BAW-MSW_Teil_B_2019.pdf

BAW

Merkblatt

Schlauchwehre (MSW)

Teil B: Nachweis der Tragfähigkeit von Membranen

wassergefüllter Schlauchwehre an Binnenwasserstraßen

Ausgabe 2019

BAW-Merkblätter, -Empfehlungen und -Richtlinien

Herausgeber

Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Kußmaulstraße 17 76187 Karlsruhe

Postfach 21 02 53 76152 Karlsruhe

Tel.: 0721 9726-0 Fax: 0721 9726-4540

info@baw.de www.baw.de

Verfasser

Ralf Gurt, Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)

Übersetzung, Nachdruck – auch auszugsweise – nur mit Genehmigung des Herausgebers: © BAW 2019

Karlsruhe ∙ September 2019 ∙ ISSN 2192-5380

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

Inhaltsverzeichnis Seite

1 Vorbemerkung und Anwendungsbereich 1

2 Allgemeines 1 2.1 Fachausdrücke 1 2.2 Bezeichnungen und Formelzeichen 2

3 Nachweis der Schlauchmembran 3 3.1 Grundlagen und Ausgangsbasis 3 3.2 Bemessungswerte der Membranbeanspruchung 3 3.3 Bemessungswerte der Membrantragfähigkeit 6 3.4 Nachweis der Schlauchmembran im Grenzzustand der Tragfähigkeit 8

4 Nachweis der Klemmkonstruktion 8

5 Literaturverzeichnis 9

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Spannungskonzentrationsfaktoren für Schlauchwehrmembrane 4

Bildverzeichnis

Bild 1: Schnittplan einer Schlauchmembran 5

Bild 2: Skizze eines Schlauchwehrs im Schnitt 6

Bild 3: Skizzierter Ausschnitt eines Schnittplans (Bild 1) 12

Bild 4: Beispiel zur Bestimmung des Abminderungsfaktors 𝑓1 der Dauerstandfestigkeit für 30 Jahre 16

Bild 5: Beispiel zur Bestimmung des Abminderungsfaktors 𝑓2 der Alterung für 30 Jahre 17

Anlagenverzeichnis

Anlage 1: Erläuterungen zu den Vorgaben und Regelungen des Merkblattes 11

I

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

1 Vorbemerkung und Anwendungsbereich

(1) Der Teil B des Merkblatts gibt das Bemessungsprinzip für die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähig- keit (STR) von Schlauchwehrmembranen bis 3,5 m Schlauchhöhe für Wehranlagen an Binnenwasser- straßen vor. Unter Voraussetzung der Beteiligung der BAW kann das Merkblatt bis zu einer Verschlusshöhe von maximal 4,6 m entsprechend Tabelle 1 angewendet werden.

(2) In Anlage 1 sind informative Erläuterungen und Hinweise zu den einzelnen Abschnitten zusammenge- stellt, die bei der Anwendung dieses Teils des Merkblatts hilfreich sind.

(3) Die vorgestellten Nachweise gelten nur im Zusammenhang mit einer außen liegenden Klemmschiene (Schlauchmembranlagerung), siehe Bild 2. Für andere Auflagerkonstruktionen ist die Anwendbarkeit zu überprüfen. Die komplette Schlauchmembran ist mit einem konstanten Membranquerschnitt auszubil- den. Dies schließt eine Veränderung der Gewebeart, -anzahl oder –lage im Querschnitt sowie Verände- rungen des Elastomers über die komplette Membranfläche aus.

(4) Die Auswahl der Gewebe beschränkt sich auf Polyester und Polyamid.

(5) Die Anwendbarkeit des Merkblattes ist auf das Füllmedium Wasser beschränkt.

(6) Die geplante Nutzungsdauer der Schlauchmembran beträgt 30 Jahre.

(7) Abweichungen von diesem Merkblatt sind zulässig, wenn sie ausreichend begründet werden können oder neuere Erkenntnisse diese erfordern. Eine Zustimmung im Einzelfall ist dann erforderlich.

(8) Die nach diesem Merkblatt erfolgte Bewertung der Tragfähigkeit von Schlauchwehrmembranen ist nach dem „Vier-Augen-Prinzip“, in der Regel durch einen Prüfingenieur für Bautechnik, statisch und konstruk- tiv zu prüfen. 2 Allgemeines

2.1 Fachausdrücke

Gewebe

Das Gewebe wirkt als Festigkeitsträger und ist für den Lastabtrag verantwortlich. Kettrichtung

Fadenrichtung aus der Gewebeproduktion in Produktionsachse. Schlauchmembran

Als Schlauchmembran wird der konfektionierte Gewebe-Elastomer-Verbund bezeichnet. Schussrichtung

Fadenrichtung aus der Gewebeproduktion quer zur Produktionsachse.

1

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

2.2 Bezeichnungen und Formelzeichen

Lateinische Buchstaben

𝑑𝑠 äquivalente Gesamtdicke der Gewebe (aus numerischen Berechnungen)

𝑒 Exzentrizität der Gewebeeinlage im Elastomer

𝐸𝑑 Bemessungswert der Auswirkung der Einwirkungen

𝐸𝑑, 𝐾𝐾 breitenbezogene Prüfkraft für den Ausziehversuch

𝑓1 Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung der Dauerstandfestigkeit

𝑓2 Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung der Alterung

𝑔 Gravitationsbeschleunigung der Erde

ℎi Schlauchinnendruck auf der Wehrsohle

ℎO Höhe des anstehenden Oberwassers an Sohlniveau

ℎs Schlauchhöhe in Feldmitte

𝑅d Bemessungswert eines Widerstandes

𝑅k charakteristischer Wert eines Widerstandes

𝑅rel. relativer Wert eines Widerstandes

𝑆𝑆𝑆 Spannungskonzentrationsfaktor

𝑇k charakteristische, breitenbezogene Membrankraft im kontinuierlichen Bereich (Feldmitte)

𝑡 Zeit Griechische Buchstaben

ℎ𝑖 𝛼 Innendruckkoeffizient mit 𝛼 =ℎ𝑂

𝛾F Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungen

𝛾M,Kett Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im kontinuierlichen Bereich in Kettrichtung

𝛾M,Schuss Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im kontinuierlichen Bereich in Schussrichtung

𝛾M,Stoß Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im Stoßbereich

𝛾Kl,Prüf Teilsicherheitsbeiwert für die Prüfung der Auszugfestigkeit aus der Klemmkonstruktion

𝜉 Gesamtabminderungsfaktor zur Berücksichtigung von veränderten Materialeigenschaften

𝜌 Dichte

𝜎Ek charakteristische, bemessungsrelevante Spannung

2

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

3 Nachweis der Schlauchmembran

3.1 Grundlagen und Ausgangsbasis

(1) Es sind bei Schlauchwehranlagen im Zuständigkeitsbereich der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwal- tung mindestens zwei Gewebelagen im Regelquerschnitt in einer Elastomermatrix einzubetten. In Schussrichtung darf eine Gewebelage unterbrochen werden.

(2) Die Gewebestruktur erfordert einen getrennten Nachweis der Tragfähigkeit der Schlauchmembran in Kett- sowie in Schussrichtung. Es dürfen keine Vergleichsspannungen, wie die Von Mises, herangezogen werden.

(3) Die Kettfäden in Umfangsrichtung sind zwischen der oberwasserseitigen und der unterwasserseitigen Klemmschiene ohne Stoß auszubilden.

(4) Die Schussfäden der Schlauchmembran werden produktionsbedingt manuell gestoßen. Für den Stoßbe- reich ist ein gesonderter Nachweis der Tragfähigkeit zu führen. Stöße im Übergang von der Sohle zur Wange (𝑆𝑆𝑆2) sind nicht zulässig. Bei einem Mindestabstand des Stoßes (komplette Verbindungslänge) von 0,1 ℎs zur Ecke darf ein 𝑆𝑆𝑆4 =0,5 für den Nachweis des Stoßes in Schussrichtung angenommen werden, siehe Bild 3.

(5) Die Schlauchmembran ist im Regelfall von innen (zu Inspektionszwecken) nicht zugänglich.

(6) Durch geeignete Gegenmaßnahmen ist auszuschließen, dass das Schlauchwehr im überströmten oder im abgelegten Zustand in Schwingungen gerät. Hinweise dazu finden sich in Gebhardt (2010) und Gebhardt und Kemnitz (2007). 3.2 Bemessungswerte der Membranbeanspruchung

(1) Für Schlauchmembranen gelten für die Bemessungswerte der Auswirkungen:

𝜎Ek,𝑖 𝐸d,𝑖 = 𝛾F ⋅ = 𝛾F⋅𝑆𝑆𝑆𝑖 ∙𝑇k (3-1) 𝑑𝑠

Dabei ist

𝐸d,𝑖 Bemessungswerte der Auswirkung der Einwirkungen,

𝛾F Teilsicherheitsbeiwert für die Auswirkungen der Einwirkungen,

𝜎Ek,𝑖 charakteristische, bemessungsrelevante Spannung in Kett- und Schussrichtung,

𝑑s äquivalente Gesamtdicke der Gewebe (aus numerischen Berechnungen)

𝑆𝑆𝑆𝑖 Spannungskonzentrationsfaktoren,

𝑇k charakteristische, breitenbezogene Membrankraft im kontinuierlichen Bereich (Feldmitte).

Unterwasserseitiger Wasserdruck wirkt sich günstig auf die Bemessung aus. Dieser ist daher nicht zu be- rücksichtigen.

3

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

(2) Durch die Begrenzung des Innendrucks darf der Teilsicherheitsbeiwert in Anlehnung an (DIN 19704-1) und (DIN EN 1990) für ständige Einwirkungen 𝛾F =1,35 angesetzt werden.

(3) Die für die Bemessung relevanten Spannungen 𝜎Ek,𝑖 können aus numerischen Modellen ermittelt werden.

(4) Werden keine numerischen Gesamtmodelle aufgestellt, dürfen für mehrlagig bewehrte Schlauchmemb- ran die in Tabelle 1 angegebenen SCF-Werte angenommen werden. Es wird in Tabelle 1 ein Innendruck- koeffizient 𝛼 =1,60 vorausgesetzt. Die Bereiche für die Verwendung der Spannungskonzentrationsfaktoren sind in Bild 1 dargestellt. 𝑆𝑆𝑆1 beschreibt den gesamten Bereich der Auflagerschiene bis zum Übergang zwischen Sohle und Wange. Mit 𝑆𝑆𝑆2 werden die beiden Eckbereiche zwischen Sohle und Wange beschrieben. Spannungsüberhöhungen im Bereich der Falten entlang der Wange werden mit 𝑆𝑆𝑆3 abgedeckt. Für den kontinuierlichen Bereich (Feldmitte) und die Wange kann 𝑆𝑆𝑆4 verwendet werden. Tabelle 1: Spannungskonzentrationsfaktoren für Schlauchwehrmembrane 1)

Faltenbereich kontinuierlicher Auflagerbereich Eckbereich 3) (informativ) Bereich

≤ 4,60 1,75 entfällt 3,00 1,00 1,50 1,00 1,00 0,50 1) Die Randbedingungen unter der Tabelle 1 anwendbar ist, sind unter „Zu 3.2 Zu (4)“ aufgeführt. 2) Informativ, da im Vergleich zu 𝑆𝑆𝑆2 nicht bemessungsrelevant. 3) Außerhalb der diskontinuierlichen Bereiche (Auflager, Ecke und Falten)

4

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

Bild 1: Schnittplan einer Schlauchmembran mit Markierungen der Spannungskonzentrationsfaktoren – die Größe der Flächen variiert je nach Geometrie, Breite für beträgt , siehe auch Bild 3

𝑆𝑆𝑆2 0,2 ℎ𝑠

(5) Die charakteristische, breitenbezogene Membrankraft 𝑇k kann nach Gebhardt (2006) analytisch in Ab- hängigkeit der Schlauchhöhe bestimmt werden. Für einen wassergefüllten Schlauch im Einstauzustand ohne Unterwasser, bei dem die Schlauchmembran hinter der unterwasserseitigen Klemmschiene hori- zontal verläuft, siehe Bild 2, gilt:

1 2 𝑇k = (2 𝛼−1)⋅ 𝜌⋅ 𝑔⋅ ℎs (3-2) 4

Dabei ist

𝑇k charakteristische, breitenbezogene Membrankraft,

𝛼 Innendruckkoeffizient mit 𝛼 =ℎi/ℎO,

ℎi Schlauchinnendruck auf der Wehrsohle,

ℎO Höhe des anstehenden Oberwassers an Sohlniveau,

𝜌 Dichte von Wasser,

𝑔 Gravitationsbeschleunigung der Erde,

ℎs Schlauchhöhe in Feldmitte.

5

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

Bild 2: Skizze eines Schlauchwehrs im Schnitt mit Wasserdruckhöhen

3.3 Bemessungswerte der Membrantragfähigkeit

(1) Für Schlauchmembranen gelten folgende Bemessungswerte der Widerstände:

𝑅k,Kett 𝑅d,Kett = 𝜉 ⋅ (3-3) 𝛾M,Kett

𝑅k,Schuss 𝑅d,Schuss = 𝜉 ⋅ (3-4) 𝛾M,Schuss

𝑅k,Stoß 𝑅d,Stoß = 𝜉 ⋅ (3-5) 𝛾M,Stoß

Dabei ist

𝜉 Gesamtabminderungsfaktor zur Berücksichtigung von veränderten Materialeigenschaften zwischen dem Einbauzustand und dem Ende der geplanten Nutzungsdauer,

𝑅k,Kett charakteristischer Wert der Widerstände (Zugfestigkeit) in Kettrichtung,

𝑅k,Schuss charakteristischer Wert der Widerstände (Zugfestigkeit) in Schussrichtung,

𝑅k,Stoß charakteristischer Wert der Widerstände (Zugfestigkeit) im Stoßbereich,

6

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

𝛾M,Kett Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im kontinuierlichen Bereich in Kettrich- tung,

𝛾M,Schuss Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im kontinuierlichen Bereich in Schuss- richtung,

𝛾M,Stoß Teilsicherheitsbeiwert für den Bauteilwiderstand im Stoßbereich.

(2) Aufgrund der zeitlich veränderlichen Eigenschaften von Kunststoffen werden Abminderungsfaktoren eingeführt, die in einem Gesamtabminderungsfaktor 𝜉 zusammengefasst werden. Diese Abminderungs- faktoren orientieren sich an den Erfahrungswerten einer Vielzahl in Japan gebauter Anlagen (siehe (Mi- nistry of Land, Infrastructure and Transport, River Bureau 2000)) und ergeben den Gesamtab- minderungsfaktor 𝜉 wie folgt:

1 1 (3-6) 𝜉 = ∙ 𝑓1 𝑓2

Dabei ist

𝑓1 Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung der Dauerstandfestigkeit,

𝑓2 Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung der Alterung.

(3) Der Abminderungsfaktor 𝑓1 ist durch Dauerstandfestigkeitsversuche an Proben der zum Einsatz kom- menden Schlauchmembran zu ermitteln, siehe Anlage 1. Für die Vordimensionierung darf bei 30 Jahren Standzeit der Abminderungsfaktor 𝑓1 =1,95 für Polyester- oder Polyamidgewebe gemäß Anlage 1 ange- nommen werden.

(4) Für die Ermittlung des Abminderungsfaktors 𝑓2 müssen vor Ort Auslagerungsplatten mit dem Einbau der Schlauchmembran angebracht werden. An diesen ausgelagerten Proben sind nach 5, 10, 15, 20 und 25 Jahren Zugversuche durchzuführen. Mit diesen Ergebnissen ist der Abminderungsfaktor 𝑓2 zu ermitteln, siehe Anlage 1. Für eine Dimensionierung darf bei 30 Jahren Standzeit der Abminderungsfaktor 𝑓2 =1,55 für Polyester- oder Polyamidgewebe gemäß Anlage 1 angenommen werden. Die endgültige Nutzungs- dauer ergibt sich unter Verwendung der ermittelten Werte für 𝑓2.

(5) Die ermittelten Abminderungsfaktoren sind an die BAW nach Abschluss der Versuche weiterzugeben.

(6) Der Teilsicherheitsbeiwert 𝛾M,Kett ist aus den Zugversuchen zur Bestimmung des Abminderungsfaktors 𝑓1 (100%-Wert, siehe Anlage 1 – Zu 3.2 (3)) abzuleiten. Für die Teilsicherheitsbeiwerte in Schussrichtung und den Stoßbereich ist ein analoges Vorgehen anzuwenden. Als unterer Grenzwert ist für 𝛾M,Kett = 𝛾M,Schuss =1,1 und 𝛾M,Stoß =1,25 einzuhalten. Kleinere Teilsicherheitsbeiwerte sind nicht zulässig. Für eine Vordimensionierung darf 𝛾M,Kett =𝛾M,Schuss =1,1 und 𝛾M,Stoß =2,0 angenommen werden, siehe Anlage 1.

7

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

3.4 Nachweis der Schlauchmembran im Grenzzustand der Tragfähigkeit

(1) Im Grenzzustand der Tragfähigkeit ist nachzuweisen, dass:

𝐸d,𝑖 ≤ 𝑅d,𝑖 (3-7)

Dabei ist

𝐸d,𝑖 Bemessungswerte der Auswirkungen der Einwirkungen, nach Kapitel 3.2,

𝑅d,𝑖 Bemessungswerte der Widerstände (Zugfestigkeit), nach Kapitel 3.3. 4 Nachweis der Klemmkonstruktion

(1) Der Nachweis der Klemmkonstruktion erfolgt in Rücksprache mit der BAW.

(2) Es muss über Ausziehversuche nachgewiesen werden, dass das Herausziehen der Schlauchmembran aus der Klemmkonstruktion ausgeschlossen ist. Die breitenbezogene Prüfkraft ergibt sich zu:

𝐸d,Kl = 𝛾Kl,Prüf ⋅ 𝛾F⋅𝑇k (4-1)

Dabei ist

𝐸d,Kl breitenbezogene Prüfkraft für den Ausziehversuch,

𝛾Kl,Prüf Teilsicherheitsbeiwert für die Prüfung der Auszugfestigkeit aus der Klemmkonstruktion mit 𝛾Kl,Prüf =1,25,

𝛾F Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungen, siehe 3.2 (2),

𝑇k charakteristische, breitenbezogene Membrankraft im kontinuierlichen Bereich (Feldmitte).

(3) Es ist konstruktiv sicherzustellen, dass der notwendige Anpressdruck dauerhaft anliegt.

(4) Die Klemmschienen und Bolzen sind nach (DIN EN 1993-1-1) zu bemessen. Hinweise zur Modellbildung liefert Gabrys (2007).

(5) Die Verankerung der Bolzen in den Massivbau sind nach (DIN EN 1992-1-1) und (DIN 19702) nachzu- weisen.

8

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

5 Literaturverzeichnis

Ahrens, Mark Alexander; Strauss, Alfred; Bergmeister, Konrad; Mark, Peter; Stangenberg, Friedhelm (2013): Lebensdauerorientierter Entwurf, Konstruktion, Nachrechnung. In: Konrad Bergmeister, Frank Fingerloos und Johann-Dietrich Wörner (Hg.): Beton-Kalender 2013: Lebensdauer und Instandsetzung ‐ Brandschutz. Berlin: Ernst & Sohn Verlag, S. 19–222.

Bau-Überwachungsverein e.V. (2010): Tragende Kunststoffbauteile im Bauwesen. Entwurf, Bemessung und Konstruktion. Bau-Überwachungsverein e.V. Online verfügbar unter http://buev.eu/index.php?content=empfehlungen, zuletzt geprüft am 11.09.2019.

Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.) (2007): Mitteilungen 91. 1. Aufl. Karlsruhe: Eigenverlag (91).

Ehrenstein, Gottfried W. (2002): Mit Kunststoffen konstruieren. Eine Einführung ; mit 33 Tabellen. 2., durch- ges. und korrigierte Aufl. München, Wien: Hanser (Studientexte Kunststofftechnik).

Erhard, Gunter (2008): Konstruieren mit Kunststoffen. [CD inside]. 4. Aufl. München: Carl Hanser Verlag.

DIN EN 1992-1-1, Januar 2011: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbeton- tragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau.

DIN EN 1993-1-1, Dezember 2010: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau.

DIN EN 1990, Dezember 2010: Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung.

DIN EN ISO 899-1, Oktober 2003: Kunststoffe - Bestimmung des Kriechverhaltens.

DIN 19702, Februar 2013: Massivbauwerke im Wasserbau – Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dau- erhaftigkeit.

DIN 19704-1, November 2014: Stahlwasserbauten - Teil 1: Berechnungsgrundlagen.

DIN EN ISO 283, Februar 2008: Textilfördergurte - Zugfestigkeit bei voller Gurtdicke, Bruchdehnung und Dehnung bei breitenbezogener Bruchkraft.

DIN 22102-3, Januar 2014: Textil-Fördergurte für Schüttgüter – Teil 3: Nicht lösbare Fördergurtverbindun- gen.

Gabrys, Ulrike (2007): Bemessung und Konstruktion der Verankerungen von Schlauchwehren. In: Bundesan- stalt für Wasserbau (Hg.): Mitteilungen 91, Bd. 91. 1. Aufl. Karlsruhe: Eigenverlag (91), S. 23–29. Online ver- fügbar unter https://www.baw.de/DE/service_wissen/publikationen/bawmitteilungen/bawmitteilungen.html, zuletzt geprüft am 11.09.2019.

Gebhardt, Michael (2006): Hydraulische und statische Bemessung von Schlauchwehren. Dissertation. Univer- sität Karlsruhe (TH), Karlsruhe. Institut für Wasser und Gewässerentwicklung - Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik.

Gebhardt, Michael (2010): On the causes of vibrations and the effects of countermeasures at water-filled in- flatable dams. In: 1st European IAHR Congress Edinburgh (CD-Rom).

9

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019

Gebhardt, Michael; Kemnitz, Bernhard (2007): Hydraulische Bemessung von Schlauchwehren. In: Bundesan- stalt für Wasserbau (Hg.): Mitteilungen 91, Bd. 91. 1. Aufl. Karlsruhe: Eigenverlag (91), S. 47–56.

Ministry of Land, Infrastructure and Transport, River Bureau (2000): Technologische Standards für Schlauchwehre (unveröffentlichte Übersetzung aus dem Japanischen im Auftrag der BAW).

Stommel, Markus; Korte, Wolfgang; Stojek, Marcus (2011): FEM zur Berechnung von Kunststoff- und Elastomerbauteilen. München: Carl Hanser Verlag.

10

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

Anlagen

Anlage 1: Erläuterungen zu den Vorgaben und Regelungen des Merkblattes

Zu 1 Vorbemerkung und Anwendungsbereich

Zu (1): Die Nachweisführung erfolgt grundsätzlich auf Basis der aktuellen Normen und Regelwerke mit den Hinwei- sen aus diesem Merkblatt. Die Bemessungsprinzipien orientieren sich an den Anwendungsregeln der (DIN EN 1990).

Zu (6): Die Nutzungsdauer entspricht der Nutzungsklasse 3 gemäß (DIN EN 1990) Tabelle 2.1 und wurde aus Japani- schen Richtlinien (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, River Bureau 2000) abgeleitet. Zu 3 Nachweis der Schlauchmembran

Zu 3.1 Grundlagen und Ausgangsbasis

Zu (1): Mit nur einer Gewebelage kann kein Stoß in Schussrichtung ohne Überlappung hergestellt werden. Stöße sind ohne Zwischenzugträger in Stufen herzustellen. Hinweise hierzu sind in (DIN 22102-3) Bild 5, 7 und ff. zu finden.

Zu (2): Bei einer Schlauchmembran handelt es sich um einen Verbundwerkstoff aus mehreren Lagen Kunststoffge- webe mit außenliegenden Elastomerbeschichtungen.

Zu (4): Die Schlauchmembran besteht aus nicht-vulkanisierten oder vulkanisierten Bahnen, die in einer Endlospro- duktion hergestellt werden und in einem zweiten Bearbeitungsschritt zusammengesetzt werden. Die Produk- tionsbreite der Bahnen ist durch das Gewebe oder die Pressen beschränkt. An den Stößen sind die Festigkeitsträger (Gewebelagen) teilweise unterbrochen und die Kraftübertragung findet in Schussrichtung durch entsprechende Überlappung statt. Die Stöße weisen eine geringere Zugfestigkeit auf.

Idealerweise liegt der Eckbereich um 𝑆𝑆𝑆2 in der Mitte einer Gewebebahn aus der Endlosproduktion, siehe Bild 3.

11

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

Bild 3: Skizzierter Ausschnitt eines Schnittplans (Bild 1) mit Angaben zu in Schussrichtung für die Stoß - verbindung 𝑆𝑆𝑆

Zu (5): Die Schlauchinnenseite sowie die Sohle können nur nach einem Ausbau der Membran begutachtet werden. Eine entsprechende Fertigungsqualität ist hierbei sicherzustellen.

Zu (6): Schwingungen im abgelegten Zustand können dadurch verhindert werden, dass das Schlauchwehr vollkom- men entleert ist und flach auf der Wehrschwelle aufliegt (z. B.: abgestufte Wehrsohle). Jambor-Schwellen haben sich als vorteilhaft erwiesen, da die Schlauchmembran durch den hydrodynamischen Druck in ihrer Lage stabilisiert wird. Unstetigkeiten in Fließrichtung verursachen Strömungsablösungen und erhöhen die Gefahr von Schwingungen. Die Absenkung der Klemmschienen und geringe Biegeradien durch die Verwen- dung biegeweicher Schlauchmembrane sind daher von Vorteil. Um die Schwingungsanfälligkeit im über- strömten Zustand zu reduzieren, können sogenannte Störkörper auf die Schlauchmembran appliziert werden, siehe (Bundesanstalt für Wasserbau 2007). Diese bilden zwar auch eine Unstetigkeit, können aber nicht vermieden werden. Zu 3.2 Bemessungswerte der Membranbeanspruchung

Zu (1): Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen

Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Schlauchmembran sind die Auswirkungen in der Regel nicht pro- portional zu den Einwirkungen. Daher dürfen die in (DIN EN 1990) 6.3.2(4) angegebenen vereinfachten Re- geln angewendet werden. Hiernach kann von einer Unterproportionalität ausgegangen werden und damit

12

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

der Teilsicherheitsbeiwert 𝛾F auf die Auswirkung infolge des repräsentativen Wertes der Einwirkung ange- wendet werden.

Auf eine Reduktion des Teilsicherheitsbeiwertes wird aufgrund der vergleichsweisen geringen Nutzungsdau- er der Schlauchmembrane verzichtet. Spannungskonzentrationsfaktor

Die Spannungskonzentrationsfaktoren 𝑆𝑆𝑆𝑖 sind Quotienten aus den maximalen, bemessungsrelevanten und breitenbezogenen Kräften an den Stellen 𝑖 und der Membrankraft 𝑇k in Feldmitte.

Der Spannungskonzentrationsfaktor ist abhängig von:

a) den verwendeten Materialien (Materialkombination, Bindungsart des Gewebes),

b) der Richtung (Kette und Schuss),

c) der Geometrie der Klemmkonstruktion,

d) sowie der untersuchten Stelle der Schlauchmembran (Befestigungsschienen, Ecke, Falte, …).

Werden die bemessungsrelevanten, charakteristischen Spannungen 𝜎Ek,𝑖 mit numerischen Modellen ermit- telt, ist die Bildung eines Spannungskonzentrationsfaktors nicht erforderlich. Bemessungssituationen

Die zu berücksichtigenden Bemessungssituationen sind unter anderem: Einstauzustand (ständig) und Druckprüfung (vorübergehend). Die Druckprüfung kann aufgrund einer Erhöhung des Innendrucks im Grenzzustand der Tragfähigkeit um 5 % (𝛼 =1,65 bezogen auf den Einstauzustand) im Revisionszustand bemessungsrelevant sein. Jedoch kann in der vorübergehenden Bemessungssituation in Anlehnung an (DIN 19704-1) ein geringerer Teilsicherheitsbeiwert 𝛾F =1,25 für den Innendruck angenommen werden.

Zu (2): Beispiele für Innendruckbegrenzungen sind bei offenen Systemen eine Überfallwand im Steuerschacht oder ein nach oben offener Steuerbalg.

Zu (3): Um die für die bemessungsrelevanten Spannungen aus der Numerik ermitteln zu können, sind numerische Modelle und Programme zu verwenden, die materielle und geometrische Nichtlinearitäten sowie das gezielte Aufbringen des Wasserdruckes auch in der Endlage der Schlauchmembran gewährleisten.

Zu (4): Die Angaben der Tabelle 1 gelten unter den folgenden materialtechnischen und geometrischen Randbedin- gungen:

a) breitenbezogene Steifigkeit der Membran: ≤ 6000 N/mm (Ermittlung nach (DIN EN ISO 283) aus Zugversuchen)

b) Drucksteifigkeit des Elastomers: ≤ 12 N/mm² bei -20°C

c) Deckschichtdicke: ≤ 7 mm

d) Wangenneigung ≤ 75°

13

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

e) Die Spannungskonzentrationsfaktoren 𝑆𝑆𝑆2 in Kettrichtung von 3,0 und in Schussrichtung von 1,0 wur- den mit einem Steifigkeitsverhältnis von Kett- zu Schussrichtung von 20:1 ermittelt. Diese Werte ergeben sich aus den Erfahrungen der BAW. Für geringere Steifigkeitsverhältnisse müssen die Spannungskon- zentrationsfaktoren 𝑆𝑆𝑆2 erhöht werden.

f) Der Spannungskonzentrationsfaktor 𝑆𝑆𝑆1 entstand unter einem Biegeradius an der Unterseite der Klemmschiene von 5 mm für ℎs ≤3,5 m und 8 mm für ℎs ≤4,6 m.

g) Eine Exzentrizität 𝑒 der Gewebeeinlagen innerhalb des Membranquerschnittes wurde bei der Ermittlung der 𝑆𝑆𝑆𝑖 bei Schlauchhöhen ℎs ≤3,5 m von 𝑒 =0,18 𝑑s und bei Schlauchhöhen ℎs ≤4,6 m von 𝑒=0,10 𝑑s berücksichtigt.

Für die Randbedingungen a) – d) gilt: Bei kleineren als den angegebenen Werten würden sich die 𝑆𝑆𝑆𝑖 verringern. Auf der sicheren Seite liegend sind die angegebenen Werte in Tabelle 1 zu verwenden. Bei größeren als den angegebenen Werten erhöhen sich die 𝑆𝑆𝑆𝑖, sodass eine numerische Berechnung notwendig ist. Eine Inter- oder Extrapolation ist nicht zu- lässig.

Zu (5): Hinweise und Herleitung der breitenbezogenen Membrankraft sind in (Gebhardt 2006) nachzulesen. Die Definitionen von ℎi, ℎO und ℎs sind Bild 2 zu entnehmen. Zu 3.3 Bemessungswerte der Membrantragfähigkeit

Gesamtabminderungsfaktor Zu (1):

Der Gesamtabminderungsfaktor 𝜉 berücksichtigt keine Sicherheit, sondern ist ein Produkt einzelner Abmin- derungsfaktoren. Abminderungsfaktoren berücksichtigen nach (Stommel et al. 2011) den Einfluss bestimm- ter technologischer Randbedingungen, die zur Reduzierung der Festigkeit führen, wie z. B. Alterung, Dauerstandsfestigkeit etc. Das Versagensrisiko hingegen wird mit (Teil-)Sicherheitsfaktoren bewertet.

Kurz: Dieser stellen sicher, dass die Materialeigenschaften am Ende des Bemessungszeitraums noch den An- forderungen des Nachweises im Grenzzustand der Tragfähigkeit genügen. Widerstand

Der Widerstand 𝑅k ist ein Nennwert, der eine durch den Hersteller garantierte Mindestzugfestigkeit angibt. Diese Mindestzugfestigkeit ist mit Prüfzeugnissen zu bestätigen. Als charakteristischer Bauteilwiderstand 𝑅k wird die Zugfestigkeit der Schlauchmembran als unterer Wert 𝑋k (5% - Quantile) oder als Nennwert einge- führt.

Der Ansatz des Zugkraftverlustes im Stoßbereich kann nach (DIN 22102-3) für Verbindungen ohne Zwi- schenzugträger erfolgen, sofern die entsprechenden Anforderungen eingehalten werden. Eine Abminderung der Zugfestigkeit erfolgt in Abhängigkeit der getrennten Gewebeeinlagen im Stoßbereich

Zu (2): Die Abminderungsfaktoren sind für eine Vordimensionierung aus (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, River Bureau 2000) abgeleitet und gelten für einen Bemessungszeitraum von 30 Jahren. Für län- gere Bemessungszeiträume müssen die beiden Faktoren angepasst werden. Für kürzere Bemessungszeit- räume dürfen die beiden Faktoren angepasst werden. Es ist zu beachten, dass es sich hierbei um einen

14

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

nichtlinearen Zusammenhang handelt. Daher ist eine lineare Interpolation nicht zulässig, siehe Zu 3.2 (3) und (4).

Zusammenfassung der Abminderungsfaktoren zum Gesamtabminderungsfaktor:

1 1 1 1 𝜉 = ∙ = ⋅ =0,51⋅0,65=0,33 (A-1) 𝑓1 𝑓2 1,95 1,55

Zu (3): 𝑓1: Dauerstandfestigkeit

Definition der Dauerstandfestigkeit: „Bei langzeitiger Belastung treten bei Kunststoffen bleibende Verfor- mungen, Schäden und später Versagen auf, bevor die im Kurzzeitversuch ermittelten Festigkeiten erreicht sind.“ (Ehrenstein 2002, S. 20)

Zur Versuchsdurchführung kann nach (Erhard 2008) die (DIN EN ISO 899-1) herangezogen werden.

Anders als bei klassischen Kriechversuchen werden hier keine Kriechkurven sondern ein Last-Zeit- Versagensdiagramm erstellt. Hierbei wird die relative Zeitstandfestigkeit über die Zeit aufgetragen. Die rela- tive Zeitstandfestigkeit 𝑅rel.t,𝑖 wird mit

𝑅k,𝑡𝑖 𝑅rel.t,𝑖 = (A-2) 𝑅k,𝑡0

für verschiedene Lastniveaus bestimmt.

Dabei ist

𝑅𝑟el.t,𝑖 relative Zeitstandfestigkeit bezüglich Dauerfestigkeit,

𝑅k,𝑡𝑖 Zugfestigkeit zum Zeitpunkt 𝑡𝑖,

𝑅k,𝑡0 Zugfestigkeit beim Kurzzeitversuch 𝑡 =0.

Zunächst werden Kurzzeitzugversuche in statistisch abgesicherter Anzahl (mindestens 10 Proben in Kettrich- tung entsprechend Anhang D der (DIN EN 1990)) durchgeführt, um eine Zugfestigkeit 𝑅k,𝑡0 (100 %-Wert) zum Zeitpunkt 𝑡 =0 zu erhalten. Anschließend werden Probekörper mit verschiedenen Lastniveaus 𝑅k,𝑡𝑖 (etwa zwischen 70 % und 95 % der Zugfestigkeiten beim Kurzzeitversuch) beaufschlagt und die Zeit 𝑡𝑖 bis zum Bruch gemessen. Alle Messwerte werden in ein doppeltlogarithmisches Diagramm eingetragen und mit einer Ausgleichsgeraden verbunden. Auf der sicheren Seite liegend wird ein unteres Limit herangezogen, welches durch paralleles Verschieben der Ausgleichsgeraden nach unten (Einhüllende) entsteht. Alle Mess- werte müssen oberhalb dieser Linie liegen. Bezogen auf die geplante Einsatzdauer der Schlauchmembran lässt sich mittels Extrapolation des unteren Limits ein Wert 𝑓1 zur Dauerstandfestigkeit ermitteln, siehe Bild 4.

15

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

100

10 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

Bild 4: Beispiel zur Bestimmung des Abminderungsfaktors der Dauerstandfestigkeit für 30 Jahre

𝑓1

1 Beispiel: 𝑓1 =0,51=1,95

Zu (4): 𝑓2: Berücksichtigung der Alterung

Definition der Alterung: „Unter dem Begriff ‚Alterung‘ wird die Gesamtheit aller an hochpolymeren Werkstof- fen durch Umwelteinflüsse bedingten irreversiblen intra- und intermolekularen Änderungen subsummiert. Diese Alterung kann durch thermische, mechanische, dynamische, Licht- und Strahlungs- sowie chemische Energie verursacht werden.“ (Erhard 2008, S. 139).

Zur Versuchsdurchführung werden beim Einbau der Schlauchmembran Materialproben zurückgestellt und vor Ort unter den gleichen Umweltbedingungen aufbewahrt. Ein Auslagerungsstück wird dabei der Sonne (UV-Strahlung) ausgesetzt und eine weitere Probe wird im Wasser gelagert. In regelmäßigen Abständen (~5 Jahren) werden aus den Rückstellproben Versuchskörper ausgestanzt und im Zugversuch beprobt. Hie- raus ergeben sich die jeweiligen Zugfestigkeiten 𝑅k,𝐴𝑖 nach 𝐴 Jahren. Diese Festigkeiten werden mit einer Zugfestigkeit 𝑅k,𝑡0 (100 %-Wert) zum Zeitpunkt des Einbaus (𝑡 =0) verglichen. So ergibt sich die relative Zeitstandfestigkeit 𝑅rel.A,𝑖 zu:

𝑅k,𝐴𝑖 𝑅rel.A,𝑖 = (A-3) 𝑅k,𝑡0

Dabei ist

𝑅rel.A,𝑖 relative Zeitstandfestigkeit bezüglich Alterung,

16 )%( tiekgitsefdnatstieZ evitaler

Dauerstandfestigkeit f1

51

Standzeit (h)

30 Jahre Messergebnisse Regression untere Einhüllende

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

𝑅k,𝐴𝑖 Zugfestigkeit zum Zeitpunkt 𝐴𝑖,

𝑅k,𝑡0 Zugfestigkeit beim Kurzzeitversuch 𝑡 =0.

Mit einer Extrapolation unterhalb der Messwerte kann die Annahme des Abminderungsfaktors für die Alte- rung über die Jahre überprüft werden. Gegebenenfalls muss die Schlauchmembran vorzeitig ausgetauscht

werden oder kann länger genutzt werden. Ein Beispiel für den Auftrag im Diagramm ist in Bild 5 gegeben.

A = 5 A = 10 A = 15 A = 20 A = 25 A = 30 untere Einhüllende Bild 5: Beispiel zur Bestimmung des Abminderungsfaktors der Alterung für 30 Jahre

𝑓2

1 Beispiel: 𝑓2 =0,65=1,55

Zu (6): Die angegebenen Werte für 𝛾M und 𝛾M,Stoß für die Vordimensionierung ergeben sich aus den beiden folgenden Punkten:

a) Für die bis jetzt in der BAW durchgeführten Zugversuche an ungestoßenen Probekörpern aus Schlauch- wehrmembranen konnte kein größerer Teilsicherheitsbeiwert als 𝛾M =1,1 abgeleitet werden.

b) Für die Festigkeit einer Verbindung manuell gefertigter Faserverbundwerkstoffe ist nach den Vorgaben des (Bau-Überwachungsverein e.V. 2010) 𝛾M,Stoß =2,0 zu wählen.

Zur Herleitung der materialseitigen Teilsicherheitsbeiwerte für die vorliegende Schlauchmembran wird auf die (DIN EN 1990) und die Ausführungen im Beton-Kalender 2013 (Ahrens et al. 2013) verwiesen.

17

BAW

Merkblatt: Schlauchwehre – Teil B, Ausgabe 2019 – Anlage 1

Zu 3.4 Nachweis der Schlauchmembran im Grenzzustand der Tragfähigkeit

Zu (1): Für den Tragfähigkeitsnachweis der Schlauchmembran ist das Nachweisformat STR (vgl. (DIN EN 1990)) maßgebend, da das Versagen des Schlauchmembranmaterials im Grenzzustand ausgeschlossen werden muss. Ist der Nachweis für die Kett-, Schussrichtung und die Verbindungsstellen für die gesamte Schlauchmembran erfüllt, wird die geforderte „Zuverlässigkeit“ im Grenzzustand der Tragfähigkeit erreicht. Zu 4 Nachweis der Klemmkonstruktion

Zu (2): Es muss darauf geachtet werden, dass die Lasteinleitung der Membrankräfte in die Klemmkonstruktion aus- schließlich über Haftung geschieht. Eine Belastung der Schlauchmembran auf Lochleibung ist unzulässig.

Zu (3): Der Elastomer wird sich aufgrund seiner Kriecheigenschaften u. U. der Last entziehen wollen.

18