1291. JahrgangDezember 2014, S. 892-900ISSN 0932-8351A 1556
Sonderdruck
Entwicklung eines innovativen Kammerquerschnitts für die neue Schleuse Dörverden
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BautechnikZeitschrift für den gesamten Ingenieurbau
Projekt1 19.10.2007 08:32 Seite 1
© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Sonderdruck aus: Bautechnik 91 (2014), Heft 12 3
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Jeannette Ebers-Ernst, Johannes Herbort
DOI: 10.1002 / bate.201400095
BERICHT
Entwicklung eines innovativen Kammerquerschnittsfür die neue Schleuse Dörverden
1 Veranlassung
Die Schleusenanlage Dörverden liegt an der Mittelweser.Die 1912 in Betrieb genommene große Schleppzug-schleuse und die 1938 erstellte zusätzliche kleine Schleu-se wurden in einem separaten Durchstich der mit einerWehranlage staugeregelten Weserschleife errichtet. Mitdem Ausbau der Mittelweser für das 2,50 m teilabgelade-ne Großmotorgüterschiff (GMS) wurde der Ersatz dervorhandenen Schleusenanlagen erforderlich. Die Aus-bauplanungen des Bundes sahen daher den Neubau einerSchleuse mit einer Nutzlänge von 139 m sowie einerKammerbreite von 12,50 m vor. Eine Erweiterung deralten Anlage (Tieferlegung der Sohle der Schleppzug-schleuse oder Verlängerung der kleinen Schleuse) waraufgrund des schlechten bau lichen Zustands beider Bau-werke nicht möglich bzw. unwirtschaftlich.
Im Juli 2004 bzw. April 2007 wurde die Ingenieurgemein-schaft „Planung Schleuse Dörverden“ mit der Entwurfs-planung und der Erstellung der Vergabeunterlagen
für den Neubau der Schleuse Dörverden an der Mittelweser einschließlich der Anbindung an den oberenund unteren Vorhafen sowie dem teilweisen Rückbau dergroßen Schleppzugschleuse beauf tragt.
Gesellschafter der Ingenieurgemeinschaft waren die inHannover ansässigen Unternehmen BGS Ingenieurge-sellschaft (heute Grontmij GmbH) und grbv Ingenieureim Bauwesen GmbH & Co.KG sowie das Büro FrankWinter aus Hülsede.
2 Randbedingungen für den Entwurf
2.1 Baugrund
Für die Entwurfsplanung zum Neubau der Weserschleu-se Dörverden wurde von der Bundesanstalt für Wasser-bau (BAW) in Karlsruhe ein Baugrundvor gutachten er-stellt und im Zuge der späteren Planun gen für die Vorbe-reitung der Vergabe fortgeschrie ben.
Nach fast fünfjähriger Bauzeit wurde Ende 2013 die neueSchleuse Dörverden an der Mittelweser für den Verkehr freige-geben. Damit wurde im Bereich der Wasser- und Schifffahrts-verwaltung des Bundes (WSV) erstmals eine neuartige Kam-merbauweise, bestehend aus einer rückverankerten, über-schnittenen Bohrpfahlwand mit Stahlbetonvorsatzschale sowieeiner mit Verpresspfählen rückverankerten Unterwasserbe-tonsohle, realisiert. Der „Baugrubenverbau“ wurde als wesent-liches Tragelement für das spätere Schleusenbauwerk über-nommen. Die Wasserundurchlässigkeit der Schleusenkammerwird durch eine Stahlbetonvorsatzschale realisiert, die gleich-zeitig die Schleusenausrüstung aufnimmt. Die Häupter wurdenin Massivbauweise geplant. Als Verschlusselement zum Ober-wasser dient ein Drucksegment mit Füllmuschel und einseiti-gem Antrieb. Das Untertor ist als Stemmtor in Faltwerksbau-weise ausgebildet. Die Entleerung der Kammer erfolgt überkurze Torumläufe.Der Bericht erörtert die Randbedingungen, Planungsergebnis-se und Entscheidungen, die im Zuge des Entwurfsprozesses imHinblick auf Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit, Herstell-barkeit, Wirtschaftlichkeit sowie Nutzungsanforderungen beieiner angestrebten Lebensdauer von 100 Jahren zur Realisie-rung dieser neuartigen Kammerbauweise geführt haben undzeigt Ansatzpunkte für zukünftige Entwicklungen auf.
Keywords Schleuse; Dörverden; Mittelweserausbau; Baugruben, tiefe;Kammerwand; Fugen
A novel chamber construction for the new lock in DörverdenAfter almost five years of construction the new lock in Dörver-den at the middle Weser was opened to the traffic at the end of2013. Hereby, a novel chamber construction, consisting of atied-back, secant bored pile wall with reinforced concrete fac-ing and a subaqueous concrete floor tied back by tension pileswas implemented for the first time in the range of the FederalWaterways and Shipping Administration. The construction pitsupport system was inherited as a crucial bearing element forthe final lock structure. The impermeability of the lock chamberis ensured through a reinforced concrete facing which alsoholds the lock equipment. The heads were planned as massiveconstruction. A rotary segment gate with single-sided driveserves as closing element against headwaters. The lower gateis designed as a mitre gate in tiled slab style. The emptying ofthe chamber is carried out via short circulations of the lockgate.The report discusses the marginal conditions, planning resultsand decisions as well as the usage requirements for a life ex-pectancy of 100 years, which have led to the development ofthis novel chamber style, concerning bearing capacity, useabil-ity, construction and cost efficiency. Furthermore, the reportpresents starting points for future developments.
Keywords lock; Dörverden; middle Weser expansion; deep pits; chamberwall; joints
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Im Bereich der Schleuse stehen im Anschluss an eine 5 mbis 7 m mächtige tonige und schluffige Auffüllungsschichtgeringer Festigkeit bis etwa 50 m unter GOK zwei durcheine nicht durchgängig vorhandene, zwischen 3 m und4,5 m mächtige weiche Zwischenschicht getrennte Sand -schichten an.
Die obere Sandschicht von ca. NN +10 m bis ca. NN –1 m besteht aus Mittelsand, teilweise fein- bis mittelkie-sig, mit mittlerer bis großer Festigkeit und schließt kiesigeBereiche sehr großer Festigkeit ein. Unter der bindigenZwischenschicht mit eingelagerten Steinen schließt sichdie untere Sandschicht aus enggestuf ten Feinsanden gro-ßer bis sehr großer Festigkeit an.
In den unteren und oberen Sanden so wie der Zwi -schenschicht war mit Rammhindernissen aus Steinen zurechnen. Hinsichtlich der Rammbarkeit war deshalbdavon auszugehen, dass für das Einbringen von Spund-wänden Rammhilfen wie z. B. Vorbohren er forderlichsind.
2.2 Wasserstände und Grundwasserverhältnisse
Für den Entwurf der neuen Schleusenanlage sind folgen-de Wasserstände der Weser maßgebend:
Oberwasser: HHW: NN +17,35 mHSW: NN +15,29 mHyd. Stau OW: NN +14,60 m(entspricht hydrostatischem Stau WehrDörverden)
Unterwasser: HHW: NN +16,42 mHSW: NN +14,15 mMW: NN +11,28 mHyd. Stau UW: NN +10,00 m(entspricht hydrostatischem Stau WehrLangwedel)
Die Grundwasserverhältnisse korrespondieren mit denWasserständen der Weser im Ober- und Unterwasser. ZurBeurteilung und Überwachung der Grundwasserverhält-nisse im Bereich der Schleuse und der Vorhäfen stand einenges Netz an Grundwassermessstellen zur Verfügung.Aus den Aufzeichnungen über einen Zeitraum von fünfJahren ermittelte die BAW folgende für die Bemessungdes Bauwerkes maßgebenden Grundwasserstände:
Mittlerer Grundwasserstand: NN +11,8 m Maximum: NN +14,9 m Minimum: NN +8,9 m
2.3 Lage
Im Rahmen einer Voruntersuchung für den Neubau derWe serschleuse Dörverden wurden vom Neubauamt fürden Ausbau des Mittellandkanals in Hannover (NBA)verschie dene Standorte für die neue Schleuse geprüft.Unter Berücksichtigung der Auswir kungen auf die Schiff-fahrt sowie auf die vorhandene kleine Schleuse wurde dieneue Kammer auf der bestehenden Schleu seninsel in derAchse des Schleusenkanals mit einem Achs abstand von19 m zur Schleppzugschleuse und von 41 m zu der klei-nen Schleuse angeordnet (Bilder 1 und 2). Das neue
Bild 1 Luftbild der bestehenden Schleusenanlage Dörverden mit Darstellung des neuen BauwerkesAerial image of the existing Dörverden lock with representation of the new construction
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Oberhaupt ist gegenüber den vorhandenen Oberhäupternum 30 m nach Unterwasser (Norden) verschoben.
2.4 Bauwerk
Um zukünftigen Verkehrsentwicklungen gerecht zu werden, war die neue Schleuse mit einer Nutzlänge von139 m, einer nutzbaren Kammerbreite von 12,50 m undeiner Drempeltiefe unter hydrostatischem Stau von 4 mzu planen. Die Fallhöhe beträgt jeweils bezogen auf denhydrostatischen Stau der Weser im Ober- und Unterwas-ser 4,60 m. Die Schleusenplanie liegt 40 cm über HHW,daraus folgt eine freie Kammerwandhöhe von 11,75 m(Bild 3).
Die neue Schleuse wurde als Einkammerschleuse geplant.Sparbecken sind aufgrund des ausreichenden Wasseran-gebots der Weser nicht erforderlich. Eine Hochwasserab-fuhr über die Schleuse ist nicht vorgesehen. Aufgrund dergeringen Fallhöhe wurde als Füll- und Entleerungssystemein Endsystem geplant. Die Schleuse wird am Oberhauptüber ein Drucksegmenttor mit Füllmuschel gefüllt. DieEntleerung ins Unterwasser erfolgt über kurze, seitlichangeordnete Umlaufkanäle am Unterhaupt.
3 Entwicklung der Kammerbauweise
3.1 Entwurfsvarianten der Haushaltsunterlage(Entwurf-HU)
Der vom Neubauamt aufgestellte Haushaltsentwurf sahvor, die neue Schleuse mit einer Kammer in Spundwand-bauweise und massiven Häuptern zu erstellen. Die eben-falls untersuchte Variante, die Kammer als massiven U-Rahmen im Schutze einer Baugrube zu realisieren, wurdetrotz der damit verbundenen besseren Nutzungsqualitätaufgrund der Robustheit dieser Bauweise und der geringe-ren Unterhaltungskosten als nachrangig beurteilt, da dieInvestitionskosten gegenüber der Spundwandbauweisedeutlich höher eingeschätzt wurden.
3.2 Variantenuntersuchung im Rahmen desIngenieurvertrages
Aufgabe der Vorplanung für die Schleusenkammerwar die detaillierte Untersuchung der vom AG bereitsim Rahmen der Erstellung der Haushaltsunterlage be -arbeiteten Hauptvarianten Spundwand- und Massivbau-weise.
Bild 2 Querschnitt neue Schleuse Dörverden mit vorhandener kleiner Schleuse und vorhandener SchleppzugschleuseCross section of the new Dörverden lock with existing locks
Bild 3 Längsschnitt der neuen Schleuse DörverdenLongitudinal section of the new Dörverden lock
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Recht bald zeigte sich dabei, dass aufgrund der sehrhohen Festigkeiten des Bodens und der zu erwartendenSteine in der bindigen Zwischenschicht zum sicherenEinbringen der Verbau- oder Kammerspundwände tan-gierende, besser noch überschnittene Austauschbohrun-gen erforderlich werden würden. Da sowohl für die Kam-mer als auch für die Verbauspundwände bei der vorgese-henen einlagigen Verankerung nur kombinierte oderKastenprofile sinnvoll möglich waren, erschienen Bohr-durchmesser für das Vorbohren von 1,2 bis 1,5 m erfor-derlich.
Um Kosten und Geräteeinsatz zu optimieren, entstanddabei die Idee, die ohnehin erforderlichen Bohrungennicht nur zum Bodenaustauch zu nutzen, sondern gänzlich auf das Einstellen von Spundwandprofilen zuverzichten und eine überschnittene Bohrpfahlwandals Haupttragelement der Schleusenkammer zu realisie-ren.
In Abstimmung mit dem Neubauamt wurde daraufhinder Untersuchungsumfang der Vorplanung um die Vari-anten „Bohrpfahlwand als Haupttragelement“ und„Schlitzwand als Haupttragelement“ als Modifikation derBohrpfahlwand-Variante erweitert.
Für den Neubau der Schleusenkammer wurden somit fol-gende Hauptvarianten gegenübergestellt:
– Variante A: Schleusenkammer als Spundwand– Variante B: Schleusenkammer als Stahlbeton-U-
Rahmen– Variante C: Schleusenkammer als bewehrte Schlitz-
wand mit massiver Vorsatzschale– Variante D: Schleusenkammer als Bohrpfahlwand
mit massiver Vorsatzschale
Die zur Diskussion stehenden Varianten wurden bezüg-lich folgender Kriterien untersucht und beurteilt:
– Technische Machbarkeit (Risiken der Bauweise usw.)– Erstellungskosten (netto pro 10 m Kammerlänge,
Preis stand 2006)– Unterhaltungskosten– Nutzungsqualität– Bauzeit
Eine Festlegung von Wertungsfaktoren für die Kriterienmit tabellarischer Auswertung für jede Variante solltenicht erfolgen.
3.2.1 Varianten A: Schleusenkammer als Spundwand
Als Spundwandvarianten sind Kombinationen von unter-schiedlichen Profilen mit einer oder zwei Ankerlagen un-tersucht worden. Bei der Ausbildung der Verankerungwurde zwischen Verpresspfählen und Rundstahlankernunterschieden. Die Bewertung erfolgte in Bezug zurGrundvariante A1.
3.2.1.1 Variante A1: Gemischte Spundwand mitI-Trägerpfählen und einer Verankerungslage
Wandaufbau: Spundwandsystem HZ 775 D – 12/AZ 26o. glw. mit ca. 0,80 m hohen Trägerpfählenin einem Abstand von ca. 1,80 m (Bild 4).
Kosten: 420 000 €
3.2.1.2 Variante A2: Gemischte Spundwand mitKastenpfählen und einer Verankerungslage
Wandaufbau: Spundwandsystem CAZ 50/AZ 28 o.glw. mit ca. 1,00 m hohen Kastenpfäh-len in einem Abstand von ca. 2,40 m(Bild 5).
Kosten: 450 000 €Vorteile zu A1: – Unterhaltungskosten
(keine vorstehenden Schlösser)– Nutzungsqualität
(keine vorstehenden Schlösser)– größere Torsionssteifigkeit der
KastenpfähleNachteile zu A1: – Erstellungskosten
3.2.1.3 Variante A3: Wellenspundwand mit zweiVerankerungslagen
Wandaufbau: Profilspundwand AZ 48 o. glw. miteiner Höhe von ca. 0,50 m (Bild 6).
Bild 4 Spundwandquerschnitt Variante A1 (Gemischte Spundwand mit Trägerpfählen)Cross section of chamber wall, version A1 (mixed sheet pile withgirder piles)
Bild 5 Spundwandquerschnitt Variante A2 (Gemischte Spundwand mitKastenpfählen)Cross section of chamber wall, version A2 (mixed sheet pile withbox piles)
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Kosten: 440 000 €Vorteile zu A1: – Unterhaltungskosten
(keine vorstehenden Schlösser)– Nutzungsqualität
(keine vorstehenden Schlösser)Nachteile zu A1: – Technische Machbarkeit (aufgrund
der zweiten Ankerlage)– Bauzeit (aufgrund der zweiten
Ankerlage)– Erstellungskosten
3.2.2 Varianten B: Schleusenkammer als Stahlbeton-U-Rahmen
Die Varianten für den Stahlbeton-U-Rahmen unterschei-den sich hinsichtlich der Baugrubenwand.
3.2.2.1 Variante B1: Schleusenkammer als Stahlbeton-U-Rahmen mit Schlitzwand
Wandaufbau: 1,80 m dicke Stahlbetonwand ein-schließlich 10 cm Bautoleranz zuzüg-lich einer 0,70 m dicken bewehrtenSchlitzwand als Baugrubenwand (Bild 7).
Kosten: 540 000 €Vorteile zu A1: – Technische Machbarkeit (aufgrund
kontrollierter Ausführung im Schutzeeiner Baugrubenwand und unveran-kerten Wänden als Dauerbauwerk)
– Unterhaltungskosten (durch glatteWand weniger und im Schadens -umfang geringere Anfahrschäden)
– Nutzungsqualität (durch glatte Wandist kein Verhaken, Verkanten oderUnterhaken möglich)
– geringere WandverformungenNachteile zu A1: – Erstellungskosten (aufgrund Bau -
grubenwand und größerer Konstruk-tionsbreite)
– Bauzeit (aufgrund der Baugruben-und der Stahlbetonwand)
3.2.2.2 Variante B2: Schleusenkammer als Stahlbeton-U-Rahmen mit Spundwand
Wandaufbau: 1,80 m dicke Stahlbetonwand ein-schließlich 10 cm Bautoleranz zuzüg-lich einer rund 0,50 m hohen Profil-spundwand AZ 48 o. glw. als Baugru-benwand (Bild 8).
Kosten: 570 000 €Vorteile zu A1: siehe Variante B1Nachteile zu A1: siehe Variante B1
3.2.3 Variante C: Schleusenkammer als bewehrteSchlitzwand mit Vorsatzschale
Aufgrund der möglichen Erdeinbrüche bei der Herstel-lung von Schlitzwänden und der damit verbundenen ge-ringeren Wasserundurchlässigkeit und Tragfähigkeitwurde eine Schlitzwand als Haupttragelement für dieSchleusenkammer ausgeschlossen.
3.2.4 Variante D: Schleusenkammer als Bohrpfahlwandmit massiver Vorsatzschale
Die Entwurfsidee sah vor, dass die überschnittene Bohr-pfahlwand allein das statische Tragelement bildet. DieDichtigkeit der Konstruktion sollte durch die Vorsatz-schale gewährleistet werden.
Bild 6 Spundwandquerschnitt Variante A3 (Wellenspundwand mit zwei Ankerlagen)Cross section of chamber wall, version A3 (sheet pile with two tiepositions))
Bild 7 Rahmen Variante B1 (Stahlbeton-U-Rahmen mit Schlitzwand)Cross section of chamber wall, version B1 (reinforced concreteU-frame with slotted wall)
Bild 8 Rahmen Variante B2 (Stahlbeton-U-Rahmen mit Spundwand)Cross section of chamber wall, version B2 (reinforced concreteU-frame with sheet pile)
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– Nutzungsqualität (durch glatte Wandist kein Verhaken, Verkanten oderUnterhaken möglich)
– geringere WandverformungenNachteile zu A1: – Erstellungskosten
– Bauzeit
4 Entwurfs- und Ausschreibungsplanung
Nach intensiver Abstimmung mit dem Neubauamt wurdedie Variante D (Kammerwand als Bohrpfahlwand mitStahlbeton-Vorsatzschale und einer Verankerungskombi-nation aus Rundstahlankern und Verpresspfählen) alsVorzugsvariante ausgewählt und der weiteren Entwurfs-planung sowie der Ausschreibung zugrunde gelegt.
4.1 Genehmigungsprozess
Bis die im Zuge der Entwurfsplanung entwickelte Kam-merbauweise Grundlage für die Ausschreibung der Bau-leistung wurde, waren zahlreiche vertiefende Untersu-chungen seitens der Ingenieurgemeinschaft erforderlich.In einem intensiven Austausch der Projektbeteiligtendes Neubauamtes für den Ausbau des Mittellandkanalsin Hannover, den verschiedenen Referaten der Abteilun-gen Bautechnik und Geotechnik der Bundesanstalt fürWasserbau in Karlsruhe sowie der Ingenieurgemein-schaft konnte im Mai 2007 die Entwurf-Ausführungsun-terlage (Entwurf-AU) fertiggestellt und bei der Mittel -behörde zur Genehmigung eingereicht werden. Dem vorausgegangen war u. a. im März 2006 ein Erläute-rungstermin beim damaligen BMVBS, um die Zustim-mung des Ministeriums zur Kammerbauweise zu erwir-ken. Hauptkriterien in diesem Prozess waren die techni-sche Machbarkeit, die Sicherheit in der Bauausführungund die Dauerhaftigkeit der Konstruktion über eine Le-bensdauer von 80 Jahren sowie ein geringer Unterhal-tungsaufwand.
4.2 Bohrpfahlwand
Die Bohrpfahlwand wurde mit einem wettbewerbsübli-chen Durchmesser von 1,20 m und einem Achsabstandder Pfähle von 0,90 m in der Betongüte C30/37 festgelegtund vordimensioniert. Als Rissweite wurde ein obererGrenzwert von 0,25 mm definiert. Da eine exakte Lagevon Einbauteilen nach Herstellung des Bohrpfahlesdurch das beim Ziehen des Bohrrohres mögliche Verdre-hen des bis zu 23 m langen Bewehrungskorbes nicht ga-rantiert werden konnte, wurde entschieden, die Anker-durchführungen nachträglich als Kernbohrung durch denBohrpfahl herzustellen. Obwohl Lücken in der Beweh-rungsführung vorgesehen werden sollten, wurden sämtli-che Nachweise im Bereich der Ankerdurchführungenunter Berücksichtigung von maximal zwei Bewehrungs -eisen auf der Luftseite und drei Bewehrungseisen auf derErdseite geführt (Bild 10).
Um einen ausreichenden Verankerungsbereich für dieAusrüstungselemente nach der DIN 19703, Leitern undNischenpoller, zu erhalten, wurde die Vorsatzschale inden Versatzbereichen der Bohrpfahlwand örtlich dickerausgebildet.
Die Vorsatzschale wurde in Längsrichtung fugenlos er-stellt. Um Zwängungsbeanspruchungen auszuschließen,erfolgte zur Sohle die Ausbildung einer Pressfuge mitinnen und außen liegendem Fugenband.
Der Anschluss der Vorsatzschale an die Bohrpfahlwanderfolgte an den bewehrten Bohrpfählen (Sekundärpfähle)über Betonstahlbewehrung als nachträglich erstellter Be-wehrungsanschluss unter Verwendung von Injektions-mörtel. Im Bereich der Nischenpoller wurde die An-schlussbewehrung zur Aufnahme der Pollerzugkräfte er-höht.
Vor der Betonage der Vorsatzschale erfolgte die Herstel-lung einer ebenen Ausgleichsschicht aus Spritzbeton, dieeine konstruktive Bewehrung aus Betonstahlmatten er-hielt. Durch die Ausgleichsschicht wurden unterschiedli-che Verformungen der Bohrpfähle und die Bautoleranzausgeglichen.
Zur Rückverankerung der Wand wurden Verpresspfählebzw. Rundstahlanker an jedem bewehrten Bohrpfahl angeschlossen. Zur Durchführung der Verankerung undzur bündigen Herstellung des Ankeranschlusses wurdenKernbohrungen mit unterschiedlichstem Durchmesserdurch die Bohrpfähle hergestellt.
3.2.4.1 Variante D1: Schleusenkammer als Bohrpfahlwandmit massiver Vorsatzschale
Wandaufbau: 1,00 m dicke Bohrpfahlwand (DM =1,20 m) mit 25 % Überschneidung undeiner 0,50 m dicken massiven Vorsatz-schale einschließlich 10 cm Bautole-ranz (Bild 9).
Kosten: 455 000 €Vorteile zu A1: – Unterhaltungskosten (durch glatte
Wand weniger und im Schadens -umfang geringere Anfahrschäden)
Bild 9 Bohrpfahlwand Variante D1Cross section of chamber wall, version D1 (bored pile wall with facing)
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Eine besondere Bedeutung kommt der planerischen Be-rücksichtigung der möglichen bzw. zulässigen Toleranzenbei der Herstellung der Bohrpfahlwand zu. Gemäß denzusätzlichen Vertragsbedingungen sind Lageabweichun-gen des Kopfes von ±50 mm und Neigungsabweichungenvon ±0,5 % der Bohrtiefe zulässig. Das entspricht einermaximalen Gesamtabweichung in Höhe der Unterkanteder Unter-Wasser-Betonsohle von 2 × 0,05 m + 2 × 14,0 m× 0,005 = 0,24 m. Damit würden im Extremfall nur noch6 cm Überschneidung verbleiben. Nach Beurteilung derRisiken bezüglich der Lageabweichungen kann es beidauerhaft genutzten Bohrpfahlwänden erforderlich wer-den, die Ausführungstoleranzen zu begrenzen, oder –falls das nicht möglich sein sollte – die planmäßige Über-schneidung größer als 25 % zu wählen.
4.3 Vorsatzschale
Zur Gewährleistung eines eindeutigen Lastabtrages, zurVermeidung von Zwängungsbeanspruchungen und zurRealisierung einer Trennung zwischen Lastabtrag und
Dichtfunktion wird zwischen der Schleusensohle und der40 cm starken Vorsatzschale eine Pressfuge mit innenund außen liegendem Fu genband angeordnet (Bild 11).Bis auf die Fugen zu den Häuptern wird die Vorsatzscha-le ansonsten fugenlos hergestellt. Vor- und Nachteile derangeordneten Pressfuge sind:
Vorteile:– Trennung zwischen Lastabtrag (Bohrpfahlwand) und
Dichtfunktion (Vorsatzschale)– Eindeutige Zuordnung des Kraftverlaufes (bei einer
biegesteifen Verbindung können die Parameter für dieVerbundwirkung zwischen Vorsatzschale und Bohr-pfahlwand nur näherungsweise ermittelt werden)
– Sichere Ausführbarkeit im Hinblick auf die Beweh-rungsführung und Betonage der Vorsatzschale im An-schlussbereich zur Sohle
– Anschlussbewehrung der Vorsatzschale an die Bohrpfahlwände im Bereich über der Sohle ist si-cher einbaubar (keine deutliche Erhöhung aufgrundder Verbundwirkung infolge einer biegesteifen Ver -bindung zwischen Sohle und Vorsatzschale erforder-lich)
– Keine Querschnittserhöhung der Vorsatzschale imAnschlussbereich zur Sohle erforderlich (bei einer bie-gesteifen Verbindung mit deutlichen Steifigkeitsunter-schieden zwischen Sohle und Vorsatzschale bestündedas Erfordernis einer zusätzlichen Querschnittserhö-hung in Form einer Voutenausbildung der Vorsatz-schale)
Nachteile:– Hoher Sanierungsaufwand im Falle einer Undichtig-
keit der beiden Fugenbänder (das Risiko hierfür wirdals gering eingeschätzt)
– Gefahr von Abplatzungen bei zu großen Winkelver-drehungen; durch die Berücksichtigung von Fugenein-lagen gemäß BMVBW-RiZ Abs 1 (Betongelenk) kanndies verhindert werden
– Höhere Herstellungskosten im Vergleich zur Arbeits-fuge mit Fugenblech und Verpressschlauch.
Bild 10 Ausfall Bohrpfahlbewehrung im Bereich der AnkerdurchführungenCancellation of bored pile reinforcement in tie lead-through section
Bild 11 Detail Pressfuge zwischen Vorsatzschale und SchleusensohleDetail: press join between facing und lock bottom
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Durch die Raumfuge gelingt eine klare Trennung der ver-schiedenen Tragsysteme von Häuptern und Kammer. Siekönnen sich unabhängig voneinander verformen, und un-gleichmäßige Setzungen der Häupter durch einseitiges„Aufhängen“ an der Kammersohle werden vermieden. Eserfolgt keine undefinierte Lasteinleitung von der Flach-gründung der Häupter in die Kammersohle. Durch denEinbau der Fugenbänder zwischen der Vorsatzschale derKammer und den Häuptern verläuft die Dichtungsebeneeindeutig in der Vorsatzschale.
Die für die Auslegung der Fugenbänder nachteiligen Set-zungsdifferenzen zwischen Häuptern und Kammer lassensich durch die nachlaufende Herstellung der Kammersoh-le und einen spätmöglichen Zeitpunkt für den Einbau derFugenbänder wesentlich reduzieren. Das Schadensrisikoan den Fugenbändern, verbunden mit einem hohen Sa-nierungsaufwand im Schadensfall, wurde aufgrund derLage der Fugenbänder als gering bewertet.
Zusammenfassend kam die Entwurfsplanung zu dem Er-gebnis, dass die Anordnung der Raumfugen zwischen derKammer und den Häuptern nicht nur aus statischer Sichtsinnvoll, sondern in konstruktiver und bautechnologi-scher Hinsicht erforderlich ist.
4.4 Übergang Kammer – Häupter
Am Übergang von den Häuptern zur Kammer erfolgt eingrundsätzlicher Wechsel des Tragsystems. Während fürden Bereich der Kammer die Bohrpfähle als dauerhaftesTragwerk für den Endzustand ausgebildet wurden, stellendie Bohrpfahlwände und übrigen Verbauwände im Be-reich der Häupter ausschließlich einen Baubehelf mitzeitlich begrenzter Nutzungsdauer dar.
Im Kammerbereich werden die horizontalen Lasten ausErd- und Wasserdruck über die mit Rundstahlankern ein-fach rückverankerte Bohrpfahlwand in den Baugrund ab-getragen. Der Lastabtrag an den Häuptern erfolgt dage-gen über die Flachgründung des U-Rahmens.
Kammer und Häupter unterscheiden sich deshalb auchwesentlich im Verformungsverhalten. Die permanentgegen Auftrieb gesicherte Kammersohle ist weitestgehendsetzungsfrei. Die Setzungen der Häupter betragen bis zu3 cm. Die horizontalen Verformungen der Bohrpfahlwän-de sind infolge der geringeren Steifigkeit größer als diehorizontalen Verformungen der Häupter.
Im Zuge der Planungen wurde auch für den Übergangzwischen den Häuptern und der Kammer eine monolithi-sche Ausbildung überprüft. Ein monolithischer Anschlussder Häupter an die Bohrpfahlwand der Kammer ist kon-struktiv sehr aufwändig, der monolithische Anschluss andie wesentlich schlankere Vorsatzschale führt zu einerungewünschten Lasteinleitung in die Vorsatzschale infol-ge Zwang. Zwangskräfte entstehen ebenfalls beim An-schluss der massiven Häupter an die wesentlich schlanke-re, nahezu setzungsfreie Kammersohle.
Nach Abwägung aller Vor- und Nachteile wurde ge -meinsam mit dem Bauherrn entschieden, zwischen denHäuptern und der Kammer eine Raumfuge anzuordnen.In den Bewegungsfugen wurden jeweils zwei Dichtungs-ebenen mit innen liegenden Dehnfugenbändern vorgese-hen.
Bild 12 Bewehrung, Schalung und Betonage der VorsatzschaleReinforcement, formwork und concreting of facing
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Bild 13 Übergang Unterhaupt – KammerTransition bottom head – chamber
(© N
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Bild 14 Berechnungsmodell Bauwerk-Boden-InteraktionFinite element model of soil-structure interaction
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4.5 Erddruckermittlung/Bauwerk-Boden-Interaktion
Für die Stahlbetonbemessung der Bohrpfahlwand sowohlim Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit als auch imGrenzzustand der Tragfähigkeit wurden die getrenntenErddruckanteile der Einwirkungen aus Bodeneigenge-wicht und Verkehrsflächenlasten, Temperatur, Stoß- undEislasten, Ober- und Unterwasser sowie Grundwasser be-nötigt. Zur Ermittlung dieser Erddrücke wurde deshalbfür einen maßgebenden ebenen Schnitt mithilfe der FEMdas Spannungs-Verformungsverhalten des gekoppeltenSystems aus Baugrund und Bauwerk berechnet (Bild 14).
Die FEM-Berechnung erfolgte als physikalisch nicht li-neare Scheibenberechnung mit dem ProgrammmodulTALPA der Sofistik Programmkette unter Verwendungdes nicht linearen Materialgesetzes Hardening-Soil (Sofis-tik Material GRAN). Es handelt sich hierbei um ein er-weitertes elastoplastisches Material mit Verfestigung, wel-ches insbesondere das Verformungsverhalten granularerMaterialien sehr gut erfasst. Mit diesem Materialgesetzwerden Belastungsrichtung und die unterschiedlichenSteifigkeiten bei Erstbelastung und Ent- bzw. Wiederbe-lastung berücksichtigt. Die erforderlichen Bodenkenn-werte wurden von der BAW aus Triaxial- und Oedometer-versuchen abgeleitet und durch Nachrechnung der Ele-mentversuche am FE-Modell verifiziert.
Die aus den nicht linearen Berechnungen abgeleitetenErddruckverteilungen wurden mit klassischen Erddruck-ansätzen verglichen und als Berechnungsgrundlagen fürdie Stahlbetonbemessung der Bohrpfahlwand festge-schrieben (Bild 15).
5 Fazit
Mit dem Neubau der Schleuse Dörverden wurde ein fürden Verantwortungsbereich der Wasser- und Schifffahrts-verwaltung des Bundes innovatives Konzept für die Aus-bildung der Schleusenkammer realisiert. Die Entschei-dung für den Bau einer Bohrpfahlwand mit Vorsatzschaleanstelle einer Spundwandkammer oder eines Stahlbeton-rahmens am Standort Dörverden war von den ortsspezifi-schen Gegebenheiten wie Baugrund- und Grundwasser-verhältnissen sowie den bauwirtschaftlichen Randbedin-gungen im Planungs- und Vergabezeitraum wie z. B. derStahlpreisentwicklung abhängig und kann nicht ohneWeiteres als Regelbauweise auf andere Schleusenstandor-te übertragen werden. Durch einen intensiven Planungs-prozess ist es gelungen, diese für die Wasser- und Schiff-fahrtsverwaltung neue Bauweise erfolgreich bis zur Aus-führungsreife zu entwickeln.
AutorenDr.-Ing. Jeannette Ebers-ErnstGrontmij GmbHKarl-Wiechert-Allee 1 B30625 [email protected]
Dipl.-Ing. Johannes Herbortgrbv Ingenieure im Bauwesen GmbH & Co.KGExpo Plaza 1030539 [email protected]
Bild 15 Resultierende Belastung auf Bohrpfahlwand aus Berechnungsmodell Bauwerk-Boden-InteraktionStrain on bored pile wall resulting from finite element calculation of soil-structure interaction (permanent load)
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