schleuse lüneburg - geotechnische herausforderungen beim neubau einer schleuse in unmittelbarer...
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Freiberg, 06. Juli 2016
Schleuse Lüneburg
Dipl.-Ing. Ulf Matthiesen (BAW-DH)
Geotechnisches Seminar
Geotechnische Herausforderungen beim Neubau einer Schleuse in unmittelbarerNähe des Schiffshebewerks Lüneburg
Institut für Geotechnik, Technische Universität Bergakademie Freiberg
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1. Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)§ Allgemein§ Fachbereiche, Aufgabenschwerpunkte§ Referat Geotechnik Nord (K1)
2. Neubau Schleuse Lüneburg§ Einleitung, Motivation zum Schleusenneubau§ Schleusengestaltung§ Baugrund§ 2-D FEM Studie (BAW)
3. Baugrubenplanung§ Allgemein§ 2-D FEM Modellierung§ 3-D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 2
Inhalt
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BAW - Allgemein
Die BAW begutachtet, berät und forscht in den Bereichen:Bautechnik, Geotechnik und Wasserbau
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) ist eine zentrale technisch-wissenschaftliche Bundesoberbehörde zur Unterstützung desBundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI).
Zentrale Aufgabe:Beratung und Unterstützung desMinisteriums (BMVI)und der Wasserstraßen- undSchifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Seite 306.07.2016
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BAW - Allgemein
Deutschlandverfügt überdas größte
WasserstraßennetzWesteuropas
227 Mio. TonnenGüter transportiert
(2013)
23.000 km²Seewasserstraßen
7.300 kmBinnenwasserstraßen
53.000 km Fernstraßen
34.000 km Schiene
9% Wasserstraße
72% Straße
16% Schiene
4% Pipeline
Gesamttransportaufkommen
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Bundeswasserstraßen
06.07.2016 Seite 4
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BAW - Allgemein
Und die meisten Großstädte undwichtigsten Industriezentrenliegen an diesen Wasserstraßen
Über 2.300 BauwerkeSchleusenSchiffshebewerkeWehranlagenKanalbrückenDämmeUfersicherungenStrombauwerkeBrücken über Wasserstraßen
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Bundeswasserstraßen
06.07.2016 Seite 5
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BAW - Fachbereiche
Die BAW begutachtet, berät und forscht in den Bereichen:
Bautechnik Geotechnik Wasserbau
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BAW - Fachbereiche
KonstruktiveGestaltung
Erhaltungs-management Baustoffe
Stahlbau &Korrosionsschutz Massivbau
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Bautechnik
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BAW - Fachbereiche
Baugrund-erkundung
Erdbau &Uferschutz
GrundwasserGrundbauBaugrunddynamik
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Geotechnik
06.07.2016 Seite 8
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BAW - Fachbereiche
Wasserstraße &Umwelt Flussbau
Schiff /Wasserstraße
Spezial-Schiffbau
Natur-messungen
Küsten-wasserbauwerke
NumerischeVerfahren
Wasser-bauwerke
OffshoreGründung
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Wasserbau Binnen / Küste
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BAW - Aufgabenschwerpunkte
Forschung undEntwicklungBeispiele:
§ Besonders dauerhafteBaustoffe
§ Fischaufstiegsanlagenfür große Flüsse
§ NaturnaheUfersicherungen
NormensetzungVertreten in über250 Ausschüssen
Beratung undBegutachtungWasserstraßen undihre Anlagen
Wissenstransfer§ Kolloquien und
Aussprachetage
§ Schulungen
§ Vorträge undVeröffentlichungen
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Unsere Aufgabenschwerpunkte
06.07.2016 Seite 10
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Referat Geotechnik Nord
§ Norddeutsche Tiefebene (geologisch „jung“)
§ Binnen- und küstenspezifischegeotechnische Aufgaben (Küstenbauwerke)
§ Entfernungen in Deutschland
BAW – Referat Geotechnik Nord
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BAW Hamburg
BAW Karlsruhe
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BAW – Referat Geotechnik Nord
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Einsatzschwerpunkte
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§ Baugrunduntersuchungen und –beurteilungen
§ Gründungsempfehlungen und Entwurfsberatungen
§ Beratung bei Ingenieur-Vergaben
§ Beurteilung von Standsicherheiten und Gebrauchstauglichkeiten / GeotechnischeBerechnungen
§ Bewertung von Alternativ- und Sondervorschlägen
§ Geotechnische Bauwerksmessungen
§ Beratung bei Bauausführungen
§ Grundsatzuntersuchungen (F+E-Vorhaben)
BAW – Referat Geotechnik Nord
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 13
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Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 14
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Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
Quelle: WSA Uelzen
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
SHW Lüneburg(38 m Hubhöhe)
+65,0 m NHN
+4,0 m NHN
Schleusen Uelzen I & II(23 m Hubhöhe)
06.07.2016 Seite 15
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Schiffshebewerk Lüneburg
§ 1969 – 1975 Bauzeit
§ 1976 Freigabe ESK
Weitere Infos:
§ www.wsa-uelzen.wsv.de
§ www.baw.de
à Historisches Bildarchiv
Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
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Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv
06.07.2016 Seite 16
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Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv Quelle: WSA Uelzen
Quelle: WSA Uelzen
06.07.2016 Seite 17
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Schiffhebewerk Lüneburg
§ Doppelschiffshebewerk
§ 4 Führungstürme je Trog
§ Nutzbare Troglänge 100 m
§ Nutzbare Trogbreite 12 m
§ Wassertiefe 3,4 m
§ Kanalbrücken, Länge 42,5 m
< 185 m Uelzen
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Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
Quelle: WSA Uelzen
Ansicht Nord-Ost
Ansicht Süd-Ost
Quelle: www.schiffshebewerk-scharnebeck.de
06.07.2016 Seite 18
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Geplante Schleuse Lüneburg
§ Kammerlänge 225 m
§ Kammerbreite 12,5 m
§ Massivbauweise,geschlossener Rahmen
§ Sparbecken etagenförmig inKammerwänden
Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung
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Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
Que
lle:N
BAH
anno
ver
geplante Schleuse
Abstand?
06.07.2016 Seite 19
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Gibt es vergleichbare Schleusen?
§ Schleuse Tucurui (Brasilien), Fallhöhe 36,5 m
§ Schleuse Ust-Kamenogorsk (Kasachstan), Fallhöhe 42,0 m
§ Snake River (USA) mehrere Schleusen mit Fallhöhen zwischen 30 und 32 m
§ Jangtsekiang, obere Schleuse der Schleusentreppe am Dreischluchtendamm (China)
Neubau Schleuse Lüneburg - Schleusengestaltung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 2006.07.2016
Quelle: https://commons.wikimedia.org
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Neubau Schleuse Lüneburg - Schleusengestaltung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 2106.07.2016
Terrassenförmig angeordnete Sparbecken:
§ Große Fallhöheà hohe Sparbeckenanzahlà großeAchschüttungenà großer Flächenbedarf
§ Hohe Lastwechsel in der Sohle
Alternativ: Sparbecken in Kammerwände integriert
§ Gleichmäßigere Sohlpressung
§ Kammerquerschnitt als geschlossener Rahmen
§ Geringerer Flächenbedarf
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Längsschnitt (Süd-Nord)
Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrund
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Schmelzwassersandeund -kiese
Beckensand
Beckenschluff
Geschiebemergel
Lage der geplanten Schleuse
06.07.2016 Seite 22
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Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrund
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Lage dergeplantenSchleuse
SW-Sand
SW-Sand und -Kies
Beckenschluff
Beckensand
-5,5 m NHN
-12,0 m NHN
Querschnitt(West-Ost)
06.07.2016 Seite 23
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Voruntersuchung 2D-FEM (Plaxis 2D)
§ Verformungsverhalten SHW
§ Erste Abschätzung zur Lage der Schleuse
à Boden-Bauwerks-Interaktion unterBerücksichtigung Abstand Schleuse-SHW
Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 24
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Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Aushub derBaugrube
Hebung ausEntlastung
06.07.2016 Seite 25
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Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Belastung durch Bau undBetrieb der Schleuse
Abstandsvariation
Mitnahmesetzung
06.07.2016 Seite 26
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Randbedingungen
§ Lediglich Baugrundaufschlüsse imBereich des SHW (1967 - 1970)vorhanden
§ Keine konkreten Planungen zurBaugrube
Modellannahmen Schleusenbaugrube
§ Steifer, verformungsarmerBaugrubenverbau
§ Rückverankerte UW-Betonsohle
Modellvariationen
§ Abstandsvariation 30 m, 40 m, 50 m,60 m lichter Abstand
Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 27
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Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Small-Strain-Stiffness
à Berücksichtigung erhöhterMaterialsteifigkeiten bei geringemDehnungsniveau
(initialer Schubmodul G0)
Stoffliche Modellierung
§ Hardening Soil unter Berücksichtigung der Small-Strain-Stiffness (HSSmall)
à elasto-plastisches Stoffmodell (Double Hardening)
à Abbildung irreversibler Schubverzerrungen &Volumendehnungen
à spannungsabhängige Steifigkeit
à Abbildung von Erst- und WiederbelastungQue
lle:P
laxi
s2D
2015
,Mat
eria
lMod
els
Que
lle:P
laxi
s2D
2015
,Mat
eria
lMod
els
Sch
ubm
odul
G/G
0[-]
Scherdehnung gs [-]
06.07.2016 Seite 28
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Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
SHW - westliche Trogwanne
Setz
unge
n[m
m]
06.07.2016 Seite 29
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Parameterstudie
§ Variation Bauwerksabstand
§ Variation Grundwasserstand
§ Variation Stoffparameter (Steifemodul Boden)
§ Variation Stoffgesetz (mit / ohne „Small-Strain-Stiffness“)
à Empfehlung: Verifizierung der Modellparameter!
Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Gur G0
06.07.2016 Seite 30
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§ Flächenhafte Erkundung derSchichtenverläufe im Bereich derSchleuse
§ Verifizierung der Materialparameter durchFeld- und Laborversuche
§ Geophysikalische Messungen (Crosshole-und Downhole-Verfahren) zur Ermittlungelastischer Bodeneigenschaften (Small-Strain-Stiffness)
Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrunderkundung
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 31
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Baugrubenplanung - Allgemein
Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen
Que
lle:I
NG
E“B
augr
ube
Schl
euse
Lüne
burg
“
Präzisierung der Baugrube
§ Bauablauf
§ Verbau
§ Aussteifung / Rückverankerung
INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
§ grbv (Objektplanung)
§ Grontmij (Tragwerksplanung)
§ GuD (Numerische Berechnungen)
Numerische Berechnungen
§ Festlegung Stoffparameter anhand von BAW Baugrundgutachten
§ 2D FEM: Ermittlung Bauwerksabstand, Variantenuntersuchung Baugrubenverbau
§ 3D FEM: Detaillierte Untersuchung räumlicher Einflüsse
06.07.2016 Seite 32
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Stoffkennwerte für HS-Small-Modell
Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3306.07.2016
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Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3406.07.2016
Stoffkennwerte für HS-Small-Modell
Becken-schluff
Schmelz-wasser-
sand
Schmelz-wasser-sand/-
kies
Becken-sand
ϕ' [°] 38 37,5 37,5 39
c' [kN/m²] 10 0 0 0
ѱ' [°] 8 7,5 7,5 9
p ref [kN/m²] 400 200 400 500
E50ref [MN/m²] 45 80 110 140
EOedref [MN/m²] 30 80 110 140
Eurref [MN/m²] 180 220 300 350
G0ref [MN/m²] 150 130 190 280
γ0,7[-] 3E-04 2E-04 2E-04 2E-04
Triaxialversuch, Drucksondierung
Korrelation zum Reibungswinkel
Oedometerversuch, Triaxialversuch(Korrelation zu DS)
Crosshole-Seismic-Versuch
Erfahrungswert
Mittlerer in-situ Spannungszustand
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Ziel der Voruntersuchung
§ Auswirkung des Schleusenbaus auf das verformungsempfindliche Schiffshebewerkbestimmen
§ Bestimmung des Mindestabstandes zwischen der neuen Schleuse und dembestehenden Schiffshebewerk bei Einhaltung der Grenzverformung
§ Festlegung des Baugrubenkonzeptes und des Bauverlaufs
Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3506.07.2016
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Ergebnis der Voruntersuchung
§ 60 m Abstand zwischen Schleuse und SHW
§ vierfach gestützte Schlitzwand mit Wanddicke von 1,5 m mit einer kombinierten Stützungaus einer oberen Steifenlage und 3 darunter liegenden Ankerlagen
Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3606.07.2016
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3706.07.2016
Bauablauf im numerischen Modell:
§ Historischer Bau des Schiffshebewerks
§ Großflächiger Voraushub
§ Bau der Schlitzwände und Aufbringen derVerkehrslast
§ Baugrubenaushub und Einbau obererSteifenlage
§ Unterwasseraushub bis Baugrubensohle
§ Einbau von Sohlverankerung undUnterwasserbetonsohle
§ Stufenweises Lenzen der Baugrube und Einbauder jeweils folgenden Ankerlage bis dieBaugrube vollständig gelenzt ist
§ Schrittweiser Bau der Schleuse
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3806.07.2016
400 m
550 m
170 m
SHW Unterer Vorhafen
Damm für SHW Oberer Vorhafen
Schiffshebewerk (SHW)
Baugrube der neuen Schleuse
Ziel der räumlichen Modellierung ist die Ermittlung der Verformungen untermöglichst realitätsnahen Randbedingungen
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§ Längsschnitt durch Baugrund
§ Über die Vorgabe von 16 ausgewählten Bohrprofilen wird ein realistisches räumlichesBaugrundprofil berücksichtigt
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 3906.07.2016
Schleuse
Schiffshebewerk
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Abbildung Schiffshebewerk
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4006.07.2016
Damm unteroberem Vorhafen alsFlächenlast
Linienlast aus demoberen Vorhafen,eingeleitet durch Stützender Kanalbrücke
Flächenlast für Türmeinkl. Kammer,Gewichten, Treppenhausund Fahrstuhlschächten
Sohlplatte und Trogwanne mitlinear-elastischem Materialverhalten
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Abbildung Baugrube der neuen Schleuse
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4106.07.2016
Node-to-Node Anchor
Embedded Pile
Fixed-End Anchor
Schiffshebewerkzugewandte
Seite
Schiffshebewerkabgewandte
SeiteQuelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Abbildung Schleuse mit Unterwasserbetonsohle und Rückverankerung
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4206.07.2016
Unterwasserbetonsohle
Auftriebsanker mitEmbedded Pile Schleuse
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Akkumulierte Verformung des Schiffshebewerks
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4306.07.2016
Schleusenbau
Lenzen biszur Endtiefe
[mm]16
14
12
10
8
4
-4
-6
-2
0
2
6
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Entwicklung der vertikalen Verformungen
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4406.07.2016
-10
-5
0
5
10
15
20
25
3035 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101
103
105
107
109
111
113
115
117
119
121
123
125
127
129
131
133
135
137
139
141
143
145
147
149
Vert
ikal
eVe
rfor
mun
g[m
m]
Steps []
Westlicher Punkt Turm Östlicher Punkt Turm
Westlicher Punkt Nordtor Östlicher Punkt Nordtor
Voraushub
Endaushub
Lenzen bis+5,0 m NHN
Lenzen bis +0,0 m NHN
Lenzen bis -5,0m NHN
Lenzen bis -12,0m NHN
Neubaulast
N
Lage der maßgebenden Punkte am Schiffshebewerk
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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§ Von besonderer Interesse sind die Auslenkungen der Turmköpfe aufgrund der in denTürmen befindlichen Anlagen.
§ Maximale zulässige Auslenkung von 20 mm wird eingehalten
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4506.07.2016
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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Erddruckvergleich mit Ansätzen aus Empfehlungen
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4606.07.2016
EAB EAU
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Erddruckvergleich mit Ansätzen aus Empfehlungen
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4706.07.2016
FEM EAU-Ansatz (90% Erdruhedruckanteil) EAB-Ansatz (90% Erdruhedruckanteil)
1-fache Stützung 2-fache Stützung 4-fache Stützung(Endzustand)
Aushub innerhalb BGauf -13,50 mNHN
Lenzen auf 0,0 mNHN,Einbau 2. Ankerlage Vollständig gelenzte
Baugrube
Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“
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§ Ableitung der Erddruckfiguren für die Tragwerksplanung
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4806.07.2016
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Parallel 3-D Modell TU Freiberg (Flac3D)
Baugrubenplanung – 3D FEM Modellierung
Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 4906.07.2016
311 Steifen, 2198 Anker, 3750 Auftriebpfähle
Derzeit 56000 Zonen, 62000 Knotenpunkte
Quelle: TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Bundesanstalt für Wasserbau22559 Hamburg
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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!
Quelle: WSA Uelzen