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Bauvorhaben: Hochwasserrückhaltebecken Gonna 1422 Datum: 08/2021 Entwurfsstatik
Inhaltsverzeichnis
1 Software, Normen, Unterlagen ...................................................................................................................................... 4
2 Veranlassung .......................................................................................................................................................................... 5
3 Planauszüge ............................................................................................................................................................................ 6
3.1 Lageplan ............................................................................................................................................................................ 6
3.2 Längsschnitt Absperrbauwerk ................................................................................................................................ 7
3.3 Längsschnittausschnitt Damm (Querschnitt Auslassbauwerk)............................................................... 8
3.4 Querschnitt D-D ............................................................................................................................................................. 9
3.5 Querschnitt G-G ........................................................................................................................................................... 10
3.6 Querschnitt, Talmitte ............................................................................................................................................... 11
3.7 Querschnitt Baugrube Durchlassbauwerk ..................................................................................................... 12
4 Baugrund- und Materialkennwerte .......................................................................................................................... 13
4.1 Bodenkennwerte ........................................................................................................................................................ 13
5 Wasserstände ..................................................................................................................................................................... 14
6 Einwirkungen und Lastfälle ......................................................................................................................................... 15
6.1 Ständige Lasten ........................................................................................................................................................... 15
6.2 Veränderliche Lasten ............................................................................................................................................... 15
6.3 Lastfälle .......................................................................................................................................................................... 16
6.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte ................................................................................................................................... 16
7 Nachweise ............................................................................................................................................................................ 17
7.1 Strömungsberechnung ............................................................................................................................................ 17
7.1.1 BS-P - LF 1.1 - Vollstau = 205,90 m NHN ................................................................................................. 18
7.1.2 BS-T - LF 2.1 - Hochwasser BWH 1= 206,39 m NHN .......................................................................... 19
7.1.3 BS-A - LF 3.1 - Hochwasser BHW 2 = 206,53 m NHN ........................................................................ 20
7.2 Böschungsbruchberechnung ................................................................................................................................ 21
7.2.1 BS-P - LF 1.1 - Vollstau = 205,90 m NHN ................................................................................................. 22
7.2.2 BS-T - LF 2.1 - Hochwasser BWH 1= 206,39 m NHN .......................................................................... 23
7.2.3 BS-T - LF 2.2 - Schnelle Wasserspiegelabsenkung ............................................................................... 24
7.2.4 BS-A - LF 3.1 - Hochwasser BHW 2 = 206,53 m NHN ........................................................................ 26
7.3 Baugrube Durchlassbauwerk ............................................................................................................................... 27
7.3.1 Sicherheit gegen Aufschwimmen im Hochwasserfall (201,55 m NHN) ..................................... 28
7.3.2 Bohrpfahlwand im Bauzustand/Baubetrieb .......................................................................................... 29
7.3.3 Bohrpfahlwand im Bauzustand/Hochwasserfall.................................................................................. 30
7.3.4 Bohrpfahlwand im Endzustand .................................................................................................................... 31
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7.4 Vorbemessung Stahlbeton ..................................................................................................................................... 32
7.4.1 Erddruckermittlung LF 1.1 - Vollstau ........................................................................................................ 33
7.4.2 Stahlbetonbemessung ....................................................................................................................................... 35
7.4.3 Rissnachweis ......................................................................................................................................................... 36
7.4.4 Gewählte Bewehrung ........................................................................................................................................ 37
7.5 Ergebnisse ..................................................................................................................................................................... 38
7.5.1 Böschungsbruchberechnung ......................................................................................................................... 38
7.5.2 Sicherheit gegen Aufschwimmen ................................................................................................................. 39
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1 Software, Normen, Unterlagen
Software
[1] Microsoft Office 2013
[2] Harzer Statik 18/02.1
[3] GGU-Stability, Version 10.61, 10.02.2014
Normen
[4] DIN EN 1990 (Dez. 2010): Grundlagen der Tragwerksplanung
[5] DIN EN 1991 (Dez. 2010): Einwirkungen auf Tragwerke
[6] DIN EN 1992 (Jan. 2011): Bemessung und Konstruktion von Stahlbetontragwerken
[7] DIN EN 1993 (Dez. 2010): Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten
[8] DIN EN 1997 (Sept. 2009): Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik
[9] DIN 19700-10 (Juli 2004): Stauanlagen - Teil 10: Gemeinsame Festlegungen
[10] DIN 19700-11 (Juli 2004): Stauanlagen - Teil 11: Talsperren
[11] DIN 19700-12 (Juli 2004): Stauanlagen - Teil 12: Hochwasserrückhaltebecken
[12] DIN 19702 (Feb. 2013): Massivbauwerke im Wasserbau
[13] DIN 19704 (Nov. 2014): Stahlwasserbauten
[14] ZTV-W 215 (Mai 2012): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau für Wasser-
bauwerke aus Beton und Stahlbeton
[15] EAU (2004): Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen“
[16] DIN 4019-1 (April 1979): Setzungsberechnungen
Unterlagen
[17] Genehmigungsplanung HRB Gonna, KUBENS Ingenieurges. mbH, Stand 02/2021
[18] Geotechnischer Untersuchungsbericht, Ing.-Büro Spillmann GmbH, Stand 2017
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2 Veranlassung
Für die Hochwasserregulierung Gonna ist die Errichtung eines Hochwasserrückhaltebecken als Trocken-
becken mit einem mittig angeordneten Durchlassbauwerk geplant.
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3 Planauszüge
3.1 Lageplan
N
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3.2 Längsschnitt Absperrbauwerk
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3.3 Längsschnittausschnitt Damm (Querschnitt Auslassbauwerk)
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3.4 Querschnitt D-D
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3.5 Querschnitt G-G
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3.6 Querschnitt, Talmitte
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3.7 Querschnitt Baugrube Durchlassbauwerk
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4 Baugrund- und Materialkennwerte
4.1 Bodenkennwerte
Gemäß [18] sind im Baubereich Böden vorhanden, die folgende Eigenschaften aufweisen:
| Bezeichnung | γ [kN/m³] | γ‘ [kN/m³] | φ [°] | c [kN/m²] | k f [m/s] | E S [MN/m²] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Auffüllungen bindig nichtbindig | 18 18-20 | 8 8-10 | 27 30 | 2 0 | 1∙10−5…1∙10−7 1∙10−1…1∙10−6 | 4 10-20 |
| Mutterboden | 18 | 8 | 24 | 2 | 1∙10−5 | 4 |
| Abschwemmmassen | 19 | 10 | 27 | 5/2 | 1∙10−8…8∙10−8 | 6/3 |
| Mudde | 16 | 6 | 15 | 4 | 1∙10−7 | 2 |
| Löß | 19 | 10 | 27 | 5 | 4,6∙10−7 | 6 |
| fluvialer Kies | 20 | 11 | 30 | 5 | 1∙10−5…1∙10−6 | 20 |
| verwitterter Fels | 20 | 10 | 24 | 10 | 1∙10−7 | 20 |
Für den Damm werden folgende Bodenkennwerte angesetzt:
| Bezeichnung | γ [kN/m³] | γ‘ [kN/m³] | φ [°] | c [kN/m²] | k f [m/s] | E S [MN/m²] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mutterboden | 18 | 8 | 24 | 2 | 1∙10−5 | 4 |
| Schottertragschicht | 20 | 11 | 30 | 0 | 1∙10−4 | 20 |
| Dammkörper, Auffüllung | 20 | 11 | 30 | 0 | 1∙10−3 | 20 |
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5 Wasserstände
Kronenstau: Z =207,50 m NHN K Hochwasserstauziel 2 (HQ ): Z =206,53 m NHN xxxx H2 Hochwasserstauziel 1 (HQ ): Z =206,39 m NHN xxxx H1 Vollstau (entspr. OK HWE): Z =205,90 m NHN V Stauziel: Z =200,05 m NHN S Absenkziel: Z =200,05 m NHN A Tiefstes Absenkziel: Z =200,05 m NHN T
Wasserstände Seite 14 von 39
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6 Einwirkungen und Lastfälle
6.1 Ständige Lasten
Eigenlasten der Böden siehe 4.1, Seite 13 kN Eigenlast Stahlbeton γ =25,0 ⁄ Stb m³ kN Eigenlast Stahl γ =78,5 ⁄ St m³
6.2 Veränderliche Lasten
Verkehrslast vertikal
o Dammkrone und Durchlassbauwerk 𝐤𝐍 𝐪 =𝟑𝟑,𝟑𝟑 ⁄ 𝐤 𝐦𝟐 o Dammkrone im LF 3 𝐤𝐍 𝐪 =𝟏𝟎 ⁄ 𝐋𝐅𝟑,𝐤 𝐦² kN hydrostatischer Wasserdruck γ =10 ⁄ k m³
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6.3 Lastfälle
Gemäß [10] in Kombination mit den vorhandenen Einwirkungen ergeben sich folgende Lastfälle:
| Einwirkungen | Lastfälle (Einwirkungskombinationen) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1.1 | 2.1 | 2.2 | 3.1 | ||
| 1 e p p u r G | Eigenlast | x | x | x | x |
| Verkehrslast | x | x | x | x | |
| Wasser- u. Strömungsdruck bei Vollstau (Z ) V | x | ||||
| 2 e p p u r G | Wasser- u. Strömungsdruck bei Hochwasserstauziel 1 (Z ) H1 | x | |||
| schnellstmögliche Wasserspiegelabsenkung | x | ||||
| 3 e p p u r G | Wasser- u. Strömungsdruck bei Hochwasserstauziel 2 (Z ) H2 | x |
6.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte
Ständige Bemessungssituation (BS-P, früher BS I)
Vorübergehende Bemessungssituation (BS-T, früher BS II)
Außergewöhnliche Bemessungssituation (BS-A, früher BS III)
| Teilsicherheitsbeiwert | Bemessungssituation | ||
|---|---|---|---|
| BS-P | BS-T | BS-A | |
| γ φ | 1,25 | 1,15 | 1,10 |
| γ c | 1,25 | 1,15 | 1,10 |
| γ G | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| γ Q | 1,30 | 1,20 | 1,00 |
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7 Nachweise
7.1 Strömungsberechnung
Nachweise Seite 17 von 39
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7.1.1 BS-P - LF 1.1 - Vollstau = 205,90 m NHN
Nachweise Seite 18 von 39
[Seite 19]
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7.1.2 BS-T - LF 2.1 - Hochwasser BWH 1= 206,39 m NHN
Nachweise Seite 19 von 39
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7.1.3 BS-A - LF 3.1 - Hochwasser BHW 2 = 206,53 m NHN
Nachweise Seite 20 von 39
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7.2 Böschungsbruchberechnung
Im Berechnungsmodell wurde die Spundwand auf der sicheren Seite liegend statisch nicht berücksichtigt. Die Dichtungswirkung und Lage lassen sich am Verlauf der Sickerlinien erkennen.
Nachweise Seite 21 von 39
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7.2.1 BS-P - LF 1.1 - Vollstau = 205,90 m NHN
Nachweise Seite 22 von 39
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7.2.2 BS-T - LF 2.1 - Hochwasser BWH 1= 206,39 m NHN
Nachweise Seite 23 von 39
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7.2.3 BS-T - LF 2.2 - Schnelle Wasserspiegelabsenkung
Nachweise Seite 24 von 39
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Nachweise Seite 25 von 39
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7.2.4 BS-A - LF 3.1 - Hochwasser BHW 2 = 206,53 m NHN
Nachweise Seite 26 von 39
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7.3 Baugrube Durchlassbauwerk
Für die Baugrube wird ein Bohrpfahlwandverbau hergestellt. Zusätzlich erfolgt über die gesamte
Dammaufstandsfläche ein Voraushub, um die bauzeitlichen Erdlasten zu verringern. Der lichte Abstand der
gegenüberliegenden Bohrpfähle beträgt 8,12 m.
Folgende Höhen stehen an:
-
OK Bohrpfahlwand (= OK Hochwasser): Z =201,55 m NHN SP
-
OK Gelände (nach Voraushub): Z =200,30 m NHN Gel
-
OK Gelände (Endzustand): Z =207,50 m NHN OK
-
OK Grundwasser: Z =199,87 m NHN GW
-
OK UW-Beton: Z =198,40 m NHN OK,UW
-
UK UW-Beton: Z =196,80 m NHN UK,UW
Im Baubetrieb wird die erdseitige Verkehrslast auf 10 kN/m² begrenzt. Weiterhin wird die Baugrube durch
die überstehende Bohrpfahlwand vor Hochwasser geschützt.
Da die Bohrpfahlwand auch gleichzeitig für das Durchlassbauwerk genutzt wird, erfolgt eine überschlägige
Bemessung für den Endzustand. Hierbei erhält die Bohrpfahlwand eine Vorsatzschale sowie einen erhöhten
Kopfbalken (201,55 m NHN bis 207,50 m NHN). Die Bemessung erfolgt für eine fiktive Bohrpfahlwand bis
OK Damm ohne statischen Ansatz der Vorsatzschale. Die vorliegende Entwurfsstatik prüft lediglich die
Machbarkeit, sodass das endgültige Bohrraster erst im Zuge der Ausführungsplanung/-statik konkretisiert
wird. Hier sind in Abhängigkeit der Bauwerkshöhe (im Endzustand) unterschiedliche Bewehrungsgrade,
Bohrpfahldurchmesser und ggf. engere Raster zu erwarten (insbesondere im Bereich der Dammachse). Für
die weitere Planung wird im Bereich der Dammachse zunächst von Bohrpfählen mit 1,20 m Durchmesser
und im Bereich der Dammfüße mit 88 cm Durchmesser ausgegangen.
Nachweise Seite 27 von 39
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7.3.1 Sicherheit gegen Aufschwimmen im Hochwasserfall (201,55 m NHN)
a =1,05∙(201,55−196,80)∙10 kN ⁄ d m² kN a =49,88 ⁄ d m²
g =0,95∙(198,40−196,80)∙24 kN ⁄ d m3 kN g =36,48 ⁄ d m² kN kN g =36,48 ⁄ <49,88 ⁄ =a d m² m² d Nachweis nicht erfüllt
Der überschüssige Grundwasserdruck wird über die eingespannte UW-Betonsohle aufgenommen. Der
Einbau von Zugbewehrung ist technologisch nicht machbar, sodass der Nachweis über den Vergleich von
auftretender Zugspannung und der Betonzugfestigkeit erfolgt. kN kN q =a −g =49,88 ⁄ −36,48 ⁄ d d d m2 m² kN q =13,4 ⁄ d m²
Zugspannung infolge Grundwasserdruck m Ed 13,4 kN ⁄ m2 ∙(8,12 m)2⁄8 110,44 kNm⁄ m f = ∙z= ∙0,8 m= ∙0,8 m Ed i y (1,60 m)3∙1,0 m⁄1,0 m 0,341 m4⁄ m 12 kN kN N f =258,8 ⁄ =0,026 ⁄ =0,26 ⁄ Ed m2 cm² mm²
Betonzugfestigkeit (ungünstige Annahme eines C12/15) N α ∙f 0,85∙1,1 ⁄ ct ctk,0,05 mm² N f = = =0,62 ⁄ ctd γ 1,5 mm² c
Nachweis 𝐍 𝐍 𝐟 =𝟎,𝟐𝟔 ⁄ <𝟎,𝟔𝟐 ⁄ =𝐟 𝐄𝐝 𝐦𝐦² 𝐦𝐦² 𝐜𝐭𝐝 Nachweis erfüllt
Hinweis: Aufgrund des statischen Systems erhält die UW-Betonsohle zusätzliche Druckkräfte aus den
Bohrpfahlwänden. Zusätzlich ist davon auszugehen, dass sich innerhalb der Sohle ein Druckgewölbe
ausbilden wird. Auf der sicheren Seite liegend, bleiben diese Umstände unberücksichtigt.
Nachweise Seite 28 von 39
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7.3.2 Bohrpfahlwand im Bauzustand/Baubetrieb
Nachweise Seite 29 von 39
[Seite 30]
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7.3.3 Bohrpfahlwand im Bauzustand/Hochwasserfall
Nachweise Seite 30 von 39
[Seite 31]
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7.3.4 Bohrpfahlwand im Endzustand
Nachweise Seite 31 von 39
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7.4 Vorbemessung Stahlbeton
Ausgehend von einem C25/30 LP erfolgt die Vorbemessung als Trogbauwerk im Bereich unmittelbar neben der Brücke der Dammachse. Die Vorbemessung beschränkt sich auf den LF 1.1 - Vollstau und die Ermittlung der erforderlichen Rissbreitenbewehrung. Vereinfacht wird über die volle Dammhöhe mit Dammmaterial gerechnet und der Mutterboden vernachlässigt.
OK Wand bzw. OK Brücke Absperrbauwerk: OK =207,50 m NHN Wa Vollstau (entspr. OK HWE): Z =205,90 m NHN V UK Wand bzw. OK Sohle Absperrbauwerk: UK =198,80 m NHN Wa
Nachweise Seite 32 von 39
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7.4.1 Erddruckermittlung LF 1.1 - Vollstau
Nachweise Seite 33 von 39
[Seite 34]
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Nachweise Seite 34 von 39
[Seite 35]
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7.4.2 Stahlbetonbemessung
𝐦 𝐝 =1,35∙265,03 kN⁄ m∙3,13 m+1,1∙252,05 kN⁄ m∙2,37 m
=1.119,9 kNm⁄ m+657,1 kNm⁄ m
=𝟏.𝟕𝟕𝟕,𝟎 𝐤𝐍𝐦⁄ 𝐦 𝐯 𝐝 =1,35∙265,03 kN⁄ m+1,1∙252,05 kN⁄ m
=357,8 kN⁄ m+277,3 kN⁄ m
=𝟔𝟑𝟓,𝟏 𝐤𝐍⁄ 𝐦 𝐧 =1,35∙[(207,50 m−205,90 m)∙1,0+(205,90 m−198,80 m)∙ 1,66 m+1,0 m ]∙25,0 kN ⁄ 𝐝 2 m3
=54,0 kN⁄ m+236,1 kN⁄ m
=𝟐𝟗𝟎,𝟏 𝐤𝐍⁄ 𝐦
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7.4.3 Rissnachweis
Wand
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Bodenplatte
7.4.4 Gewählte Bewehrung
Bodenplatte: ∅𝟐𝟓⁄𝟏𝟑 𝐜𝐦= 𝟑𝟕,𝟕𝟔 𝐜𝐦𝟐 ⁄ 𝐦 > 37,47 cm2 ⁄ m
Wände (Oberflächenbewehrung): ∅𝟐𝟓⁄𝟏𝟑 𝐜𝐦= 𝟑𝟕,𝟕𝟔 𝐜𝐦𝟐 ⁄ 𝐦 > 36,43 cm2 ⁄ m
Nachweise Seite 37 von 39
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7.5 Ergebnisse
7.5.1 Böschungsbruchberechnung
| Lastfall | Böschung | Ausnutzungsgrad |
|---|---|---|
| LF 1.1 - Vollstau | Luftseite | 0,86 < 1,00 |
| LF 2.1 - Hochwasser BHW 1 | Luftseite | 0,79 < 1,00 |
| LF 2.2 - schnelle Wasserspiegelabsenkung 205,90 m NHN 205,00 m NHN | Wasserseite | 1,06 > 1,00 0,97 < 1,00 |
| LF 3.1 - Hochwasser BHW 2 | Luftseite | 0,74 < 1,00 |
Die Ausnutzungsgrade sind weitgehend eingehalten. Einzig der Lastfall schnelle Wasserspiegelabsenkung
ist unter den getroffenen ungünstigen Annahmen leicht überschritten. Hier wurde stationär mit voller
Verkehrslast und einem Wasserspiegel im Bereich der Spundwand von 205,90 m NHN gerechnet
(entspricht Vollstau). Ebenso wurde die mögliche Absenkgeschwindigkeit des Wasserspiegels durch das
Absperrbauwerk nicht berücksichtigt. Bei einem geforderten Durchlässigkeitsbeiwert des Dammkörpers von k =1∙10−3m/s ist davon auszugehen, dass die Sickerlinie im Damm relativ schnell mit dem f Wasserspiegel des Hochwasserrückhaltebeckens korrespondiert. Entsprechend wurde der Nachweis
zusätzlich mit einem Wasserspiegel im Bereich der Spundwand von 205,00 m NHN geführt und eingehalten.
Nachweise Seite 38 von 39
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7.5.2 Sicherheit gegen Aufschwimmen
Der Damm kann aufgrund seiner fehlenden Dichtungswirkung nicht aufschwimmen und bleibt
entsprechend unberücksichtigt. Der Nachweis beschränkt sich auf das Absperrbauwerk und wird im
Lastfall Vollstau mit annähernd leerem Absperrbauwerk geführt. Die betrifft nur den wasserseitigen
Bereich des Absperrbauwerk, sodass der Nachweis am Schnitt D-D geführt wird (1m-Streifen).
Vollstau (entspr. OK HWE): Z =205,90 m NHN V UK Absperrbauwerk: UK =197,04 m NHN BW Breite Absperrbauwerk bei 205,90 m NHN: b =10,0 m HWE
A =1,0 m∙10,0 m∙(205,90−197,04)∙10 kN ⁄ d m² A =886,0 kN d
1,66 m+1,0 m G =1,0 m∙[13,78 m∙1,8 m+2∙(205,90 m−198,84 m)∙ ]∙25 kN ⁄ d 2 m3 G =620,1 kN+469,5 kN d G =1.089,6 kN d 𝐆 =𝟏.𝟎𝟖𝟗,𝟔 𝐤𝐍>𝟖𝟖𝟔,𝟎 𝐤𝐍=𝐀 𝐝 𝐝 Nachweis erfüllt
Nachweise Seite 39 von 39