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BAW

Merkblatt (Entwurf)

Schlauchwehre (MSW)

Teil A: Hydraulische Bemessung

Ausgabe 2023 – Entwurf (Stand: August 2023)

BAW-Merkblätter, -Empfehlungen und -Richtlinien

Herausgeber

Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Kußmaulstraße 17 76187 Karlsruhe

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Karlsruhe ∙ August 2023 ∙ ISSN 2192-5380

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Merkblatt (Entwurf): Schlauchwehre (MSW) – Teil A, Ausgabe 2023

Inhaltsverzeichnis Seite

1 Anwendungsbereich 1

2 Allgemeines 1 2.1 Fachausdrücke 1 2.2 Bezeichnungen und Formelzeichen 2

3 Querschnitt von Schlauchwehren 3 3.1 Allgemeines 3 3.2 Bemessungsinnendruck 3

4 Berechnung der hydraulischen Leistungsfähigkeit 5

5 Schwingungen 6 5.1 Ursachen und Vermeidung 6 5.2 Abhilfemaßnahmen 7

6 Literaturverzeichnis 8

Abbildungsverzeichnis Seite

Abbildung 1: Systemskizze eines wassergefüllten Schlauchwehrs mit außenliegenden Klemmschienen 2

Abbildung 2: Querschnitte eines wassergefüllten Schlauchwehrs für Innendruckkoeffizienten 1 s s 1,2 < α < 1,6 (vollständige Schlauchformen und ohne Freibord, d. h. h = h); x/h und y/h s sind über die Schlauchhöhe h s normierte Koordinaten 4

Abbildung 3: Effektive Überfallbreite bei einem Schlauchwehr 5

Abbildung 4: Überfallbeiwert für ein wassergefülltes Schlauchwehr (𝛼𝛼 =1,6) mit zwei Reihen von Störkörpern gemäß Abbildung 5 6

A Abbildung 5: Anordnung der Störkörper auf der Schlauchmembran (l - Länge der abgelegten Membran) 7

Abbildung 6: Abmessungen der Störkörper 8

Abbildung 7: Querschnitte eines wassergefüllten Schlauchwehrs: Beispiele für eine K B 2 vollkommene Schlauchform (l ≤ l , β = 0°) und eine unvollkommene K B 2 s s s Schlauchform (l > l , β > 0°); x/h und y/h sind über die Schlauchhöhe h normierte Koordinaten 10 Tabellenverzeichnis Seite

s s Tabelle 1: Umfangslänge l und Querschnittsfläche A eines wassergefüllten Schlauchwehrs in Abhängigkeit vom Innendruckkoeffizienten α 4

I

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Merkblatt (Entwurf): Schlauchwehre (MSW) – Teil A, Ausgabe 2023

Anlagenverzeichnis

Anlage 1: Erläuterungen zu den Vorgaben und Regelungen des Merkblattes 9

II

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1 Anwendungsbereich

(1) Der Teil A des BAWMerkblatts MSW enthält die Grundlagen für die hydraulische Bemessung von was- se rgefüllten Schlauchwehren an Binnenwasserstraßen und umfasst

a) Hinweise zur Dimensionierung des Querschnitts in Feldmitte,

b) Vorgaben zur hydraulischen Bemessung,

c) Anforderungen zur Vermeidung von Schwingungen. 2 Allgemeines

2.1 Fachausdrücke

Stauziel

S Das Stauziel Z ist die beim Regelbetrieb zulässige Wasserspiegelhöhe im Oberwasser (DIN 19700- 13:2019-06). Je nach Anforderung gibt es abfluss- und zeitabhängige Stauziele, die in der Regel planfestge- stellt sind, und die in den Verwaltungsvorschriften der Generaldirektion Wasserstraßen und Schifffahrt zur Abfluss- und Stauzielregelung (z.B. VV-GDWS Südwest 22-5) genauer spezifiziert werden. Stautoleranz

Die Wasserspiegelhöhe im Oberwasser kann in der Praxis nicht exakt auf dem Stauziel gehalten werden. Daher wird eine Stautoleranz vorgegeben, wie z. B. ±10-15 cm, innerhalb derer sich die Wasserspiegel- höhe bewegen darf. Die untere Toleranz wird häufig auch als Normalstau oder unterer Betriebswasser- stand bezeichnet, die obere Toleranz hingegen als Höchststau oder oberer Betriebswasserstand. Schlauchinnendruck

Die Druckhöhe im Schlauch ℎi =𝑝𝑝𝑖𝑖⁄(𝜌𝜌𝑤𝑤 𝑔𝑔) auf dem Niveau der Wehrschwelle mit 𝑝𝑝𝑖𝑖 = Schlauchinnen- druck [Pa]. Bei Systemen, die über das Prinzip der kommunizierenden Röhren von einem seitlich angeord- neten Regelschacht gesteuert werden, entspricht der Wasserstand im Regelschacht im Gleichgewichtszu- stand der Druckhöhe ℎi. Beim Füllvorgang ist die Druckhöhe im Schlauchinneren jedoch niedriger und beim Entleeren höher als die Druckhöhe im Regelschacht. Schlauchquerschnitt

Der Querschnitt eines Schlauchs wird maßgeblich bestimmt durch die Umfangslänge der Schlauchmemb- ran, den Abstand der Klemmschienen, die Klemmlänge, den Schlauchinnendruck und die Dehnung der Schlauchmembran. Einen untergeordneten Einfluss haben die Dicke und die Biegesteifigkeit der Memb- ran. Vollständige Schlauchform

Die unterwasserseitige Klemmschiene hat keinen Einfluss auf den Querschnitt, da der Schlauch teilweise β2 auf der Schwelle aufliegt. Die Schlauchmembran weist auf der Unterwasserseite eine horizontale Tangente auf ( = 0). Unvollständige Schlauchform

Die unterwasserseitige Klemmschiene beeinflusst den Querschnitt, da der Schlauch nicht bei allen Be- β2 triebszuständen unterwasserseitig auf der Schwelle aufliegt. Die Schlauchmembran bildet auf der Luft- seite mit der Horizontalen einen Winkel > 0.

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Störkörper

Störkörper verhindern Schwingungen, die durch eine instabile Strömungsablösung und den daraus resul- tierenden Druckschwankungen entstehen können. Die Ablösungen an den Störkörpern erhöhen die Tur- bulenz in der Strömung und führen zu einer Durchmischung der Druckschwankungen.

Abbildung 1: Systemskizze eines wassergefüllten Schlauchwehrs mit außenliegenden Klemmschienen

2.2 Bezeichnungen und Formelzeichen

Lateinische Buchstaben

𝑏𝑏 [m] Effektive Überfallbreite (entspricht näherungsweise der Wehrfeldbreite auf Höhe der Wehr- schwelle)

𝐶𝐶𝑑𝑑 [-] Überfallbeiwert für überströmte Wehre und Verschlüsse

𝑓𝑓 [m] Freibord an Stauanlagen, der als vertikaler Abstand zwischen der Krone des Absperrbauwerkes und dem höchsten Stauziel definiert ist, und sich aus den Bestandteilen Windstau, Wellenauflauf, ggf. Eisstau und einem Sicherheitszuschlag zusammensetzt (DIN 19700-13:2019-06)

𝑔𝑔 [m/s²] Gravitationsbeschleunigung der Erde

ℎi [m] Druckhöhe im Schlauchinneren auf dem Niveau der Wehrschwelle

ℎ1 [m] Höhe des anstehenden Oberwassers über dem Niveau der Wehrschwelle

2

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ℎ2 [m] Höhe des anstehenden Unterwassers über dem Niveau der Wehrschwelle

ℎs [m] Schlauchhöhe (vertikaler Abstand von der Wehrschwelle zum Scheitelpunkt des Querschnitts) in Feldmitte

ℎ [m] Überströmungshöhe mit ℎ= ℎ1−ℎ𝑠𝑠

𝑙𝑙B [m] Abstand von der oberwasserseitigen Klemmschiene zu der Stelle, an der die Schlauchmembran von der Wehrschwelle abhebt (Kontaktlänge)

𝑙𝑙K [m] Abstand der Klemmschienen (Ankerabstand)

𝑙𝑙s [m] Umfangslänge der Schlauchmembran zwischen den Klemmschienen (Produktionslänge abzüglich Klemmlänge

𝑍𝑍s [m ü. NHN] Wasserstand im Oberwasser bei Stauziel Griechische Buchstaben

ℎ𝑖𝑖 𝛼𝛼 [-] Innendruckkoeffizient mit 𝛼𝛼 =ℎ1

β𝜌𝜌𝑊𝑊 2 [kg/m³] Dichte von Wasser

[°] Winkel, den die Schlauchmembran an der unterwasserseitigen Klemmschiene mit der horizonta- len Wehrschwelle bildet 3 Querschnitt von Schlauchwehren

3.1 Allgemeines

(1) Ein höherer hydrostatischer Wasserdruck ℎ1 führt bei den flexiblen Schlauchwehren, im Gegensatz zu Stahlwasserbauten, zu niedrigeren Verschlusshöhen ℎs und je nach Freibord auch zur Überströmung, wenn die Druckhöhe im Schlauchinneren ℎi konstant bleibt. Falls die Anforderungen dies nicht erlau- ben, muss für die Bemessung ein höherer Schlauchinnendruck angesetzt werden.

(2) Ein höherer hydrostatischer Wasserdruck ℎ2 führt zu geringfügig größeren Verschlusshöhen und kann bei der Querschnittsbemessung berücksichtigt werden. Hierbei ist der niedrigste Unterwasserstand anzusetzen (hydrostatischer Stau des Unterliegers). Für die Bemessung der Membran (BAW-MSW, Teil B) wirkt der Wasserdruck entlastend und wird vernachlässigt. 3.2 Bemessungsinnendruck

(1) Die erforderliche Höhe eines Schlauchverschlusses ℎs ergibt sich aus der erforderlichen Stauhöhe 𝑍𝑍s und einem Freibord 𝑓𝑓. Für die Einhaltung von 𝑍𝑍s wird üblicherweise eine untere und eine obere Stau- toleranz angegeben. Für die Bemessung ist die obere Stautoleranz anzusetzen (Abbildung 1).

(2) Die Druckhöhe im Schlauchinneren ℎ𝑖𝑖 muss höher sein als die Druckhöhe im Oberwasser ℎ1, um bei vorgegebenem Schlauchumfang eine erforderliche Schlauchhöhe ℎs zu erreichen (Bemessungsdruck- höhe).

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(3) Der Innendruckkoeffizient 𝛼𝛼 = ℎ𝑖𝑖⁄ℎ𝑠𝑠 muss in der ständigen Bemessungssituation (nicht überströmt) im Bereich 1,2 <𝛼𝛼 <1,6 liegen. In Abbildung 2 sind die entsprechenden dimensionslosen Quer- schnitte dargestellt und in Tabelle 1 die entsprechenden Querschnittswerte. Grundsätzlich ist eine vollständige Schlauchform β 2 auszubilden. Dies ist der Fall, wenn der Abstand der Klemmschienen 𝑙𝑙𝐾𝐾 kleiner oder gleich 𝑙𝑙𝐵𝐵 ist ( = 0).

Abbildung 2: Querschnitte eines wassergefüllten Schlauchwehrs für Innendruckkoeffizienten 1,2 < α < 1,6 (vollständige Schlauchformen und ohne Freibord, d. h. h1 = hs); x/hs und y/hs sind über die Schlauchhöhe hs normierte Koordinaten

Tabelle 1: Umfangslänge ls und Querschnittsfläche As eines wassergefüllten Schlauchwehrs in Abhän- gigkeit vom Innendruckkoeffizienten α

1,5 3,26 1,44

1,6 3,19 1,36

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4 Berechnung der hydraulischen Leistungsfähigkeit

(1) Die Berechnung für freien Abfluss (vollkommener Überfall) erfolgt – wie bei überströmten Wehren und Verschlüssen üblich – mit der Poleni-Formel: (4-1) 2 3�2 Q= ∙𝐶𝐶𝑑𝑑∙b∙�2g∙ℎ 3

Dabei ist:

𝐶𝐶𝑑𝑑 [-] Überfallbeiwert ℎ [m] Überfallhöhe = ℎ1−ℎ𝑠𝑠

𝑏𝑏 [m] Effektive Überfallbreite (entspricht näherungsweise der Wehrfeldbreite auf Höhe der Wehrschwelle)

(2) Als effektive Überfallbreite ist die Wehrfeldbreite auf Höhe der Wehrschwelle anzunehmen (Abbil- dung 2). Die Wangenneigung ist 3:1 oder flacher auszubilden.

(3) In Abbildung 4 ist der Überfallbeiwert 𝐶𝐶𝑑𝑑 in Abhängigkeit von der dimensionslosen Überfallhöhe ℎ (normiert über den Oberwasserstand ℎ1) dargestellt. Für die Abflussberechnung kann für einen In- nendruckkoeffizienten von 𝛼𝛼 =1,6 in guter Näherung (R² = 0,98) von folgendem Zusammenhang aus- gegangen werden: (4-2) 3 2 h h h 𝐶𝐶𝑑𝑑 =−8.04∙ � � +10.10∙ � � −3.59∙ +1.01 ℎ1 ℎ1 ℎ1

Abbildung 3: Effektive Überfallbreite bei einem Schlauchwehr

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Abbildung 4: Überfallbeiwert für ein wassergefülltes Schlauchwehr ( ) mit zwei Reih en von Stör- körpern gemäß Abbildung 5 𝛼𝛼 =1,6

5 Schwingungen

5.1 Ursachen und Vermeidung

(1) Aufgrund ihrer elastischen Struktur sind unregelmäßige Bewegungen der Schlauchmembran normal, Schlauchwehre sind aber grundsätzlich so auszubilden, dass der Betrieb über den gesamten Rege- lungsbereich so erfolgen kann, dass keine periodischen Bewegungen (Schwingungen) auftreten.

(2) Verschlussstellungen in dem in Gl. (5-1) angegebenen Bereich sind typisch für selbsterregte Schwin- gungen infolge von Strömungsinstabilitäten und in den seltensten Fällen durch betriebliche Maßnah- men (z. B. Wehrfahrplan) zu vermeiden. Daher sind konstruktive Maßnahmen erforderlich (s. Ab- schnitt 5.2). (5-1) 𝑠𝑠 ℎ 0,60 ≤ ≤0,70 1 ℎ

(3) Bei der Planung der Wehranlage ist darauf zu achten, dass die Anströmung möglichst gleichmäßig ist und die Schlauchwehre möglichst senkrecht angeströmt werden.

(4) Bei der geometrischen Ausbildung muss darauf geachtet werden, dass keine periodischen Ablösungen im Oberwasser (u. a. an Ufer, Sohle, Molen) oder am Bauwerk (u. a. an Wehrpfeiler, Wehrschwelle) auftreten.

(5) Schlauchwehre auf einer sohlgleichen Wehrschwelle sind zu vermeiden. Es wird empfohlen, eine Jam- bor-Schwelle mit einer anschließenden horizontalen Schwelle vorzusehen, deren Höhe unter Berück- sichtigung der Hochwasserneutralität ermittelt werden muss.

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(6) Die Punkte (3) bis (5) können die Ursache für fremderregte Schwingungen sein. Hierfür werden hyd- raulische Modelluntersuchungen empfohlen (s.a. DIN 19700-13:2019-06). 5.2 Abhilfemaßnahmen

(1) Modell- und Naturuntersuchungen haben gezeigt, dass Störkörper eine wirksame Abhilfemaßnahme gegen Schwingungen sind. Zur Vermeidung von Schwingungen sind mindestens zwei Reihen von Stör- körpern vorzusehen (Abbildung 5). lA aSK (2) Die erste Störkörperreihe muss bei 85%, die zweite bei 95% der abgelegten Schlauchmembran ( ) angeordnet werden (Abbildung 5). Der Achsabstand der Störkörper muss kleiner als 40% der Schlauchhöhe sein. hSK bSK

(3) Die Höhe der Störkörper (Abbildung 6) muss größer sein als 10% der Schlauchhöhe, die Breite größer sein als 10% der Schlauchhöhe. RSK bSK

(4) Die Form der Störkörper muss auf der Abströmungsseite scharfkantig ( < 0,05 ) sein (Abbil- dung 6).

(5) Die Grundplatte der Störkörper muss so elastisch sein, dass sie den Verformungen der Schlauchmemb- ran einen geringen Widerstand bietet.

(6) Bei Abweichungen von den geometrischen Vorgaben (z. B. bei 3-reihiger Störkörperanordnung) sind entsprechende Nachweise zur Schwingungsfreiheit durch Modell- oder Naturversuche vorzulegen.

(7) Das Gewicht der Störkörper hat keinen Einfluss auf die Querschnittsbemessung.

l A

Abbildung 5: Anordnung der Störkörper auf der Schlauchmembran (lA - Länge der abgelegten Mem bran)

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Abbildung 6: Abmessungen der Störkörper

6 Literaturverzeichnis

Gebhardt, M.; Kemnitz, B. (2007): Hydraulische Bemessung von Schlauchwehren. In: Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau (91), S. 47–56.

Gebhardt, M.; Nestmann, F.; Schweizerhof, K.; Kemnitz B. (2008): Grundlagen für die hydraulische und stati-sche Bemessung von wasser- und luftgefüllten Schlauchwehren. In: Wasserwirtschaft (3), S. 27–32.

DIN 19700-13:2019-06, 06/2019: Stauanlagen - Teil 13: Staustufen.

Watson, R. (1985): A note on the shapes of flexible dams. In: Journal de Recherches Hydrauliques 23 (2), S. 179–194.

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Anlage 1: Erläuterungen zu den Vorgaben und Regelungen des Merkblattes

Zu 1 Anwendungsbereich

Zu (1):

Aufgrund der gleichmäßigeren Überströmung und den damit verbundenen besseren Regelungseigen- schaften (gegenüber luftgefüllten) werden nur wassergefüllte Schlauchwehre für Wehranlagen an Binnen- wasserstraßen empfohlen. Das vorliegende Merkblatt ist ausschließlich für wassergefüllte Schlauchwehre gültig. Zu 3 Querschnitt von Schlauchwehren

Zu 3.1 Allgemeines

Zu (1):

Schlauchwehre sind flexible Strukturen und verändern im Gegensatz zu Stahlwasserbauten ihren Quer- schnitt in Abhängigkeit vom Schlauchinnendruck ℎi, der Überströmungshöhe ℎ und des anstehenden Un- terwasserstandes ℎ2. Neben Wasserstands- und Innendruckschwankungen können wind- oder schiffsin- duzierte Wellen, Sedimentablagerungen oder Eisdruck zu Verformungen der Schlauchwehrmembran füh- ren.

Zu (2):

Im nicht überströmten Zustand beeinflusst der Unterwasserstand ℎ2 die Bemessung. Der hydrostatische Wasserdruck bewirkt durch den Auftrieb eine geringfügig größere Verschlusshöhe und durch die Stützwirkung eine niedrigere Membrankraft (BAW-MSW, Teil B). Zu 3.2 Bemessungsinnendruck

Zu (1):

Der Freibord 𝑓𝑓 trägt den Schwankungen bei der Stauregelung und dem Überschwappen von Wellen (Eis- bildung) Rechnung und wird vom Betreiber festgelegt.

Zu (2):

Grundsätzlich gilt: Je höher der Bemessungsinnendruck, desto höher die resultierende Membrankraft (s. BAW-MSW, Teil B). Mit einem größeren Innendruck kann mit kürzerer Membranlänge die gleiche Schlauchhöhe erreicht werden.

Zu (3):

Die Querschnitte in Abbildung 2 werden nach Watson (1985) auch als vollständige Schlauchformen be- zeichnet. Sie treffen auf Schlauchkörper zu, bei denen die zweite Klemmschiene keinen Einfluss auf den Querschnitt hat, sodass dieser auf der Luftseite eine horizontale Tangente aufweist (Abbildung 7).

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Abbildung 7: Querschnitte eines wassergefüllten Schlauchwehrs: Beispiele für eine vollkommene Sc hlauch- form (lK ≤ lB, β2 = 0°) und eine unvollkommene Schlauchform (lK > lB, β2 > 0°); x/hs und y/hs sind über die Schlauchhöhe hs normierte Koordinaten

Zu 4 Berechnung der hydraulischen Leistungsfähigkeit

Zu (2):

Aufgrund des trapezförmigen Abflussquerschnitts eines Wehrfeldes verändert sich die Überfallbreite mit b steigendem Abfluss. Zusätzlichen Einfluss haben die seitliche Befestigung der Schlauchmembran und die dadurch entstehenden Falten. In akzeptabler Näherung kann für die Verschlussbreite auf Höhe der Wehrschwelle angenommen werden. Die Restungenauigkeit ist gering und im Überfallbeiwert C𝑑𝑑 enthal- ten. Bei Abweichungen (z. B. Wangenneigung, Bemessungsinnendruck) werden Modelluntersuchungen zur genaueren Bestimmung des Überfallbeiwertes empfohlen.

Zu (3):

Der Überfallbeiwert wurde im gegenständlichen Modell für zwei Reihen von Störkörpern, wie sie in Abbil- dung 5 und Abbildung 6 dargestellt sind, ermittelt. Anzahl und Geometrie der Störkörper beeinflussen den Überfallbeiwert, genauso wie die Wangenneigung und der Querschnittsentwurf (s. Abschnitt 3.2), d. h. das Verhältnis von Schlauchumfang, Abstand der Klemmschienen und Innendruck. Bei gleicher Schlauchhöhe können sich unterschiedliche Geometrien ergeben. Zu 5 Schwingungen

Zu 5.1 Ursachen und Vermeidung

Zu (1):

Als Schwingungen werden dauerhafte, periodisch auftretende Bewegungen bezeichnet. Bei einer periodi- schen Bewegung besitzt ein Körper nach gleichlangen Zeitabschnitten immer wieder den gleichen Bewe- gungszustand, d. h. den gleichen Ort, die gleiche Geschwindigkeit und die gleiche Beschleunigung.

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Bei Schlauchwehren haben diese Schwingungen Frequenzen von etwa 1 bis 2 Hz, bei denen sich die Schlauchmembran an der Betonoberfläche aufscheuern kann oder bei denen durch die dynamische Belas- tung die Ermüdungsfestigkeit der Membran oder die Tragfähigkeit der Klemmkonstruktion überschritten wird.

Schiffs- und windinduzierte Wellen können zwar zu einer Bewegung bzw. einer Verformung des Schlauch- querschnitts führen, eine Schwingungsanregung ist aber ausgeschlossen, da die anregenden Frequenzen sehr viel niedriger sind als die Eigenfrequenz des Schlauchwehrs. Grundsätzlich handelt es sich dabei um einen anderen Anregungsmechanismus (fremderregt) als den unter 5.1 (2) beschriebenen (selbsterregt).

Zu (2):

Die Schwingungen sind auf eine instabile Ablösung des Überfallstrahls und die dadurch resultierenden Druckschwankungen auf der Unterwasserseite des Schlauchkörpers zurückzuführen. Das Auftreten hängt maßgeblich von der Überströmungshöhe ab (Gebhardt und Kemnitz 2007; Gebhardt et al. 2008).

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