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Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet

Referat K1, Dipl.-Ing. Livia Mittelbach

BAWKolloquium Dienststelle Hamburg

29.08.2013

Seite 2 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet

Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013

Gliederung

• Motivation und Übersicht FuE-Projekt „Deckwerksanalyse mit der DEM“

• Numerische Modellierung

• Hydraulische Einwirkungen – Computational Fluid Dynamics (CFD)

• Deckwerkssteine – Diskrete Elemente Methode (DEM)

• Kopplung DEM – CFD

• Modellversuche Strömungsrinne

• Messsystem Deckwerksstein

• Feldmessungen

• Angrenzende FuE-Projekte



Motivation FuE-Projekt

• Einflüsse im Tide- und Küstenbereich:

Schiffswellen / -strömung (Hansen 1985) Tideströmung / -wasserstände

Tideinduzierte

Grundwasserstände

Neue Seeschiffsformen/Seeschiffswellendynamik

Geschichteter Baugrund

Deckwerks-

bemessung

Porenwasserüberdrücke / variierende Gewässerquerschnitte: breite Küstengewässer /

differenzierte Steinformen, -größen, Deckschichten / Filter / Uferneigungen

Sturmfluten, Windwellen,

Druckschläge (EAK 2002)



Modelle

Tideelbe

Tideweser

Tideems

individuelle, sichere und wirtschaftliche

Deckwerksbemessung

Physikalische Versuche

Feldmessungen

Messsystem

Deckwerksstein

Modellversuche

Strömungsrinne Simulation

von

Strömungen

Simulation

von Wellen

Numerische Simulation

CFD

FDM

Hydraulische

Einwirkungen

Boden,

Filterschicht,

GW-Potentiale

DEM Deckwerks-

steine

Validierung

Übersicht FuE-Projekt

Kopplung

Kooperation

TU Bergakademie Freiberg



• Numerische Strömungsberechnung:

Computational Fluid Dynamics (CFD)

• Programm CCFD („Coupled Computational Fluid Dynamics“)

fluiddynamischer Berechnungscode

Grundlage:

Navier-Stokes-Gleichung

Kontinuitätsgleichung

+ Porositäts-Term (Berechnung von Fluidkräften auf Partikel)

Hydraulische Einwirkungen




• Schiffsinduzierte

Wellen und

Strömungen

• Tideinduzierte

Strömungen

• Windwellen…

Kenngrößen der schiffserzeugten Wellen (unten) und Strömung (oben)




Simulation über zeitabhängige Randbedingungen

Bsp. Modell Absunk + Primärwelle



Simulation über zeitabhängige

Randbedingungen

Bsp. Modell Bore (Gezeitenwelle)


Foto: WSA Meppen



• Numerische Simulation Deckwerkssteine:

Diskrete Elemente Methode (DEM)

• Programm PFC3D („Particle Flow Code 3D“)

Grundlage: Kraft-Verschiebungs-Gesetz

Bewegungsgesetz

Freie Bewegung im Raum

Kopplung CFD + DEM

Deckwerk

„balls“ „clump“



Deckwerk

• Generierung anhand Zufallsalgorithmus

Auftretens-

häufigkeiten

Größen-/

Formklassen

schnelle Generierung vereinfachter Steingeometrien



Deckwerk

• Generierung anhand realer Steingeometrien

Auftretens-

häufigkeiten

Größen-/

Formklassen

Generierung detaillierter Steingeometrien

Anzahl Kugeln: 8 16 60 500



Deckwerk

Wasserbausteinklassen

LMB 5/40

LMB 10/60

Numerisches

Deckwerk

Numerisches

Deckwerk

Numerisches

Deckwerk

Steinformen




Modellgeometrie, Anfangs- und Randbedingungen, Vernetzung

Initialzustand Modellpartikel

Deckwerk

CFD:

DEM:



Deckwerk


• Bsp. gekoppelte Berechnung

Modell CCFD

Modell PFC3D, Fluidvektoren Verschiebungen infolge

Wellenauflauf



Deckwerk

~ 1 Woche > 1 Monat

vereinfacht

≤ 4 Balls / Clump

detailliert

≤ 60 Balls / Clump

• Dauer Deckwerksgenerierung (Streifen 5 m Breite, ~ 6000 Clumps)



Modelle

Tideelbe

Tideweser

Tideems


Deckwerksbemessung


Feldmessungen

Messsystem

Deckwerksstein

Modellversuche


von

Strömungen

Simulation

von Wellen


CFD

FDM

Hydraulische

Einwirkungen

Boden,

Filterschicht,

GW-Potentiale

DEM Deckwerks-

steine

Validierung

Übersicht

Kopplung



Modellversuche Strömungsrinne

• Kalibrierung Parameter für

numerische Deckwerkssteine

Normal-/Schubsteifigkeit

Oberflächenreibungskoeffizient

Detailgenauigkeit Steinabbildung

• Stabilität Deckwerk:

Einzelelement + Verbund

Verzahnung



• große Strömungsrinne BAW-DH:

Umlaufrinne, Gesamtlänge 200 m,

vmax = 1,5 m/s

• Untersuchung der Lagestabilität

loser Deckwerkssteine bei unter-

schiedlicher Strömungsbelastung





• Verlagerung Deckwerkssteine:

farbliche Markierung

Laserscan




vmax ≈ 2 m/s

CCFD: Strömungsgeschwindigkeit

PFC3D: Verlagerung Steine

Wasserbausteinklasse

CP 90/250



• Instrumentierung von Deckwerkssteinen mit Beschleunigungs- und Drehraten-

sensoren

Aufzeichnung der Beschleunigung / Lageänderung infolge Wellen- und

Strömungsangriff

Messsystem Deckwerksstein




• Instrumentierte

Deckwerkssteine in

Strömungsrinne



• Messergebnis Strömungsrinne


Winkelge-

schwindig- keit

[rad/s]

Strömungs-

geschwindigkeit

~ 1,7 m/s

Zeit

- Gierwinkel

- Rollwinkel

- Nickwinkel Strömungs-

geschwindigkeit

~ 2,0 m/s

x y

z

Gier-

winkel

Nick-

winkel

Roll-

winkel



Feldmessungen

Grundwasser (Porenwasserdrücke)

Porenwasserdrücke

Strömungs-

geschwindigkeiten

Wellen

Elbinsel Lühesand,

Messquerschnitt



Feldmessungen

Messquerschnitt

Elbinsel Lühesand

Validierung der numerischen Simulationen anhand Daten aus Feldmessungen



Modelle

Tideelbe

Tideweser

Tideems


Deckwerksbemessung


Feldmessungen

Messsystem

Deckwerksstein

Modellversuche


von

Strömungen

Simulation

von Wellen


CFD

FDM

Hydraulische

Einwirkungen

Boden,

Filterschicht,

GW-Potentiale

DEM Deckwerks-

steine

Validierung

Kopplung

Ausblick: variierende Deckwerksarten, Buhnen, biologische Ufersicherung, …



Angrenzende FuE-Projekte

• Referat G4

„Filterstabilität grober Gesteinskörnungen“

• Referat G4 + LKM, Ruhr Universität Bochum

„Numerische Simulation von hydraulisch

induziertem Sedimenttransport in

Erdbauwerken“




• Referat K2 + LWI (TU Braunschweig),

IWW (RWTH Aachen)

„Schiffserzeugte langperiodische

Belastung zur Bemessung der

Deckschichten von Strombauwerken

an Seeschifffahrtsstraßen“




• Referat W4

„Integration mehrdimensionaler Modelle in

die GBBSoft “



Vielen Dank

für das Interesse und die Aufmerksamkeit!

Dank für die Unterstützung an:

WSA Hamburg, Abz. Wedel, Taucher WSA Brunsbüttel,

TU Bergakademie Freiberg,

Kollegen K1, K2



Quellen • Mittelbach, L. (2013): Numerical Simulation of Rip-Raps with the Distinct Element Method, AIP Conf. Proc. 1542, Seite

1178 – 1181, doi: 10.1063/1.4812147

• BAW (2012): Deckwerksanalyse mit der Distinct Element Method (DEM), Forschungskompendium Verkehrswasserbau

2012 der BAW, A39550170270, Seite 204 – 206

• BAW (2012): Filterstabilität grober Gesteinskörnungen, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW,

A3952047001, Seite 132 – 134

• BAW (2012): Numerische Simulation von hydraulisch induziertem Sedimenttransport in Erdbauwerken,

Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW, A39520470005, Seite 265 – 266

• BAW (2012): Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an

Seeschifffahrtsstraßen, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW, A39550270141, Seite 225 – 227

• BAW (2012): Integration mehrdimensionaler Modelle in die GBBSoft, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012

der BAW, A39530470004, Seite 279 – 280

• Yuan, F.-L. (2012): Coupled CFD-DEM simulation of wind wave interaction with rock riprap on riverside slopes,

Research Report, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, Professur für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau

• BAW (2012): Böschungsdeckwerke unter Wellenbelastung, BAWMitteilungen Nr. 95 „Johann-Ohde-Kolloquium“,

Karlsruhe, 2012, Seite 41 - 47

• TU Bergakademie Freiberg (2011): Zwischenstand Deckwerksanalyse 01-2011, Bericht

• TU Bergakademie Freiberg (2009): Zwischenstand Deckwerksanalyse 01-2009, Bericht

• Itasca Consulting Group Inc. (2008): PFC3D – Particle Flow Code in 3 Dimensions, Version 4.0, User‘s Manual,

Minneapolis, Minnesota, USA

• Itasca Consulting Group Inc. (2008): PFC3D – CCFD Add-on Version 1.0, Minneapolis, Minnesota, USA

• International Center for Numerical Methods in Engineering (2008): GiD – Reference Manual, Version 8, Barcelona,

Spain

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