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Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren: Grundlagen, Entwurf und Bemessung, Beispiele

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Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren: Grundlagen, Entwurf und Bemessung, Beispiele

Konrad Bergmeister, Jürgen Suda, Johannes Hübl, Florian Rudolf-Miklau

ISBN: 978-3-433-60182-2 January 2012 220 Pages

Description

The book brings together the basics and rules for design, detailing, structural design and construction of structures for protection against wild torrents. It includes a functional and constructive classification of the most important types of structure and completed examples.

1 Einfuhrung 1

2 Wildbachsystematik 4

2.1 Wildbacheinzugsgebiet 4

2.1.1 Sammelgebiet 4

2.1.2 Ablagerungsgebiet 4

2.1.3 Umlagerungsstrecke 5

2.2 Wildbachtypen 7

2.2.1 Zeitliche Entwicklung der Geschiebeherde 7

2.2.2 Maßgeblicher Verlagerungsprozess 7

2.2.3 Entwicklungstendenz der Geschiebeherde und Beeinflussbarkeit 7

2.2.4 Klassifikation entsprechend der morphologischen Charakteristik 7

2.2.5 Ereignishaufigkeit 10

2.3 Prozesse in Wildbacheinzugsgebieten 10

2.3.1 Abtragsprozesse in Wildbachen 10

2.3.2 Verlagerungsprozesse in Wildbachen 13

2.3.3 Ablagerungsprozesse in Wildbachen 15

2.3.4 Charakteristische Kennwerte vonProzessen in Wildbacheinzugsgebieten 17

2.3.5 Wildholz 18

2.3.6 Bewegungen der Einhange 18

2.3.6.1 Talzuschub 18

2.3.6.2 Rutschungen 20

2.3.6.3 Beurteilung der Massenbewegung 21

2.3.6.4 Auswirkungen auf Bauwerke 21

3 Systematik der Schutzbauwerke 24

3.1 Allgemeines 24

3.2 Klassifizierungsgrundsatze 24

3.2.1 Wirkungen der Wildbachschutzbauwerke (Funktionstypen) 24

3.2.2 Systematik der Wildbachschutzbauwerke 26

3.2.3 Klassifizierung von Wildbachsperren 29

4 Entwurf und Konstruktion von Schutzbauwerken 34

4.1 Allgemeines 34

4.2 Konstruktionsregeln fur einfache Querbauwerke (Sperren) 34

4.3 Konsolidierungssperren und Staffelungen 35

4.4 Großdolige und kronenoffene Sperrenbauwerke mit Dosier- und Filterwirkung 37

4.4.1 Konstruktion von Schlitzsperren 38

4.4.2 Konstruktion von Balkensperren 39

4.4.3 Konstruktion von Rechen- und Rostsperren 40

4.5 Bauwerke zum Brechen und Bremsen von Muren 43

4.5.1 Konstruktion von Murbrechern 43

4.5.2 Konstruktion von Murabsturzbauwerken 45

4.5.3 Konstruktion von Netzsperren zum Bremsen von Muren 45

4.6 Konstruktion von Sperren gegen Hangdruck (Bergdruck) 46

4.7 Konstruktion von Bauwerken fur die Filterung (Ruckhalt) von Wildholz 48

4.8 Stauraum von Retentions- und Dosiersperren 49

4.9 Konstruktion der Bauteile von Sperren 50

4.9.1 Abflusssektion und Sperrenkrone 50

4.9.2 Fundament 52

4.9.3 Balken- und Rechenkonstruktionen 53

4.9.4 Vorfeldmauern, Pfeiler 54

4.9.5 Tosbecken und Kolksicherung 55

4.9.6 Sperrenoffnungen 55

4.9.6.1 Kleine Offnungen in Stahlbetonplatten 57

4.9.6.2 Große Offnungen in Stahlbetonplatten 57

4.9.6.3 offnungen in Gewichtsmauern 58

4.9.6.4 offnungen in Bogenmauern 59

4.9.7 Bauwerksfugen 60

4.9.7.1 Arbeitsfugen 61

4.9.7.2 Bewegungsfugen 65

4.9.7.3 Abdichtungssysteme 67

4.10 Konstruktion von Langsbauwerken 68

4.11 Ingenieurbiologische Bauweisen 70

4.12 Werkstoffe 72

4.12.1 Konstruktionsbeton 72

4.12.1.1 Expositionsklassen 72

4.12.1.2 Chemischer Angriff 73

4.12.1.3 Hydroabrasivverschleiß 74

4.12.1.4 Betondeckung 74

4.12.1.5 In der Baupraxis eingesetzte Konstruktionsbetone 77

4.12.2 Stahl 77

4.12.3 Holz 77

4.12.4 Naturstein 77

4.12.5 Kunststoffe 78

4.12.6 Pflanzen 78

4.12.7 Kombination von Baustoffen 78

4.13 okologische Aspekte fur die Konstruktion von Querbauwerken 79

4.14 Asthetische Aspekte fur die Konstruktion von Querbauwerken 80

4.15 Errichtung und Bauausfuhrung 80

4.15.1 Baustellenerschließung 80

4.15.2 Baustellenorganisiation 81

4.15.2.1 Gut erschließbare Baustellen 81

4.15.2.2 Schwer erschließbare Baustellen 82

4.15.3 Nachbehandlung von Betonbauwerken 82

5 Bemessungs- und Berechnungsgrundlagen. 85

5.1 Hydrologische Grundlagen 85

5.1.1 Methoden 85

5.1.2 Bestimmung der Verlagerungsprozesse 86

5.1.3 Abschatzung des Abflusses 87

5.1.3.1 Niederschlag 87

5.1.3.2 Abfluss 89

5.1.3.3 Hydrologische Modelle 89

5.1.4 Abschatzung der Geschiebefracht 90

5.1.5 Abschatzung von Murfrachten 92

5.2 Geotechnische Grundlagen 92

5.2.1 Grenz- und Zwischenwerte des Erddrucks 92

5.2.2 Grundwerte fur die Berechnung des Erddrucks 95

5.2.2.1 Bodenkennwerte 95

5.2.2.2 Wandreibungswinkel 95

5.2.3 Erddruckberechnung 96

5.2.3.1 Mindesterddruck 97

5.2.4 Sonderformen des Erddrucks 97

5.2.4.1 Erdruhedruck 97

5.2.4.2 Erhohter aktiver Erddruck 97

5.2.4.3 Siloerddruck 97

5.2.4.4 Verminderter passiver Erddruck 97

5.2.4.5 Kriechdruck 97

5.3 Einwirkungen 98

5.3.1 Eigengewicht 98

5.3.2 Wasserdruck 98

5.3.2.1 Ruhender (hydrostatischer) Wasserdruck 99

5.3.2.2 Dynamischer Wasserdruck aus Gerinneabfluss 99

5.3.2.3 Stromender Wasserdruck durch den Boden 100

5.3.2.4 Wasserauflast 101

5.3.2.5 Wasserdruck vom Unterwasser 101

5.3.2.6 Sohlwasserdruck (Auftrieb) 101

5.3.3 Erddruck 101

5.3.4 Talzuschub 101

5.3.5 Dynamischer Murdruck 102

5.3.6 Lawinendruck 104

5.3.7 Andere Lastwirkungen auf Schutzbauwerke 106

6 Hydraulische Bemessung 106

6.1 Bemessung des Abflusses im Gerinne 106

6.1.1 Hydraulische Bemessung des Reinwasserabflusses 106

6.1.1.1 Abfluss und Wasserbewegung im Wildbach 106

6.1.1.2 Fließgleichungen fur Wildbachgerinne 108

6.1.1.3 Beschreibung des Abflussverhaltens. 111

6.1.1.4 Bemessung von Veranderungen im Abflussprofil 111

6.1.1.5 Bemessung von Krummungen 112

6.1.2 Bemessung des Geschiebetransportes im Gerinne 112

6.1.2.1 Fluviatiler Feststofftransport 112

6.1.2.2 Murartiger Geschiebetransport 115

6.2 Hydraulische Bemessung von Querbauwerken 118

6.2.1 Bemessung der uberfalls 118

6.2.2 Bemessung des Tosbeckens und des Sperrenkolks 121

6.2.3 Abfluss aus Sperrenoffnungen 122

6.2.4 Bemessung des Stauraums (Speicherkapazitat) fur die Feststofffracht 122

7 Statische Berechnung und Bemessung 123

7.1 Normative Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen 123

7.1.1 Außere Standsicherheit 123

7.1.2 Innere Standsicherheit 124

7.2 Sicherheitskonzept und Nachweise 124

7.2.1 Teilsicherheitskonzept 124

7.2.1.1 Charakteristischer Wert 124

7.2.2 Grenzzustande 125

7.2.2.1 Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit GZ 1A 125

7.2.2.2 Grenzzustand des Versagens von Bauwerken oder Bauteilen GZ 1B 125

7.2.2.3 Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit GZ 1C 125

7.2.2.4 Gebrauchstauglichkeit GZ 2 125

7.2.3 Bemessungswert 126

7.2.4 Geotechnische Kategorien (GK) 126

7.2.5 Einwirkungen 127

7.2.6 Widerstande 128

7.2.7 Einwirkungskombinationen 129

7.2.8 Sicherheitsklassen 130

7.2.9 Lastfalle 130

7.2.10 Nachweise 131

7.2.10.1 Kippen (GZ 1A) 131

7.2.10.2 Hydraulischer Grundbruch und Auftriebsbruch (Aufschwimmen; GZ 1A) 132

7.2.10.3 Grundbruch (GZ 1B) 133

7.2.10.4 Gleiten (GZ 1B) 133

7.2.10.5 Spannungsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit) 134

7.2.10.6 Stabilitatsnachweise im Bauteil (GZ 1B – innere Standsicherheit) 134

7.2.10.7 Gelandebruchsicherheit (GZ 1C) 134

7.2.10.8 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) 134

7.3 Einwirkungskombinationen fur Wildbachsperren 135

7.3.1 Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus fluviatilen Verlagerungsarten 135

7.3.2 Einwirkungskombinationen mit Beanspruchungen aus murartigen Verlagerungsarten 135

7.3.3 Kombinationen und Sonderlastfalle 139

7.4 Statische Systeme von Schutzbauwerken 139

7.5 Gewichtssperren 143

7.5.1 Allgemeines 143

7.5.2 Gewichtssperren in Konstruktionsbeton 144

7.5.3 Vorgespannte Betongewichtssperre 144

7.5.4 Steinsperre 144

7.5.4.1 Trockenmauern (Zyklopenmauern) 145

7.5.4.2 Zementmortelmauerwerk 145

7.5.5 Holzkastensperren 145

7.5.5.1 Einwandige Holzkastensperren 145

7.5.5.2 Doppelwandige Holzkastensperren 145

7.5.5.3 Dreiwandige Holzkastensperren 149

7.5.6 Drahtschottersperren (Drahtsteinkorbe, Gabionensperren) 149

7.5.7 Berechnung und Bemessung 150

7.5.7.1 ußere Standsicherheit 150 

7.5.7.2 Innere Standsicherheit 150

7.6 Gewolbesperren (Bogensperren) 152

7.6.1 Allgemeines 152

7.6.1.1 Kampferverbreiterungen 154

7.6.1.2 Sperrenflugel 155

7.6.2 Vorbemessung 156

7.6.3 Berechnung und Bemessung 156

7.6.3.1 Lastfalle und Berechnungsansatze 156

7.6.3.2 Bemessungsverfahren mit Bogenlamellen 157

7.6.3.3 Ringformel 157

7.6.3.4 Bemessungsverfahren mit Tragerrost 159

7.6.3.5 Verfahren mit FE-Methode 162

7.6.4 Konstruktive Durchbildung 163

7.6.4.1 Blockfugen 163

7.6.5 Ausgefuhrte Beispiele 165

7.6.5.1 Gewolbesperre 165

7.6.5.2 Gewolbesperre mit Kampferverbreiterung 165

7.7 Einfache Plattensperre 165

7.7.1 Allgemeines 165

7.7.2 Berechnung und Bemessung 166

7.7.2.1 Plattentafeln 166

7.7.3 Konstruktive Durchbildung 168

7.7.3.1 Rechteckplatten 168

7.7.3.2 Dreiseitig frei drehbar gelagerte Trapezplatten 169

7.7.3.3 Dreiseitig eingespannte Trapezplatten 171

7.7.4 Beispiele 171

7.7.4.1 Einfache Plattensperre 171

7.8 Hybridmauern 171

7.8.1 Allgemeines 171

7.8.2 Berechnung und Bemessung 172

7.8.3 Beispiele 173

7.8.3.1 Schlitzsperre mit Hybridquerschnitt. 173

7.8.3.2 Konsolidierungssperre mit Hybridquerschnitt 173

7.8.3.3 Wasserdosiersperre mit Hybridquerschnitt 175

7.9 Winkelstutzmauern 175

7.9.1 Allgemeines 175

7.9.2 Vorbemessung 177

7.9.3 Berechnung und Bemessung 177

7.9.3.1 ußere Standsicherheit 177 

7.9.3.2 Innere Standsicherheit 178

7.9.4 Konstruktive Durchbildung 180

7.10 Pfeilerplattensperre 180

7.10.1 Allgemeines 180

7.10.2 Sperre mit wasserseitigen Stutzpfeilern 181

7.10.3 Sperre mit luftseitigen Stutzpfeilern 181

7.10.4 Berechnung und Bemessung 181

7.10.4.1 Außere Standsicherheit 181

7.10.4.2 Innere Standsicherheit 182

7.10.5 Konstruktive Durchbildung 182

7.10.6 Ausgefuhrte Beispiele 183

7.10.6.1 Pfeilerplattensperre mit wasserseitigen Streben 183

7.11 Aufgeloste Tragsysteme 183

7.11.1 Massenaktive aufgeloste Tragwerke 183

7.11.2 Vektoraktive aufgeloste Tragwerke 185

7.11.2.1 Gittersperren 185

7.11.2.2 Netzsperren 188

7.11.3 Berechnung und Bemessung 188

7.11.3.1 Massenaktive aufgeloste Tragwerke 189

7.11.3.2 Gittersperren 189

7.11.3.3 Netzsperren 189

7.11.4 Konstruktive Durchbildung 189

7.11.5 Beispiele 190

7.11.5.1 Massenaktives aufgelostes Tragsystem mit Scheiben 190

7.11.5.2 Massenaktives aufgelostes Tragsystem mit Scheiben 191

7.11.5.3 Massenaktives aufgelostes Tragsystem mit schlanken Pfeilern 192

7.11.5.4 Kombiniertes massen- und vektoraktives System 193

7.11.5.5 Biegeweiches vektoraktives aufgelostes Tragsystem 194

8 Erhaltung und Lebensdauer von Schutzbauwerken 195

9 Ausblick und Danksagung 199

10 Literatur 199