festlegung der bemessungsgrößen

Quelle: http://www.htg-online.de/EAS-Empfehlungen-des-Arbeitsau.691.0.html

Empfehlungen des Arbeitsausschusses Sportboothäfen und wassertouristische Anlagen Handlungsempfehlungen für Planung, Bau und Betrieb von

Sportboothäfen und wassertouristischen Anlagen

Vorabzug

Kapitel 3: Grundlagen für Entwurf und Bemessung

Abschnitt 3.3: Ermittlung der Bemessungsgrößen

Unterabschnitt 3.3.3: Festlegung der Bemessungsgrößen

Beitrag: Lasten aus Eis

Hamburg, 18.04.11

Grundlagen für Entwurf und Bemessung

1

3 Grundlagen für Entwurf und Bemessung

3.1 Bootsgrößen

3.2 Bedingungen am Standort

3.2.1 Meteorologie

3.2.2 Hydrodynamik

3.2.3 Wasserstände

3.2.4 Strömungen

3.2.5 Wellen und Seegang

3.2.6 Eisbedingungen

3.2.7 Geologie und Sedimentologie

3.2.8 Andere Größen

3.3 Ermittlung der Bemessungsgrößen

3.3.1 Statistische Analyse

3.3.2 Abschätzung des Risikos

3.3.3 Festlegung der Bemessungsgrößen

3.3.3.1 Lasten aus Hydrodynamik

3.3.3.2 Lasten aus Wind

EAS

2 Entwurf, 18.04.2011

3.3.3.3 Lasten aus Eis

Horizontale und vertikale Eislasten auf Pfähle

In Sportboothäfen werden Pfähle in großer Zahl für die Konstruktion von

festen Steganlagen, zum Festmachen von Booten und als Element von

Leiteinrichtungen (Abweisepfähle) eingesetzt. Diese Pfähle werden

neben den Belastungen infolge Schiffsstoß oder Trossenzug auch durch

wind- oder schiffsinduzierte Wellen sowie durch Eis beansprucht. Da in

der Vergangenheit in Sportboothäfen im Küsten- und Binnenbereich

häufig an Pfahlbauwerken erhebliche Schäden infolge Eis aufgetreten

sind, werden in diesem Abschnitt Empfehlungen zur Ermittlung von

horizontalen und vertikalen Eislasten auf Pfähle gegeben. Mögliche

Versagensursachen für Pfähle infolge Eislasten sind beispielhaft in Abb.

1 dargestellt.

Abb. 1: Versagensursachen von Pfählen [30]


3

Eis tritt in fließenden Gewässern im Binnenbereich sowie an der

deutschen Küste in Form von Treibeis (Eisschollen) und bei anhaltenden

negativen Lufttemperaturen ggf. auch als geschlossene Eisdecke auf.

Pfähle in Sportboothäfen können durch

Eisstoß (treibende Eisschollen belasten das Bauwerk),

Eisdruck (geschlossene Eisdecke liegt am Bauwerk an und beginnt

durch Strömung oder Wind zu treiben bzw. nachschiebendes Eis

setzt die Eisdecke in Bewegung; thermischer Eisdruck),

Eisauflast (zusätzliches Gewicht durch Eisbildung am Pfahl oberhalb

des Wasserspiegels sowie festgefrorenes Eis, welches bei

sinkendem Wasserspiegel eine abwärts gerichtete vertikale Last

verursacht) und

Eishub (am Bauwerk festgefrorenes Eis, welches bei steigendem

Wasserspiegel eine aufwärts gerichtete vertikale Last verursacht)

belastet werden. Eislasten können als statische (thermischer Eisdruck,

vertikale Lasten) und dynamische Lasten (Eisstoß) auftreten.

Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit des Pfahls sowie der

Abstand zu benachbarten festen Strukturen beeinflussen die auf Pfähle

wirkenden Eislasten. Eislasten auf Pfähle sind weiterhin von der Dicke

der Eisschicht, die Festigkeitseigenschaften des Eises (u.a. abh. von

Salz- bzw. Gasgehalt, Eistemperatur, Art des Eises bzw. Verlauf der

Eisbildung) und der Belastungsgeschwindigkeit abhängig.

In Bezug auf die Vorgänge während der Eisbildung kann in stehende

bzw. langsam fließende Gewässer sowie in Fließgewässer unterschieden

werden. Bedingt durch die sogenannte „Winterumschichtung“ in Ersteren

sowie den turbulenten Wärme- und Massenaustausch in Letzteren

vollzieht sich die Eisbildung einschließlich der Eisdeckendickenaus-

bildung unterschiedlich [3]. Entscheidende Faktoren für die Eisbildung

und den Zuwachs der Eisdecke sind die Wassertemperatur an der

Oberfläche, die Lufttemperatur, der Temperaturgradient im Wasser,

Wind, Seegang und Niederschläge sowie die Dauer der negativen

Lufttemperaturen. Nachweislich spielt gerade bei stehenden Gewässern

auch die Wassertiefe und die Höhenlage des Wasserkörpers und die

damit verbundenen Lufttemperaturen (quantitativ und zeitbezogen) eine

entscheidende Rolle. Generell kann weiterhin festgestellt werden, dass

bei Standorten im Osten von Deutschland infolge der kühlen Festlandluft

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4 Entwurf, 18.04.2011

die Eisentstehung wahrscheinlicher als in anderen Teilen Deutschlands

ist. In der Vergangenheit wurden Im Binnenbereich die größten Eisdicken

gemessen [3]. Grundsätzlich kann auf Fließgewässern in gewöhnlichen

Wintern von einer Eisdicke h = 0,30 m und auf stehenden Gewässern von

h = 0,50 m Eisdicken ausgegangen werden.

An der Ostseeküste Deutschlands wurden in geschützten Lagen

Eisdicken bis zu h = 0,65 m nachgewiesen. In den Empfehlungen des

ARBEITSAUSSCHUSSES UFEREINFASSUNGEN (EAU 2004) [1] wird für

Bemessungsaufgaben im norddeutschen Küstenraum eine zu berück-

sichtigende Eisdicke von h = 0,50 m angegeben. Wie Beobachtungen

zeigen, können an verschiedenen Küstenabschnitten der deutschen

Küste unterschiedliche Eisbelastungen auftreten (GERHARD, 1900 [9]).

Insbesondere in geschützten Lagen (Buchten, Bodden, Häfen) bilden

sich größeren Eisdicken und geschlossene Eisdecken häufiger aus.

Da Sportboothäfen oft in strömungs- und seegangsberuhigten Bereichen

angelegt werden bzw. wurden, sind hier ggf. höhere Bemessungseis-

dicken anzusetzen. Dies gilt sowohl für Küstenbereiche als auch für

Binnenseen und Flüsse. Es ist zu prüfen welche Eislasten (horizontal,

vertikal) in geschützten Bereichen auftreten können.

Die für die konstruktive Bemessung von Pfählen anzusetzende

Bemessungseisdicke ist daher im Einzelfall zu untersuchen bzw. zu

berechnen (vgl. [3]). Dabei sind historische Aufzeichnungen (z.B. Eis-

kalender von Bezugspegeln), aktuelle meteorologische Angaben sowie

langfristige Tendenzen zu berücksichtigen.

Die Druckfestigkeit σc des Eises kann nach EAU 2004 [1] für die Nordsee

mit 1500 kN/m², für die Ostsee mit 1800 kN/m² und für Süßwasser mit

2500 kN/m² angenommen werden. Die Biegezugfestigkeit σf von Eis kann

vereinfacht mit dem Ansatz σf =1/3 · σc berechnet werden.

Horizontale Eislasten

Horizontale Eislasten auf Pfähle entstehen durch Eisstoß oder Eisdruck.

Kleinere Eisschollen werden beim Auftreffen auf einen Pfahl gespalten

und treiben seitlich am Pfahl vorbei, wobei zusätzliche Reibungskräfte

auftreten.


5

Abb. 2: Versagensmechanismen infolge Eintrag von Horizontallasten durch Eis auf

schmale Bauwerke/Pfähle; v.l.n.r. Versagen durch Brechen, Beulen, Biegung [3]

(v – Fließgeschwindigkeit, h – Eisdicke, D - Pfahldurchmesser)

Bei größeren Eisschollen werden die Verformung und das Ausweichen

der Eisschicht zur Seite behindert. Aufgrund der Behinderung der Ver-

formung durchschneidet der Pfahl die Eisschicht.

Abb. 3: Bruchmechanismen an schmale Bauwerke/Pfähle, Spaltbruch in der Eisdecke

an einem lotrechten Pfahl, Schubbruch in der Eisdecke an einem lotrechten Pfahl

(v.l.n.r.) [3]

Der dabei auftretende Bruchvorgang, bei dem ein Versagen (Riss)

innerhalb der Eisschicht entgegen der Belastungsrichtung auftritt, wird im

Schrifttum als Spaltbruch (cleavage failure) bezeichnet. Besonders hohe

horizontale Eislasten entstehen durch Brucheisfelder, die in ihrem oberen

Bereich bereits wieder zusammengefroren sind, und Presseisrücken.

Diese Belastungen können in durch feste Wellenschutzbauwerke

geschützte Sportboothäfen vernachlässigt werden.

Große horizontale Eislasten treten auf, wenn ein Bauwerk in eine

geschlossene Eisschicht eingefroren ist und sich diese Eisschicht

horizontal bewegt. Dies kann beispielsweise durch Wind und Strömung

oder durch den Aufprall von schwimmenden Eisfeldern auf die fixierte

Eisschicht bewirkt werden. Eine solche, aus einem Eisstoß resultierende

Einwirkung wird bezüglich der Eischollenbewegung bzw. des zeitlichen

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6 Entwurf, 18.04.2011

Ablaufs und der daraus resultierenden elastisch-plastischen Deformation

als ein schnell auftretendes Ereignis bewertet. Der Eisdruck, speziell der

thermische Eisdruck, kann dagegen als ein sich eher langsam vollziehen-

der Prozess eingeschätzt werden. Thermischer Eisdruck ist eine Form

der statischen Belastung für Uferbereiche und der im Wasserkörper

befindlichen Bauteile. Er wird durch schnelle Temperaturänderungen im

Eis bei zeitgleicher Dehnungsbehinderung hervorgerufen. Die

zeitabhängige Temperaturänderung im Nahbereich einer Eisdecke ist

abhängig von der Witterung mit den Charakteristika Lufttemperatur,

Windgeschwindigkeit, Sonnenstrahlung, Schneedeckenausbildung etc.

Der Abbau von Spannungen kann sich in Form von durchgehenden

Rissen in der Eisdecke oder durch Biegerisse auf der Eisoberseite

vollziehen. Durchgehende Risse sind der geringen Zugfestigkeit von Eis

bzw. dem spröden Verhalten bei kurzzeitigen Belastungen geschuldet.

Da die Eisdecke elastisch auf der Wasseroberfläche lagert, wölbt sie sich

bei einem vorhandenen Temperaturgradienten infolge des Zusammen-

ziehens an der Oberseite. Hier wirkt sich eine kurzzeitige Temperatur-

verringerung direkt aus, wohingegen die Reaktion in der Eisdecke durch

eine zeitliche Verzögerung gekennzeichnet ist.

Durch das Eigengewicht der Eisdecke entstehen bei Entlastung

Biegerisse. Infolge der plötzlichen Ausbildung von Rissen entspannt sich

die Eisdecke. Dies ist oftmals mit lauten Geräuschen verbunden,

wodurch es auch zu einer Wellenausbildung kommen kann, welche eine

weitere Form der Belastung für Ufer oder Bauwerke darstellt. Sowohl

trockene als auch mit Wasser und/oder Schnee gefüllte Risse treten in

der Natur auf. Füllen sich Risse, können diese auch wieder zufrieren und

bei Erwärmung des Eises anschließend Druckspannungen übertragen.

Die Eintrittswahrscheinlichkeit für den maximalen thermischen Eisdruck

ist im frühen Winter nach einer ersten längeren Frostperiode, die zur

Eisdeckenbildung führte, und einer darauf folgenden wärmeren Periode

mit Sonneneinstrahlung auf die unbedeckte Eisfläche am größten. Das

Eis ist in diesem Fall noch jung und nicht vorbelastet. Eine geringe

Schneedecke vermindert, hohe Sonneneinstrahlung vergrößert den

möglichen Eisdruck. Die Prognose des thermischen Eisdruckes für die

Dimensionierung neuer Bauwerke ist ohne Vergleichswerte aus

geografisch-klimatisch ähnlichen Gebieten äußerst schwierig. Alle

Berechnungsmethoden (vgl. [3]) benötigen eine Vielzahl von

Eingangsparametern und sinnvolle Annahmen für die Stoffkenngrößen


7

des Eises. Da die Unsicherheiten in den Annahmen groß sind, sollte die

Berechnung mit den jeweils konservativsten Ausgangsdaten geführt

werden.

Sofern keine ergänzenden Daten oder Statistiken zur Verfügung stehen,

wird auch in der EAU (2004) für Gewässer im Binnenbereich bei zu

erwartenden Eisdicken von h = 0,30 m, mäßigen Temperaturen bzw. den

stündlichen zu erwartenden Temperaturveränderungen ein maximaler

Eisdruck von 200 kN/m² für die Bemessung von Bauwerken empfohlen.

Für den deutschen Küstenbereich wird in diesen Empfehlungen davon

ausgegangen, dass 400 kN/m² nicht überschritten werden. Die DIN

19704-1 (1998) empfiehlt, als Ansatz für Binnengebiete bei Eisdicken von

h = 0,30 m bis h = 0,50 m eine Flächenlast von 150 kN/m² zu

berücksichtigen. Für Küstenbereichen gilt die Empfehlung, bei Eisdicken

von bis zu h = 0,80m eine Flächenlast von 250 kN/m² als

Bemessungsgröße zu verwenden. Letztere Empfehlungen können durch

Untersuchungen in [3] bestätigt werden.

Horizontale Eislasten auf Bauwerke können wesentlich abgemindert

werden, wenn das Eis nicht infolge Überschreitung der Druckfestigkeit σc

des Eises sondern infolge Überschreitung der Biegezugfestigkeit σf des

Eises versagt. Dieser Fall tritt ein, wenn die Belastungsfläche des

Bauwerks geneigt ist (z.B. geneigte Pfähle; vgl. auch Abb. 2). Der Einsatz

geneigter Pfähle in Sportboothäfen ist unüblich. Deshalb wird im Rahmen

dieser Empfehlungen von senkrechten Pfählen ausgegangen.

Für die Ermittlung horizontaler Eislasten auf senkrechte zylindrische

Bauwerke stehen verschiedene Berechnungsansätze zur Verfügung. In

den meisten Berechnungsansätzen wird davon ausgegangen, dass die

Eisdruckfestigkeit σc einen wesentlichen Einfluss auf die Belastung hat.

Der Einfluss von Pfahldurchmesser D und Eisdicke h wird auf

unterschiedliche Weise berücksichtigt. Zur Berechnung von Eislasten, die

durch rechnerisch unendlich große Eisschichten am Bauwerk

hervorgerufen werden, gehen einige Berechnungsansätze (z.B. nach

Marcellus & Morrison [18]) davon aus, dass das Eis im Kontaktbereich

Bauwerk-Eis örtlich zermalmt bzw. zerquetscht wird. Andere

Berechnungsansätze (z.B. nach Hirayama et al. [12]) setzen den bereits

erwähnten Spaltbruch voraus.

Kleinere Eisschollen bewirken kleinere Eislasten, da die Bewegung der

Eisschollen vom Bauwerk aufgrund der vergleichsweise geringen

EAS

8 Entwurf, 18.04.2011

kinetischen Energie gestoppt werden kann bzw. da sie zerbrechen

können. Die räumliche Ausdehnung (Größe) der Eisschicht wird im

Berechnungsansatz nach Korzhavin [16] berücksichtigt.

Wie auch Köster [17] und Harms [11] zeigen, weichen die Ergebnisse der

verschiedenen Berechnungsansätze bei Anwendung auf den gleichen

Belastungsfall und Verwendung der gleichen Eisdruckfestigkeit σc

erheblich voneinander ab.

Nach Untersuchungen der Hamburgischen Schiffbau Versuchsanstalt

(HSVA), des Germanischen Lloyd (GL) und der Technischen Universität

Hamburg-Harburg (TUHH) [20], in denen Messungen der horizontalen

Eisbelastung auf den Leuchtturm Norströmsgrund (Ø 7,2 m) im

Bottnischen Meerbusen und auf eine Plattform in der Bohai Bucht

(China), die auf 4 zylindrischen Stützen (Ø ca. 1,7 m) steht, ausgewertet

wurden, können die in der Natur auftretenden Eislasten mit dem

Berechnungsansatz nach Hirayama et al. [12] abgeschätzt werden.

Dieser Berechnungsansatz stimmt mit den Berechnungsergebnissen

russischer und japanischer Wissenschaftler überein ([2], [3]) und wird in

den EAU 2004 und EAK 2002 zur Anwendung empfohlen. Aus diesem

Grund kann er auch für die Bemessung von Eislasten auf Pfähle in

Sportboothäfen Anwendung finden.

Hierin sind:

FH = Horizontale Eislast [kN]

cE = Kontaktbeiwert bei eingefrorenem Bauwerk - 1,13 [-]

σc = Druckfestigkeit des Eises [kN/m²]

D = Pfahldurchmesser [m]

h = Bemessungseisdicke [m]

Für verschiedene Bemessungseisdicken ergeben sich in Abhängigkeit

vom Pfahldurchmesser D die in Tab. 1 beispielhaft dargestellten

horizontalen Eislasten. Es wurde von einer Eisdruckfestigkeit von σc =

1800 kN/m² (Ostsee) ausgegangen. Entsprechend der Wasser- bzw.

Eiseigenschaften ist die Berechnung mit der jeweils zutreffenden

Druckfestigkeit (vgl. oben) durchzuführen.


9

Tab. 1: Horizontale Eislasten FH auf Pfähle

Wie die in Tab. 1 dargestellten Werte zeigen, können die horizontalen

Eislasten bereits bei vergleichsweise geringen Bemessungseisdicken

erheblich sein. Die aus den horizontalen Eislasten resultierenden

Biegemomente am Pfahl sind bereits bei geringen Pfahllängen (bzw.

Wassertiefen) sehr hoch. Eine Bemessung von Pfählen innerhalb

geschützter Sportboothäfen und von exponierten Pfählen (z.B. Abweise-

pfähle in Hafeneinfahrten) gegen horizontale Eislasten sollte daher aus

wirtschaftlichen Gründen nicht erfolgen. Im Schadensfall sind diese

Pfähle zu ersetzen.

Vertikale Eislasten

Vertikale Eiskräfte entstehen durch Festfrieren einer Eisdecke am Pfahl

und nachfolgender Änderung des Wasserstandes. Bei steigenden

Wasserständen entstehen aufwärts gerichtete Kräfte, bei sinkenden

Wasserständen abwärts gerichtete Kräfte. Abwärts gerichtete vertikale

Eislasten können auch durch die Gewichtskraft von am Pfahl

angefrorenem Eis (Auflast) verursacht werden.

Ein festes Anfrieren der Eisdecke an den Pfahl ist an der deutschen

Ostseeküste nach Plagemann [24] nur bei sehr ruhigen Wetter-

bedingungen ohne Wasserspiegelschwankungen zu erwarten. Diese

Voraussetzung ist jedoch in stehenden oder langsam fließenden

Gewässer oder innerhalb von Sportboothäfen oft gegeben. In Küsten-

oder windexponierten Bereichen im Binnenland können an Pfahlbau-

werken auch Anfrierungen entstehen, welche entstehen, indem der Pfahl

durch Wellen oder Sprühwasser benetzt wird.

Auf den Pfahl übertragbare vertikale Eislasten setzen eine kraftschlüssige

Verbindung (Adhäsion) zwischen Pfahloberfläche und Eis voraus. Wie

Laboruntersuchungen von Frederking und Karri [8], [7] zeigen, sind die

Adhäsionskräfte zwischen Pfahloberfläche und Eis stark vom Pfahl-

Bemessungseisdicke [m] 0,25 0,30 0,40 0,5

Pfahl - Ø 0,20 m 198 242 332 424

Pfahl - Ø 0,25 m 221 270 371 474

Pfahl – Ø 0,30 m 242 296 407 520

Pfahl – Ø 0,35 m 262 320 439 561

Pfahl – Ø 0,40 m 280 342 470 600

Horizontale Eislast [kN]

EAS

10 Entwurf, 18.04.2011

material abhängig. Die größten Adhäsionskräfte wurden an Holz-, Beton-

und Stahlpfählen gemessen, da bei diesen Materialien das Wasser z.T. in

die Oberfläche des Pfahls eindringen kann und dadurch nach dem

Gefrieren ein guter Verbund zwischen Pfahloberfläche und Eis hergestellt

wird. An Kunststoffpfählen bzw. Pfählen mit versiegelter Oberfläche

(Beschichtung) wurden vergleichsweise geringe Adhäsionskräfte

ermittelt.

Im Bereich der Kontaktfläche zwischen Pfahl und Eis bildet sich in der

Natur bei geringen Lufttemperaturen ein Eiskragen, d.h. die Eisdicke ist

direkt am Pfahl größer als die durchschnittliche Dicke der umgebenden

Eisschicht. Die Bildung eines Eiskragens am Pfahl entsteht durch die

höhere Wärmeleitfähigkeit des Pfahlmaterials gegenüber der Wärmeleit-

fähigkeit der Eisschicht. Der Eiskragen kann durch gefrierendes

Spritzwasser im Stadium der Eisbildung noch verstärkt werden. Nach Edil

et al. [5] hat der Eiskragen typischerweise eine Ausdehnung von 0,15 m

von der Pfahloberfläche nach außen. Der effektive Pfahldurchmesser

erhöht sich dadurch um 0,30 m. Das Versagen der Verbindung Pfahl-Eis

tritt in diesem Fall, wie in Abb. 4 dargestellt, in einiger Entfernung von der

Pfahloberfläche auf.

Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Lufttemperatur schnell steigt oder

starke Sonneneinstrahlung vorherrscht. Der Pfahl erwärmt sich infolge

der Wärmeleitfähigkeit und des Verhältnisses von Rück- und Einstrahlung

(Albedo) schneller als das Eis. Infolge dessen beginnt das Eis an der

Kontaktfläche zwischen Pfahl und Eis zu schmelzen bis kein Kontakt

zwischen Pfahl und Eis mehr besteht. Bei steigenden Wasserständen

können in diesem Fall nur geringe bzw. keine vertikale Kräfte auf den

Pfahl übertragen werden. Dieser Effekt ist bei kurzzeitigen Wärme-

einbrüchen z.B. an Holzpfahlbuhnen im Küstenbereich gut zu

beobachten.


11

Abb. 4: Eiskragen und Bereich des Versagens der Eisdecke [4]

Bei sinkendem Wasserstand wird der Pfahl durch das Gewicht der am

Pfahl haftenden Eisdecke belastet. Die Eisdecke verformt sich im Bereich

des Pfahls. Die Eislast ist von der Dicke der Eisschicht und der

Wasserspiegeländerung abhängig. Sie wird durch die Biegezugfestigkeit

des Eises begrenzt.

Den am Pfahl angreifenden, abwärts gerichteten Eiskräften wirken der

Auftrieb des Pfahls, die Mantelreibung des Pfahls im Boden und der

Spitzendruck des Pfahls entgegen. Bei Überschreitung der haltenden

vertikalen Kräfte würde der Pfahl in den Boden hineingedrückt (vgl.

Abb. 1) bzw. der Pfahl würde brechen (Ausknicken). Infolge der

vergleichsweise hohen haltenden Kräfte aus Mantelreibung und

insbesondere aus Spitzendruck ist ein Versagen des Systems „Pfahl-

Boden“ nicht zu erwarten. Im ausgewerteten Schrifttum sind keine

Hinweise auf Schäden an Pfählen in Sportboothäfen durch abwärts

gerichtete, vertikale Eislasten vorhanden. Dieser Lastfall wird daher nicht

weiter betrachtet.

Steigt der Wasserspiegel, bewegt sich die darauf schwimmende

Eisdecke aufwärts. Sie ist am Pfahl festgefroren, verformt sich und

überträgt über die Kontaktfläche Pfahl-Eis aufwärts gerichtete vertikale

Kräfte auf den Pfahl. Aufwärts gerichtete Kräfte müssen allein von der

Gewichtskraft des Pfahls und der Mantelreibung des Pfahls im Boden

aufgenommen werden. Bei Überschreitung der haltenden Kräfte infolge

ungenügender Einbindelänge wird der Pfahl aus dem Boden gezogen

(vgl. Abb. 1). Dieser Vorgang kann sich im Verlaufe eines Eiswinters

mehrfach wiederholen. Theoretisch ist bei Überschreitung der Zugfestig-

EAS

12 Entwurf, 18.04.2011

keit des Pfahls auch ein Abreißen des Pfahlkopfes möglich (vgl. Abb. 1).

Sind Pfahldurchmesser und Einbindelänge des Pfahls im Boden

ausreichend dimensioniert, versagt im Normalfall die Eisdecke. In diesem

Fall wäre das Ziel der konstruktiven Bemessung erreicht.

Im Schrifttum sind viele Hinweise zu Schäden an Pfählen infolge aufwärts

gerichteter vertikaler Eislasten zu finden. Pfahlhebungen durch Eis

wurden z.B. sondern von Tryde [26] an Holzpfählen (Festmachepfählen)

in 93 Sportboothäfen Dänemarks dokumentiert. Während der Winter-

saison 1978/79 wurden 13 % der Festmachepfähle durch Eis aus dem

Boden gezogen. Die meisten Schäden traten in sandigem Baugrund auf.

Auch in den USA sind viele Schäden an Holzpfählen in Sportboothäfen

durch vertikale Eislasten dokumentiert [28]. Dieser Lastfall muss daher

bei der konstruktiven Bemessung von Holzpfahlbuhnen berücksichtigt

werden.

Zur Berechnung aufwärts gerichteter, vertikaler Eislasten auf senkrechte

Bauwerke sind im Schrifttum verschiedene theoretische und empirische

Berechnungsansätze vorhanden. Den verschiedenen Berechnungs-

ansätzen liegen z.T. unterschiedliche physikalische Grundannahmen

zugrunde.

Für einen Teil der Berechnungsansätze ist für den Fall steigender

Wasserstände die Auftriebskraft einer am Pfahl angefrorenen Eisdecke

maßgeblich. Dazu gehören u.a. die Bemessungsansätze nach EAU 2004

[1], Hager [10], Engelke & Jürß [6]. Unterschiede zwischen diesen

Ansätzen bestehen in der Ermittlung der für die Berechnung der

Auftriebskraft wirksamen Eisfläche. In den Empfehlungen des

Arbeitsausschuss Ufereinfassungen (EAU 2004) wird beispielsweise von

einer wirksamen Eisfläche mit einer Breite bzw. einem Radius von 5 m

ausgegangen.

Andere Berechnungsansätze (z.B. Wyman [32], Nevel [23] [22] [21], Kerr

[14] [13], Kerr & Palmer [15] und Christensen 1986 [4]) gehen davon aus,

dass aufwärts gerichtete vertikale Eislasten durch die Verformung der

Eisdecke entstehen und durch die Biegezugfestigkeit σf des Eises

begrenzt sind. An der Unterseite der verformten Eisdecke kann ein

hydrostatischer Druck entstehen, sofern keine Risse im Eis auftreten. In

den aktuellen russischen Normen [19] sowie im Ansatz nach Carstensen

[3] ist die Biegezugfestigkeit σf des Eises neben der Eisdicke und dem


13

Pfahldurchmesser maßgebend für die Berechnung von vertikalen

Eislasten.

Neben den theoretischen Bemessungsansätzen sind im Schrifttum auch

einige empirische Berechnungsansätze zu finden. Die Grundlagen der

Ansätze sind nicht in allen Fällen dokumentiert. Beispielhaft sollen hier

der in der ehemaligen DDR verwendete Berechnungsansatz nach

Kuznezow [29] und der im Engineering Manual 1110-2-1612 angegebene

Berechnungsansatz nach Zabilanski [27] (Auswertung von Laborver-

suchen) genannt werden.

Die nach den vorhandenen Berechnungsansätzen ermittelten Kräfte für

aufwärts gerichtete vertikale Eislasten zeigen insbesondere bei größeren

Eisdicken signifikante Unterschiede (vgl. Abb. 5).

Abb. 5: Vertikale Eislast infolge ansteigendem Wasserstand

an einem runden Pfahl (σc = 1,8 MN/m², D = 0,25 m)

Neuere Laboruntersuchungen (Weichbrodt et al. [30], [31]) belegen, dass

der Berechnungsansatz nach russischen Normen physikalisch richtig und

für die Ermittlung vertikaler Lasten auf Pfähle geeignet ist. Die vertikale

Eislast FV kann entsprechend der russischen Norm (Weichbrodt et al.

[30], [31]) wie folgt berechnet werden:

EAS

14 Entwurf, 18.04.2011

Ein weiterer von Carstensen [3] entwickelter Ansatz basiert u.a. auf

diesen Erkenntnissen und bezieht eine Streifen- bzw. Haftbreite lHB des

Eises um den Pfahl bei einer geschlossenen Eisdecke in Abhängigkeit

von der Eisdicke h und der Biegezugfestigkeit σf (σf =1/3 σc) mit ein. Die

Bestimmung von lHB sowie der vertikalen Eislast FV kann danach mit den

folgenden Formeln vorgenommen werden.

Hierin sind:

FV = Vertikale Eislast [kN]

ρW = Dichte von Wasser [kg/m³] = f (Eistemperatur, Salinität)

(Süßwasser ρW = 1000 kg/m³, Salzwasser ρW = 1005 bis

1028 kg/m³)

ρi = Dichte von Eis [kg/m³] = f (Eistemperatur, Kristallstruktur,

Salinität, Alter)

(Süßwassereis ρi = 916,8 bis 920,6 kg/m³,

Salzwassereis ρW = 860 bis 930 kg/m³)

σf = Biegezugfestigkeit des Eises [kN/m²]

g = Fallbeschleunigung [m/s²]

D = Pfahldurchmesser [m]

h = Bemessungseisdicke [m]

Für verschiedene Bemessungseisdicken ergeben sich abhängig vom

Pfahldurchmesser D die in Tab. 2 beispielhaft dargestellten vertikalen

Eislasten. Für die Ermittlung der Lasten wurde eine Eisdruckfestigkeit von

σc = 1,8 MN/m² (Ostsee) angenommen und der russische Berechnungs-

ansatz verwendet.


15

Tab. 2: Vertikale Eislasten FV auf Pfähle

Im Rahmen dieser Empfehlungen wird vorgeschlagen, für die Ermittlung

von aufwärts gerichteten vertikalen Eislasten auf Pfähle in Sportboot-

häfen den Berechnungsansatz nach russischen Normen [19] zu ver-

wenden. Sofern die Dichten von Wasser und Eis in die Berechnung der

Vertikalkraft mit einbezogen werden sollen, kann der Ansatz nach

Carstensen [3] verwendet werden.

Die mit dem empfohlenen Ansatz ermittelten vertikalen Eislasten gelten

für einzeln stehende Pfähle. Für Pfähle in Sportboothäfen würde sich

eine Überdimensionierung ergeben, wenn der Abstand von Pfählen

untereinander bzw. der Abstand von Pfählen zu festen Strukturen

geringer ist als die Ausdehnung der Verformung der Eisschicht bei ver-

tikaler Belastung (charakteristische Länge der Eisschicht ℓc).

Nach Edil et al. [5] kann die vertikale Eislast auf Gruppenpfähle durch

Multiplikation eines sog. „geometrischen Faktor“ aus der vertikalen Eislast

für Einzelpfähle berechnet werden. Der geometrische Faktor fg hängt vom

Abstand der Pfähle untereinander bzw. zur festen Struktur und von der

charakteristischen Länge der Eisschicht ℓc ab, die nach Sodhi et al. [25]

näherungsweise mit der 17-fachen Eisdicke angenommen werden kann.

Der geometrische Faktor fg wird nach Edil et al. [5] aus dem Verhältnis

zwischen der am Pfahlstandort eventuell durch die Nachbarpfähle bzw.

durch benachbarte Strukturen begrenzten Verformungsfläche und der

möglichen Verformungsfläche bei Annahme einer unbegrenzten Eis-

schicht ermittelt. Die unbegrenzte Verformungsfläche wird als Kreisfläche

um den Pfahl mit dem Radius der charakteristischen Länge der Eis-

schicht ℓc bestimmt. Die begrenzte Verformungsfläche wird als Mittelwert

von vier Kreisflächen bestimmt, deren Radius r jeweils die Hälfte der

Entfernung zur nächsten am Boden fixierten Struktur beträgt. Die Ent-

fernungen werden in vier Richtungen, jeweils um 90° versetzt, ent-

Bemessungseisdicke [m] 0,25 0,3 0,4 0,5

Pfahl - Ø 0,20 m 32,4 45,4 77,8 118,8

Pfahl - Ø 0,25 m 33,8 47,0 79,9 121,5

Pfahl – Ø 0,30 m 35,1 48,6 82,1 124,2

Pfahl – Ø 0,35 m 36,5 50,2 84,2 126,9

Pfahl – Ø 0,40 m 37,8 51,8 86,4 129,6

Vertikale Eislast [kN]

EAS

16 Entwurf, 18.04.2011

sprechend der Ausrichtung des Bauwerks bestimmt. Die Radien r dürfen

nicht größer als die charakteristische Länge der Eisschicht ℓc sein. Die

Gleichung für den geometrischen Faktor fg lautet:

Hierin sind:

fg = geometrischer Faktor [-]

r1 bis 4 = ½ Entfernung zu nächsten am Boden fixierten Struktur

(im Winkel von je 90° gemessen) [m]

ℓc = charakteristische Länge der Eisschicht (ca. 17∙h) [m]

Schrifttum

[1] Arbeitsausschuss "Ufereinfassungen" der HTG und der DGGT

(2004): Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Uferein-

fassungen", Häfen und Wasserstraßen 2004, Ernst & Sohn, Berlin

[2] Ausschuss für Küstenschutzwerke der DGGT und HTG (2002):

Die Küste - Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutz-

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20 Entwurf, 18.04.2011

3.3.3.4 Verkehrslasten

3.3.3.5 Schiffsstoß und Trossenzug

3.4 Bemessungsansätze

3.4.1 Methodik

3.4.2 Wellenbrecher und Molenbauwerke

3.4.2.1 Geschüttete Bauweisen

3.4.2.2 Senkrechte Bauweisen

3.4.2.3 Gemischte Konstruktionen

3.4.2.4 Schwimmende Bauwerke

3.4.3 Deckwerke und Uferbefestigungen

3.4.4 Anleger und Vertäueinrichtungen

3.4.4.1 Verankerungen

3.4.4.2 Pfähle

3.4.5 Sonderkonstruktionen und weitere Bauwerke

festlegung der bemessungsgrößen

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