Druckschlag: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 21. Januar 2022, 11:04 Uhr

Bei marinen Bauwerken zählt der Druckschlag (Wellenstoß), wie die stoßweise auftretenden Kräfte, die durch Wasserwellen mit ihrer Bewegung erzeugt werden, zu den instationären Bauwerksbelastungen. Kennzeichnend für den Druckschlag ist eine ungleichförmige hydrodynamische Druckspannungsverteilung mit einem Spitzenwert $p_{\mathrm {max} }$ , der momentan an einer ortsfesten Wandfläche wirkt, wenn auf diese örtlich planparallel eine bewegte Wellenoberfläche auftrifft. Werden solche Spitzendruckwerte als Flüssigkeits-Druckhöhe angegeben, können diese bis zu einem zweistelligen Vielfachen $$ m $$ der sie erzeugenden Wellenhöhe $$ H $$ betragen.

{\frac {p_{\text{max}}}{\rho \ g}}=m\cdot H

mit

der Dichte $\rho$ des Wassers
der Erdbeschleunigung $$ g $$ .

Als Druckspannung können Werte von 500 kPa (d. h. ca. 5 bar) und mehr erreicht werden.

Davon zu unterscheiden ist das aus dem Schiffbau bekannte ähnliche Phänomen des Seeschlages (Slamming), bei dessen Entstehung eine Relativbewegung zwischen bewegter Wellenoberfläche und momentan planparalleler Schiffshaut vorliegt.

Weitere vergleichbare Phänomene sind die Dampfschläge, die durch Bildung von Dampfblasen und Zusammenfallen dieser Blasen bei stark schwankenden Druckverhältnissen in Kreiselpumpen und bei der Einleitung von heißem Dampf in kaltes Wasser auftreten (siehe Kavitation). Diese können auch zu Materialschäden durch Erosion führen.

Charakteristik

Druckschlagfortleitung an unterschiedlichen Böschungsdeckschichten

Wie bei den wellenerzeugten Wechselkräften handelt es sich auch beim Druckschlag nicht um eine allein deterministisch beschreibbare Wellenkraft. In der Natur sind bei der Entstehung der Druckschlagkraft die physikalischen und geometrischen Randbedingungen nicht exakt abgrenzbar. In der Formulierung

F=\int p\ dA=\iint p(x,y)\ dxdy

stellen sowohl die Druckspannungsverteilung $$ p(x,y) $$ als auch deren Wirkfläche $$ A $$ Zufallsveränderliche dar. Dabei wird der stochastische Charakter des Spitzenwertes vor allem durch den Luftgehalt im Wasser der brechenden Welle bestimmt.

Generell wirkt der Spitzendruck örtlich nur auf sehr kleiner Fläche. In seiner zeitlichen Entwicklung liegen die Anstiegszeiten (Kompressionszeiten) bis zum Erreichen des Maximalwertes zwischen wenigen Millisekunden und mehreren hundert Millisekunden, wobei die größten Druckspannungsmaxima bei den kleinsten Anstiegszeiten erreicht werden.

Zu unterscheiden sind Druckschlagwirkungen an

vertikalen (ebenen und gekrümmten) Wänden (z. B. Wellenbrecher, Molen, Leuchttürme),
vertikalen und geneigten Rohrelementen (z. B. Plattformtragelemente),
geneigten (ebenen) Wänden (z. B. Uferböschungen, Wellenbrecher).

Maximalwerte der Druckschlagspannungen können bei vertikalen Strukturen eine Zehnerpotenz höher liegen als bei Böschungen mit einer Neigung geringer als 1:3.

Selbst großvolumige monolithische Bauwerkskomponenten können bei Druckschlag durch Wellen bewegt werden. Bei Fehlstellen oder Fugen in der Bauwerksoberflächen werden Druckschlagspannungen in der Form einer Stoßwelle in das Bauwerk fortgeleitet, wodurch Schäden örtlich von innen heraus ausgelöst werden können.

Beeinflussung der Brandungskinematik

Bei Böschungen wird der Druckschlag allein durch den Brechertyp Sturzbrecher erzeugt. Sein Auftreten kann nur in Grenzen für einen vorgegebenen Vorrat von Wertepaaren aus Wellenhöhe und Wellenlänge durch Wahl einer geeigneten Böschungsneigung beeinflusst werden.

Bei Hohldeckwerken tritt der Sturzbrecher in seiner ausgeprägten Form nicht auf.

Siehe auch

Clapotis

Literatur

A. Führböter: Der Druckschlag durch Brecher auf Deichböschungen. In: Mitteilungen des Franzius-Instituts der Technischen Universität Hannover. Heft 27, 1966.
A. Führböter: Wellenbelastung von Deich- und Deckwerksböschungen. In: Jahrbuch der Hafenbautechnischen Gesellschaft. Band 46, Schiffahrts-Verlag HANSA, Hamburg 1991, S. 225–282.
G. Müller, P. Hull, W. Allsop, T. Bruce, M. Cooker, L. Franco: Wave Effects on Blockwork Structures: Model Tests. In: Journal of Hydraulic Research. Vol. 40, No. 2, 2002, S. 117–124.

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-Bei [[Meer|marin]]en Bauwerken zählt der '''Druckschlag''' (Wellenstoß), wie die
+Bei [[Meer|marinen]] Bauwerken zählt der '''Druckschlag''' ('''Wellenstoß'''), wie die stoßweise auftretenden
-[[Wechselkraft|Wechselkräfte]], die durch [[Wasserwelle]]n im Rhythmus ihrer Bewegung erzeugt werden, zu den [[Instationarität|instationären]] Bauwerksbelastungen.
+Kräfte, die durch [[Wasserwelle]]n mit ihrer Bewegung erzeugt werden, zu den [[Instationarität|instationären]] Bauwerksbelastungen.
-Kennzeichnend für den Druckschlag ist eine ungleichförmige [[Hydrodynamik|hydrodynamische]] Druckspannungsverteilung mit einem [[Spitzenwert]] <math>p_{max}</math>, der ''momentan'' an einer ''ortsfesten'' Wandfläche wirkt, wenn auf diese örtlich [[planparallel]] eine ''bewegte'' Wellenoberfläche auftrifft. Werden solche Spitzendruckwerte als Flüssigkeits-[[Druckhöhe]] angegeben, können diese bis zu einem zweistelligen Vielfachen (<math>m</math>) der sie erzeugenden Wellenhöhe <math>H</math> betragen.
+Kennzeichnend für den Druckschlag ist eine ungleichförmige [[Hydrodynamik|hydrodynamische]] Druckspannungsverteilung mit einem [[Spitzenwert]] <math>p_\mathrm{max}</math>, der ''momentan'' an einer ''ortsfesten'' Wandfläche wirkt, wenn auf diese örtlich [[planparallel]] eine ''bewegte'' Wellenoberfläche auftrifft. Werden solche Spitzendruckwerte als Flüssigkeits-[[Druckhöhe]] angegeben, können diese bis zu einem zweistelligen Vielfachen <math>m</math> der sie erzeugenden Wellenhöhe <math>H</math> betragen.
-:<math>p_{max}/\rho g= m\cdot H</math>.
-Als Druckspannung können Werte von 500 [[Pascal (Einheit)|kPa]] und mehr erreicht werden.
+:<math>\frac{p_\text{max}}{\rho \ g} = m \cdot H</math>
-Davon zu unterscheiden ist das aus dem [[Schiffbau]] bekannte ''ähnliche'' Phänomen des [[Seeschlag]]es (Slamming), bei dessen Entstehung eine [[Relativbewegung]] zwischen bewegter Wellenoberfläche und momentan planparalleler [[Schiffshaut]] vorliegt.
+mit
+* der [[Dichte]] <math>\rho</math> des Wassers
+* der [[Erdbeschleunigung]] <math>g</math> .
-Weitere ''vergleichbare'' Phänomene sind die ''Druckschläge'',  die durch Bildung von [[Kavitation#Entstehung und Implosion der Kavitationsblasen|Dampfblasen]] und ''Zusammenfallen'' dieser Blasen bei stark schwankenden Druckverhältnissen in [[Kavitationserosion|Kreiselpumpe]]n und bei der Einleitung von heißem [[Dampf]] in kaltes Wasser auftreten (siehe [[Kavitation]]). Diese können auch zu Materialschäden durch [[Kavitationserosion|Erosion]] führen.
+Als Druckspannung können Werte von 500&nbsp;[[Pascal (Einheit)|kPa]] (d.&nbsp;h. ca. 5&nbsp;[[Bar (Einheit)|bar]]) und mehr erreicht werden.
+Davon zu unterscheiden ist das aus dem [[Schiffbau]] bekannte ''ähnliche'' Phänomen des [[Seeschlag]]es (''Slamming''), bei dessen Entstehung eine [[Relativbewegung]] zwischen bewegter Wellenoberfläche und momentan planparalleler [[Schiffshaut]] vorliegt.
+Weitere ''vergleichbare'' Phänomene sind die [[Dampfschlag|Dampfschläge]],  die durch Bildung von [[Kavitation#Entstehung und Implosion der Kavitationsblasen|Dampfblasen]] und ''Zusammenfallen'' dieser Blasen bei stark schwankenden Druckverhältnissen in [[Kavitationserosion|Kreiselpumpe]]n und bei der Einleitung von heißem [[Dampf]] in kaltes Wasser auftreten (siehe [[Kavitation]]). Diese können auch zu Materialschäden durch [[Kavitationserosion|Erosion]] führen.
 == Charakteristik ==
-[[Datei:Druckschlag-Fortleitung.jpg|thumb|Druckschlagfortleitung an unterschiedlichen Böschungsdeckschichten]]
+[[Datei:Druckschlag-Fortleitung.jpg|mini|Druckschlagfortleitung an unterschiedlichen Böschungsdeckschichten]]
 Wie bei den wellenerzeugten Wechselkräften handelt es sich auch beim Druckschlag nicht um eine allein [[deterministisch]] beschreibbare [[Wellenkraft]].
-In der Natur sind bei der Entstehung der Druckschlagkraft die physikalischen und geometrischen Randbedingungen ''nicht exakt abgrenzbar'' und in der Formulierung
+In der Natur sind bei der Entstehung der Druckschlagkraft die physikalischen und geometrischen Randbedingungen ''nicht exakt abgrenzbar''. In der Formulierung
-:<math>F =\int p\ dA=\iint p(x,y)\ dx dy</math>
+:<math>F = \int p\ dA = \iint p(x,y)\ dx dy</math>
 stellen sowohl die Druckspannungsverteilung <math>p(x,y)</math> als auch deren Wirkfläche <math>A</math> [[Zufallsvariable|Zufallsveränderliche]] dar.
-Dabei wird der [[Stochastik|stochastische]] Charakter des Spitzenwertes <math>p_{max}</math> vor allem durch den Luftgehalt im Wasser der brechenden Welle bestimmt.
+Dabei wird der [[Stochastik|stochastische]] Charakter des Spitzenwertes vor allem durch den Luftgehalt im Wasser der brechenden Welle bestimmt.
-Generell wird der Spitzendruck örtlich nur auf sehr kleiner Fläche wirksam.
-In seiner zeitlichen Entwicklung liegen die Anstiegszeiten (Kompressionszeiten) bis zum Erreichen des Maximalwertes zwischen wenigen Millisekunden und mehreren hundert Millisekunden, wobei die größten Druckspannungsmaxima innerhalb der kleinsten Anstiegszeiten erreicht werden.
+Generell wirkt der Spitzendruck örtlich nur auf sehr kleiner Fläche. In seiner zeitlichen Entwicklung liegen die Anstiegszeiten (Kompressionszeiten) bis zum Erreichen des Maximalwertes zwischen wenigen Millisekunden und mehreren hundert Millisekunden, wobei die größten Druckspannungsmaxima bei den kleinsten Anstiegszeiten erreicht werden.
 Zu unterscheiden sind Druckschlagwirkungen an
-* vertikalen (ebenen und gekrümmten) Wänden (z. B. [[Wellenbrecher (Wasserbau)|Wellenbrecher]], [[Mole]]n, Leuchttürme),
+* vertikalen (ebenen und gekrümmten) Wänden (z.&nbsp;B. [[Wellenbrecher (Wasserbau)|Wellenbrecher]], [[Mole]]n, Leuchttürme),
-* vertikalen und geneigten Rohrelementen (z.B. Plattformtragelemente),
+* vertikalen und geneigten [[Rohr (Technik)|Rohr]]<nowiki/>elementen (z.&nbsp;B. [[Bohrplattform|Plattform]]<nowiki/>tragelemente),
-* geneigten (ebenen) Wänden (z.B. [[Uferböschung]]en, Wellenbrecher).
+* geneigten (ebenen) Wänden (z.&nbsp;B. [[Uferböschung]]en, [[Wellenbrecher (Wasserbau)|Wellenbrecher]]).
-Maximalwerte der Druckschlagspannungen können bei vertikalen Strukturen eine Zehnerpotenz höher liegen als bei Böschungen mit einer Neigung geringer als 1:3.
+Maximalwerte der Druckschlagspannungen können bei vertikalen Strukturen eine Zehnerpotenz höher liegen als bei Böschungen mit einer [[Hangneigung|Neigung]] geringer als&nbsp;1:3.
-Es ist bekannt, dass selbst großvolumige monolithische Bauwerkskomponenten bei Druckschlag durch Wellen bewegt werden können.
+Selbst großvolumige [[monolith]]ische Bauwerkskomponenten können bei Druckschlag durch Wellen bewegt werden. Bei Fehlstellen oder Fugen in der Bauwerksoberflächen werden Druckschlagspannungen in der Form einer [[Stoßwelle]] in das Bauwerk fortgeleitet, wodurch Schäden örtlich von innen heraus ausgelöst werden können.
-Bei Fehlstellen oder Fugen in der Bauwerksoberflächen werden Druckschlagspannungen in der Form einer [[Stoßwelle]] in das Bauwerk fortgeleitet, wodurch Schäden örtlich von innen heraus ausgelöst werden können.
 == Beeinflussung der Brandungskinematik ==
-Bei Böschungen wird der Druckschlag allein durch den Brechertyp [[Brecherform|Sturzbrecher]] erzeugt. Sein Auftreten kann nur in Grenzen für einen vorgegebenen Vorrat von ''Wertepaaren für Wellenhöhe und [[Wellenlänge]]'' durch Wahl einer geeigneten ''Böschungsneigung'' beeinflusst werden.
+Bei Böschungen wird der Druckschlag allein durch den Brechertyp [[Brecherform|Sturzbrecher]] erzeugt. Sein Auftreten kann nur in Grenzen für einen vorgegebenen Vorrat von ''Wertepaaren aus Wellenhöhe und [[Wellenlänge]]'' durch Wahl einer geeigneten ''Böschungsneigung'' beeinflusst werden.
 Bei Hohldeckwerken tritt der Sturzbrecher in seiner ausgeprägten Form ''nicht'' auf.
-{{Siehe auch|Clapotis}}
+== Siehe auch ==
+* [[Clapotis]]
 == Literatur ==
-* Führböter, A.: ''Der Druckschlag durch Brecher auf Deichböschungen''. In: Mitteilungen des Franzius-Instituts der Technischen Universität Hannover, Heft 27, 1966
+* A. Führböter: ''Der Druckschlag durch Brecher auf Deichböschungen.'' In: ''Mitteilungen des Franzius-Instituts der Technischen Universität Hannover.'' Heft 27, 1966.
-* Führböter, A.: ''Wellenbelastung von Deich- und Deckwerksböschungen''. In: Jahrbuch der Hafenbautechnischen Gesellschaft, Bd. 46, Schiffahrts-Verlag HANSA, Hamburg 1991, pp.225-282.
+* A. Führböter: ''Wellenbelastung von Deich- und Deckwerksböschungen.'' In: ''Jahrbuch der Hafenbautechnischen Gesellschaft.'' Band 46, Schiffahrts-Verlag HANSA, Hamburg 1991, S. 225–282.
-* Müller, G., Hull, P., Allsop, W., Bruce, T., Cooker, M., Franco, L.: ''Wave Effects on Blockwork Structures: Model Tests''. In: Journal of Hydraulic Research, Vol.40, 2002, No.2 pp.117-124.
+* G. Müller, P. Hull, W. Allsop, T. Bruce, M. Cooker, L. Franco: ''Wave Effects on Blockwork Structures: Model Tests.'' In: ''Journal of Hydraulic Research.'' Vol. 40, No. 2, 2002, S. 117–124.