Was haben wir gemacht?

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www.baw.de

Zustandsgutachten

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Seite 3 Zustandsgutachten Alte Schleusen Kiel-Holtenau

Bautechnik · Referat B1 / B3 / B5 · 12. März 2014

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Was haben wir gemacht?

•Recherche Unterlagen WSA

•Recherche DVtU

•Recherche EWISA

•Literaturrecherche

•Internetrecherche

Umfangreiche Erkenntnisse !

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• Baujahr 1887 - 1895

• zwei Kammern, Nutzlänge 125 m, Nutzbreite 22 m

• jeweils drei Häupter mit je zwei Stemmtorpaaren

• Füllung und Entleerung mit Längskanälen,

je 12 Stichkanäle

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• Doppelkammer in Schwergewichtsbauweise

• komplett monolithisch

• Vormauerwerk aus Wasserbauklinker, Füllmauerwerk und Sparbetonkammern

• Sohle als Gewölbe

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• Bedeutungsverlust nach Bau der Großen Schleusen

• Stilllegung nach dem Ersten Weltkrieg

• 1921 erste Lenzung der Südkammer

• Südkammer bis 1944 durchgehend an Germania-Werft

vermietet und die meiste Zeit gelenzt

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• Bedeutungsverlust nach Bau der Großen Schleusen

• Stilllegung nach dem Ersten Weltkrieg

• 1921 erste Lenzung der Südkammer

• Südkammer bis 1944 durchgehend an Germania-Werft vermietet und die meiste Zeit gelenzt

• 1950 – 1970 Nutzung für Verkehrszwecke

• ab 1970 wieder Interesse an Docknutzung

→ Untersuchungen und Instandsetzungen

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Maßnahmen der 1970er Jahre:

•Auffüllung der Torkammern der Mittelhäupter

•Erneuerung der Plattform inkl. des oberen Kammerwandbereiches (ca. 1,0 m)

•Instandsetzung der Mittelmauer der Südkammer

•Umfangreiche Dokumentation des Zustands

•Planung weiterer Instandsetzungsmaßnahmen

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Nordkammer

Südkammer

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Was haben wir gemacht?

Südkammer:

•Inaugenscheinnahme der trockengelegten Kammer

•Horizontalbohrungen

•Endoskopie der Bohrungen

•Visuelle Ansprache der Bohrkerne

•Mauerwerksöffnungen

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Südwand, Außenkammer, Bohrung 2

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Südwand, Außenhaupt, Bohrung 4

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Nordkammer

Südkammer

(30)

1

2

3

(31)

1

(32)

2

(33)

3

(34)

Zusammenfassung Zustand Südkammer

•Systematische Klüfte ab 30 - 40 cm Tiefe, Breite 3 - 8 cm

•Dahinter meist weitere Risse geringerer Breite

•Alle nicht instandgesetzten Bereiche sind betroffen

•Instandgesetzte Bereiche der Mittelmauer lagern auf geschädigtem Mauerwerk auf

•Kein Verbund in instandgesetzten Bereichen zwischen Vormauerung und Beton sowie zwischen Beton und

Altmauerwerk → Korrosion der Verankerung

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Was haben wir gemacht?

Nordkammer:

•Inaugenscheinnahme der teilabgesenkten Kammer

•Horizontalbohrungen

•Externe Endoskopie der Bohrungen

•Visuelle Ansprache der

Bohrkerne

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Südwand, Außenhaupt, Bohrung 3

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Südwand, Mittelhaupt, Bohrung 1

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Zusammenfassung Zustand Nordkammer

•Rissbildung mit Rissbreiten bis 1 cm, teilweise verzweigt mit Tendenz zur Klüftung

•Schadensbild vergleichbar mit Südkammer, Ausprägung aber deutlich geringer

•Obere, instandgesetzte Bereiche im Kammerbereich schadensfrei

•Schädigung in oberer Bohrlage ausgeprägter (Häupter)

•Schädigung der Seitenmauer ausgeprägter als die Schädigung

der Mittelmauer

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Was haben wir gemacht?

•Studium der vorhandenen Gutachten

•Visuelle Ansprache der Bohrkerne

•Gewinnung von Probekörpern

•Materialuntersuchungen

•Auswertung und Vergleich

•Festlegung von

Materialparametern

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Vorhandene Gutachten aus den 1990er Jahren Vertikalbohrungen Ø 150 mm, nur Füllmauerwerk gewonnene Kennwerte:

•Druckfestigkeit Steine, Mörtel, Mauerwerk

•zentrische Zugfestigkeit Stein

•Haftscherfestigkeit Mauerwerk

•Dynamischer E-Modul

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Bautechnik · Referat B1 / B3 / B5 · 12. März 2014 0

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

‐4 ‐2 0 2 4 6 8 10

Verteilungsdichte

Zugfestigkeit in N/mm²

normalverteilt log‐normalverteilt

Zugfestigkeit des Ziegels aus dem Füllmauerwerk

f

_ct,0.05

=0,03 N/mm²

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

‐4 ‐2 0 2 4 6 8 10

Verteilungsdichte

Zugfestigkeit in N/mm²

normalverteilt log‐normalverteilt

f

_ct,0.05

= 0,7 N/mm²

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Neue Untersuchungen

Horizontalbohrungen Ø 150 mm,

Vorsatzschale und Füllmauerwerk

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gewonnene Kennwerte getrennt nach Vorsatzschale und Füllmauerwerk:

•Verformungsmodul Mauerwerk

•Druckfestigkeit Steine, Mauerwerk

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gewonnene Kennwerte getrennt nach Vorsatzschale und Füllmauerwerk:

•Spaltzugfestigkeit Stein

•Haftzugfestigkeit Mauerwerk

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Ergebnis

•Neue Ergebnisse bestätigen für das Füllmauerwerk die 1990er Ergebnisse

•Vorsatzschale ist deutlich hochwertiger

•Verformungsmoduln für die Berechnungen liegen vor

•Verwendung der alten Ergebnisse, da

• größere Probenanzahl (ca. 5-fach)

• für die Nachweisformate passendere Kennwerte

• größere Festigkeiten durch größere Probekörper

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Was haben wir gemacht?

•Studium der Normen und Literatur in Bezug auf das Tragverhalten von Mauerwerk

•Studium und Bewertung der vorhandenen statischen

Berechnungen

•Erstellung eines FE- Scheibenmodells für Seiten- und Mittelmauer Was haben wir gemacht?

→ Vorrangig untersucht wurde die aktuelle Tragfähigkeit,

nicht die Schadensursache.

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Ersatzquerschnitte

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Schnitte für Nachweise auf Querschnittsebene

Schnitt bei -9,23 m Schnitt bei -8,81 m

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FE-Scheibenmodell

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Lastfall Betrieb

Kammerwasser bei -1,83 m

Grundwasser bei ± 0,00 m

Erdruhedruck

(62)

Lastfall Revision

Grundwasser bei - 3,50 m

Erdruhedruck

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Nachweisformat

→ Nachweis nach

DIN 1053 (Ausgabe 1996)

in Verbindung mit

DIN 19702 (Ausgabe 1966)

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Schnitte für Nachweise auf Querschnittsebene

Schnitt A bei -1,43 m

Schnitt C bei -3,97 m

Schnitt B bei -5,85 m

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Maßgebende Nachweise

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(67)

Ergebnisse Begrenzung der klaffenden Fuge

Lastfall Betrieb

Klaffende Fugen treten in allen wesentlichen Nachweisschnitten auf.

Maßgebende Schnitte klaffen bis über den Schwerpunkt.

(68)

kein Klaffen

Klaffen (unkritisch) e_w= 0,75 < 0,95 = d/3

Klaffen über den Schwerpunkt e_w= 0,71 > 0,60 = d/3

Klaffen über den Schwerpunkt e_w= 0,63 > 0,60 = d/3

Lastfall Betrieb

kein Klaffen

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Ergebnisse Begrenzung der klaffenden Fuge

Lastfall Revision

Klaffende Fugen treten in allen wesentlichen Nachweisschnitten auf.

Die Sohlfuge klafft bis über den Schwerpunkt.

(70)

kein Klaffen

Lastfall Revision

(71)

geprüfte Statik Ingenieurbüro Mohn (1996)

Mohn BAW

(72)

Rechenwert der Druckfestigkeit

(73)

Ergebnisse Druckspannungsnachweis

Lastfall Betrieb

Unter Berücksichtigung des Riss- und Porenwasserdrucks ist der Nachweis der zulässigen Druckspannungen in allen Nachweisschnitten eingehalten.

Die Auslastungsgrade liegen zwischen 0,02 und 0,09.

(74)

Nachweis erfüllt ALG 0,02

Lastfall Betrieb

Nachweis erfüllt ALG 0,06 Nachweis erfüllt

ALG 0,08 Nachweis erfüllt

ALG 0,03

(75)

Ergebnisse Druckspannungsnachweis

Lastfall Revision

Unter Berücksichtigung des Riss- und Porenwasserdrucks ist der Nachweis der zulässigen Druckspannungen in allen Nachweisschnitten eingehalten.

Die Auslastungsgrade liegen zwischen 0,02 und 0,09.

(76)

Lastfall Revision

Nachweis erfüllt ALG 0,06 Nachweis erfüllt

ALG 0,05 Nachweis erfüllt

ALG 0,03

(77)

geprüfte Statik Ingenieurbüro Mohn (1996)

Mohn BAW

(78)

(79)

Versagensmechanismen einer schubbeanspruchten Mauerwerkswand

(80)

Versagen der Lagerfuge auf Reibung

Versagen des Steins auf Zug Rechenwert der Haftscherfestigkeit

Reibungsbeiwert μ = 0,40

(81)

Bautechnik · Referat B1 / B3 / B5 · 12. März 2014 Mauerwerkswand

→

Herausgeschnittenes

Wandelement

→

Einzelstein

(82)

Ergebnisse Schubspannungsnachweis

Lastfall Betrieb

Unter Berücksichtigung des Riss- und Porenwasserdrucks kann der Nachweis der zulässigen Schubspannungen in den wesentlichen Nachweisschnitten nicht erfüllt werden.

Die Auslastungsgrade liegen zwischen 0,28 und 2,57.

(83)

Lastfall Betrieb

Nachweis nicht erfüllt ALG 1,21

Nachweis nicht erfüllt ALG 2,38 Nachweis erfüllt

ALG 0,79 Nachweis nicht erfüllt

ALG 1,06

(84)

Ergebnisse Schubspannungsnachweis

Lastfall Revision

Unter Berücksichtigung des Riss- und Porenwasserdrucks kann der Nachweis der zulässigen Schubspannungen in den wesentlichen Nachweisschnitten nicht erfüllt werden.

Die Auslastungsgrade liegen zwischen 0,30 und 2,46.

Der Revisionslastfall ist für die Seitenmauer somit günstiger als der

Betriebslastfall.

(85)

Lastfall Revision

Nachweis nicht erfüllt ALG 1,78 Nachweis erfüllt

ALG 0,42 Nachweis nicht erfüllt

ALG 1,07

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Versagensmechanismen einer schubbeanspruchten Mauerwerkswand

Rechnerisch wird in allen Fällen Kriterium b maßgebend,

die vorgefundenen Schäden deuten jedoch auf Kriterium c hin.

Mögliche Gründe:

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geprüfte Statik Ingenieurbüro Mohn (1996)

Mohn BAW

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Ergebnisse für die Seitenmauer

ungeschädigter Querschnitt

• Klaffende Fugen in nahezu allen Schnitten

• Mauerwerksdruckfestigkeit ausreichend, kein Druckspannungsproblem

• Schubnachweis kann in maßgebenden Schnitten nicht erbracht werden

• Seitenmauer ist nicht standsicher,

weder im Betriebs- noch im Revisionszustand

• Betriebslastfall ist maßgebend

• Versagen: Abgleiten in der Sohlfuge infolge Schubbelastung Hinweis:

Alle Annahmen in den statischen Untersuchungen wurden günstig gewählt!

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Die Berücksichtigung der Klüfte…

…führt zu einer gravierenden Verschlechterung der Ergebnisse.

(90)

Resultierende liegen außerhalb des Querschnitts!

→ keine Druckzone vorhanden

→ kein Druckspannungsnachweis möglich

→ kein Schubspannungsnachweis möglich

(91)

KW -1,83 m

KW -0,70 m KW ± 0,00 m

GW ± 0,00 m GW ± 0,00 m GW ± 0,00 m

Zum Einfluss der Wasserstände

(92)

Zum Einfluss der Wasserstände

(93)

Zum Einfluss der Wasserstände

• Eigengewicht

• Erddruck

• Kammerwasserstand von NN -9,20 m bis NN +4,0 m

• Grundwasserstand zwischen NN -3,50 m und NN+ 0,0m

• Auswertung von

• Horizontalkraft

• Vertikalkraft

• Moment

• Exzentrizität

(94)

Zum Einfluss der Wasserstände

‐4,00

‐3,00

‐2,00

‐1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

‐1000,00

‐500,00 0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00

Exzentrizität

Moment, Horizontal‐und Vertikalkraft

Horizontalkraft Vertikalkraft Moment Exzentrizität Grundwasser

(95)

Zum Einfluss der Wasserstände

‐4

‐3,5

‐3

‐2,5

‐2

‐1,5

‐1

‐0,5 0

‐0,40

‐0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40

‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐2 0 2 4 6

Grundwasserstand

Moment, Horizontalkraft und Exzentrizität ‐normiert

Kammerwasserstand

norm M norm e norm H Grundwasser

90%

80%

70%

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Lastfälle für die Mittelmauer

Lastfall Betrieb Lastfall Revision

Nordkammer bei +2,25 m Südkammer trockengelegt Nordkammer bei +2,25 m Südkammer bei +0,50 m

(97)

Ergebnisse für die Mittelmauer

Für die untersuchten Lastfälle:

•keine klaffenden Fugen

•kein Druckspannungsproblem

•kein Schubspannungsproblem

• Mittelmauer ist für die untersuchten Lastfälle standsicher,

wurde jedoch nicht vertieft untersucht, da die Seitenmauer maßgebend ist

• es sind weitere Lastfälle zu untersuchen, um die Schädigung abbilden zu können Hinweis:

Alle Annahmen in den statischen Untersuchungen wurden günstig gewählt!

•globales Sicherheitskonzept

•hohe Materialgüten

•nur wesentliche Lastfälle

•ungeschädigter Querschnitt

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Einwirkungen und Lastgeschichte

• Zwangsbeanspruchung (Temperatur)

• Verkehrslasten auf der Hinterfüllung

• Anlegedruck

• Eisdruck

• Kranlasten → Ausleger

• Schiffsstoß

• Betriebsfehler

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Problem:

Tragverhalten von Mauerwerk

Annahmen für die Berechnungen auf Querschnittsebene:

•linear-elastisches Materialverhalten

•Homogenität

•Isotropie

Diese Annahmen treffen auf Mauerwerk nicht zu:

•Inhomogenität

•Interaktion von Stein und Fuge

•Anisotropie

Nichtlineare Analyse:

•Umlagerungsmöglichkeiten?

•Tragreserven?

→ spezifisches Tragverhalten von Mauerwerk besser abbilden und nachvollziehen mit

nichtlinearen Methoden

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(101)

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→ Auch durch verfeinerte Berechnungen unter Anwendung

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Bauwerkszustand:

•gravierende Schäden in allen Wandbereichen und in beiden Kammern

•tragende Querschnitte stark geschwächt

•meterhohe freistehende Wandscheibe in der Südkammer

•fehlende Gebrauchstauglichkeit

Material:

•hohe Materialgüten

•ungünstige Stein-Mörtel-Kombination

•erschwerte Materialprüfung und –beurteilung durch massive Schädigung

Statik:

•Überbeanspruchung des ungeschädigten Querschnitts

•Vermutung:

Schäden durch statische Überbeanspruchung (Schub!)

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Fazit und Ausblick

ALLE Ergebnisse gelten für Südkammer und Nordkammer

→ finale Außerbetriebnahme der gesamten Kleinen Schleuse Kiel-Holtenau

Vergleichbare Bauwerke sind vorhanden

→ Handlungsbedarf für die anderen Schleusen des NOK!

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Kleine Schleusen Kiel-Holtenau

Kleine Schleusen Brunsbüttel

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Kleine Schleusen Kiel-Holtenau

Große Schleusen Kiel-Holtenau Kleine Schleusen Brunsbüttel

Große Schleusen Brunsbüttel

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