seehäfen: planung und entwurf

Birgitt Brinkmann

Seeh�afenPlanung und Entwurf

Mit 323 Abbildungen

1 Einführung

Produzenten auf der einen und Konsumenten auf der anderen Seite steuern über ihre Handelsbeziehungen die Nachfrage nach Gütern, die grundsätzlich unterschie-den werden in:

Massengüter, unterteilt in: - flüssige Massengüter, die pumpbar sind, z.B. Rohöl, verflüssigtes Gas,

Chemikalien - schüttbare Massengüter, die mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch för-

derbar sind, z.B. Kohle, Eisenerz, Getreide, Futter- und Düngemittel Container Stückgüter, unterteilt in: - konventionelle Stückgüter, z.B. Maschinenteile, Stahlprofile - Massenstückgüter, d.h. große Mengen gleichartiger Einzelstücke, z.B. Kar-

tons, Säcke

Der Transport der Waren (Handelsgüter) vom Produzenten zum Konsumenten kann auf einem oder mehreren Verkehrsträgern (Straße, Schiene, Wasserstraße) durch die Transportmittel LKW, Waggon, Binnenschiff, Seeschiff und/oder Flug-zeug erfolgen. Für den Transport müssen die Güter u.U. mehrmals ein-, aus- und umgeladen werden. Diese Vorgänge werden als Umschlag bezeichnet [Brockhaus, 1999]. Grundsätzlich werden für den Güterumschlag folgende Verfahrenunterschieden:

– Lift-on/Lift-off (Lo/Lo) = Umschlag mit Hebezeugen (Krane) – Roll-on/Roll-off (Ro/Ro) = Umschlag von selbstrollenden oder rollbar gemach-

ten Gütern – Kontinuierliche Beschickung mit einer Rutsche, einem Förderband oder einer

Rohrleitung – Truck-to-truck mit Gabelstaplern – (Walk-on/Walk-off (Wo/Wo) bei der Beförderung von Personen oder Tieren,

nicht Bestandteil dieses Buches)

Der Umschlag der Güter auf die Transportmittel erfolgt i.d.R. erst dann, wenn eine ausreichende Menge eines Gutes zur Füllung eines Transportmittels zur Ver-fügung steht oder der Kunde bzw. der Konsument das Gut abruft. Deshalb sind beim Hersteller, Konsumenten und am Schnittpunkt der Verkehrsträger Lagerflä-chen erforderlich.

1 Einführung 2

Für den Transport der Waren vom Hersteller zum Konsumenten sind also Transport-, Umschlag- und Lagerleistungen zu erbringen, die eine logistische Kette bzw. eine Transportkette bilden.

In den Seehäfen laufen die Güter aus dem Binnen- und aus dem Ausland zu-sammen oder sie werden von hier aus verteilt. Bild 1.1 zeigt, dass die gesamtwirt-schaftlichen Verflechtungen des Hafens weit über die Seeverkehrswirtschaft mit ihren Zweigen Hafen und Schifffahrt hinausgehen. Außer den erwähnten Trans-port-, Umschlag- und Lagerleistungen sowie dem dazu gehörenden Servicebereich sind auch die Bauwirtschaft, Versicherungen, Banken etc. mit den Häfen verfloch-ten.

Bild 1.1 Gesamtwirtschaftliche Verflechtungen des Hafens [Strom- und Hafenbau Hamburg]

3

Entsprechend ihrer zentralen Funktion innerhalb der Transportkette ist bei der funktionellen Planung der Häfen sowie beim konstruktiven Entwurf ihrer Bauwer-ke eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen, z.B.:

wirtschaftliche und handelspolitische Bedingungen geographische und verkehrstechnische Gesichtspunkte Baugrundverhältnisse hydrologische und ozeanographische Einflüsse (Wind, Wellen, Wasserstände, Strömungen, Eis) Schiffstypen, Schiffsgrößen und Schiffsfrequenzen Umschlaggut, Umschlagmenge, Umschlagtechnik, Betriebsabläufe Umweltaspekte, Landschaftsgestaltung, Gefahrgutumschlag und –lagerung örtliche Baustoffe und Bauverfahren

Außerdem sind mögliche Entwicklungen, d.h. Prognosen („realistische“) für Umschlag- und Schiffsentwicklung aufzustellen und bei der Planung zu berück-sichtigen.

Aus den Randbedingungen und Anforderungen ergeben sich Ingenieuraufgaben, die nicht nur bauliche, sondern auch organisatorische Bereiche umfassen. Ein im Hafenbau tätiger Ingenieur sollte daher zur Erfassung und Abwägung der verschie-denen, sich häufig widersprechenden Forderungen zumindest eine Vorstellung von den „fachfremden“ Einflüssen haben. Kooperationen mit benachbarten Fachgebie-ten wie Schiffbau, Schifffahrt, Umschlag- und Fördertechnik, aber auch Ozeano-graphie, Gewässerkunde und Landschaftsgestaltung sind zur Erarbeitung zweck-mäßiger und wirtschaftlicher, aber auch vertretbarer Problemlösungen unerlässlich.

Die Ingenieuraufgaben können umfassen:

Ausbau und Umgestaltung vorhandener sowie Bau von neuen Hafenanlagen Anpassung der Hafenbecken, Kaianlagen, Lager- und Serviceeinrichtungen, Landverkehrswege usw. an die Entwicklung der Schiffe, der Umschlagtechni-ken und evtl. der variablen Güter- und Warenströme Ausbau und Umbau der Schifffahrtswege, Hafenzufahrten und Abschlussbau-werke (Schleusen, Sperrtore) Sicherung und Schutz der Schifffahrtsstraßen und Hafenanlagen durch Beton-nung, Befeuerung, strömungsregulierende Maßnahmen, Molen und Wellenbre-cher

Bei der Lösung dieser Aufgaben sind neben der Erfüllung der Anforderungen die häufig zunächst nicht erkennbaren Einflüsse („Nebenwirkungen“) zu erfassen und in die Planung einzubeziehen. Infolge der Baumaßnahmen und des Hafenbe-triebs können u.a. folgende Auswirkungen auftreten:

ungewollte, evtl. nachteilige Veränderungen der Wasserstände, der Strömungs-verhältnisse, des Geschiebe- und Schwebstofftransports Beeinflussung der Landschaft, der Uferzonen einschließlich dort heimischer Flora und Fauna

1 Einführung 4

Verunreinigung der Gewässer durch den Schiffsbetrieb, das Umschlaggut, die Hafenbetriebe soziale Auswirkungen der Baumaßnahme, z.B. auf lokale Gewerbestrukturen, Verkehrskonzentration

Als Ausgangsdaten für den Entwurf und die Konstruktion von Hafenanlagen, Liegeplätzen und Ufereinfassungen sind die Daten der zu bedienenden Schiffe (Fahrzeuge) und des Umschlags von wesentlicher Bedeutung.

Das ständige Ansteigen des Güterverkehrs hat die Reeder veranlasst, einerseits Spezialschiffe in Fahrt zu bringen und andererseits die Schiffsvolumina zu vergrö-ßern, mit dem Ziel, die Transportkosten zu senken. Der Einfluss der Schiffe auf Hafenbauten kann gegliedert werden

nach den Abmessungen der Schiffe, maßgeblich für: Liegeplatzlängen, Liegeplatzbreiten Hafenbeckenbreiten Hafenzufahrten, Schleusen- und Dockabmessungen Fahrwassertiefen, Geländesprung und damit Konstruktion von Kaimauern, Pieranlagen, Dalben

nach den Ladekapazitäten bzw. Schiffsgewichten, maßgeblich für: Kai-, Schuppen-, Freilagerflächen und Siloraum Kaimauer- und Pierkonstruktionen sowie Dalben- und Fenderdimensionie-rung (Anlegedruck, Trossenzug und Schiffsstoß)

Für die Wettbewerbsfähigkeit eines Hafens ist es erforderlich, die Liegezeit der Schiffe im Hafen durch eine ausreichende Anzahl von Liegeplätzen sowie effizien-te Umschlaggeräte auf ein Minimum zu reduzieren. Jede Stunde erhöht die Kosten der Reeder, die heute weitgehend bestimmen, welche Häfen von ihren Schiffen angelaufen werden. Oftmals betreiben die großen Reedereien in den Häfen eigene Terminals.

In Verbindung mit den Zuwachsraten im Güterverkehr und der Spezialisierung der Schiffe haben einschneidende Veränderungen der Güterstruktur (z.B. durch die Containerisierung oder den Ro/Ro-Verkehr) stattgefunden, die wiederum zu Ver-änderungen der Umschlagverfahren und Betriebsabläufe geführt haben. Diese anhaltenden Entwicklungen werden auch zukünftig permanente Anpassungen der Hafenanlagen erforderlich machen.

2 Grundlagen der Hafenplanung

2.1 Standortwahl

Das ständige Anwachsen der Umschlagmengen hat zu immer größeren Schiffen und deren Spezialisierung geführt. Diese Entwicklung hat Einfluss auf die Standor-te der Häfen, die Hafen- und Umschlaganlagen, die Festmacheeinrichtungen usw. Mit Zunahme der Schiffsgrößen wächst der Bedarf an Wasserflächen, und zur Unterbringung der mit den Schiffen transportierten Ladung steigt auch der Bedarf an Landflächen. Dies hat zur Folge, dass die Häfen u.U. an die Stadtgrenzen verla-gert oder neue Standorte entwickelt werden müssen.

Die Standortwahl wird von

– wirtschaftlichen – politischen – ökologischen und – infrastrukturellen

Gesichtspunkten beeinflusst. Den Grund kontroverser Auseinandersetzungen bilden vor allem die ökologischen Aspekte. Wie auch für den Neu- oder Ausbau einer Hafenzufahrt ist in der Bundesrepublik Deutschland für den Bau und die Erweiterung eines Hafens ein Planfeststellungsverfahren einschließlich einer Um-weltverträglichkeitsprüfung durchzuführen (s. Abschn. 4.2.1 und 4.2.2). Hierfür sind ausreichende Zeiträume einzukalkulieren.

Grundsätzlich beinhaltet der Prozess der Standortbestimmung

– die Untersuchung alternativer Örtlichkeiten und – die Untersuchung von Erweiterungs- und Rehabilitationsmöglichkeiten beste-hender Häfen

Neue Standorte können den Vorteil bieten, dass sie an ausreichend tiefem Was-ser errichtet werden, so dass für die Hafenzufahrt relativ geringe oder keine Kosten anfallen. Die Erweiterung eines bestehenden Hafens ist dagegen im Hinblick auf die zum größten Teil abgeschlossene Entwicklung der Infrastruktur vorteilhaft, so dass die dafür entstehenden Kosten relativ gering ausfallen können. Existiert keine Infrastruktur im Inland, können die dafür aufzubringenden Mittel die Kosten für den eigentlichen Hafenbau bei weitem übersteigen. Daher müssen die Untersu-chungen für den besten Standort sowohl die Optimierung der Kosten für den Ha-fenbau als auch der Kosten für die Infrastruktur einschließen. Sollen bei der Erwei-terung eines existierenden Standortes die Vorteile der vorhandenen Infrastruktur genutzt werden, ist bereits in der Machbarkeitsstudie sicherzustellen, dass die ent-

2 Grundlagen der Hafenplanung 6

sprechenden Verkehrsträger sowohl ausreichend dimensioniert als auch in einem ausreichend guten Zustand sind, um den zusätzlichen Verkehr aufzunehmen.

Die Untersuchungen zur Standortbestimmung schließen auch alternative Ent-würfe für die Hafenbauwerke wie z.B. Wellenbrecher, Hafenbecken, Pieranlagen ein. Hierfür ist das Sammeln von Daten und Informationen u.a. über die

– Topographie – Geologie – Hydrologie und – Ökologie

notwendig. Die Festlegung des Hafenstandortes ist eine besonders umstrittene Angelegen-

heit, wenn die einzigen für die Hafenentwicklung in Frage kommenden Flächen in einem Bereich hoher ökologischer Wertigkeit (z.B. Wattflächen oder Marschflä-chen in Tidegebieten) oder

– in urbanen Regionen

liegen. In jedem Fall führt die Realisierung des Bauvorhabens zu einem „Verbrauch“ an Flächen und zu einer Beeinflussung des natürlichen Habitats oder der Wohnqualität.

Falls keine örtlichen Besonderheiten vorliegen, sollte die Standortwahl auf den folgenden technischen und wirtschaftlichen Kriterien basieren:

ausreichende Wasserflächen, die eine sichere Manövrierbarkeit der Schiffe gewährleisten

ausreichende Wassertiefe

einfache Erreichbarkeit wichtiger Handelsrouten

günstige Baugrundverhältnisse

Schutz vor Wellen, Wind, Strömungen und Eis

ausreichende Landflächen für einen wirtschaftlichen Terminalbetrieb

ausreichende Erweiterungsmöglichkeiten

gute infrastrukturelle Anbindung mit dem Ziel, die Transportwege im Inland möglichst kurz zu halten

Verfügbarkeit von Arbeitskräften

Qualifikation der Arbeitskräfte

regionale Entwicklungsmöglichkeiten

Für weitere Informationen zur Vorgehensweise bei der Wahl eines Hafenstand-ortes wird auf das Technical Paper Number 38 der Weltbank [World Bank, 1985]verwiesen.

2.2 Randbedingungen, Einflussgrößen und Belastungen 7

2.2 Randbedingungen, Einflussgrößen und

Belastungen

Beim Entwurf von Hafenanlagen sind folgende Randbedingungen, Einflussgrößen und Belastungen zu berücksichtigen:

1. Die Abmessungen, der Typ und die Tragfähigkeit der erwarteten Schiffe (s. Abschn. 3)

2. Randbedingungen und Einflussgrößen, die aus der geographischen Lage des Seehafens resultieren:

– Geographische Verhältnisse:

– Topographie – Morphologie

– Klimatische Verhältnisse:

– Wind – Temperaturen – Niederschläge – Luftfeuchtigkeit – Eis

– Ozeanografisch-seebauliche Einflussgrößen (im Schrifttum auch als „äußere Belastungen“ bezeichnet):

– Wind (als Einflussgröße für Wasserstände, Seegang, Strömungen, Eis) – Wasserstände, die im Küstenbereich astronomisch und meteorologisch

bedingten Fluktuationen unterliegen können – Seegang – Strömungen – Sedimenttransportvorgänge – Eis

– Baugrundverhältnisse im Planungsgebiet

3. Belastungen, die aus dem Hafenbetrieb resultieren

– Anlegedruck des Schiffes

– Kräfte, die durch Wind, wechselnde Wasserstände, Wellen und Strömungen auf das vertäute Schiff und damit auf die Festmacheeinrichtungen einwirken

– Reibungskräfte zwischen Schiff und Fender, die durch das Anlegemanöver, wechselnde Wasserstände, veränderlichem Tiefgang des Schiffes infolge Be- oder Entladung hervorgerufen werden

– Belastungen durch Krane und anderes Umschlaggerät

– Belastungen durch Lagergut und Landverkehrsmittel


4. Belastungen aus dem Bauwerk selbst.

Die aufgeführten Punkte zeigen, dass sich der planende und bauausführende In-genieur mit einer Vielzahl von Randbedingungen und Einflussgrößen beschäftigen muss, die beim Entwurf eines Seehafens bzw. seiner Bauwerke zu berücksichtigen sind. Im Rahmen dieses Buches werden nur die für den Hafenbau spezifischen Einflussgrößen dargestellt. Auf Randbedingungen und Belastungen, die für die Erstellung eines jeden Bauwerks relevant sind, wird nicht eingegangen.

Da die erwarteten Schiffe die Bemessungsgröße eines Hafens sind, für die er ge-schaffen oder erweitert wird, ist ihnen ein gesonderter Abschnitt (s. Abschn. 3) gewidmet. Nachfolgend werden die ozeanografisch-seebaulichen Einflussgrößen aufgezeigt. Aufgrund der Komplexität der Thematik kann in diesem Rahmen nur eine Einführung mit Hinweisen auf weiterführendes Schrifttum gegeben werden. Für die aus dem Hafenbetrieb resultierenden Belastungen wird auf die entspre-chende Literatur verwiesen.

2.3 Ozeanografisch-seebauliche Aspekte der Hafenplanung

Die Ausführungen in diesem Abschnitt sind im Wesentlichen der Literaturstelle Kohlhase, 1983, entnommen. Die ozeanografisch-seebaulichen Aspekte der Ha-fenplanung werden dem Abschnitt über die ozeanografisch-seebaulichen Einfluss-größen vorangestellt, um die mit diesen Größen einhergehenden Frage- und Prob-lemstellungen darzulegen und ihre Bedeutung besonders hervorzuheben.

2.3.1 Einführung in die Problemstellungen

Der Seegang, wechselnde Wasserstände, im Planungsgebiet auftretende Strömun-gen und die Windverhältnisse im Seegebiet beeinflussen den Entwurf eines Seeha-fens in vielerlei Hinsicht, z.B.

– die Lage der Hafenzufahrt – die Anordnung und die Gestaltung der Hafeneinfahrt – die Anordnung und die Gestaltung der Hafenschutzwerke (Molen und Wellen-

brecher) – die Anordnung, Gestaltung und Konstruktion der Liegeplätze

Neben den hydrographischen Einflüssen müssen die örtlichen klimatischen Be-dingungen ebenso bekannt sein wie die geographisch/morphologischen Verhältnis-se und im Seegebiet auftretende Sedimentations- oder Sedimentumlagerungsvor-gänge, um zu bestmöglichen Lösungen in funktioneller und konstruktiver Hinsicht zu gelangen. Für den Entwurf eines Seehafens sind bereits vor der Ausschreibung spezielle Untersuchungen in der Natur, theoretische Studien und experimentelle Untersuchungen im numerischen und hydraulischen Modell durchzuführen. Die

2.3 Ozeanografisch-seebauliche Aspekte der Hafenplanung 9

Beschäftigung mit diesen Methoden, die meist parallel und aufeinander aufbauend angewendet werden, ist daher für den planenden und den bauausführenden Ingeni-eur unerlässlich [Kohlhase, 1983].

Die Erfüllung der wichtigsten Funktion eines Seehafens, den Umschlag auch unter erschwerten Bedingungen zu ermöglichen, d.h. im Seetransport eingesetzten Schiffen einen sicheren Schutz gegen Wellen, Strömungen, Sturm und Eis zu bie-ten, ist nur dann zufriedenstellend möglich, wenn der planende Ingenieur ein klares Bild von den örtlichen Bedingungen im Seegebiet besitzt [Kohlhase, 1983].

In vielen Gebieten sind aber auch heute noch keine ausreichenden Daten vor-handen, um die örtliche Situation für die Planung der Hafenanlagen ausreichend beurteilen zu können. Projektausschreibungen schließen daher oft spezielle Mess-programme ein, die in den meisten Fällen unter großem Zeitdruck und mit be-schränkten Mitteln durchgeführt werden müssen.

Fehlt genaues Kartenmaterial, sollte ein Naturmessprogramm mit einer Land-vermessung beginnen, die mit den bekannten Verfahren der Geodäsie durchzufüh-ren ist. Da Kartenfehler häufig sind, sollte insbesondere in weniger entwickelten Gebieten zumindest eine Kontrolle des Festpunktnetzes und sonstiger wichtiger Daten erfolgen.

Vorhandene Seekarten sollten durch aktuelle Peilpläne ergänzt werden, um Un-genauigkeiten sowie die Veränderungen des Seegrundes zu erfassen.

Ist im Planungsgebiet kein Tidepegel vorhanden, so ist vor Beginn der Arbeiten ein Tidepegel auf See zu installieren, der die Wasserstände kontinuierlich auf-zeichnet. Werden Angaben über die Fortschrittsrichtung und –geschwindigkeit der Tidewelle benötigt, sind mindestens zwei Tidepegel erforderlich, in Flussmün-dungsgebieten entsprechend mehr. Neben der Kenntnis der mittleren Wasser-standsverhältnisse ist die Erfassung von Wasserstandsänderungen zu den Spring- und Nippzeiten sowie durch Windstaueffekte von Bedeutung. Außerdem werden Tidemessungen für die Auswertung von Echolotpeilungen (Seevermessung) sowie die Interpretation von Strömungen, Salzgehaltsmessungen etc. benötigt.

Die Kenntnis des Seegangs (= Windsee + Dünung) und der damit verbundenen Problemstellungen ist für Hafenplanungen von besonders großer Bedeutung. Be-dauerlicherweise liegen aber gerade über die Seegangsverhältnisse in vielen Fällen keine verwertbaren Daten vor. Für die Erfassung von Windsee und Dünung als wichtiger Randbedingung für funktionelle und konstruktive Planungsaufgaben im Hafenbau werden heute vor allem Geräte eingesetzt, die nach dem Prinzip der Beschleunigungsmessung arbeiten und außer der Wellenhöhe auch die Wellenrich-tung erfassen können.

Strömungsmessungen sollen Aufschluss über die im Planungsgebiet herrschen-den Tide- und Küstenströmungen sowie die im ufernahen Bereich auftretenden seegangserzeugten Strömungen liefern. Im Brackwassergebiet der Tideflüsse kön-nen auch Dichteströmungen, insbesondere im Hinblick auf die Sedimenttransport-vorgänge, von großer Bedeutung sein. Um ein repräsentatives Bild über die vor-herrschenden Strömungen zu erhalten, sind an vielen Messstationen synoptische Messungen über einen möglichst langen Zeitraum durchzuführen. Denn obwohl die physikalischen Zusammenhänge weitgehend bekannt sind, ist es aufgrund der


komplexen Überlagerungsvorgänge der Einzeleinflüsse kaum möglich, Strömun-gen theoretisch oder durch Modellversuche hinreichend genau zu erfassen.

Grundsätzlich gilt für alle Tide-, Strömungs-, Wellen- und Sedimenttransportmessungen: Je länger der Messzeitraum, desto mehr Extremereignisse können erfasst werden und desto abgesicherter ist das der Planung zugrunde gelegte Datenmaterial.

Ausführliche Informationen über Naturmessungen im Küsteningenieurwesen sind in der ENK, 2005, zusammengestellt.

Die aus der geographischen Lage eines Seehafens resultierenden Besonderhei-ten können nicht in allgemeingültiger Form als Entwurfskriterien dargestellt wer-den. Es lassen sich aber typische Fragestellungen im Hinblick auf ozeanogra-phisch-seebauliche Aspekte formulieren, die eingeteilt werden können in

Probleme der Wellendämpfung Probleme der Bauwerksbemessung Fragen der Verlandung und Verschlickung und hafenbetriebliche und wirtschaftliche Fragestellungen

2.3.2 Probleme der Wellendämpfung

Eine wichtige Aufgabe des Wasserbauingenieurs ist die Bestimmung der Wellen-bewegung im Hafen. Dafür muss der Seegang im Planungsgebiet in seiner Vertei-lung über das Jahr nach Wellenhöhen, -perioden und -richtungen untersucht wer-den. Hierbei ist zu beachten, dass der Seegang, der im Allgemeinen für tiefes Was-ser ermittelt wird, küstennah verschiedenen Einflüssen unterworfen ist. Durch Refraktion, Shoaling und Brechen werden die Wellen wesentlich verändert (s. auch Abschn. 2.4.3.6). Diese Veränderungen sind für die Planung der Hafenanlagen zu untersuchen. Beim Einlaufen der Wellen aus dem Tiefwasser in das Gebiet der geplanten Hafeneinfahrt sind neben diesen Flachwassereffekten u.U. auch Diffrak-tionseffekte durch vorgelagerte Inseln und Landzungen zu berücksichtigen. Mit der Veränderung der Wellenrichtung durch Refraktion und Diffraktion (Bild 2.1) ist im Allg. eine Abnahme der Wellenhöhen im Hafeneinfahrtsbereich verbunden, jedoch können bei ungünstiger Anordnung des Hafens auch Erhöhungen der Wellen auf-treten (s. auch Abschn. 2.4.3.6.2 und 2.4.3.7.2).

Die Wellenbewegung im Hafen ist vor allem abhängig von der Anordnung der Hafenschutzbauwerke, d.h. der geometrischen Lage der Wellenbrecher und Molenrelativ zur Wellenrichtung. Aber auch deren Bauweise sowie die Ausführung der Begrenzungen im inneren Hafenbereich beeinflussen das resultierende Wellenfeld, wobei besonders bei senkrechten Wänden durch Reflexion und Mehrfachreflexio-nen sehr ungünstige Wellenverhältnisse im Hafen entstehen können (s. Bild 2.2).

Die sichtbare Wellenunruhe im Hafen ist vor allem auf winderzeugte Wellen zu-rückzuführen. Unter bestimmten Bedingungen können aber auch langperiodische Wellen im Hafen auftreten, die sich trotz kleiner Amplituden sehr ungünstig auf den Hafenbetrieb auswirken können.


Bild 2.1 Seegangsumformung durch Refraktion und Diffraktion (schematisch), Beispiel Hafen Moin, Costa Rica [Burkhardt et al., 1981]

2.3.3 Konstruktive Gesichtspunkte

Die Bemessung der Wellenschutzbauwerke erfolgt vor allem gegen Seegang (s. Abschn. 8). Besonders brechende Wellen führen zu schwierigen Belastungszustän-den, die ein Vielfaches der bei reflektierenden Wellen auftretenden Lasten errei-chen. Da das Brechen von der Wassertiefe im Bereich des Wellenschutzes abhängt, muss die Maximalkraft nicht unbedingt bei extremen Tidewasserständen, bei denen i.Allg. die höchsten Wellen zu erwarten sind, auftreten.

Das Problem der Wellenbrecherbemessung steht in enger Beziehung zu baube-trieblichen und wirtschaftlichen Überlegungen. Die Festlegung der Bemessungs-welle muss abhängig vom Grad zulässiger Beschädigungen vorgenommen werden. Wenn örtliche Beschädigungen zugelassen werden, darf das nicht dazu führen, dass der Kern des Wellenbrechers, der gegen extreme Wellen nicht bemessen wird (Filteraufbau), freigelegt wird. Ähnliche Probleme, wie bei der Bemessung der Wellenschutzbauwerke, treten bei der Bemessung von Pfahlbauwerken gegen Seegang auf [Burkhardt, 1967, Partenscky, 1975 und 1980].


Bild 2.2 Wellenbewegung in einem Hafen (schematisch), Diffraktion und Reflexion [Kohlhase, 1983]

Schließlich müssen die im Seegebiet auftretenden, großräumigen Tide- und Küs-tenströmungen, seegangserzeugte Strömungen, aus Oberwassereinleitungen resul-tierende Strömungen und sonstige Strömungen in ihren Wirkungen berücksichtigt werden. Die Strömungen können Kolke verursachen, die die Standsicherheit von Bauwerken gefährden. Dieses ist durch konstruktive Maßnahmen wie Fußvorlagen und dergleichen zu verhindern.

2.3.4 Fragen der Verlandung und Verschlickung

Jeder Hafen stellt einen Eingriff in das natürliche morphologisch/hydrodynamische Geschehen dar. In mehr oder weniger ausgeprägter Weise ist daher mit Verlandun-gen oder Verschlickungen im Hafenbereich und in der Zufahrt zu rechnen, die besonders dann kritisch werden können, wenn der Hafen an einer sandigen Küstegebaut wird oder durch das Oberwasser der im Hafenbereich mündenden Flüsse Schwebstoffe und Geschiebe mitgeführt werden.

Bei Häfen an sandigen Küsten, deren Wellenbrecher durch die Brandungszone hindurchgebaut werden müssen, wird der seegangserzeugte Feststofftransport im ufernahen Bereich unterbrochen. Luvseitig wird sich die küstenparallele Sediment-fracht ablagern; auf der Leeseite tritt wegen des dort vorhandenen Materialdefizits Lee-Erosion auf (Bild 2.3).


Bild 2.3 Zur Erläuterung der Lee-Erosion [Kohlhase, 1983]

Ein Gleichgewichtszustand kann sich erst dann wieder einstellen, wenn das ver-frachtete Material um die Hafeneinfahrt herumwandert und in das durch die Wel-lenbrecher abgeschirmte Seegebiet gelangt. Versandungsprobleme und das damit verbundene Problem der Lee-Erosion treten auch an freistehenden, küstenparallel angeordneten Wellenbrechern auf. Die Ablagerungen treten dann im Schatten des Wellenbrechers ein. Dieser Tombolo-Effekt führt im Endzustand zu einer vollstän-digen Versandung des beschatteten Gebietes zwischen Wellenbrecher und Ufer, wie viele Beispiele an sandigen Küsten mit vorgelagerten Felsen und Inseln zeigen (Bild 2.4).

Die Verlandungstendenzen im Umfeld eines Hafens und im Hafen selbst wer-den ggf. durch auftretende Dichteeffekte verstärkt. Neben der Veränderung der Strömungsverhältnisse durch das unterschiedliche spezifische Gewicht von See-wasser und Süßwasser können durch chemische und biologische Reaktionen hohe Schlickfallraten auftreten, die die Mengen mitgeführter Schwebstoffe und Ge-schiebe, die sich im Hafenbereich infolge der dort herrschenden geringen Strö-mungsgeschwindigkeiten ablagern, noch übertreffen können.

2.3.5 Betriebliche und wirtschaftliche Gesichtspunkte

Wichtige Fragestellungen hafenbetrieblicher und wirtschaftlicher Art sind auch im Zusammenhang mit den ozeanographisch-/hydrographischen Verhältnissen im Planungsgebiet eines Seehafens zu sehen.


Bild 2.4 Tombolo-Effekt; Unterbrechung des Brandungsstroms und des Sedimenttrans-ports im Schatten eines freistehenden Wellenbrechers [Kohlhase, 1983]

Die zu erwartenden Kosten für Unterhaltungsbaggerungen eines Hafens stehen z.B. in unmittelbarer Verbindung zum Problem des seegangs- und strömungsbe-dingten Feststofftransports. Dabei muss auch der Frage nachgegangen werden, wo das Baggergut aus dem Hafen und dem Zufahrtsbereich zweckmäßigerweise ver-klappt bzw. verbracht werden kann. Der Verbringungsort des Baggergutes ist so zu wählen, dass eine Rückverfrachtung zum Hafen durch Strömungen ausgeschlossen oder zumindest weitgehend vermieden werden kann.

Auch bei der Bauwerksbemessung werden wirtschaftliche Fragen direkt berührt. Die Bemessung kann als Funktion des Schadensrisikos gesehen werden. Der Beg-riff Schadensrisiko wird vielfach auf die Festlegung einer Bemessungswelle im Hinblick auf die Stabilität im fertigen Zustand bezogen. Wenn beispielsweise die Reparatur eines Wellenbrechers hafenbetrieblich oder technisch unproblematisch ist, wird zu überlegen sein, einen Wellenbrecher nur gegen eine Welle mit relativ geringer Höhe aber hoher Eintrittswahrscheinlichkeit zu bemessen und Beschädi-gungen dann in Kauf zu nehmen, wenn die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zeigt, dass eine Reparatur kostengünstiger als die Bemessung gegen ein Extremereignis ist.

Erweitert man den Risikobegriff auf den Bauzustand, so ergeben sich Fragestel-lungen, die enge Beziehungen zwischen wirtschaftlichen und technischen Ge-sichtspunkten und den ozeanographischen Bedingungen erkennen lassen. So erfor-dert beispielsweise die Durchführung von Baggerungen manchmal einen besonde-ren Schutz für das eingesetzte Gerät. Beim Bau von geschütteten Wellenbrechern muss beachtet werden, dass der Kern des Wellenbrechers und die Unterschicht solange ungeschützt sind, bis die Deckschicht aufgebracht ist. Um Schäden wäh-

2.4 Ozeanografisch-seebauliche Einflussgrößen der Hafenplanung 15

rend des Baus zu vermeiden oder gering zu halten, reicht die Kenntnis extremer Belastungszustände allein also nicht aus, vielmehr müssen Seegang und örtliche Strömungsverhältnisse in ihrer jahreszeitlichen Verteilung bekannt sein.

Die Frage der hinsichtlich des Umschlags und des Schiffsverkehrs im Hafen und speziell an den Liegeplätzen zuzulassenden Wellenhöhen steht in unmittelbarer Beziehung zum funktionellen Entwurf des Hafens. Da der Bau der Molen und Wellenbrecher einen erheblichen Kostenanteil eines Hafens ausmacht, sind Alter-nativlösungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die jährlichen Eintritts- bzw. Über-schreitungshäufigkeiten der betrieblich zugelassenen Wellenhöhen zu untersuchen. Unter Umständen ist es sinnvoll, auf einen aus hydrodynamischen Gesichtspunkten optimalen Wellenschutz zu verzichten und, von einer begrenzten Wellenbrecher-länge ausgehend, entweder höhere Wellen an den Liegeplätzen zuzulassen oder höhere Eintrittswahrscheinlichkeiten mit längeren Wartezeiten in Kauf zu nehmen.

2.4 Ozeanografisch-seebauliche Einflussgrößen der Hafenplanung

2.4.1 Wind

Wind ist keine spezifische ozeanografische Größe, wird aber an dieser Stelle auf-geführt, da er entweder Verursacher folgender ozeanografischer Größen ist oder diese beeinflusst:

– Wasserstände – Wellen – Strömungen – Eisgang

Darüber hinaus hat Wind signifikante Auswirkungen auf den Betrieb eines Ha-fens:

– Er kann die Manövrierfähigkeit des Schiffes bei der Einfahrt in den Hafen (bzw. Ausfahrt aus dem Hafen) sowie während der An- und Ablegemanöver am Lie-geplatz herabsetzen.

– Er verursacht Bewegungen des vertäut liegenden Schiffes sowie der Umschlag-anlagen und reduziert dadurch die Umschlagleistung (s. Abschn. 6.2.3)

Die Stärke des Windes wird gemäß der Beaufort-Skala eingeteilt (Tabelle 2.1). Die Skala wurde 1806 von dem englischen Admiral Sir Francis Beaufort (1774 – 1857) aufgestellt, um anhand der Auswirkungen des Windes die Windstärke ohne Messgerät bestimmen zu können. Dabei ist zu beachten, dass am Beobachtungsort auch bei Windstille winderzeugte Wellen auftreten können. Diese Wellen können in einem anderen Gebiet entstanden sein und sich aus ihrem Entstehungsgebiet fortbewegt haben (s. 2.4.3.1).


Tabelle 2.1 Beaufort-Skala

Beaufort-grad (Wind-stärke)

Bezeichnung

Mittlere Windge-schwindigkeit in 10 m Höhe über freiem Gelände

Beispiele für die Auswirkungen des Windes auf See

[m/s]

0Windstille; calm

0 - 0,2 Spiegelglatte See.

1leiser Zug, light air

0,3 - 1,4 Kleine Kräuselwellen ohne Schaum-kämme.

2leichte Brise, light breeze

1,5 - 3,4 Kleine, noch kurze Wellen, die noch nicht brechen.

3

schwache Brise, schwacher Wind,gentle breeze

3,5 - 5,4 Die Kämme beginnen zu brechen, ganz vereinzelt können weiße Schaumköpfe auftreten.

4

mäßige Brise mäßiger Wind, moderate bree-ze

5,5 - 7,4 Wellen sind noch klein, werden aber länger, Schaumkronen treten verbreiteter auf.

5frische Brise, frischer Wind, fresh breeze

7,5 - 10,4 Mäßige Wellen mit ausgeprägter langer Form, überall weiße Schaum-kämme.

6starker Wind, strong breeze

10,5 - 13,4 Kämme brechen und hinterlassen größere weiße Schaumflächen; etwas Gischt.

7steifer Wind, near gale

13,5 - 17,4 See türmt sich; Schaum beginnt sich in die Windrichtung zu legen.

8stürmischer Wind, gale

17,5 - 20,4

Mäßig hohe Wellenberge mit Käm-men von beträchtlicher Länge. Von den Kanten der Kämme beginnt Gischt abzuwehen.

9Sturm,strong gale

20,5 - 24,4 Hohe Wellenberge; "Rollen" der See beginnt.

10schwerer Sturm, storm

24,5 - 28,4 Sehr hohe Wellenberge mit langen überbrechenden Kämmen. See weiß durch Schaum.

11orkanartiger Sturm,violent storm

28,5 - 32,4 Außergewöhnlich hohe Wellenberge. Die Sicht ist durch Gischt herabge-setzt.

12Orkan,hurricane

ab 32,5 Luft mit Schaum und Gischt ange-füllt. See vollständig weiß, keine Fernsicht.


Im Gegensatz zu den ozeanografischen Größen liegen Winddaten für fast alle Seegebiete vor. Außer Windstärke, -richtung und -häufigkeit ist für den Hafenbau auch die Winddauer von Bedeutung, z.B. für Wellenvorhersageverfahren und den Einfluss des Windes auf die Tidewasserstände (Windstau, s. auch Abschn. 2.4.2.3).

Die dem Wind ausgesetzte Seite des Bauwerks bzw. Schiffes wird Luvseite und die abgewandte wird Leeseite genannt. In der Regel steht der Begriff „Lee“ für geschützte Seite, in der Offshore-Technologie beinhaltet der Begriff „Leeküste“ aber, dass der Wind in Richtung dieser Küste weht.

Die auf die Bauwerke des Hafens anzusetzenden Windlasten gehen aus den ein-schlägigen Normen hervor.

In Tsinker, 1997, ist ein Ansatz zur Abschätzung der Windkraft auf ein längs ei-nes Bauwerks liegendes Schiff aufgeführt. Weitere Informationen über anzuset-zende Windgeschwindigkeiten und die Ermittlung von Windkräften geben Bruun, 1989, PIANC, 1995, Gaythwaite, 1981 u. 1990.

2.4.2 Wasserstände

2.4.2.1 Ursachen veränderlicher Wasserstände

Die Wasserstandsschwankungen an den Küsten und in den küstennahen Gewässern gehören aufgrund der damit verbundenen wechselnden Wasserdrücke und Strö-mungen zu den Hauptbelastungen von Hafen- und Seebauwerken. Als Ursachen veränderlicher Wasserstände sind zu nennen:

– Tiden (Gezeiten) – Oberwasserabfluss – Windstau – Fernwellen – Beckenschwingungen – säkularer Meeresspiegelanstieg

Die Entstehung der Gezeiten, ihre Ausprägung in Meeren und Flüssen sowie Ursache und Berechnung des Windstaus werden unter Einbeziehung aktuellster wissenschaftlicher Erkenntnisse in Zanke, 2002, dargestellt. Nachfolgend wird nur eine kurze Einführung gegeben.

2.4.2.2 Tiden (Gezeiten)

Die Gezeiten werden im Wesentlichen hervorgerufen durch die Massenanziehung von Mond und Sonne und die Fliehkraft im Zweikörpersystem Erde-Mond, das sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt S dreht. Die Differenzkräfte zwischen Flieh- und Mondanziehungskräften sind auf der dem Mond zugewandten Seite der Erde zum Mond hin und auf der vom Mond abgewandten Seite vom Mond weg gerichtet. Aus diesem Grunde gibt es zwei Flutberge, die bei der Erddrehung um die Erde wandern. Da die Drehrichtungen von Mond und Erde gleich sind, ist der Mond, wenn die Erde sich in 24 Std. einmal gedreht hat, ein Stück weiter gewan-


dert. Daher dauert es 24 Std. und 50 Minuten (12,42 Std.), bis der Mond wieder durch den gleichen Meridian geht. Der Mondtag dauert also 50 Minuten länger als der Sonnentag. Die Mondgezeit von 12,42 Stunden wird von der Sonnengezeit von 12 Std. überlagert. Da die Gezeitenwirkung des Mondes auf der Erde etwa doppelt so groß ist wie die der Sonne, wird die Mondtide wahrgenommen, während die Sonnentide die Mondtide moduliert.

Wasserstände werden an Pegelstandorten über die Zeit, d.h. als Ganglinien, auf-gezeichnet. Die Aufzeichnung der Tidewasserstände (Tide = Gezeit = Ebbe + Flut) unter Ausblendung kurzperiodischer Erscheinungen (z.B. Windwellen) wird als Tidekurve bezeichnet.

Im Bild 2.5 sind außer der Tidekurve auch die Scheitelwasserstände Tidehoch-wasser (Thw) und Tideniedrigwasser (Tnw) sowie der Tidehub (Thb) und die Flut-und Ebbedauer (DF und DE) dargestellt. Die Punkte der Tidekurve, die den Was-serstand bei Strömungsumkehr angeben, heißen Kenterpunkte, wobei das Kentern das Ende des bestehenden Zustands angibt, also Kenterpunkt der Ebbe ke am Ende der Ebbephase und Kenterpunkt der Flut kf am Ende der Flutphase. Die Zeit vom Kenterpunkt der Ebbe bis zum Kenterpunkt der Flut heißt Flutstromdauer Df;analog ergibt sich die Ebbestromdauer De. Das Tidemittelwasser (Tmw) ergibt sich aus der Gleichheit der gekennzeichneten Flächen. Eine andere Möglichkeit, mittle-re Wasserstände zu beschreiben, ist das Tidehalbwasser (T1/2w). Der Tidehalb-wasserstand liegt bei Tnw+1/2Thb.

Bild 2.5 Tidekurve und Ganglinie der Strömungsgeschwindigkeit im Küstenbereich und in Tideflüssen [erweitert nach DIN 4049-3]


Auf dem offenen Meer treten die Kenterpunkte jeweils bei Tidemittelwasser ein (Bild 2.6) und die Tidekurve hat eine symmetrische Form, d.h. gleichlang dauernde Flut- und Ebbeäste. In den flacheren Küstenbereichen und den Ästuarien wird die Ursprungstidewelle von teilreflektierten Wellen überlagert und die Kenterpunkte verschieben sich zu den Scheitelwasserständen (Thw und Tnw) hin. Bei einer vollständig reflektierten Tidewelle (stehende Welle) würden die Kenterpunkte in die Scheitelwerte der Tidekurve fallen.

Bild 2.6 Ganglinien des Wasserstands und der Strömungsgeschwindigkeit einer ungestör-ten Tidewelle [Zanke, 2002]

Darüber hinaus wird die Tidewelle beim Einlaufen in die Ästuarien fortwährend verformt, d.h. an jedem Ort entlang des Flusses stellen sich unterschiedliche Tide-verhältnisse ein, die bestimmt werden müssen. Dies wird dadurch erschwert, dass jeder bauliche Eingriff zu Veränderungen der Tideverhältnisse (Tidehub, Laufzeit der Tidewelle) führt, die sich auf die hydraulischen, morphologischen und biologi-schen Verhältnisse im Tidefluss auswirken können [s. auch Oumeraci, 2001]. Die Verformung der nahezu als symmetrische Welle in das Flussmündungsgebiet ein-tretenden Tide ist beispielhaft im Bild 2.7 für das Elbeästuar dargestellt. Der Tide-hub nimmt über die Lauflänge im Fluss bis zur Tidegrenze (Ort, an dem keine tidebedingten Wasserstandsänderungen mehr erkennbar sind) ab. Gleichzeitig sind eine Verkürzung der Flutdauer und eine Verlängerung der Ebbedauer erkennbar, d.h. die Tidekurve geht zunehmend in eine asymmetrische Form über.

Gründe für die Zunahme der Asymmetrie der Tidekurve entlang eines Tideflus-ses sind vor allem Reibung, Reflexion und Oberwasserabfluss. Durch die Reibung an der Sohle und den Ufern verliert die Tidewelle bei ihrem Fortschreiten laufend Energie. Damit verringert sich ihre Höhe, bis die gesamte Tideenergie aufgezehrt und ein Tidehub nicht mehr erkennbar ist (Tidegrenze). Durch Teilreflexion an Hindernissen und anderen Unstetigkeiten (Flusskrümmungen, Flussquerschnittsän-derungen, Flussspaltungen, Sperrwerke etc.) wird die einlaufende Tidewelle ver-formt. Bei einer Abdämmung im Hauptfluss kann die Tidewelle nahezu vollständig


reflektiert werden, wobei nicht nur die einlaufende Tidewelle, sondern auch die stromabwärts reflektierte Welle dem Reibungseinfluss unterliegt. Bei der Überla-gerung der Tidehübe der einlaufenden und reflektierten Wellen müssen die Pha-senunterschiede beider Wellen (Eintrittsdifferenzen) berücksichtigt werden. Durch Zunahme des Oberwasserabflusses verlagert sich die Tidegrenze stromabwärts.

Der tägliche Tideablauf mit einer Periode von 12,42 Stunden wird durch eine weitere Partialtide beeinflusst, die sich aus der Stellung von Erde, Mond und Son-ne ergibt. Stehen die drei Gestirne in einer Linie, addieren sich die Einflüsse von Mond und Sonne. In diesem Fall wird von Springtide gesprochen, die gegenüber den Mittelwerten höhere Hochwasserstände und niedrigere Niedrigwasserstände aufweist. Bei einer großen Springflut stehen Mond und Sonne auf der gleichen Erdseite (Neumond) und bei einer kleinen Springtide stehen Mond und Sonne auf entgegen gesetzten Erdseiten (Vollmond). Stehen Mond und Sonne im rechten Winkel zur Erde, tritt eine Nipptide auf, bei der sich die Einzeleinflüsse gegenseitig mindern. Der Mond umwandert die Erde in 27,3 Tagen. Da sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne während dieser Zeit ein Stück weiter bewegt, dauert es rd. 29,5 Tage, bis Sonne, Erde und Mond wieder die gleiche Stellung zueinander haben. Bild 2.8 zeigt ein Gezeitendiagramm für die Dauer eines Mondumlaufs.

Bild 2.7 Tideentwicklung entlang der Elbe [Oumeraci, 2001]


Bild 2.8 Gezeitendiagramm

Entlang der Küsten der Weltmeere treten sehr große Unterschiede in den Tide-hüben auf. Einfluss auf die Größe des Tidehubs haben u.a. die in dem Seegebiet bewegten Wassermassen, die Wassertiefen vor der Küste, die Gestalt der Küste und reflektierte Tidewellen. Die weltweit größten Tidehübe treten in der Bay of Fundy, Kanada, auf. Dort wurden Wasserstandsdifferenzen zwischen Thw und Tnw von 30,5 m gemessen. Binnenmeere sowie von Landmassen eingeschlossene Meere wie die Ostsee, das Mittelmeer oder das Schwarze Meer haben Tidehübe von weniger als 30 cm. Die Großen Seen in Nordamerika sowie das Kaspische Meer werden nicht merkbar beeinflusst.

Als astronomische Gezeiten werden die Tidewasserstände bezeichnet, die sich ohne meteorologische Einflüsse ausschließlich aus den Gravitationswirkungen der Himmelskörper ergeben. In Deutschland werden die astronomisch bedingten Tide-hoch- und –niedrigwasserstände sowie deren Eintrittszeiten vom Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) berechnet und in den Gezeitentafeln veröf-fentlicht. Gezeitentafeln liegen weltweit für fast alle Häfen vor, z.B. decken die Admirality Tide Tables die wichtigsten britischen Häfen ab und United States Co-ast and Geodetic Survey veröffentlicht Tidedaten für die wichtigsten U.S. amerika-nischen Häfen sowie Häfen anderer Länder.

Als Grundlage für die Berechnung und Bemessung von Küsten- und Seebau-werken ist jedoch nicht eine einzelne Pegelaufzeichnung, sondern ein Mittelwert längerfristiger Messungen, die mittlere Tidekurve, von Interesse. Da die mittlere Tidekurve aus Messungen gewonnen wird, sind in ihr alle Einflüsse der Partialti-den, der örtlichen und zeitlichen Wellenveränderungen sowie bei meeresnahen Flussabschnitten auch die Einflüsse des Oberwasserabflusses enthalten. Die Auf-zeichnung von Extremereignissen ist aber für die Beurteilung der Bauwerkskon-struktionen von Bedeutung.

Für das deutsche Küstengebiet der Nord- und Ostsee sind die Tageswerte der Scheitelwasserstände sowie die Gewässerkundlichen Hauptwerte (Wasserstände


und ggf. auch Abflüsse der Extremereignisse sowie über einen best. Zeitraum ge-mittelte Werte) in den Gewässerkundlichen Jahrbüchern veröffentlicht.

In Deutschland werden in den Querschnittsdarstellungen der Kaianlagen im Ti-debereich der Nordsee i.d.R. die Gewässerkundlichen Hauptwerte MThw (mittleres Tidehochwasser) und MTnw (mittleres Tideniedrigwasser) eingetragen. Dies sind die arithmetischen Mittelwerte der Tidehoch- bzw. –niedrigwasserstände eines bestimmten Zeitraumes. Gewässerkundliche Jahrbücher geben MThw und MTnw als Jahreswerte sowie als Mittelwerte über 10 Jahre an. Die Hafenplanungen zugrunde liegenden Werte können über 20, 10 oder nur 5 Jahre gemittelt sein. Die Festlegung des Zeitraums ist vor allem abhängig davon, wie stark sich die Schei-telwasserstände (z.B. infolge von Strombaumaßnahmen) verändern.

2.4.2.3 Windstau, Oberwasserabfluss, Fernwellen, Becken-schwingungen und säk. Meeresspiegelanstieg

Die verschiedenen Einflüsse, die sich in ihrer Gesamtheit zur messbaren Tidekurve addieren, können bei Zusammentreffen mehrerer Extrema besonders niedrige und hohe Wasserstände erzeugen. Eine wesentliche Rolle spielt dabei häufig ein über eine längere Zeit wehender Sturm, der infolge der Schleppkraft große Wassermas-sen in Bewegung setzen kann. Wird diese Strömung durch eine Landmasse in einem Randmeer oder in einer Bucht gebremst, wird die kinetische Energie in potentielle umgewandelt und der Wasserstand steigt um einen Betrag h gegen-über der üblichen Tidekurve, der als Windstau bezeichnet wird. Die durch Wind bzw. Sturm und ggf. durch die im Folgenden genannten Einflüsse verursachten erhöhten Wasserstände werden als Sturmflut bezeichnet.

Die Größe des Windstaus h ist abhängig von der Windgeschwindigkeit, der Streichlänge (= Fetchlänge = Länge der Windwirksamkeit), der Windrichtung und der Winddauer. Bedeutungsvoll ist nicht nur die Höhe seines Maximums, sondern auch die Eintrittszeit; der Einfluss des Windstaus auf die Tidewasserstände ist um Tnw am größten. Da sich bei gleicher Windgeschwindigkeit für geringere Wasser-tiefen d größere Windstauhöhen h ergeben als bei größeren Wassertiefen, sind Küsten von Flachmeeren (z.B. Nord- und Ostsee) weitaus stärker durch Sturmflu-ten gefährdet als die Küsten tiefer Ozeane. An der deutschen Nordseeküste sind Windstauhöhen von 3,0 bis 5,5 m (zunehmend von den Inseln zur Küste und von West nach Ost) und an der deutschen Ostseeküste bis zu 4,0 m (zunehmend von Ost nach West) möglich.

Durch Luftdruckunterschiede im nördlichen Atlantik entstehen Fernwellen, die als Einzelwellen oder in Gruppen von wenigen Wellen in die Nordsee einlaufen. Fernwellen können Höhen bis zu 1 m aufweisen.

Beckenschwingungen (Badewanneneffekt) treten vor allem in Meeren auf, die fast vollständig von Landmassen umgeben sind (z.B. Ostsee).

Der Einfluss des Oberwasserabflusses auf die Wasserstände sowie auf den Ver-lauf der Tidekurve (s. Abschn. 2.4.2.2) ist nur im oberen tidebeeinflussten Bereich großer Flüsse von Bedeutung.

Da der Windeinfluss dominiert, werden alle o.g. Einflussfaktoren mit Ausnahme des Gezeitenanteils unter dem Begriff Windstau zusammengefasst. Für die


Windstaukurve gibt es gemäß Siefert u. Christiansen, 1983, zwei verschiedene Definitionen:

1. Das Deutsche Hydrographische Institut, jetzt Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, sowie Ozeanographen definieren die Windstaukurve als Diffe-renzkurve zwischen der eingetretenen und der für dieselbe Zeit vorausberechne-ten astronomischen Tide; sie enthält damit alle Abweichungen von der Gezeit, die die astronomischen und topographischen Einflüsse einschließt.

2. Im Küsteningenieurwesen sowie vom Warndienst des Amtes Strom- und Hafen-bau in Hamburg wird meist die folgende Definition zugrunde gelegt: Die Windstaukurve ist die Differenzkurve zwischen der eingetretenen und der für dieselbe Zeit vorausberechneten mittleren Tide.

Diese beiden Definitionen erklären die im Schrifttum [z.B. EAK, 2002; EAK, 1993] angegebene Definition der Windstaukurve als Differenz zwischen der einge-tretenen und der vorausberechneten astronomischen oder der für diese Zeit gebilde-ten mittleren Tide.

Gemäß Auskunft des Amtes Strom- und Hafenbau wird heute in Hamburg zur Definition der Windstaukurve wie folgt verfahren: Zwischen die vorausberechne-ten Eintrittszeiten der Scheitelwasserstände wird der Verlauf der Mittleren Tide-kurve (Mittelwert einer 5-Jahresreihe) „eingepasst“, d.h. die mittlere Tidekurve wird so auf der Zeitskala gestaucht oder gedehnt, bis die Eintrittszeiten ihrer Schei-telwerte den Eintrittszeiten der vorausberechneten astronomischen Tidekurve ent-sprechen. Die Höhe der Scheitelwerte entspricht dabei dem MThw bzw. dem MTnw (Bild 2.9).

Windstau, Oberwasserabfluss, Fernwellen und Beckenschwingungen sind Fak-toren, die die Wasserstände kurzfristig beeinflussen. Zu den langfristigen Einfluss-faktoren zählen der säkulare Meeresspiegelanstieg, bauliche Eingriffe und morpho-logische Veränderungen, die durch Strombaumaßnahmen oder durch die Natur selbst verursacht werden können.

Bild 2.9 Definition der Windstaukurve


Für den säkularen Meeresspiegelanstieg kann an der deutschen Küste mit fol-genden Anhaltswerten gerechnet werden: 30 cm/100 a für die Nordsee, 25 cm/100 a für die schleswig-holsteinische Ostsee und 15 – 25 cm/100 a für die Ostseeküste Mecklenburg-Vorpommerns. Dabei ist zu beachten, dass der Säkular-anstieg auf den jeweiligen Tidekennwert bezogen wird (MTnw, MThw, MW) und ortsabhängig ist, da er lokale Landsenkungen oder –hebungen enthalten kann [Ou-meraci, 2001].

2.4.2.4 Entwurfswasserstände

Der Planung von Hafenanlagen werden sehr unterschiedliche Entwurfswasserstän-de zugrunde gelegt. Die OK des Kaibauwerks kann auf der Höhe des Bemes-sungswasserstandes für die im Planungsgebiet ggf. vorhandenen Hochwasser-schutzanlagen liegen oder im Falle stärkeren Wellenangriffs auch darüber.

In Hamburg liegt die OK des Kaibauwerks des neuen Containerhafens in Al-tenwerder auf NN +7,50 m (der festgelegte Bemessungswasserstand für Hochwas-serschutzanlagen ist in Hamburg ortsabhängig und variiert im Jahr 2004 zwischen NN +7,30 und NN +7,50 m), der übrige Bereich des Hafengebietes liegt bis zu 2,4 m niedriger. Dies resultiert daraus, dass die Bemessungswasserstände für die Hochwasserschutzanlagen in den vergangenen Jahrzehnten mehrfach erhöht wur-den, die Kaianlagen und Terminalflächen aber auf ihrem ursprünglichen Niveau verblieben sind. Die Lagerflächen der unter dem Bemessungswasserstand liegen-den Bereiche können bei Bedarf (abhängig vom Lagergut etc.) durch Hochwasser-schutzwände vor Sturmflutwasserständen geschützt werden.

In Bremerhaven liegt der Bemessungswasserstand für Hochwasserschutzmaß-nahmen im Jahr 2004 bei NN +6,30 m. Die OK des geplanten Kais für den Contai-nerterminal CT IV liegt aufgrund der Wellenverhältnisse in der Weser um 1,20 m höher auf einem Niveau von NN +7,50 m.

Es ist zu beachten, dass extrem hohe Wasserstände zu Überflutungen von Kai- und Pieranlagen, zu Überflutungen der Terminalflächen, zur Erhöhung von Was-ser– und Erddrücken, zur Erhöhung der Auftriebskräfte und zu einem Entwässe-rungsproblem des Terminals führen können.

Auf die Entwurfswassertiefe wird auf Abschn. 7.3 eingegangen.

2.4.3 Wellen und Seegang

2.4.3.1 Einführung

In den Abschn. 2.3.2 und 2.3.3 wird darauf hingewiesen, wie wichtig die Kenntnis-se über die Wellenkräfte sowie die räumliche und zeitliche Verteilung des See-gangs für den Hafenplaner sind, um Hafenanlagen funktionell optimal zu gestalten und wirtschaftlich zu bauen.

Eine Welle ist eine periodische Bewegung von Wasserteilchen. Benachbarte Teilchen führen die Bewegung zeitverschoben aus, wodurch sich die Fortbewe-gung der Welle ergibt. Die Ursache für die Entstehung einer Wasserwelle ist die


Störung des Gleichgewichtszustandes an der Grenzfläche Wasser – Luft. Die Stö-rung kann hervorgerufen werden durch:

– Wind (Reibung Luft – Wasser) Windwellen + Dünung = Seegang

– astronomische Kräfte Gezeitenwellen

– seismische Kräfte Erdbebenwellen (= Tsunamis)

– großräumige Luftdruckschwankungen Beckenschwingungen (Seiches)

– lokale Wasserzugabe/-entnahme Schwall-/Sunkwellen

– Interaktion Wasser – Festkörper körpererzeugte Wellen

Für die Planungs- und Bemessungsaufgaben im Hafenbau ist der Seegang am wichtigsten, der durch die Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Höhe, Peri-ode (oder Frequenz) und Richtung entsteht. Windwellen sind derjenige Anteil der Wellen im Seegang, der an Ort und Stelle durch den unmittelbaren Einfluss des Windes entstanden ist. Dünungswellen sind Windwellen mit vergleichsweise län-gerer Periode, die außerhalb des Untersuchungsgebietes entstanden sind und sich aus ihrem Entstehungsgebiet fortbewegt haben. Die Richtungen der Windsee- und Dünungsanteile des Seegangs können unterschiedlich sein.

Regelmäßige Wellen werden durch folgende Parameter charakterisiert (Bild 2.10):

Wellenhöhe H = Entfernung zwischen höchstem Punkt des Wellenberges und tiefstem Punkt des Wellentales

Wellenlänge L = Entfernung zwischen zwei gleichen Punkten zweier aufeinander folgender Wellen (z.B. von Berg zu Berg)

Wellenperiode T = Zeit, in der die Welle um eine Wellenlänge L fort-schreitet

Die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c ergibt sich zu:

T

Lc in m/s (2.1)

Die lokale Auslenkung des Wasserspiegels infolge Wellenbewegung wird auf den Ruhewasserspiegel RWS bezogen. Die Wellenbewegung ist mit einer Umver-teilung von Wassermassen verbunden und somit existieren im Wasserkörper wel-lenbedingte Strömungen, die mit den Komponenten u und w beschrieben werden.

Im Falle von unregelmäßigen Wellen sind die Parameter H, L und T definitions-abhängig.

Auf Wellen wirken Kräfte aus Oberflächenspannung, Trägheit und Corio-liskraft. Außer nach der Krafteinwirkung können Wellen auch nach ihrer Periode gegliedert werden. Eine Übersicht über das Spektrum der Meereswellen, ihre Ursa-chen und Perioden ist im Bild 2.11 gegeben. Die Perioden der Wellen, die für den Hafenbauer von größter Relevanz sind, liegen i.Allg. zwischen 3 s und 20 s. Ge-mäß der auf sie wirkenden Rückstellkraft gehören diese Wellen zu der Gruppe der Schwerewellen.


Bild 2.10 Definition von Wellenkenngrößen [nach EAK, 2002]

Bild 2.11 Einteilung ozeanografischer Meereswellen mit einer Einschätzung des relativen Energiegehalts [CERC, 1977]

Der Oberflächenverlauf zweidimensionaler Wellen kann als Funktion des Ortes (Wasserspiegelauslenkung, die zu einem Zeitpunkt gesehen wird) oder als Funkti-on der Zeit (Wasserspiegelauslenkung an einem Ort über die Zeit) dargestellt wer-den.

2.4.3.2 Strömungen unter Wellen

Nachfolgende Ausführung wurde im Wesentlichen der Quelle Zanke, 2002, ent-nommen.

In ausreichend tiefem Wasser pflanzen sich Wasserteilchen als oszillatorische Wellen fort. Dabei bewegen sich die Wasserteilchen synchron auf Kreisbahnen


(Bild 2.12). An der Oberfläche ist der Durchmesser der Kreise gleich der Wellen-höhe H. Nach einem vollen Umlauf hat jedes Teilchen an der Oberfläche einmal die Kammlage und einmal die Tallage durchlaufen. Während dieser Zeit T, der Wellenperiode, ist die Welle einmal um ihre Länge L fortgeschritten. Die wellen-förmige Auslenkung der Wasserteilchen setzt sich bei ausreichender Wassertiefe bis zu einer Tiefe1 von L0/2 in den Wasserkörper hinein fort. Ist die Wassertiefe größer als L0/2, hat der Meeresboden keinen Einfluss auf die Wellen, die dann als Tiefwasserwellen klassifiziert werden.

In einer einmal angeregten Welle wirken sich unter Einfluss der Schwerkraft und ggf. weiterer Kräfte unterschiedliche Druckzonen aus. Das einzelne Wasser-teilchen unterliegt dabei einem ständigen Wandel der Energieform, E(pot) E(kin).

Bei Grundberührung der internen Wellenbewegung geht die kreisförmige Orbi-talbewegung direkt an der Sohle in eine sohlenparallele Bewegung über, während sich die Wasserteilchen in den höheren Schichten auf Ellipsenbahnen bewegen. Je flacher das Wasser, desto geringer wird die Vertikalkomponente w (Bild 2.13).

Bild 2.12 Oben: Oszillatorische Wellenbewegung in tiefem Wasser, oben links: interne Wasserbewegung, oben rechts: interne Druckverteilung.

Unten: Translatorische Welle in sehr flachem Wasser [nach Zanke, 2002]

1 Der Index „0“ charakterisiert Tiefwasserverhältnisse.


Bild 2.13 Änderung der maximalen horizontalen und vertikalen Geschwindigkeiten beim Übergang vom tiefen Wasser in flaches Wasser [nach Zanke, 2002]

Bild 2.12 veranschaulicht, dass die horizontale Komponente u der Strömung am Kamm maximal und in Laufrichtung der Welle gerichtet ist. Im Tal wird sie wie-derum maximal und läuft der Welle entgegen. Im Nulldurchgang strömt das Was-ser mit max. w vertikal nach unten oder nach oben, je nachdem, ob der Wasser-spiegel in diesem Nulldurchgang ansteigt oder absinkt. Bild 2.13 zeigt die Ände-rung der maximalen Orbitalgeschwindigkeiten in horizontaler und vertikaler Rich-tung beim Übergang vom tiefen Wasser in flaches Wasser.

Auf der Veränderung der Wasserteilchenbewegung beim Einlaufen in flaches Wasser basiert eine weitere Einteilung der Wellen, die Gliederung nach dem Ver-hältnis Wassertiefe/Wellenlänge d/L:

Tiefwasserwellen (auch Tiefwasserbereich genannt): d/L 0,5 Übergangswellen/ -bereich: 0,5 d/L 0,05 Flachwasserwellen/ - bereich d/L 0,05

Diese Einteilung ist im Hafen- und Seebau sowie im Küsteningenieurwesen von besonderer Bedeutung (s. Abschn. 2.3 und 2.4.3.6).

2.4.3.3 Wellenaufzeichnung - und auswertung

Die Beobachtungen bzw. Messungen von Wellen in der Natur zeigen eine Folge von unterschiedlichen Höhen, die in unterschiedlichen Zeitabständen den Beobach-tungs- oder Messpunkt passieren. Dabei können zusätzlich noch unterschiedliche Anlaufrichtungen vorhanden sein.

Zur Beschreibung des Seegangs für den Entwurf und die Bemessung von Ha-fenanlagen und Bauwerken sind Wellen- oder Seegangsparameter zu ermitteln. Mit statistischen Analysen können die Wasserspiegelauslenkungen einer bestimmten Wellenhöhe, Wellenrichtung und Wellenlänge zugeordnet werden. Der Seegang wird hierzu soweit vereinfacht, dass er durch die Wellenparameter H, L, bzw. T und die Wellenrichtung definiert wird.

Informationen über die Struktur des Seegangs können durch Messungen der Wasserspiegelauslenkungen gewonnen werden. Seegangsmessungen können prin-zipiell räumlich (z.B. über Stereophotographie oder Radar) oder aber an einem Ort


über die Zeit durchgeführt werden. Hier wird nur die zweite Methode, die Messung der Wasserspiegelauslenkung über die Zeit kurz erläutert.

Zur Aufzeichnung von Wellen sind vielfältige Geräte entwickelt worden, die auf Entfernungs-, Beschleunigungs- oder Druckmessungen beruhen und je nach dem Messprinzip fest installiert sind oder der Wellenbewegung folgen. Neuere Geräte sind durch die Integration von Neigungsmessern in der Lage, bei nur einer Mess-stelle auch die Anlaufrichtung der Wellen zu erfassen.

Das Ergebnis einer punktförmigen Messung (ohne Richtungserfassung) liefert eine Zeitreihe (Bild 2.14). Um die Summe der Messdaten zu reduzieren, aber den-noch zutreffende Aussagen zu erhalten, werden Wellen intermittierend aufgezeich-net. Normale Seegangsmessungen werden z.B. in Abständen von 4 Stunden über eine Messdauer von jeweils 30 Minuten durchgeführt.

Die Aufgabe der Auswertung (Analyse) von Seegangsmessungen ist die Ermitt-lung von Parametern oder Kennfunktionen, die die Zeitreihe Seegang charakteris-tisch beschreiben (Datenreduktion). Charakteristisch deswegen, weil die Parameter in ihrer Funktion als Eingangswerte in Bemessungs- und Simulationsverfahren einen möglichst engen Zusammenhang zu den physikalischen Auswirkungen des Seegangs, wie z.B.

- Belastung von Bauwerken durch Druck- und Strömungseffekte

- Transportmengen von küstenparallel bewegtem Sand bei schräg anlaufendem Seegang

herstellen sollen.

Bild 2.14 Zeitreihe einer Wasserspiegelauslenkung (unregelmäßiger Seegang)


Die Auswertung im Zeitbereich geht direkt von der aufgezeichneten Messung aus. Die Bestimmung der Zeitbereichsparameter in einer Folge unregelmäßiger Wellen, wie sie ein Messgerät liefert, erfordert eine Definition, was als Welle an-zusehen ist. Gebräuchlich sind die Nulldurchgangsverfahren, heute allgemein empfohlen wird das Zero-Downcrossing-Verfahren (Bild 2.15).

Jedes einzelne Ereignis „Welle“ wird zunächst durch Angabe von Höhe H und Periode T gekennzeichnet. Aus der Gesamtheit der Einzelereignisse mit den Kenn-zeichen H und T können nun charakteristische Parameter ermittelt werden, indem die Datenmenge nach einer gemessenen Größe, z.B. nach H, in Klassen mit der jeweiligen Anzahl n zusammengefasst, nach steigendem Klassenwert geordnet und die prozentuale Häufigkeit ermittelt wird, s. z.B. Tabelle 2.2.

Die graphische Darstellung als Histogramm (Treppenfunktion) liefert eine Häu-figkeitsverteilung, die i.Allg. einer sog. Raleigh-Verteilung entspricht. Ergänzt wird die Darstellung durch eine Summenhäufigkeitsverteilung, in der die relativen Häu-figkeiten fortlaufend aufsummiert werden und zusammen 100% ergeben (Bild 2.16). In dieser Aufstellung sind die T-Werte ungeordnet, da sowohl hohe als auch flache Wellen gleiche Perioden aufweisen können. Eine Ordnung nach T würde eine andere Häufigkeitsverteilung ergeben.

Bild 2.15 Zero-Downcrossing-Verfahren [gemäß IAHR/PIANC, 1986]

Tabelle 2.2 Beispiel für eine Klasseneinteilung von Wellen

Wellenhöhe H [cm] Anzahl Häufigkeit [%]

0 - 25 21 2,8

25 - 50 60 7,9

50 - 75 155 20,5

..... .... ....

756 100,0


Bild 2.16 Auswertung von Zeitbereichsparametern aus einer Häufigkeitsdarstellung [EAK, 2002]

Aus der graphischen Darstellung im Bild 2.16 werden folgende Werte definiert:

Hd = dominierende Wellenhöhe, d.h. die Wellenhöhe mit der größten Häu-figkeit in der ausgewerteten Zeitreihe

Hm = mittlere Wellenhöhe, d.h. das arithmetische Mittel aller gemessenen Wellenhöhen

H1/3 = arithmetisches Mittel der 33% höchsten Wellen einer Zeitreihe = kenn-zeichnende (= signifikante oder charakteristische) Wellenhöhe HS

H1/10 = arithmetisches Mittel der 10% höchsten Wellen einer Zeitreihe

H1/100 = arithmetisches Mittel der 1% höchsten Wellen einer Zeitreihe

Hmax = max. Wellenhöhe der ausgewerteten Zeitreihe

Für Bemessungszwecke ist nicht unbedingt die irgendwann auftretende höchste Welle, sondern in vielen Fällen sind relativ hohe Wellen maßgebend, die auch eine deutliche Eintrittswahrscheinlichkeit haben. Die signifikante Wellenhöhe HS oder H1/3 wird besonders hervorgehoben, da sie mit guter Genauigkeit der Wellenhöhe entspricht, die ein geübter Beobachter als maßgebliche Wellenhöhe im Seegang schätzt. Die dazugehörige Wellenperiode wird mit T(H1/3) bezeichnet. Mit diesen beiden Parametern sowie mit der Laufrichtung lässt sich ein komplexes See-gangsklima mit wenigen Parametern beschreiben. Die signifikante Wellenhöhe stellt damit eine statistische Basisgröße dar.


Aufbauend auf der Raleigh´schen Verteilungsfunktion ergeben sich zwischen den definierten Wellenhöhen folgende Beziehungen:

Hm = 0,63 H1/3

H1/10 = 1,27 H1/3

H1/100 = 1,67 H1/3

Der theoretische Verhältniswert für die (mittlere) maximale Wellenhöhe ist ab-hängig von der Gesamtzahl der Wellen und beträgt für die Messung:

Hmax = 1,87 H1/3 (1000 Wellen)

Zu beachten ist, dass mit steigender Anzahl der gemessenen Wellen n die Wahr-scheinlichkeit der Erfassung selten auftretender, hoher Wellen steigt. Ist diese Tendenz bekannt, kann in einer Extrapolationsrechnung auf die Wellenverteilung und damit auch auf Hmax in einem längeren Zeitraum, z.B. in 20, 50, oder 100 Jah-ren, geschlossen werden.

Im Gegensatz zur Analyse von Kurzzeitereignissen, die Aussagen über die Struktur des Seegangs liefern, ist die Langzeitstatistik zu sehen. Mit der Langzeit-statistik wird die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Seegangsereignisse, cha-rakterisiert durch Parameter, untersucht. Darstellungsmöglichkeiten sind Über- und Unterschreitungshäufigkeiten, Histogramme oder entsprechend tabellierte Zusam-menstellungen einzelner Parameter oder von Parameterkombinationen.

2.4.3.4 Wellenvorhersage

Da in vielen Fällen nicht auf langfristige Messungen zurückgegriffen werden kann, wurde versucht, aus meist vorliegenden Messdaten des Windes als Ursache der Wellenbildung eine Wellenvorhersage abzuleiten. In die empirischen Formeln gehen als Parameter die Winddauer, die Windgeschwindigkeit und die Wind-Streichlänge (Fetchlänge) über dem Wasser ein. In Küstennähe kommt ergänzend der Wassertiefeneinfluss hinzu.

In besonders entwickelten Diagrammen (Beispiel im Bild 2.17) können auf die-sen Grundlagen die kennzeichnende Wellenhöhe H1/3 und die dazu gehörende Periode T(H1/3) ermittelt werden.

Neben den genannten manuellen Wellenvorhersageverfahren gibt es auch nu-merische Modelle (Hind- and Forecasting-Modelle), die auf der Grundlage von Wetterkarten auch komplexe instationäre Windfelder sowie variable Wassertiefen-verhältnisse berücksichtigen können.

2.4.3.5 Wellentheorien

Nachfolgende Ausführungen wurden der EAK, 2002, entnommen. Aufgabe deterministischer Wellentheorien ist, die Form der freien Oberfläche

(x,y,t) (s. Bild 2.10) und die Bewegung der Wasserteilchen in den drei Koordina-tenrichtungen x,y,z sowie die Zeitkoordinate t einer Welle für unterschiedliche Wellenhöhen H und –perioden T und bei unterschiedlichen Wassertiefen d mathe-matisch möglichst genau zu formulieren.


Bild 2.17 Seegangsvorhersage gemäß Shore Protection Manual (SPM) für Tiefwasserbe-dingungen [CERC, 2001]


Alle klassischen Wellentheorien (außer der Theorie von Gerstner, 1802) sind Lösungen der Lapalceschen Differentialgleichungen. Hinsichtlich der mathemati-schen Grundlagen wird auf Wiegel, 1964, Le Mehaute, 1976, Horikawa, 1988 und das dort angegebene Schrifttum verwiesen. Aus mathematischer Sicht können Wellentheorien in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: In lineare und nichtlinea-re Wellentheorien. Letztere enthalten auch die Theorien langer Wellen, wie sie für die Berechnung der Tidewellen verwendet werden.

Wichtigste Wellentheorie für ingenieurpraktische Anwendungen, vornehmlich in Verbindung mit der Veränderung der Wellenkennwerte beim Einlaufen in fla-ches Wasser, aber auch für eine näherungsweise Erfassung unregelmäßiger Wellen im Seegang und deren Wechselwirkungen mit Bauwerken - soweit theoretisch erfassbar - ist die lineare Wellentheorie, die nach Airy und Laplace benannt ist. Von den Theorien höherer Ordnung sind die nach Stokes bezeichneten Theorien und cnoidale Theorien zur Erfassung der horizontalen Asymmetrien, d.h. unter-schiedlicher Kammlagen und Tallagen in Bezug auf den Ruhewasserspiegel, oder zur Berechnung der Druckverteilung in der Welle und den mit der Wellenbewe-gung verbundenen Bewegungen der Wasserteilchen (Orbitalbewegung) von Wich-tigkeit. Brechkriterien werden aus Einzelwellentheorien abgeleitet.

Die Grenzen der Anwendung verschiedener Theorien sind nicht abschließend erforscht. Die wichtigsten Theorien sind im Bild 2.18 dargestellt, das auch einen Anhalt über die Gültigkeitsbereiche dieser Theorien vermittelt. Diese werden durch die dimensionslosen Parameter H/(g·T2) und d/(g·T2) charakterisiert. Es ist üblich, entsprechend der relativen Wassertiefe d/L (s. 2.4.3.2) zu unterteilen. Die dimensi-onslose Größe H/L wird als Wellensteilheit bezeichnet. Die relative Wassertiefe d/L und die Wellensteilheit H/L werden durch den Ursell-Parameter UR = (H/L)·(L/d)3 verknüpft. Je kleiner der Ursell-Parameter, desto zutreffender ist die lineare Wellentheorie. Mit größer werdendem UR müssen nichtlineare Theorien angewendet werden, um die gleiche relative Genauigkeit hinsichtlich der mathema-tischen Erfassung des Profils der freien Wellenoberfläche zu erreichen.

Die lineare Wellentheorie, in der alle Glieder der hydrodynamischen Grundglei-chungen vernachlässigt werden, die höher als 1 sind, geht von folgenden Voraus-setzungen aus:

1. sinusförmige Oberfläche, d.h. symmetrisches Wellenprofil 2. kleine Amplituden, d.h. H « L, H « d 3. ebener Untergrund 4. ideale Flüssigkeit, d.h. reibungsfrei, inkompressibel, homogen 5. kein Einfluss der Luftbewegung auf die Wellenbewegung

Die Bedingungen 4 und 5 sind die Voraussetzungen für eine rotationsfreie (wir-belfreie) Strömung (Potentialströmung), die die Formulierung der Laplaceschen Differentialgleichung und entsprechende Lösungen ermöglicht.

Die wichtigsten Gleichungen für Berechnungen in der Ingenieurpraxis sind in Tabelle 2.3 zusammengestellt. In der Tabelle 2.3 bedeuten:


Lk

2 (Wellenzahl)

T

2 (Kreisfrequenz)

tkx (Phasenwinkel)

Für weitergehende Ausführungen über Wellentheorien wird auf die EAK, 2002, sowie CERC, 2001, und das darin zitierte Schrifttum verwiesen.

Bild 2.18 Anwendungsbereiche verschiedener Wellentheorien [nach CERC, 2001]

2.4.3.6 Flachwassereffekte

2.4.3.6.1 Einführung

Unter dem Begriff Flachwassereffekte werden i.Allg. die physikalischen Vorgänge

Refraktion Shoaling Brechen der Wellen Sohlreibung und Perkolation der Wellen


zusammengefasst, die zu einer Veränderung der Wellen beim Einlaufen in flaches Wasser führen. Diese Effekte sind bei der Ermittlung der Belastungen von Hafen- und Küstenbauwerken zu untersuchen und unbedingt zu berücksichtigen.

Tabelle 2.3 Lineare Wellentheorie, physikalische Bezeichnungen [nach Wiegel, 1964]

Obwohl Refraktion und Shoaling gemeinsam wirksam sind, werden diese Flach-wassereinflüsse meist auf der Grundlage der linearen Wellentheorie getrennt behandelt. Für Planungsaufgaben im Küstenwasserbau sind graphische Verfahren (z.B. Shoaling-Diagramm oder graphische Ermittlung von Refraktionsplänen nach der Wellenkamm- oder Orthogonalen-Methode) nach wie vor üblich. Zunehmend gewinnen jedoch numerische Berechnungen an Bedeutung, zumal meist eine Viel-zahl veränderlicher Seegangsbedingungen in Verbindung mit wechselnden Was-serständen untersucht werden muss. Von verschiedenen Instituten werden PC-gestützte numerische Modelle angeboten. Das derzeit am weitesten entwickelte Gittermodell ist das Seegangsmodell SWAN (Simulation of WAves in the Nearshore


zone) der TU Delft, das auch im deutschen Küstenbereich intensiv genutzt wird. Für weitere grundlegende Hinweise zu numerischen Modellen im Küstenbereich wird auf DVWK Schriften 127, 1999, verwiesen [EAK, 2002].

2.4.3.6.2 Refraktion

Die Orbitalbewegung nimmt mit der Wassertiefe nach einer Exponentialfunktion ab. Entscheidend für die Fortschrittsgeschwindigkeit der Welle ist die relative Wassertiefe d/L. Wenn die Welle Grundberührung erhält, d.h. im Übergangsbe-reich und im Flachwasserbereich, wird die Orbitalbewegung der Wasserteilchen gestört: die Bahnen werden gestaucht. Gleichzeitig nimmt die Geschwindigkeit c der Welle und die Wellenlänge L ab, die Periode T = L/c bleibt jedoch konstant (s. auch Abschn. 2.4.3.2).

Laufen Wellen schräg auf einen ansteigenden Unterwasserstrand (was in der Regel der Fall ist), erreicht ein Flügel eines Wellenkammes bereits flacheres Was-ser und wird dort verzögert, während der andere Flügel im Tiefwasserbereich noch mit der Wellengeschwindigkeit c0 wandert. Die Folge ist ein Einschwenken der Wellenfronten mit der Tendenz, sich parallel zu den Tiefenlinien auszurichten (Bild 2.19). Dieses Einschwenken der Wellen parallel zur Uferlinie wird als Re-fraktion oder Beugung der Wellen bezeichnet. Die Richtungsänderung der einlau-fenden Wellen von 1 auf 2 lässt sich in Analogie zu den Lichtwellen durch das Brechungsgesetz von Snellius bestimmen, das die Richtungsänderung an der Grenzfläche zweier Medien beschreibt.

Bei der Refraktionsberechnung nach Snellius werden die Wellenorthogonalen an Stelle der Lichtstrahlen betrachtet. Das Brechungsgesetz ist gegeben durch folgende Gleichung:

Bild 2.19 Refraktion – Definitionsskizze [nach Oumeraci, 2001]


1

2

1

2

sin

sin

c

c(2.2)

mit: c1, 1 Geschwindigkeit und Richtungswinkel der einlaufenden Welle c2, 2 Geschwindigkeit und Richtungswinkel der refraktierten Welle

Unter Anwendung der Gleichungen nach linearer Theorie zur Bestimmung der Wellengeschwindigkeit c und der Wellenlänge L im Übergangsbereich (s. Tabelle 2.3) ergibt sich [EAK, 2002]:

L

dTg

L

dLgc

2tanh

2

2tanh

2(2.3)

so dass

1

1

2

212

2tanh/

2tanh/

L

d

L

dcc (2.4)

Mit der Refraktion ist außer der Richtungsänderung eine Veränderung der Wel-lenhöhe verbunden, die durch den Refraktionskoeffizienten Kr beschrieben wird. Unter der Annahme, dass keine Energie in Kammrichtung verlagert wird, d.h. die Energie zwischen zwei Wellenorthogonalen erhalten bleibt (der Shoaling-Einfluss wird gesondert berechnet), gilt für die örtliche Wellenhöhe H:

02

02 bHbH (2.5)

und damit

rKbbHH 2/100 // (2.6)

Der Index 0 kennzeichnet Tiefwasserbedingungen.

Aus der Gleichung (2.6) wird deutlich, dass durch Refraktion in Abhängigkeit von dem Orthogonalenabstand eine Vergrößerung der örtlichen Wellenhöhe H (Kr > 1) oder eine Verringerung (Kr < 1) gegenüber der Tiefwasserwellenhöhe H0

stattfinden kann. Das Bild 2.20 zeigt ein Beispiel für die Erhöhung und die Verringerung der

Wellenenergie und damit auch der Wellenhöhe infolge Refraktion. Goda, 2000, gibt auch eine Gleichung für die Bestimmung des Refraktionskoef-

fizienten für unregelmäßigen Seegang an. Für Refraktionsuntersuchungen im Hafenbau müssen i.Allg. Refraktionsdia-

gramme für mehrere Wellenrichtungen und -perioden konstruiert werden. Gegebe-nenfalls sind wechselnde Wasserstände zu berücksichtigen. Es ist darauf zu achten, ob die Ausgangswellen im Tiefwasser oder in flacherem Wasser gemessen oder ermittelt wurden. Flachwasserseegang enthält bereits die Veränderungen durch Refraktion.


Bild 2.20 Konvergenz (Kap) und Divergenz (Bucht) der Wellenenergie infolge Refraktion [nach CERC, 2001]

2.4.3.6.3 Shoaling

Auch beim strandnormalen Einlaufen der Wellen in flaches Wasser wird die Wel-lenhöhe durch Abnahme der Wellengeschwindigkeit c und der Wellenlänge L verändert, ein physikalischer Vorgang, der als Shoaling bezeichnet wird. Die Wel-lenhöhenveränderung wird durch den Shoaling-Faktor Ks beschrieben, der das Verhältnis aus der örtlichen Wellenhöhe H und der Tiefwasserwellenhöhe H0 an-gibt. Er wird aus der Gruppengeschwindigkeit (= Energiegeschwindigkeit) berech-net. Unter der Voraussetzung, dass in flaches Wasser einlaufende Wellen weder Energie aufnehmen noch abgeben, müssen infolge der abnehmenden Wellenge-schwindigkeit entweder die Wellenhöhe oder die Energiegeschwindigkeit anwach-sen.

Der Verlauf des Shoaling-Faktors periodischer Wellen (nach linearer Wellentheorie) im Bild 2.21 zeigt, dass die Wellenhöhe zunächst geringfügig abnimmt, dann jedoch stetig zunimmt, bis die Welle instabil wird und beim Erreichen einer kritischen Wassertiefe bricht.

Nach der linearen Wellentheorie ist

c

c

nKHH s

00

2

1/ (2.7)

Hierin stellt n = cg/c das Verhältnis aus Gruppengeschwindigkeit (Geschwindig-keit, mit der sich überlagerte Wellen fortbewegen) und Wellengeschwindigkeit dar. Der Wert n kann folgende Grenzwerte annehmen:

n = 0,5 für Tiefwasser n = 1,0 für Flachwasser

Der Shoaling-Faktor kann Werte > 1 und < 1 annehmen, d.h. die örtliche Wel-lenhöhe kann wie beim Refraktionseinfluss gegenüber der Tiefwasserwelle vergrö-ßert oder verringert werden.


Bild 2.21 Shoaling-Diagramm [EAK, 2002]

Wie bei der Refraktion ist auch hier darauf zu achten, ob die Ausgangswelle im Tiefwasser oder in flacherem Wasser gemessen oder ermittelt wurde. Flachwasser-seegang enthält bereits die Veränderungen durch Shoaling.

Beispiele für Shoaling- Berechnungen nach nichtlinearen Wellentheorien enthält Goda, 2000.

2.4.3.6.4 Brechen der Wellen

Die vorgenannten Flachwassereinflüsse führen schließlich zur Instabilität der Wel-len und zum Wellenbrechen. Das Brechen der Wellen findet dabei nicht an einer stationären Brecherlinie statt, sondern erstreckt sich, bedingt durch die Unregel-mäßigkeit des Seegangs und die mit der Tide veränderlichen Wasserstände, über die sog. Brecher- oder Brandungszone.

Durch Wellenbrechen wird ein wesentlicher Teil der Wellenenergie dissipiert. Dies führt zu großen Belastungen der Hafenbauwerke sowie zu starken Abminde-rungen der Wellenhöhe. Für ingenieurpraktische Fragen relevant sind

a) die Grenzbedingungen für das Einsetzen des Brechvorgangs (Brechkriterien), da dieser die Bemessungswelle beeinflusst

b) die Formen des Brechvorgangs (Brechertypen), die u.a. den zeitlichen und räumlichen Ablauf der Wellenenergiedissipation wiedergeben und somit die Be-lastung und Reflexion beeinflussen

Generell können Wellen brechen, wenn entweder die Grenzsteilheit (Wellen-steilheit H/L) überschritten wird oder die Wellenhöhe H ein bestimmtes Maß der Wassertiefe d erreicht hat.

Brechkriterien können angegeben werden für


einzelne Wellen und dabei bezogen werden auf - die Tiefwasserverhältnisse (Indizes „0“) oder auf - die lokalen Verhältnisse am Ort des Brechens (Indizes „b“) für Spektren

Auf dem offenen Meer (Tiefwasserbedingungen mit d/L > 0,5) ist allein die Grenzsteilheit entscheidend. Das Brechen der Wellen tritt hier vornehmlich als Schaumkronenbrechen (white capping) auf. Einen wichtigen Einfluss auf das Bre-chen der Wellen im Tiefwasser hat die zeitliche Abfolge der Wellen und deren Überlagerung zu extremen Wellenhöhen. Der Grenzwert für die Steilheit der Welle (H/L)gr resultiert aus der Bedingung, dass die Orbitalgeschwindigkeit der Welle an der Oberfläche nicht größer werden kann als die Wellengeschwindigkeit c. Damit ergibt sich eine Beziehung, die bereits 1893 von Mitchell aufgestellt wurde [in EAK, 2002]:

142,07

1

0

0

grL

H(2.8)

mit: H0 = Wellenhöhe in Tiefwasser in m L0 = Wellenlänge im Tiefwasser in m

Der theoretische Grenzwert der Wellensteilheit im Tiefwasser von H0/L0 = 1/7 wird aber i.Allg. nicht erreicht. Wellen in natürlichem Seegang neigen dazu, schon früher zu brechen, etwa bei H0/L0 = 1/10. Den Grenzwert für den Winkel des Wel-lenkammes hat Stokes mit 120° angegeben.

Im Übergangsbereich (0,5 d/L 0,05) kommt ein Einfluss der Wassertiefe hinzu und reduziert die kritische Steilheit auf

b

b

grb

b

L

d

L

H2tanh142,0 (2.9)

mit: Hb = Wellenhöhe im Brechpunkt in m Lb = Wellenlänge im Brechpunkt in m db = Wassertiefe im Brechpunkt in m

Im Flachwasser (d/L 0,05) dominiert der Einfluss der Wassertiefe. Mc Co-wan, 1891, kommt auf den Wert

78,0b

b

d

H(2.10)

Für überschlägige Untersuchungen kann erfahrungsgemäß

1b

b

d

H(2.11)

angenommen werden.


Gemäß Zanke, 2002, wurde dieser Wert von mehreren Autoren (Siefert, 1974 undNiemeyer, 1983) für das deutsche Nordseeküstengebiet bestätigt. An der Ostsee ist eher mit 0,8 zu rechnen.

Außer der Wassertiefe hat auch die Strandneigung einen entscheidenden Ein-fluss auf den Brechvorgang. Die Beschreibung der dabei auftretenden Brecherfor-men ist subjektiv. An Brandungsküsten wird begrifflich zwischen Schwall-, Sturz- und Reflexionsbrechern unterschieden (s. Bild 2.22). An flachen Stränden und bei geringen Tiefwassersteilheiten der Wellen tritt der Schwallbrecher (spilling brea-ker) auf, bei steileren Stränden und größeren Wellensteilheiten der Sturzbrecher(plunging breaker) und bei sehr steilen Strandneigungen der Reflexionsbrecher(surging breaker).

Bild 2.22 Klassifizierung der Brecherformen, schematisch [nach Zanke, 2002]


Der Brechertyp kann auch durch die Brecherkennzahl , (auch Battjes-Parameter oder Iribarren-Zahl genannt), charakterisiert werden. Die Brecherkenn-zahl verknüpft die Neigung des Strandes und die Wellensteilheit H/L.

Es ist

0/

tan

LH(2.12)

Bezogen auf die Wellenhöhe im Tiefwasser bzw. im Brechpunkt ergibt sich:

00 /

tan

LHo bzw.

0/

tan

LHb

b (2.13)

Eine Zuordnung der Brecherkennzahl zu den Brecherformen geht ebenfalls aus dem Bild 2.22 hervor.

Alle Angaben über das Brechverhalten gelten nur, wenn die Strandneigung nicht gestört wird. Bei plötzlicher Unterbrechung der Neigung durch Bauwerke wie Wellenbrecher oder Deckwerke sind die Brecherbedingungen nicht nur eine Funk-tion der Wellensteilheit H/L und der Wassertiefe d seewärts der Bauwerke, sondern die auftretenden Wellen werden auch durch die Form und durch Absorptions- und Reflexionseffekte an der Deckschicht des Wellenbrechers beeinflusst.

Nach dem Brechen läuft die Welle ggf. mit geringerem Energiegehalt, d.h. klei-nerer Wellenhöhe, weiter.

2.4.3.6.5 Sohlreibung und Perkolation

Einfluss auf die Wellenhöhen im Küstengebiet haben weiter die Bodenreibung und die Sickerströmungen (Perkolation). Diese Einflüsse sind aber im Vergleich zu den vorgenannten von untergeordneter Bedeutung.

2.4.3.6.6 Maßgebende Wellenhöhe infolge Flachwassereffekte

In Verbindung mit Wellenvorhersageverfahren und statistischen Untersuchungen über die großräumig zu erwartenden Wellen liefern die in diesem Abschnitt erläu-terten Flachwassereinflüsse die im unmittelbaren Planungsgebiet zu erwartenden Wellen. Die örtliche für die Bemessung von Bauwerken oder für die Untersuchung der Wellenbewegung im Hafen maßgebende Wellenhöhe Hi ergibt sich zu

0HKKH rsi , (2.14)

wobei die Wellenhöhe durch das Brechen der Wellen begrenzt ist.


2.4.3.7 Wechselwirkungen zwischen Seegang und Bauwerken (Bauwerksbedingte Einflüsse)

2.4.3.7.1 Reflexion

An Hindernissen werden Wellen ganz oder teilweise reflektiert, wobei der Grad der Reflexion von

1. der Durchlässigkeit des Bauwerks 2. der Energieabsorption durch Wellenbrechen oder durch teildurchlässige (trans-

missive) Strukturen

abhängt. Wasserwellen werden, wie auch Licht, mit Einfallswinkel = Ausfallwin-kel reflektiert.

Das Reflexionsverhalten von Wellen an Bauwerken kann durch den Reflexions-koeffizienten kr, der das Verhältnis zwischen der Höhe der reflektierten Welle Hr

und anlaufender Wellenhöhe Hi bildet, beschrieben werden:

i

rr H

Hk (2.15)

Bei senkrechten Wänden ist am Reflexionspunkt Hr = Hi und somit H = 2 Hi. An Böschungen tritt Teilreflexion auf, der Reflexionskoeffizient ist hier in erster Linie abhängig von der Böschungsneigung und dem Verhältnis H/L. Längere Wellen werden bei sonst gleichen Verhältnissen stärker reflektiert als kurze Wellen, d.h. für relativ lange Wellen wirkt dieselbe Böschung steiler als für kurze Wellen.

Bei schräg anlaufendem Seegang tritt die sog. Mach-Reflexion auf. Hierbei kommt es in einer gewisser Entfernung vom Bauwerksanfang zu höheren Wellen, als sie aus der Überlagerung von einfallenden und reflektierten Wellen erwartet werden. Untersuchungen hierzu wurden von Berger, 1976, durchgeführt.

Weitere Ausführungen über die Reflexion enthält der Abschn. 8 (Wellenbre-cher). Hinweise zur Reflexion hinsichtlich der Problematik „Wellenunruhe in Hä-fen“ und möglicher Resonanzeffekte gibt Kohlhase, 1983.

Die Bestimmung des Reflexionsverhaltens ist derzeit nur auf experimentellem Wege möglich. Dieses ist bei der Bewertung von numerischen Modellen zur Un-tersuchung der Wellenverhältnisse an Bauwerken zu beachten [EAK, 2002].

2.4.3.7.2 Diffraktion

Unter dem Begriff Diffraktion ist die Ausbreitung von Wellen an einem Hindernis zu verstehen. Treffen Wellen auf Hindernisse wie Landvorsprünge, Wände, Ha-fenmolen oder Wellenbrecher, so werden sie an deren Luvseite reflektiert und in den rückwärtigen Leebereich hineingebeugt. Die Wellen breiten sich im Schatten-bereich, vom Kopf des Hindernisses ausgehend, mit kreisförmigem Kammverlauf aus. Bild 2.23 zeigt beispielhaft den Diffraktionseffekt beim Durchtritt von Wellen durch eine Öffnung sowie bei der Passage eines freistehenden Wellenbrechers, in dessen Schatten eine Kreuzsee entsteht. Die Wellenenergie im Schattenbereich


speist sich aus der Energie des Primärwellenfeldes. Sobald die ankommende Welle den Molenkopf passiert hat, muss sie Energie in den plötzlich vorhandenen Schat-tenraum abgeben [Zanke, 2002].

Bild 2.23 Diffraktion an einer Öffnung sowie an einem freistehenden Wellenbrecher, schematisch [nach Zanke, 2002]

Eine allgemeingültige analytische Lösung des Diffraktionsproblems ist mathe-matisch nicht möglich. Für einfache Problemstellungen (z.B. halbunendliche total reflektierende Wellenbrecher, einfache Wellenbrecheröffnungen) liegen Diagram-me für verschiedene Wellenanlaufrichtungen vor [u.a. Daemrich, 1978, CERC, 2001]. Darin wird die durch Diffraktion veränderte Wellenhöhe als K´-Wert darge-stellt, der das Verhältnis der örtlichen, beeinflussten Wellenhöhe zur Ausgangshö-he angibt. Im Allg. ist K´ < 1, jedoch können durch Interferenzen örtlich Wellen-höhen entstehen, die größer als die Ausgangshöhe sind (z.B. im Hafeneinfahrtsbe-reich). Bild 2.24 zeigt ein Diffraktionsdiagramm als Beispiel.

Um komplexe Bauwerksgeometrien zu untersuchen, sind physikalische oder numerische Modellversuche meist unumgänglich.

Diffraktion in natürlichem Seegang kann durch das Überlagerungsverfahren be-rechnet werden [Daemrich, 1996].

2.4.3.7.3 Wellentransmission

Eine fortschreitende Schwerewelle wird an Hindernissen reflektiert oder teilreflek-tiert, bei durchlässigen Bauwerken wird ein Teil der Energie transmittiert (hin-durchgelassen). Ausführungen zur Wellentransmission enthält der Abschn. 8 (Wel-lenbrecher).

2.4.3.8 Bemessungsseegang und Bemessungswelle

„Der Bemessungsseegang ist das Seegangsereignis, das die maßgebende Belastung eines Bauwerks oder Bauwerksteils hervorruft, oder die Wirkung eines Bauwerks oder einer Baumaßnahme charakteristisch zum Ausdruck bringt“ [EAK, 2002].


Bild 2.24 Diffraktion regelmäßiger Wellen an halbunendlichen, total reflektierenden senk-rechten Wänden, Beispiel aus Daemrich u. Kohlhase, 1978 [in EAK, 2002]

Bei der Festlegung des Bemessungsseegangs muss unterschieden werden zwi-schen:

– funktioneller Planung (z.B. Grundriss eines Hafens), für die die normalen, jähr-lich wiederkehrenden Seegangsverhältnisse maßgebend sind und

– konstruktiver Planung, für die Extremereignisse mit Wiederkehrperioden zwi-schen 20-100 Jahren zu berücksichtigen sind

Die Festlegung des Bemessungsseegangs ist ein statistisches Problem unter Abwägung wirtschaftlicher und technischer Kriterien sowie der Sicherheits- und Umweltbelange und ist zwischen Ingenieur und Auftraggeber abzustimmen.

Grundlage für die Planung und Bemessung hinsichtlich der Seegangswirkung sind gebietsbezogene (örtliche) Informationen über die Häufigkeit der „Stärke“ von Seegangsereignissen. Diese sind gekennzeichnet durch die Seegangsparame-ter:

– signifikante Wellenhöhe – signifikante oder mittlere Wellenperiode – Wellenrichtung

Da die Belastung oder die Wirkung des Seegangs auch von den Wasserstands-, Strömungs- und Windverhältnissen abhängt, müssen diese Faktoren auch bei der Festlegung des Bemessungsseegangs mit berücksichtigt werden. Der Bemessungs-seegang ist nicht zwangsläufig das extreme Seegangsereignis, sondern es muss aus


verschiedenen möglichen Parameterkombinationen die ungünstigste Belastung oder das ungünstigste funktionelle Verhalten ermittelt werden.

In der EAK, 2002, ist die methodische Vorgehensweise zur Bestimmung des Bemessungsseegangs beschrieben.

Nach E136 der EAU, 19971, werden für verschiedene Bauwerke folgende Be-messungswellenhöhen empfohlen:

- Wellenbrecher : 1,0 bis 1,5 · H1/3

- geböschte Molen : 1,6 · H1/3

- senkrechte Molen : 1,8 · H1/3

- Kaimauern mit Speichern : 1,9 · H1/3

- Baugrubenumschließungen : 1,5 bis 2,0 · H1/3

Dabei ist der H1/3-Wert einer Wellenermittlung zu entnehmen, die ggf. unter Einschaltung einer Extrapolationsrechnung mindestens der Lebensdauer des Bau-werks entspricht.

Die am Bauwerk zu erwartende Welle ist dann zusätzlich im Hinblick auf evtl. Veränderungen, die von der Messstelle bis zum Bauwerksstandort auf die Welle einwirken, zu ermitteln.

2.4.3.9 Belastungsansätze

Ansätze zur Ermittlung des Wellendrucks auf senkrechte Uferwände für am Bau-werk reflektierte Wellen, am Bauwerk brechende Wellen sowie für bereits gebro-chene Wellen sind in der E 135 der EAU, 1997, aufgeführt. In der Empfehlung E 159 sind die Ansätze zur Ermittlung des Wellendrucks auf Pfahlbauwerke zu-sammengestellt. Belastungsansätze zur Bemessung von Wellenbrechern enthält Abschn. 8.

2.4.4 Strömungen

2.4.4.1 Einführung

Der Bau von Hafenanlagen stellt einen Eingriff in die im Planungsgebiet herr-schenden Strömungsverhältnisse dar, die den Sedimenthaushalt des Küstenab-schnitts oder die Schwebstoffdynamik in einem Ästuar- oder Küstenbereich bestimmen. Zur Beurteilung dieser Eingriffe müssen Kenntnisse über den „Istzustand“ vorliegen.

Die Strömungen im Küstenvorfeld und in den Flussmündungen sind äußerst kompliziert, da sich zahlreiche Einflüsse überlagern. Die Gezeitenschwingung der freien See geht z.B. über in ein Schwingungssystem, das von der Form und den Abflussmengen der weit ins Binnenland reichenden Tideflüsse abhängt. Beim 1 Es wird noch auf die Empfehlungen der EAU, 1997, verwiesen, da die neue EAU bis zur

Drucklegung dieses Buches nicht eingeführt war.


Eintritt des Flusswassers in das salzhaltige Meerwasser entstehen sehr ausgeprägte Dichteströmungen, die sich den Tideströmungen überlagern. Der Wind wirkt sich unmittelbar (Erzeugung von Driftströmungen, Orbital- und Brandungsströmungen) und mittelbar (Gezeitenveränderung durch Windstau) auf die Strömungsvorgänge aus. Zu allem kommt die charakteristische, stark geformte topographische Struktur mit ihren verzweigten Rinnensystemen, Sandbänken und Barren, die nicht ohne Einfluss auf die Strömungen bleibt [EAK, 2002].

Das Zusammenwirken der Strömungen ist theoretisch (durch Lösung der hydro-dynamischen Differentialgleichungen) oder durch Modellversuche nicht hinrei-chend genau zu erfassen. Um zu quantitativen Ergebnissen zu gelangen, d.h. die Strömungen eines bestimmten Punktes nach Stärke, Richtung und zeitlichem Ab-lauf genau anzugeben, bleibt nur der Weg der unmittelbaren Beobachtung. Aller-dings bestehen auch hierbei Schwierigkeiten. Neben den rein messtechnischen Problemen ist jede Messung oder Beobachtung wegen der örtlich und zeitlich stark veränderlichen Bewegungsgrößen nur in begrenztem Umfang repräsentativ. Das bedeutet, dass an möglichst vielen Messstationen möglichst viele Messungen über einen möglichst langen Zeitraum durchgeführt werden müssten, um ein genaues und vollständiges Bild aller Vorgänge zu erhalten.

Die Strömungen im küstennahen Raum werden folgenden Gruppen zugeordnet:

1. astronomisch bedingte Tideströmungen 2. Dichtströmungen in Tideflüssen 3. seegangserzeugte Strömungen 4. Driftströmungen

Über die nachfolgende kurze Einführung hinaus wird auf die EAK, 2002, ver-wiesen.

2.4.4.2 Tideströmungen

Die Gezeitenkräfte erzeugen periodische Wasserbewegungen und somit keine großräumigen Wasserversetzungen. Die Tideströmungen, Flut- und Ebbestrom, verlaufen in Deutschland entlang der Insel- und Wattenküste etwa parallel zur Küste. Vor den Ostfriesischen Inseln ergibt sich ein ostwärts gerichteter Reststrom (Differenz von Flut- und Ebbestromweg) und vor den Nordfriesischen Inseln ein nordwärts gerichteter. In den Mündungstrichtern von Ems, Jade, Weser und Elbe werden die Stromrichtungen durch Ein- und Ausstrom von Flut- und Ebbe-wassermengen bestimmt. Im Wattgebiet ergeben sich die Stromrichtungen aus dessen Topographie mit Inseln und Wattrinnen [EAK, 2002].

Die Geschwindigkeit der Gezeitenströmung erreicht bei normalen Tideverhält-nissen bis zu 0,6 m/s an den offenen Küsten der Deutschen Bucht, bis zu 2 m/s in den Stromrinnen des Wattenmeeres und bis zu 3 m/s in den Flussmündungen, wobei die Geschwindigkeiten bei Spring- und Nipptide um ca. 20 % von den mitt-leren Geschwindigkeiten abweichen können. Auch die maximalen Geschwindig-keiten der Flut- und Ebbeströmung können erhebliche Unterschiede aufweisen [Oumeraci, 2001].


2.4.4.3 Dichteströmungen

Im Brackwassergebiet der Tideströme führen die unterschiedlichen Dichten des Meerwassers und des Süßwassers dazu, dass das schwerere Meerwasser zu Beginn der Flut zuerst am Boden als Unterströmung einfließt, während sich das leichtere Süßwasser oben noch seewärts bewegt. Zu Beginn der Ebbe setzt der Ebbestrom zunächst an der Oberfläche ein. Diese Erscheinung führt zu wesentlich stärkerer Sohlströmung bei Flut als bei Ebbe und somit ggf. zu einem flussaufwärts gerichte-ten Sedimenttransport [EAK, 2002].

Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Meer- und Süßwasser kommt es zu Ausgleichsströmungen, d.h., dass über die gesamte Wassertiefe Mischvorgänge stattfinden, die durch Walzenströmungen mit quer zur Tideströmung gerichteten horizontalen Achsen begleitet werden. In diesem auch als Trübungszone bezeich-neten Gebiet treten die höchsten Schwebstoffkonzentrationen eines Tideästuars auf [EAK, 2002].

Strömt bei Flut salzhaltiges Wasser an einer seitlichen Erweiterung (Hafen oder Schleusenvorhafen) mit geringerem Salzgehalt vorbei, treten ebenfalls Dichteaus-gleichsströmungen auf. Dadurch, dass diese Strömungen vom Gewässer zur seitli-chen Abzweigung hin gerichtet sind und sohlnah auftreten, werden auch die an der Gewässersohle vorherrschenden hohen Schwebstoffkonzentrationen in die seitli-chen Erweiterungen eingetragen. Diese Vorgänge sind die Hauptursache für die extrem hohen Verschlickungsraten in Hafenbecken und Schleusenvorhäfen inner-halb der Brackwasserzone. Der Dichteffekt wird von dem tidebedingt stattfinden-den Eintrag in das Hafenbecken sowie dem Strömungseffekt überlagert, wodurch der Sedimenteintrag noch verstärkt wird (s. Abschn. 5.1.1).

2.4.4.4 Seegangserzeugte Strömungen

Seegangserzeugte Strömungen können im Brandungsbereich sehr groß werden. Sie haben vor allem Einfluss auf die Materialumlagerung am unbefestigten Ufer und vor Schutzwerken. Zu den durch Wellen erzeugten Strömungen im küstennahen Gebiet zählen:

1. die Strömungen unter Wellen (wurden bereits im Abschn. 2.4.3.2 erläutert) 2. die sohlennahe Rückströmung 3. die Brandungsströmung 4. die Rippströmung

Die sohlennahe Rückströmung entsteht als Ergebnis des Brandungsstaus (Bild 2.25), der als Höhenunterschied zwischen dem Ruhewasserspiegel (ohne Seegang) und dem mittleren Wasserspiegel mit Seegang definiert ist. Die an der Sohle ent-stehende seewärts gerichtete Rückströmung trägt wesentlich zur Riffbildung in der Brandungszone bei.


Bild 2.25 Sohlnahe Rückströmung [nach Oumeraci, 2001]

Uferparallele Brandungsströmungen (Bild 2.26) treten auf, wenn Wellen schräg auf die Küste treffen. Die Brandungsströmung spielt eine entscheidende Rolle für den Sedimenttransport längs der Küste (Küstenlängstransport).

Die mittlere küstenparallele Geschwindigkeit 1v in m/s kann für Küstenab-schnitte mit gleichförmiger Strandneigung näherungsweise wie folgt bestimmt werden [Oumeraci, 2001]:

)2sin()(585,0 2/11 bbHgv (2.16)

mit : Hb = Brecherhöhe in m b = Winkel zwischen der Küstennormalen und der Wellenorthogona-

len an der Brecherlinie in °

Obwohl die obige Gleichung die bislang beste Näherung darstellt, können die damit errechneten Werte um 50 % von den in der Natur auftretenden Werten ab-weichen [EAK, 2002].

Bild 2.26 Brandungsströmung [nach Oumeraci, 2001]


Rippströmungen (Bild 2.27) gehören zu den am wenigsten erforschten Strö-mungen, so dass keine Ansätze für ihre Berechnung vorliegen. Rippströmungen entstehen infolge der Wellentransformation im Flachwasser, die zu einem land-wärts gerichteten Massentransport und zu einem Anstieg des mittleren Wasser-spiegels an der Küstenlinie führt. Da dieser Stau nicht unendlich anwachsen kann, fließen die Wassermassen aus Kontinuitätsgründen seitlich und durch die Bran-dungszone zurück. Diese Rippströme können sich bis über 1 km seewärts der Bre-cherlinie erstrecken und mehrere m/s betragen. Sie treten vorwiegend bei küstenpa-rallelem oder nahezu küstenparallelem Wellenangriff und relativ flachen Strand-neigungen auf und sind besonders an Badestränden gefürchtet.

Rippströmungen können das Brechverhalten der einlaufenden Wellen maßge-bend beeinflussen.

Bild 2.27 Rippströmung [nach Oumeraci, 2001]

2.4.4.5 Driftströmungen

Unter Driftströmungen werden die Abweichungen vom normalen Verlauf der Ge-zeitenströmung verstanden, die unter Windeinfluss entstehen. Diese Störungen im Strömungsverlauf wirken sich vor allem im Wattenmeer aus, in dem die Tideströ-mungen von geringer Intensität sind.

An der deutschen Küste erreichen die Stromgeschwindigkeiten während norma-ler Flut und Ebbe außerhalb des Wattengebietes bis zu 0,5 m/s, in den Tideströmen und Wattrinnen bis zu 1,5 m/s. Während Sturmfluten wurden auf dem Watt Ge-schwindigkeiten bis zu 1,5 m/s, in engen Strombereichen - besonders in den Seega-ten zwischen den Inseln - bis zu 2,5 m/s gemessen.

2.4.5 Küstennaher Sedimenttransport

2.4.5.1 Einführung

Jeder im Küstenbereich liegende Hafen beeinflusst den natürlichen Sedimenttrans-port und verursacht somit morphologische Veränderungen im Grundriss (Küstenli-


nie) und im Querschnitt (Strandprofil). Auf die damit verbundene Problematik der Verlandung und Erosion wurde bereits im Abschn. 2.3.4 eingegangen.

Für eine ausführliche Darstellung der Sedimentbewegung im Küstenbereich wird auf die EAK, 2002, verwiesen. Basierend auf dieser Quelle sowie der EAK,1993, wird nachfolgend nur ein Überblick über die Transportvorgänge gegeben, um den Hafenbauer auf die Wichtigkeit dieser Einflussgröße für seine Entwurfsbe-arbeitung aufmerksam zu machen.

Die im Küstenbereich transportierte Sedimentmenge setzt sich aus zwei Antei-len,

- der Suspensionsfracht (suspended load) und

- der Bodenfracht (bed load)

zusammen. Gewöhnlich beträgt die Suspensionsfracht mehr als 90 % der Gesamt-fracht, sie kann aber bei schwachem Seegang fast auf Null zurückgehen. Der sohl-nahe Transport, die Bodenfracht, findet auf der Sohle und dicht darüber in rollen-den oder springenden Bewegungsformen statt.

Zur Erfassung des küstennahen Sedimenttransports ist es zweckmäßig, den ge-samten Transport aufzuteilen in:

- Küstenquertransport (on-/offshore transport) und

- Küstenlängstransport (longshore transport)

Der küstennormale und der küstenparallele Sedimenttransport finden vorwie-gend in der Brandungszone statt. Während der Küstenquertransport kurzfristige morphologische Umlagerungen von Sedimenten verursacht, bewirkt der Küsten-längstransport die langfristigen morphologischen Veränderungen an der Küste.

2.4.5.2 Mobilisierung der Sedimente

Außerhalb der Brandungszone ist es die oszillierende Orbitalgeschwindigkeit der Welle, die in Tidemeeren in Überlagerung mit den Tideströmungen zu einer insta-tionären Strömung über der Sandsohle führt. Diese Strömung erzeugt eine Schub-spannung (=Schleppspannung), die auf die Sandkörner in der Grenzschicht Sand/Wasser wirkt. Ist die sog. kritische Schubspannung erreicht, werden einzelne Körner aus der Sohle gelöst und mit der Strömung hin und her bewegt. Eine weite-re Steigerung der Strömung bzw. Schubspannung führt dann zu Turbulenzen und zu einer Riffelstruktur an der Sohle. Durch die erhöhten Turbulenzen werden wei-tere Sedimente aus der Sohle gelöst und in höhere Wasserschichten, etwa in den Dezimeterbereich über der Sohle, getragen und mit der Strömung transportiert. Wird die Strömungsgeschwindigkeit noch weiter erhöht, flacht die Riffelstruktur des Sandbodens ab, und bei Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1,0 m/s und mehr können sog. Sheet-Flow- (Schichtenströmungs-) Bedingun-gen auftreten. Der Sedimenttransport als Sheet-Flow geschieht ausschließlich in einer wenige cm starken Schicht hoher Sedimentkonzentration über der Sohle.

Zur Ermittlung der kritischen Schubspannung oder der damit einhergehenden kritischen Geschwindigkeit gibt es viele Ansätze, die durch empirische Beziehun-


gen zwischen Korngröße, Wellenhöhe, Wellenperiode und Wassertiefe ausge-drückt werden. Als Beispiel wird der Ansatz von Komar u. Miller, 1974, wieder-gegeben, mit dem näherungsweise die kritische Sohlgeschwindigkeit für den Be-wegungsbeginn us,krit für Quarzsand im Seewasser bei 15°C und Korngrößen D50 < 0,5 mm ermittelt werden kann:

3/12, )(337,0 DTgu krits (2.17)

mit: g = Erdbescheunigung in m/s2

D = Korngröße in m T = Wellenperiode in s

Wird das Korngerüst durch Schleimablagerungen, Fadenalgen etc. verfestigt, so können die kritischen Sohlgeschwindigkeiten auf den zehnfachen Wert ansteigen.

Innerhalb der Brandungszone dominiert die durch brechende Wellen erzeugte Turbulenzintensität gegenüber den Orbitalströmungen an der Sohle als mobilisie-rendes Element. In den hochturbulenten Zuständen unter brechenden Wellen, ins-besondere bei Sturzbrechern, kann das Sediment unabhängig von der Korngröße und der Kornzusammensetzung bis an die Wasseroberfläche aufgewirbelt werden. Unter diesen extremen Turbulenzverhältnissen ist eine Berechnung des Transports über die Schubspannungsverhältnisse unzureichend. Neuere Ansätze berücksichti-gen den funktionalen Zusammenhang zwischen Wellenenergieumwandlung und Sedimentkonzentrationsverteilung in der Brandungszone, s. z.B. EAK, 2002.

2.4.5.3 Sedimenttransportberechnungen

Der Sedimenttransport wird gegenwärtig größtenteils mit numerischen Modellen berechnet, bei denen immer noch eine Fehlerspanne von 50 % bis 200 % realistisch ist.

Zur Berechnung des Sedimenttransportes liegt eine Vielzahl von Formeln vor, die alle empirisch ermittelt wurden und aufgrund der Komplexität der Problematik nach wie vor lediglich eine grobe Abschätzung der Transportraten erlauben. Bei ihrer Übertragung auf andere Küsten ist zu prüfen, inwieweit vergleichbare Vor-aussetzungen gegeben sind. Zu den in der Ingenieurpraxis weltweit am häufigsten angewendeten Transportformeln gehört die sog. CERC-Formel für den Küsten-längstransport, die im SPM, 2001, in der EAK, 2002 sowie in Oumeraci, 2001, zitiert wird.

2.4.5.4 Küstenquertransport

An einer geradlinigen Küste bewirkt ein senkrecht anlaufender Seegang einen Netto- Wassertransport (Differenz zwischen den Mengen, die in wechselnde Rich-tungen bewegt werden) zur Küste hin. Es entsteht der sog. Brandungsstau (wave set-up), der zusätzlich bei Starkwind- und Sturmflutwetterlagen noch um den Windstau (wind set-up) vergrößert werden kann.

Die Küste stellt eine Barriere dar, an der sich die in Bewegung befindende Was-sermasse aufstaut. Die Neigung des Wasserspiegels in der Brandungszone führt zu


einer seewärts gerichteten Strömung, die mit der ankommenden Strömung im Gleichgewicht steht. Die ankommende Strömung verläuft nahe der Wasseroberflä-che und die zurücklaufende im unteren Teil des Wasserkörpers (Bild 2.25).

Bei einer konstanten Wasserspiegellage und gleich bleibenden Seegangsbedin-gungen würde sich langfristig ein Unterwasserprofil ausbilden, das mit dem See-gang im Gleichgewicht steht und lagestabil bleibt, solange sich die Seegangscha-rakteristik nicht ändert. An einer natürlichen Tideküste verhindern aber die Gezei-ten und täglich sowie jahreszeitlich schwankende Seegangsverhältnisse den Auf-bau eines Gleichgewichtsprofils. Das Strandprofil reagiert jedoch auf jede Verän-derung des Seegangs, indem es ständig versucht, sich in ein Gleichgewichtsprofil umzuformen. Daraus resultiert eine pendelnde küstennormale Sedimentbewegung im Unterwasserstrandbereich.

Der zur Küste hin gerichtete Transport ist vorwiegend mit langen, verhältnismä-ßig flachen Wellen verbunden (z.B. Dünung). Der seewärts gerichtete Transport tritt überwiegend bei kurzen steilen Wellen auf und führt zur Stranderosion.

Ein mit einem Seegang nicht im Gleichgewicht stehendes Profil (Außergleich-gewichtsprofil) wird im oberen Bereich relativ schnell erodiert. Das im Unterwas-serbereich abgelagerte Sediment führt zu einer Abflachung des Profils; im gleichen Maße erstreckt sich die Umwandlung der Seegangsenergie über einen größeren Bereich, d.h. der Energieeintrag je Flächeneinheit auf die Sohle wird vermindert und entsprechend auch die Erosionsrate. Diese nimmt exponentiell ab und tendiert bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes gegen Null.

2.4.5.5 Küstenlängstransport

Sobald die Wellenanlaufrichtung von der Küstennormalen abweicht, entsteht eine küstenparallele Kraftkomponente, die eine küstenparallele Strömung erzeugt. Das Sediment, das mit dieser Strömung transportiert wird, ergibt den Küstenlängs-transport. Wellenerzeugte küstenparallele Strömungen können durch tidebedingte küstenparallele Strömungen überlagert werden. Ebenso kann bei senkrechtem Wellenangriff auch die Tideströmung allein einen Küstenlängstransport bewirken.

Die Auswirkungen auf morphologische Veränderungen einer Küste durch den küstenparallelen Sandtransport hängen entscheidend davon ab, ob es sich bei der Betrachtung der Küste als eine physiographische Einheit um ein

– geschlossenes Sandsystem oder um ein – offenes Sandsystem

handelt. Bei einem offenen System (ohne Endfestpunkte) wird der Sand, der durch den

küstenparallelen Transport an die Enden des Küstenabschnittes gelangt, aus dem System heraustransportiert. Ein solches System stellt z.B. auch die Insel Sylt dar. Der mobilisierte Sand, der die Inselenden erreicht, gelangt von dort in die Hauptti-derinnen und geht damit der Westküste vor Sylt fast vollständig verloren. Durch die Orientierung der Haupttiderinnen wird der Sand nach Norden bzw. Süden ver-frachtet und kommt den Nachbarinseln Rømø und Amrum zugute. Der küstenpa-rallele Sandtransport kann beträchtliche Größen annehmen. Der Substanzverlust


der Insel erreicht im langjährigen Mittel 1,0 bis 1,5 Mio. m3 pro Jahr, wovon etwa ein Drittel nach Süden und zwei Drittel nach Norden transportiert werden.

Ein geschlossenes Sandsystem wird durch einen Küstenabschnitt repräsentiert, der durch das Vorhandensein von Festpunkten an seinen Enden (Endbarrieren) vor einem Sandverlust aus dem System geschützt wird. Dies ist von sog. Halbmond-buchten bekannt, bei denen die Sandbewegung durch natürliche Felshalbinseln begrenzt wird. Die Festpunkte werden auch als Headlands oder als Inselberg be-zeichnet und können sehr weit auseinander liegen. Innerhalb dieser Buchten pen-delt der Sand je nach vorherrschenden Seegangsverhältnissen hin und her, es geht jedoch kaum Sand aus dem System verloren.

2.4.6 Eis

Ausführliche Informationen über den Einfluss von Eis auf den funktionellen und konstruktiven Entwurf eines Hafens werden in Tsinker, 1997, und insbesondere in Tsinker, 1995, gegeben. Die EAK, 2002, gibt eine Übersicht über die Eisbildung und Arten von Eis sowie Eisfestigkeiten. In der E 177 der EAU, 19971, sind Be-rechnungsansätze für Eislasten auf Ufereinfassungen, auf lotrechte und geneigte Pfähle von Pfahlbauwerken, die vertikalen Eislasten bei steigendem oder fallendem Wasserspiegel sowie Werte zur Berücksichtigung der Eisauflast angegeben.

Eis kann die Schiffbarkeit der Hafenzu- und –einfahrten einschränken oder temporär sogar verhindern. Der Einsatz von Eisbrechern beschleunigt die Bildung von Packeis nach der Schiffspassage. Im Hafen selbst muss eine ausreichende Fläche eisfrei gehalten werden, um den Schiffen den erforderlichen Manövrier-raum zu gewährleisten. In Schleusen sind Sprudelanlagen zu installieren, damit die Tore funktionsfähig bleiben. Darüber hinaus muss das Eis von den Liegeplätzen entfernt oder ferngehalten werden, um den Schiffen ein sicheres Anlegen zu ermöglichen. Außerdem sind die Belastungen der Schifffahrtszeichen sowie der Fender etc. infolge Eis bei den Entwürfen von Hafenanlagen an Eis gefährdeten Standorten zu berücksichtigen.

Bild 2.28 zeigt die möglichen Eisbelastungen einer Pierkonstruktion. Die Kraft FG repräsentiert die Gewichtskraft des auf der Pieranlage gebildeten Eises. Wind oder Strömungen können Eisschollen gegen das Bauwerk drücken oder das Eis kann sich Temperatur bedingt ausdehnen. Diese Effekte werden durch die angrei-fende Kraft FH repräsentiert. Darüber hinaus kann eine dynamische Belastung F1

durch das Auftreffen von Eisschollen oder kleinen Eisbergen auf das Bauwerk entstehen. Wasserstandsänderungen im Hafen und damit einhergehende Auf- und Abwärtsbewegung des Eises können Abrasionserscheinungen an der Konstruktion verursachen. Eisadhäsion an den Pfählen einer Liegeplatzkonstruktion verursacht die Kraft FU. Und nicht zuletzt kann durch das zwischen den Pfählen gefangene Eis eine weitere Vertikalkraft, hier FV genannt, das Bauwerk belasten.

1 Es wird noch auf die Empfehlungen der EAU, 1997, verwiesen, da die neue EAU bis zur

Drucklegung dieses Buches nicht eingeführt war.


Bild 2.28 Eisbelastung einer Pierkonstruktion [nach Gaythwaite, 1981]

Die obere Grenze der Eisdruckbelastung von Bauwerken wird durch die Festig-keit des Eises in dem entsprechenden Spannungszustand bestimmt. In der Tabelle 2.4 sind die einaxialen Festigkeiten für Frischwassereis und für Meerwassereis bei 0°C gegenübergestellt.

Tabelle 2.4 Festigkeiten von Frischwasser- und Meerwassereis bei 0°C [EAK, 2002]

Art der Festigkeit Frischwassereis [MN/m2] Meerwassereis [MN/m2]

Druck 3,5 – 4,0 1,2 – 1,5

Zug (senkrecht zur Eisober-fläche)

1,5 0,8 – 1,0

Zug (parallel zur Eisober-fläche)

0,8 0,3 – 0,5

Scheren 1,5 0,4 – 0,6

Biegung 0,8 0,4

Mit sinkender Temperatur des Eises steigt die Druckfestigkeit stark an, und zwar um 450 kN/m2 je Grad C für Frischwassereis und um 250 kN/m2 je Grad C für Meerwasser. Mit zunehmendem Salzgehalt bzw. Salzlaugenvolumen nimmt die Festigkeit des Meerwassereises jedoch ab. In der EAK, 2002, ist ein Ansatz zur Bestimmung der Druckfestigkeit in Abhängigkeit von dem Salzlaugenvolumen im Eis gegeben. Die Zugfestigkeit des Eises hängt im starken Maße von der Belas-


tungsrichtung ab. Das Eis ist zwei- bis dreimal so fest, wenn es senkrecht zur Ober-fläche, d.h. parallel zur Wachstumsrichtung belastet wird.

Wichtig für die Berechnung des Treibeisdruckes auf Bauwerke ist die Kenntnis der örtlich möglichen Eisdickenwerte entsprechend den klimatischen und hydrauli-schen Gegebenheiten. Im Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie liegen die an zahlreichen Orten der Ostseeküste (seit 1879) und Nordseeküste (seit 1897) angestellten Eisbeobachtungen gesammelt vor. Für die Berechnung des Eisdruckes sind in der Tabelle 2.5 die überwiegend in vier extrem starken Eiswintern beobach-teten maximalen Dicken des ebenen Eises in Zentimetern angegeben.

Tabelle 2.5 Maximale Eisdicken an der Nord- und Ostseeküste [EAK, 2002]

Nordseeküste Ostseeküste

Ort Eisdicke [cm] Ort Eisdicke [cm]

Eiderdamm 70 Nord-Ostsee-Kanal 45

übriges nordfriesi-sches Wattengebiet

50-60 Förden 50

Helgoland 50 Wismarbucht 70

Neuwerk, Elbe 60 Greifswalder Bod-den

70

Wilhelmshaven,Tankerlöschbrücke

60 Außenküste: Laboebis Insel Als

In einem breiten Gürtel kam bis zu 1 m dickes kom-paktes Eis vor.

Hohe Weg Leucht-turm

60 Nordküste bis Feh-marn

50-70

ostfriesisches Wat-tengebiet

50 Schönberg bis Sta-berhuk

50-70

Swinemünde bisSaßnitz

50-70

In der Ostsee betrug die maximale Dicke des ebenen Eises westlich der Linie Mön-Hiddensee 50-70 cm, östlich dieser Linie 40-50 cm. Durch starke Winde und die Wasserströmung wird das Eis aufgebrochen und zusammen geschoben. Die entstehenden Presseisrücken hatten in der Kieler und Lübecker Bucht sowie im Fehmarnbelt eine max. Höhe von 4 m über der Wasseroberfläche und in der Meck-lenburger Bucht von 3 m. Es ist nicht bekannt, bis zu welchem Ausmaß die aufein-ander geschichteten Eisschollen zusammen gefroren waren. Diese Kenntnis ist aber für Offshore-Anlagen sehr wichtig.


2.5 Belastungen aus dem Hafenbetrieb

2.5.1 Belastungen durch Schiffe

2.5.1.1 Belastungen beim Anlegen des Schiffes

Bei der Bemessung eines Kai- oder Pierbauwerkes oder eines Dalbens sind die aus dem anlegenden Schiff auf das Bauwerk einwirkenden Belastungen zu berücksich-tigen. Gemäß E 38 der EAU, 1997, ist es nicht erforderlich, Havariestöße bei der konstruktiven Bemessung zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung der üblichen Anlegedrücke wird als ausreichend angesehen. Die Größe der Anlegedrücke richtet sich nach

– den Schiffsabmessungen

– der Anlegegeschwindigkeit

– der Fenderung und

– der Verformung von Schiffswand und Bauwerk

Hinweise zur Berücksichtigung des Anlegedrucks an Ufermauern sowie zur Größe der Anlegegeschwindigkeiten enthalten die E 38 und E 40 der EAU, 1997.

Zur Berechnung von Fenderungen und Dalben ist es erforderlich, die auftreten-den Stoßkräfte sowie das Arbeitsvermögen der Fender und Dalben zu bestimmen. Ansätze hierzu sind u.a. in den Empfehlungen E 111 und E 128 der EAU, 1997,und in Tsinker, 1997, aufgeführt.

2.5.1.2 Belastungen aus dem festgemachten Schiff

Ein vertäutes=festgemachtes Schiff ist diversen äußeren Einwirkungen ausgesetzt. Die geometrischen und physikalischen Eigenschaften des „Trossen-Fender-Systems“ spielen eine wesentliche Rolle für die Reaktion des Schiffes auf diese Einwirkungen. Ziel sollte es sein, dass das festgemachte Schiff allen angreifenden Kräften widersteht und Schäden am Schiff oder Liegeplatz oder ein Brechen der Leinen verhindert wird. Daher ist die Kenntnis der auf das festgemachte Schiff wirkenden Kräfte erforderlich. Diese Kräfte werden verursacht durch

– Wind

– Strömung

– Seegang

– astronomische Tide (wechselnde Wasserstände)

– Resonanzerscheinungen infolge langperiodischer Wellen

– vorbeifahrende Schiffe

– Be- und Entladevorgänge

2.5 Belastungen aus dem Hafenbetrieb 59

Da ein Schiff möglichst ruhig an seinem Liegeplatz liegen soll, werden die Be-wegungen auf ein gewisses zulässiges Maß begrenzt (s. Tabelle 6.1 im Abschn. 6.2.3). Diesem Zweck dienen Hafenschutzbauwerke (Abschn. 8) sowie Trossen(=Leinen) und Festmacheeinrichtungen (Poller, Sliphaken usw., s. Abschn. 7.7). Durch die an Pollern oder Sliphaken festgemachten Trossen werden die Kräfte auf das Bauwerk übertragen.

In den meisten Seehäfen ist Wind die dominierende Kraftgröße, die bei der Pla-nung der Festmacheeinrichtungen zu berücksichtigen ist, s. hierzu E 153 der EAU, 1997. Liegen die Häfen an einem Fluss bzw. dessen Mündungsgebiet, kann die aus der Strömung resultierende Kraft die Größe der Trossenkräfte und die Festmache-einrichtungen bestimmen. In Häfen, die vor der Küste liegen, sind die aus Wind, Strömungen und Wellen resultierenden Kräfte in Betracht zu ziehen (s. Tsinker, 1997).

Die Gefährdung der Schiffe durch brechende Leinen stellt eine wesentliche Be-einträchtigung der Schutzfunktion eines Hafens dar. Im Schrifttum finden sich zahlreiche Hinweise, dass vor allem größere Schiffe gefährdet sind (z.B. Bowers, 1977).

Die Anordnung der Poller sowie die Größe der bei der Bemessung der Kaianla-ge anzusetzenden Trossenzuglast (=Pollerzuglast) sind in der E 12 der EAU, 1997,aufgeführt. Darüber hinaus sind auch hier die E 111 und E 128 zu berücksichtigen. Kohlhase, 1983, geht ausführlich auf die Probleme von Schiffsbewegungen beim Löschen und Laden, die Vermeidung möglicher Havarieschäden sowie auf die zulässigen Schiffsbewegungen im Hafen ein.

2.5.2 Belastungen durch Krane und andere Umschlaggeräte

Ein Kaikran, eine Containerbrücke oder ein Schiffsbe- oder -entlader werden in den meisten Fällen für den Betrieb auf einem bestimmten Terminal maßgeschnei-dert. Daher können die aus diesen Geräten entstehenden Belastungen nicht verall-gemeinernd in einer Richtlinie zusammengefasst werden, sondern müssen zwi-schen Entwurfsbearbeiter und Bauherren unter Berücksichtigung der Vorgaben des Herstellers der Umschlaggeräte und des Terminalbetreibers abgestimmt werden.

Anhaltswerte über die Belastungen durch Krane und andere Umschlaggeräte sind in der E 84 der EAU, 1997, zusammengestellt. Weitere Angaben über Hafen-krane enthalten die Empfehlungen des AHU sowie die VDI-Richtlinie 3576, 1995.

Die Funktionsweisen und Einsatzbereiche sowie die Vor- und Nachteile verschiedener Arten und Bauweisen von Umschlaggeräten werden im Abschn. 6 (Terminalgestaltung) dieses Buches ausführlich behandelt.

2.5.3 Belastungen durch Lagergut und Landverkehrsmittel

In der E 5 der EAU, 1997, sind die bei der Planung eines Hafenterminals anzuset-zenden lotrechten Nutzlasten, d.h. die anzusetzenden Auflasten aus Lagergut und die Belastungen durch die Landverkehrsmittel, zusammengestellt.


Auch hier gilt, dass sich der Entwurfsbearbeiter mit dem Bauherrn und dem Hersteller der Geräte über die anzusetzenden Lasten abstimmen muss.

Im Abschn. 6 (Terminalgestaltung) werden die auf den verschiedenen Termi-nalarten eingesetzten Flurfördergeräte vorgestellt.

seehäfen: planung und entwurf

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