel

mittel

Steinschlichtung als Uferschutz

Ufermauern und Regulierungen

Konsolidierungssperren in Holz

Konsolidierungssperren in Beton

GeschiebeDosiersperren

Murbrecher Bremsbauwerke

Materialsch¨aden, Bauwerkssch¨aden

HochwasserRu¨ckhaltebecken

Schutzbauwerke

Risikofaktoren

Statisch unterdimensioniert

hoch

hoch

hoch

hoch

mittel

gering

hoch

Bewehrung zu schwach

hoch

hoch

hoch

–

mittel

–

hoch

Funktionale Schwachstellen

mittel

hoch

gering

gering

gering

gering

hoch

Sohlauskolkung, Tiefenerosion

mittel

gering

mittel

hoch

hoch

hoch

gering

Hangdruck, Hangbewegung

mittel

mittel

hoch

hoch

hoch

hoch

gering

Setzungen, Grundbruch

mittel

mittel

hoch

mittel

hoch

hoch

hoch

Murstoß, Sturzprozesse

gering

hoch

hoch

hoch

gering

–

gering

gering

hoch

mittel

mittel

hoch

mittel

hoch

Wildholz, Verklausung

Tabelle 49. Bewertung der Empfindlichkeit fu¨r schadensrelevante Risikofaktoren, die Tragfa¨higkeit und Gebrauchstauglichkeit von Schutzbauwerken betreffend (aus Rudolf-Miklau [184])

Mangelhafte Wartung, Kontrolle

gering

mittel

gering

gering

gering

gering

hoch

¨ Uberlastfall

mittel

mittel

mittel

gering

mittel

hoch

hoch 8 Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken

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8 Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken

Bild 193. Externe und interne Randbedingungen der Sicherheit eines Ingenieurbauwerks in der Natur am Beispiel einer Wildbachsperre (aus Strauss/Suda [202])

Tabelle 50. bersicht u¨ber die im Zuge der berwachung durchzufu¨hrenden Inspektionsarten nach ONR 24803 [160] (aus Suda et al. [205])

Inspektionsart

Zusta¨ndigkeit

Durchfu¨hrung

Laufende ber- Schlu¨sselbauwerke: wachung (L) ja¨hrlich, Standardbauwerke: mind. alle 5 Jahre

Rechtsinhaber (Wasserrecht) oder Interessenten an gefo¨rderten Schutzbauten

Forsttechnisches Personal

Kontrolle (K)

Schlu¨sselbauwerke alle 5 Jahre oder Sonderkontrolle

Rechtsinhaber (Wasserrecht) oder Interessenten an gefo¨rderten Schutzbauten im Einvernehmen mit der zusta¨ndigen Dienststelle des FTD fu¨r WLV1)

Experten, geschultes Fachpersonal

Pru¨fung (P)

Bei Bedarf

Auftrag durch zusta¨ndige Experten (interdisziplina¨r) Dienststelle des FTD fu¨r WLV1)

1)

Zeitraum

Forsttechnischer Dienst fu¨r Wildbach- und Lawinenverbauung (sterreich).

Die Relevanz der aus den Randbedingungen resultierenden Scha¨den ist auch vom funktionalen und konstruktiven Sperrentyp abha¨ngig. In Tabelle 49 ist die Empfindlichkeit einiger Bautypen auf verschiedene Risikofaktoren aus den Randbedingungen dargestellt. Fu¨r sterreich wird basierend auf der ONR 24803 [160] ein dreistufiges Inspektionsverfahren vorgeschlagen. Die wichtigsten Eckdaten sind in

Tabelle 50 zusammengestellt. Durch die Einteilung der Bauwerke in Bauwerkskategorien wurden Instrumente geschaffen, die es nachvollziehbar ermo¨glichen, die berwachungsta¨tigkeiten auf die sicherheitstechnisch relevanten Bereiche zu konzentrieren. Die dreistufige Einteilung der Inspektion in die laufende berwachung (L), die Kontrolle (K) und die Pru¨fung (P) ermo¨glicht einen o¨konomischen Einsatz der personellen und

10 Literatur

finanziellen Ressourcen. Die regelma¨ßig und fla¨chendeckend durchzufu¨hrenden laufenden berwachungen ko¨nnen von geschultem forsttechnischem Personal im Zuge der ja¨hrlichen Begehungen der Wildba¨che durchgefu¨hrt werden. Die Kontrolle ist periodisch nur an Schlu¨sselbauwerken, allerdings von Experten, durchzufu¨hren. Halten diese es fu¨r notwendig, kann eine detaillierte berpru¨fung veranlasst werden.

9

Ausblick und Danksagung

Der Schutz vor Naturgefahren ist eine interdisziplina¨re Aufgabenstellung und verlangt von den beteiligten Planern hohe Fachkenntnisse. Bei der Konzeption eines Schutzsystems kommt es besonders darauf an, die prozessspezifischen Eigenheiten des Einzugsgebietes richtig einzuscha¨tzen. Trotz der in diesem Beitrag vorgeschlagenen Lastmodelle ist die Einwirkungsseite weitgehend ungekla¨rt und muss im Einzelfall durch einen fachkundigen Ingenieur festgelegt werden. Die relevanteste Einwirkung ist der Murgang. Bezu¨glich dieser Einwirkung gibt es in Zukunft weiterhin Forschungsbedarf (Modellsimulationen im Labor und 1:1 Murversuche). Bis Ende des Jahres 2009 sollen fu¨r sterreich die nationalen Normenwerke fu¨r die Errichtung, Bemessung und Instandhaltung von Schutzbauwerken fertig gestellt sein. Diese Normenwerke stellen eine geregelte Basis fu¨r weitere Entwicklungen dar. Die Erstellung eines solchen Beitrages verlangt den vollen Einsatz der beteiligten Autoren. Da dies neben der normalen beruflichen Ta¨tigkeit sehr schwierig ist, muss man sich zusa¨tzlich auf zuverla¨ssige Mitarbeiter stu¨tzen ko¨nnen. Daher mo¨chten sich die Autoren besonders bei DI Philipp Sicher (Mitarbeiter des Institutes fu¨r Konstruktiven Ingenieurbau, BOKU Wien) bedanken, der die Literaturrecherchen und die Erstellung der notwendigen Grafiken wesentlich unterstu¨tzt hat. Ein Großteil der Informationen aus der Ingenieurpraxis und alle dargestellten ausgefu¨hrten Beispiele wurde von der sterreichischen Wildbachund Lawinenverbauung zur Verfu¨gung gestellt. Besonders mo¨chten sich die Autoren bei den Mitarbeitern der Gebietsbauleitungen Salzkammergut, Flachgau, Pongau, Pinzgau, Osttirol und Bludenz fu¨r wichtige Beitra¨ge und die perso¨nliche Unterstu¨tzung bedanken. Die Fotos stammen aus den perso¨nlichen Besta¨nden der Autoren oder wurden von den Gebietsbauleitungen und vom Bundesministerium fu¨r Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft in Wien zur Verfu¨gung gestellt.

10

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Stichwortverzeichnis

Stichwortverzeichnis A Abflussabscha¨tzung 87–89 Abflussganglinien 115 f. Abflussprofilvera¨nderungen 111 Abflusssektionen – Bemessung 118–120 – Breite 118 – Formen 50 Abflussverhalten 111 Ablagerung 15 f. Ablagerungskegel 5 f. – Entwicklung 6 – Profil 5 Absturz, kaskadenartiger 37 Absturzsperre 30–32, 45 Abtragung siehe auch Anbruch und Erosion 10, 12 f. Altschuttbach 7 Anbruch 12 – Dammanbruch 12 – Feilenanbruch 12 – Keilanbruch 12 – Muschelanbruch 12 – Uferanbruch 12 Arbeitsfuge 61–66 – Kraftu¨bertragung 61 f. – verzahnte 66 Aufschwimmen, Nachweis 132. Auftriebskraft, hydrostatische 132 B Baggermauerung 69 Balkensperre 190 – Balkenabstand 40 – Konstruktion 39 f. Baustellenerschließung 80–84 – direkte 80 – indirekte 80 f. Baustellenorganisation 81 Bauteilversagen, Grenzzustand 125 Bauwerksfugen siehe Fugen Bauwerkversagen, Grenzzustand 125 Bemessung von Schutzbauwerken 85–194 – Einwirkungen siehe dort – Geotechnik 92–98 – hydraulische 106–123 – Hydrologie 85–92 – statische 123–194 Bemessungsereignis 85 Bemessungsniederschlag 87 Bergdruck siehe Hangdruck Bergzerreißung 19 f. Beton 72–74 – chemischer Angriff 73 f. – Expositionsklassen 72 f. – Hydroabrasivverschleiß 74 – Materialkennwerte 72 – Nachbehandlung 82, 85 Betondeckung 74 Betonsperre, Bemessung 150 f.

Bewegungsfuge 60, 65, 67 – verzahnte 65 f. Bodenkennwerte 95 Bogengewichtsmauer siehe Gewichtsmauer, gekru¨mmte Bogensperre siehe Gewo¨lbesperre Bremsbauwerk siehe auch Murbremser 30 Buhne 27

D Dammanbruch 12 Dolen 55 Doppeltrapezprofil 50 Dosiersperre 30–32, 41 – (mit) Grobsteinschlichtung 54 – Konstruktion 37–43 – Stauraumgro¨ße 49 f. – (mit) Vorfeldmauer 54 – Wildholzablagerung 18 Drahtschottersperre 149 f. – Bemessung 152 Drahtsteinko¨rbe 149 f. Dra¨nagesysteme 28 E Einwirkungen 92–106, 135–139 – Bemessung 127 f. – Eigengewicht 98 – Erddruck siehe auch dort 92–98, 101, 127 – fluviatile Verlagerungsarten 136 f. – Kombinationen 135–139 – Lawinendruck 104 – murartige Verlagerungsarten 137 f. – Murdruck siehe auch dort 102–104 – Talzuschub 101 – Teilsicherheitsbeiwerte 128 – Wasserdruck siehe auch dort 98–101 Einzugsgebiet 1, 4–7 Entleerungsdolen 55, 57 Entleerungssperre siehe Schlitzsperre Entwa¨sserungsdolen 55 Erddruck 92–98, 101, 127 – aktiver 93, 97 – Beiwerte 97 – Berechnung 96 f. – erho¨hter 93 – Grenzwerte 92–95 – Koordinaten 92 – Kriechdruck 97 f. – mindester 97 – passiver 93, 97 – Ruhedruck 93, 97 – Siloerddruck 97 – Spannungen 92 – Verdichtungserddruck 93 – Verteilung 93, 96 – Zwischenwerte 92–95 Erosion 10, 12 f. EU-Wasserrahmenrichtlinie 34

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F Feilenanbruch 12 Feststoffkonzentration, volumetrische 115 Feststoffpotenzial 90 Feststofftransport siehe auch Geschiebetransport – feststofflimitierter 14 – fluviatiler 13–16, 86, 112–114 – murartiger 13–15, 86 – transportlimitierter 14 Filtersperre 30, 41, 192–194 – Konstruktion 37–43 Fischpass 79 Fischtreppe 79 Fließgleichungen 108 f., 111 Fließlawine 105 Fugen 60–68 – Abdichtung 67 f. – Arbeitsfuge siehe dort – Bewegungsfuge siehe dort – Dehnungsfuge 65 – Pressfuge 60 – Raumfuge 60 – Scheinfuge 60 – Schubfuge siehe dort – Setzungsfuge 65 f. – unverzahnte 60 – verzahnte 60, 64, 66 Fugenband 67 f. Fugenblech 67 Fundament 52 f. Funktions-Konstruktions-Matrix 31 Furkationsstrecke siehe Gerinnestrecke, verzweigte G Gabionensperre 149 f. Gebietsniederschlag 87 Gebrauchstauglichkeit – Grenzzustand 125 – Nachweis 134 f. Gela¨ndebruchsicherheit, Nachweis 134 Gela¨ndevera¨nderung, ku¨nstliche 28 geotechnische Kategorien 126 Gerinnebemessung 106–117 – Geschiebetransportbemessung 112–117 – Reinwasserabflussbemessung 106–112 Gerinnestrecke 6 f. – Klassifikation 11 – verzweigte 6 Geschiebedefizit 37 Geschiebefracht – Abscha¨tzung 90–92 – Diagramm 90 f. Geschiebegleichgewicht 35 Geschiebeherd – Entwicklung 7 – Mobilisierungsintensita¨t 12 Geschiebepotenzial 91 Geschiebetransport siehe auch Feststofftransport – Beginn 113 – Bemessung 112–115 – murartiger 115 f. – Rate 114

Gewichtsmauer 140 f., 143 – gekru¨mmte 153 Gewichtssperre 30, 140, 143–152 – Bemessung 150–152 – Betongewichtssperre, vorgespannte 144 – Holzkastensperre siehe dort – (in) Konstruktionsbeton 144 – Steinsperre 144 – Trockenmauer 145 – Zementmo¨rtelmauerwerk 145 – Zyklopenmauer 145 Gewo¨lbesperre 30, 139, 142, 152–158, 163 f. – Beispiele 165 – Bemessung 157 – Blockfugen 162 f. – (mit) Bogenlamellen 157 – Bogentra¨ger 158 f. – (mit) Dolen 152 – einfache 152 – (mit) Flu¨geln 152, 155 – Gleichwinkelmauer 153 – Grundrissformen 155 – (mit) Ka¨mpferverbreiterung 154 f., 164 f. – konstruktive Durchbildung 163 f. – Kru¨mmungsradius 154 – Lastaufteilung 161 f. – Ringformel 157 f. – Schwindspannungen 156 – Spannweiten-Stich-Verha¨ltnis 154 – Temperatureinflu¨sse 156 – Tra¨gerrostformen 159–161 – Vorbemessung 156 – Zentriwinkel 154 – Zylindermauer 153 Gittersperre 29, 139, 185–189 – abgestu¨tzte ebene 185–187 – ebene 185 – ra¨umliche 186 f. Gleichwinkelmauer 153 Gleiten 19 – Nachweis 133 Grenzzustand 125 – Bauteilversagen 125 – Bauwerkversagen 125 – Gebrauchstauglichkeit 125 – Lagesicherheitsverlust 125 – Standsicherheitsverlust 125 Grobsteinschlichtung 27 f., 54, 68 f. Großdolen 55 f. Grundablass 81 Grundbruch, Nachweis 132 f. Grundschwelle 27, 30

H Hangdruck 21–23, 46, 48 Hangdrucksperre siehe Konsolidierungssperre Hangmure 20 Hangsicherungsbauwerk 28 Hochwasser 13–15, 86 – Ru¨ckhaltebecken 48 Holz 77 – Dauerhaftigkeit 78 – Materialkennwerte 76

Stichwortverzeichnis – Tra¨nkbarkeit 78 Holzkastensperre 145–149 – Bemessung 151 f. hundertja¨hriges Ereignis 85 Hybridmauer 141, 171–175 – Bemessung 172 – (als) Konsolidierungssperre 173 – Querschnitt 172 – (als) Schlitzsperre 173 – (als) Wasserdosierwerk 174 f. hydrologische Modelle 89 f.

I ingenieurbiologische Bauweise 69–72 J Jungschuttbach 7 K Keilanbruch 12 Kippen, Nachweis 131 f. Kleindolen 55 Kolkbemessung 121 f. Kolksicherung 55 Konsolidierungssperre 30–33, 152, 171 – dreiteilige 46 – (mit) Hybridquerschnitt 173 – Konstruktion 35–37, 46, 48 – Konstruktions-Tragwerks-Matrix 32, 142 – verlandete 143 Kriechen 19 Kriecherddruck 97 f. L La¨ngsbauwerk (La¨ngswerk) 27 f. – Konstruktion 68–70 Lastfa¨lle, Definition 130 f. Lawinen 104–106 Leitdamm 27 f. Leitwerk 69 f. M Ma¨ander 7 Massenbewegung – Beurteilung 21 – Formen 19 Mauer – Bogengewichtsmauer siehe Gewichtsmauer, gekru¨mmte – Gewichtsmauer siehe dort – Gleichwinkelmauer 153 – Hybridmauer siehe dort – Trockenmauer 145 – Ufermauer 27 f., 70, 143 – Vorfeldmauer 54 f. – Winkelstu¨tzmauer siehe dort – Zyklopenmauer 68, 145 – Zylindermauer 153 Mischlawine 105 Murbrecher 30–33, 191 – Konstruktion 43–45 Murbremser, Konstruktion 45 f. Murdruck, dynamischer 102–104

Murfrachtabscha¨tzung 92 Murgang 13–16, 86 – Energieumwandlung 37 – Ereignisfracht 92 – granularer 103, 115 – Lastverteilungen 104 – schlammartiger 103 Murkegel 5 Murprofil 50 f. Murschub 15, 115 Murteiler 44 Muschelanbruch 12

N Nachweise 131–135 – Aufschwimmen 132 – Gebrauchstauglichkeit 134 f. – Gela¨ndebruchsicherheit 134 – Gleiten 133 – Grundbruch 132 f. – Kippen 131 f. – Spannungsnachweis 134 – Stabilita¨tsnachweis 134 Naturstein 77 f. – Materialkennwerte 79 Netzsperre 29–33, 132, 186, 188 f., 194 – Konstruktion 45 f. O Oberfla¨chenerosion 12 ffnung 55–60 – Abflussbemessung 122 – (in) Bogenmauern 59–61 – Dolen 55 – (in) Gewichtsmauern 58 f. – ffnungsgro¨ße 38 – Schlitze 55 – (in) Stahlbetonplatten 57 f. P Pfeilerplattensperre 139, 180–183 Plattensperre 30, 139, 142 – einfache 165–171 – (als) Konsolidierungssperre 166, 171 – Pfeilerplattensperre 139, 180–183 Plattentragwerk 141 Pressfuge 60 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten 10–23 Q Querbauwerk (Querwerk) 27 f. – a¨sthetische Aspekte 80 – Bemessung 118–123 – Konstruktion 34 f. – o¨kologische Aspekte 79 f. R Raumfuge 60 Rechensperre, Konstruktion 40–43 Rechteckprofil 50 Regulierungsbauwerk 28 f. Reinwasserabfluss 14 – Bemessung 106–112

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Retentionssperre 30–32 – Stauraumgro¨ße 49 f. Rostsperre, Konstruktion 40–43 Rutschung 20 f., 86 – Rotationsrutschung 20 f. – Translationsrutschung 20 f.

S Sacken 19 Sammelgebiet 4 f. Schadensfolgeklassen 196 Scheinfuge 60 Schlammstrom 115 Schlitze, Definition 55 Schlitzsperre 30–33 – (mit) Balkenverschluss 39 – einfache 39 – (mit) Hybridquerschnitt 173 – Konstruktion 38 f. – verlandete 39 – versta¨rkte 44 Schubfuge 62–65 – verzahnte 64 Schwemmholz siehe auch Wildholz 18 Schwemmkegel 5 Seilsperre 29, 31, 186, 188 Seitenerosion 12 Setzungsfuge 65 f. Sicherheitsklassen, Definition 130 Siloerddruck 97 Sohldruckresultierende 131 Sohlgurt 27, 30 Sohlrampe 27 Sohlschwelle 27 Spannungsnachweis 134 Sperre siehe auch Querbauwerk 27 f. Sperrenkrone – Abrasionsschutz 52 – Konstruktion 50–52 Sporn 27 Stabilita¨tsnachweis 134 Staffelung 28 f. Stahl 74 – Materialkennwerte 77 Stahlbetonsperre, Bemessung 150 f. Standsicherheit, Bemessung 123 f. Standsicherheitsverlust, Grenzzustand 125 Staublawine 105 Stauraumbemessung 122 f. Steinsperre 144 stumme Zeugen 15, 85 f. Stu¨tzbauwerk 68 T Talzuschub 18–20, 101 Tiefenerosion 12 Tosbecken 55 – Bemessung 121 f. – Breite 121 Tragwerk – aufgelo¨stes 30, 32, 139 f., 183–194 – Plattentragwerk 141 Translationsrutschung 20 f. Trapezprofil 50

U Uferanbruch 12 Ufermauer 27 f., 70, 143 Uferschutzbauwerk 68 Umlagerungsstrecke 5–7 V Verdichtungserddruck 93 Verklausung 18 Verlagerung 13–15 Verlandungsgefa¨lle 35 Verlandungslinie 122 Verlandungsraum, Speicherkapazita¨t 35 Verlandungswinkel 123 Vollsperre 29, 31, 33 Vollwandsperre siehe Konsolidierungssperre Vorfeldmauer 54 f. W Wandbewegung 93 f. Wandreibungswinkel 95 f. Wasserbewegungsarten 108 Wasserdosiersperre mit Hybridquerschnitt 174 f. Wasserdruck 98–101 – Auflast 101 – Auftrieb 101 – dynamischer aus Gerinneabfluss 99 f. – hydrostatischer 99 f. – reduzierter 100 – ruhender 99 f. – Sohlwasserdruck 101 – stro¨mender durch den Boden 100 f. – (vom) Unterwasser 101 Wasserhaltungsdolen 55–57 Werkstoffe 72–79 – Baustoffkombinationen 78 – Beton siehe auch dort 72–75, 77 – Betondeckung 74 – Holz siehe auch dort 76 f. – Kunststoffe 78 – Naturstein siehe auch dort 77 f. – Pflanzen 78 – Stahl siehe auch dort 75, 77 – Wichten 99 Wildbach – Ablagerungsgebiet 4 f. – Altschuttbach 7 – Definition 1 – Einzugsgebiet 1, 4–7 – Furkationsstrecke siehe Gerinnestrecke, verzweigte – Gerinnestrecke siehe dort – geschiebefu¨hrender 7 – Geschiebeherd siehe dort – hochwasserfu¨hrender 7 – Jungschuttbach 7 – Klassifikation 7–9 – Ma¨ander 6 – murfa¨higer 7 – murstoßfa¨higer 7 – Sammelgebiet 4 – Systematik 4–23 – Typen 7–10 – Umlagerungsstrecke 5–7

Stichwortverzeichnis Wildfluss 6 Wildholzablagerung 18 Wildholzfang 48 Wildholzfilter 32 f., 193 f. Wildholznetz 48 Wildholzrechen 48 Wildholzru¨ckhalter, Konstruktion 48 f. Wildholztransport 18 Winkelstu¨tzmauer 30, 139–142, 175–180 – Bemessung 177–180

– – – – – –

Berechnung 177–180 konstruktive Durchbildung 180 mit Querrippen 175 f., 180 ohne Querrippen 175 f., 179 f. Standsicherheit 178–180 Vorbemessung 177

Z Zyklopenmauer 70, 145 Zylindermauer 153

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