www.baw.de
Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Referat K1, Dipl.-Ing. Livia Mittelbach
BAWKolloquium Dienststelle Hamburg
29.08.2013
Seite 2 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Gliederung
• Motivation und Übersicht FuE-Projekt „Deckwerksanalyse mit der DEM“
• Numerische Modellierung
• Hydraulische Einwirkungen – Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Deckwerkssteine – Diskrete Elemente Methode (DEM)
• Kopplung DEM – CFD
• Modellversuche Strömungsrinne
• Messsystem Deckwerksstein
• Feldmessungen
• Angrenzende FuE-Projekte
Seite 3 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Motivation FuE-Projekt
• Einflüsse im Tide- und Küstenbereich:
Schiffswellen / -strömung (Hansen 1985) Tideströmung / -wasserstände
Tideinduzierte
Grundwasserstände
Neue Seeschiffsformen/Seeschiffswellendynamik
Geschichteter Baugrund
Deckwerks-
bemessung
Porenwasserüberdrücke / variierende Gewässerquerschnitte: breite Küstengewässer /
differenzierte Steinformen, -größen, Deckschichten / Filter / Uferneigungen
Sturmfluten, Windwellen,
Druckschläge (EAK 2002)
Seite 4 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modelle
Tideelbe
Tideweser
Tideems
individuelle, sichere und wirtschaftliche
Deckwerksbemessung
Physikalische Versuche
Feldmessungen
Messsystem
Deckwerksstein
Modellversuche
Strömungsrinne Simulation
von
Strömungen
Simulation
von Wellen
Numerische Simulation
CFD
FDM
Hydraulische
Einwirkungen
Boden,
Filterschicht,
GW-Potentiale
DEM Deckwerks-
steine
Validierung
Übersicht FuE-Projekt
Kopplung
Kooperation
TU Bergakademie Freiberg
Seite 5 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• Numerische Strömungsberechnung:
Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Programm CCFD („Coupled Computational Fluid Dynamics“)
fluiddynamischer Berechnungscode
Grundlage:
Navier-Stokes-Gleichung
Kontinuitätsgleichung
+ Porositäts-Term (Berechnung von Fluidkräften auf Partikel)
Hydraulische Einwirkungen
Seite 6 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Hydraulische Einwirkungen
• Schiffsinduzierte
Wellen und
Strömungen
• Tideinduzierte
Strömungen
• Windwellen…
Kenngrößen der schiffserzeugten Wellen (unten) und Strömung (oben)
Seite 7 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Hydraulische Einwirkungen
Simulation über zeitabhängige Randbedingungen
Bsp. Modell Absunk + Primärwelle
Seite 8 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Simulation über zeitabhängige
Randbedingungen
Bsp. Modell Bore (Gezeitenwelle)
Hydraulische Einwirkungen
Foto: WSA Meppen
Seite 9 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• Numerische Simulation Deckwerkssteine:
Diskrete Elemente Methode (DEM)
• Programm PFC3D („Particle Flow Code 3D“)
Grundlage: Kraft-Verschiebungs-Gesetz
Bewegungsgesetz
Freie Bewegung im Raum
Kopplung CFD + DEM
Deckwerk
„balls“ „clump“
Seite 10 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Deckwerk
• Generierung anhand Zufallsalgorithmus
Auftretens-
häufigkeiten
Größen-/
Formklassen
schnelle Generierung vereinfachter Steingeometrien
Seite 11 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Deckwerk
• Generierung anhand realer Steingeometrien
Auftretens-
häufigkeiten
Größen-/
Formklassen
Generierung detaillierter Steingeometrien
Anzahl Kugeln: 8 16 60 500
Seite 12 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Deckwerk
Wasserbausteinklassen
LMB 5/40
LMB 10/60
Numerisches
Deckwerk
Numerisches
Deckwerk
Numerisches
Deckwerk
Steinformen
Seite 13 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• Kopplung DEM – CFD
Modellgeometrie, Anfangs- und Randbedingungen, Vernetzung
Initialzustand Modellpartikel
Deckwerk
CFD:
DEM:
Seite 14 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Deckwerk
• Kopplung DEM – CFD
• Bsp. gekoppelte Berechnung
Modell CCFD
Modell PFC3D, Fluidvektoren Verschiebungen infolge
Wellenauflauf
Seite 15 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Deckwerk
~ 1 Woche > 1 Monat
vereinfacht
≤ 4 Balls / Clump
detailliert
≤ 60 Balls / Clump
• Dauer Deckwerksgenerierung (Streifen 5 m Breite, ~ 6000 Clumps)
Seite 16 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modelle
Tideelbe
Tideweser
Tideems
individuelle, sichere und wirtschaftliche
Deckwerksbemessung
Physikalische Versuche
Feldmessungen
Messsystem
Deckwerksstein
Modellversuche
Strömungsrinne Simulation
von
Strömungen
Simulation
von Wellen
Numerische Simulation
CFD
FDM
Hydraulische
Einwirkungen
Boden,
Filterschicht,
GW-Potentiale
DEM Deckwerks-
steine
Validierung
Übersicht
Kopplung
Seite 17 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modellversuche Strömungsrinne
• Kalibrierung Parameter für
numerische Deckwerkssteine
Normal-/Schubsteifigkeit
Oberflächenreibungskoeffizient
Detailgenauigkeit Steinabbildung
• Stabilität Deckwerk:
Einzelelement + Verbund
Verzahnung
Seite 18 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• große Strömungsrinne BAW-DH:
Umlaufrinne, Gesamtlänge 200 m,
vmax = 1,5 m/s
• Untersuchung der Lagestabilität
loser Deckwerkssteine bei unter-
schiedlicher Strömungsbelastung
Modellversuche Strömungsrinne
Seite 19 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modellversuche Strömungsrinne
• Verlagerung Deckwerkssteine:
farbliche Markierung
Laserscan
Seite 20 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modellversuche Strömungsrinne
vmax ≈ 2 m/s
CCFD: Strömungsgeschwindigkeit
PFC3D: Verlagerung Steine
Wasserbausteinklasse
CP 90/250
Seite 21 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• Instrumentierung von Deckwerkssteinen mit Beschleunigungs- und Drehraten-
sensoren
Aufzeichnung der Beschleunigung / Lageänderung infolge Wellen- und
Strömungsangriff
Messsystem Deckwerksstein
Seite 22 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Messsystem Deckwerksstein
• Instrumentierte
Deckwerkssteine in
Strömungsrinne
Seite 23 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
• Messergebnis Strömungsrinne
Messsystem Deckwerksstein
Winkelge-
schwindig- keit
[rad/s]
Strömungs-
geschwindigkeit
~ 1,7 m/s
Zeit
- Gierwinkel
- Rollwinkel
- Nickwinkel Strömungs-
geschwindigkeit
~ 2,0 m/s
x y
z
Gier-
winkel
Nick-
winkel
Roll-
winkel
Seite 24 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Feldmessungen
Grundwasser (Porenwasserdrücke)
Porenwasserdrücke
Strömungs-
geschwindigkeiten
Wellen
Elbinsel Lühesand,
Messquerschnitt
Seite 25 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Feldmessungen
Messquerschnitt
Elbinsel Lühesand
Validierung der numerischen Simulationen anhand Daten aus Feldmessungen
Seite 26 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Modelle
Tideelbe
Tideweser
Tideems
individuelle, sichere und wirtschaftliche
Deckwerksbemessung
Physikalische Versuche
Feldmessungen
Messsystem
Deckwerksstein
Modellversuche
Strömungsrinne Simulation
von
Strömungen
Simulation
von Wellen
Numerische Simulation
CFD
FDM
Hydraulische
Einwirkungen
Boden,
Filterschicht,
GW-Potentiale
DEM Deckwerks-
steine
Validierung
Kopplung
Ausblick: variierende Deckwerksarten, Buhnen, biologische Ufersicherung, …
Seite 27 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Angrenzende FuE-Projekte
• Referat G4
„Filterstabilität grober Gesteinskörnungen“
• Referat G4 + LKM, Ruhr Universität Bochum
„Numerische Simulation von hydraulisch
induziertem Sedimenttransport in
Erdbauwerken“
Seite 28 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Angrenzende FuE-Projekte
• Referat K2 + LWI (TU Braunschweig),
IWW (RWTH Aachen)
„Schiffserzeugte langperiodische
Belastung zur Bemessung der
Deckschichten von Strombauwerken
an Seeschifffahrtsstraßen“
Seite 29 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Angrenzende FuE-Projekte
• Referat W4
„Integration mehrdimensionaler Modelle in
die GBBSoft “
Seite 30 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Vielen Dank
für das Interesse und die Aufmerksamkeit!
Dank für die Unterstützung an:
WSA Hamburg, Abz. Wedel, Taucher WSA Brunsbüttel,
TU Bergakademie Freiberg,
Kollegen K1, K2
Seite 31 Numerische Simulation von Ufersicherungen im Tidegebiet
Geotechnik · Referat K1 · Livia Mittelbach · 29.08.2013
Quellen • Mittelbach, L. (2013): Numerical Simulation of Rip-Raps with the Distinct Element Method, AIP Conf. Proc. 1542, Seite
1178 – 1181, doi: 10.1063/1.4812147
• BAW (2012): Deckwerksanalyse mit der Distinct Element Method (DEM), Forschungskompendium Verkehrswasserbau
2012 der BAW, A39550170270, Seite 204 – 206
• BAW (2012): Filterstabilität grober Gesteinskörnungen, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW,
A3952047001, Seite 132 – 134
• BAW (2012): Numerische Simulation von hydraulisch induziertem Sedimenttransport in Erdbauwerken,
Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW, A39520470005, Seite 265 – 266
• BAW (2012): Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an
Seeschifffahrtsstraßen, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012 der BAW, A39550270141, Seite 225 – 227
• BAW (2012): Integration mehrdimensionaler Modelle in die GBBSoft, Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2012
der BAW, A39530470004, Seite 279 – 280
• Yuan, F.-L. (2012): Coupled CFD-DEM simulation of wind wave interaction with rock riprap on riverside slopes,
Research Report, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, Professur für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau
• BAW (2012): Böschungsdeckwerke unter Wellenbelastung, BAWMitteilungen Nr. 95 „Johann-Ohde-Kolloquium“,
Karlsruhe, 2012, Seite 41 - 47
• TU Bergakademie Freiberg (2011): Zwischenstand Deckwerksanalyse 01-2011, Bericht
• TU Bergakademie Freiberg (2009): Zwischenstand Deckwerksanalyse 01-2009, Bericht
• Itasca Consulting Group Inc. (2008): PFC3D – Particle Flow Code in 3 Dimensions, Version 4.0, User‘s Manual,
Minneapolis, Minnesota, USA
• Itasca Consulting Group Inc. (2008): PFC3D – CCFD Add-on Version 1.0, Minneapolis, Minnesota, USA
• International Center for Numerical Methods in Engineering (2008): GiD – Reference Manual, Version 8, Barcelona,
Spain