Browsing by Author "Westrich, Bernhard (Prof. Dr.)"

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Unsicherheitsanalyse hydraulischer Einwirkungen auf Hochwasserschutzdeiche und Steigerung der Leistungsfähigkeit durch adaptive Strömungsmodellierung
(2010) Merkel, Uwe; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.)
Deterministische Konzepte zur Bemessung von Dämmen und Deichen stellen seit Jahrzehnten den allgemein anerkannten Stand der Technik dar. Trotzdem kommt es immer wieder zu Versagensfällen bei Bauwerken die diesen Standard genügen. Die Gründe dafür werden in den einführenden Kapiteln erläutert. Eine präzisere und wirtschaftlichere Methode zur Beschreibung des Sicherheitsniveaus stellen probabilistischen Analysen dar. Sie liefern als Ergebnis eine Versagenswahrscheinlichkeit für jeden einzelnen Deichabschnitt, die alle häufig auftretenden Versagensformen berücksichtigt. Reduziert auf diese eine Kennzahl kann so die Leistungsfähigkeit eines Bauwerks auch in direkten Vergleich zu anderen Bauwerkstypen gestellt werden. Dies ist bisher nur eingeschränkt möglich. Zur Ermittlungen der Versagenswahrscheinlichkeiten müssen, anders als bei der deterministischen Bemessung, auch die Unsicherheiten der Belastungs- und der Widerstandsgrößen statistisch beschrieben werden. Die Bedeutung dieser Größen wird anschaulich im Grundlagenkapitel erklärt. Probabilistische Analysen werden bereits seit einigen Jahrzehnten in anderen Ingenieursdisziplinen erfolgreich eingesetzt. Die erste erfolgreiche Anwendung im Hochwasserschutz ist seit einigen Jahren in den Niederlanden im Einsatz. Im Rahmen des PC-River Projektes, das maßgeblich zur Entstehung dieser Arbeit beitrug, konnte die niederländische Software PC-Ring zur Anwendung auf die deutschen Mittelgebirgsflüsse Iller und Elbe angepasst werden. Diese unterscheiden sich in ihre Abflussdynamik, Topographie und zahlreichen weiteren Faktoren deutlich von den Deltabereichen des Rheins, für die PC-Ring als proprietäre Software ursprünglich entwickelt wurde. Das Projekt wurde in Kooperation von den beiden Instituten für Wasserbau und Geotechnik bearbeitet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den wasserbaulichen Fragestellungen, der Belastung der Deiche. Auf die geotechnischen Aspekte der Belastbarkeit durch Hochwasser wird an geeigneter Stelle verwiesen. Kern dieser Arbeit ist die ortsabhängige Quantifizierung der Unsicherheiten des Wasserstandes, getrennt für jeden einzelnen Deichabschnitt. Zahlreiche Parameter können den Wasserstand beeinflussen. Eine ausgiebige Literaturrecherche fasst die zahlreichen aktuellen Forschungsergebnisse zusammen, die vor allem an der Elbe im Nachlauf der letzten Katastrophenereignisse von mehr als 40 Forschergruppen erarbeitet wurden. Die wichtigsten Parameter werden ausgiebig erörtert und mit Verteilungsfunktionen statistisch beschrieben. Die zuverlässigste Aussage zur kombinierten Auswirkung dieser Parameter auf den Wasserstand erhält man bei Anwendung der Monte-Carlo Methode auf die hydraulischen Berechnungen. Für die Wasserstände können so naturnahe Verteilungsfunktionen generiert werden, anstelle der bisher üblicherweise aus Erfahrungswerten angenommenen Unsicherheiten. Die Ergebnisse der Fallstudien zeigen für Elbe und Iller teils stark davon abweichende Werte. Problematisch wird dieses Vorgehen sobald komplexe Fließwege 2-dimensionale hydraulische Modelle mit hohen Rechenzeiten erzwingen. Bei großen Projektgebieten können einzelne Berechnungen so umfangreich werden, dass eine Monte-Carlo Simulation nicht mehr wirtschaftlich durchführbar ist. Elbe und Iller gehören wegen ihrer Komplexität beide in diese Kategorie. Die Reduzierung der hydraulischen Modelle auf eine minimale Anzahl von Einzelelementen bei Einhaltung einer Mindestabbildungsqualität spielt damit in dieser Arbeit eine Schlüsselrolle. Die hydraulische Berechnung mit der Finite Volumen Methode auf unstrukturierten Dreiecksnetzen wird durch Verbesserung bekannter und Entwicklung neuer Netzbildungsalgorithmen um mehr als Faktor 10 beschleunigt. Die Summe der Rechenzeiten auf gewöhnlichen Desktoprechnern konnte dadurch für die Fallstudien von mehr als 2 Jahren auf ca. 2 Monate reduziert werden. Das Ergebnis, die Verteilungsfunktion der Wasserspiegellagen am Deich, ermittelt für jede Zelle im 2D-Modell, wird zusammen mit den geotechnischen Widerstandsgrößen der Deiche in der probabilistischen Software PC-Ring ausgewertet. Diese liefert zusätzlich zur gesuchten Versagenswahrscheinlichkeit für Einzelbauwerke eine kombinierte Versagenswahrscheinlichkeit für Deichsysteme und den Anteil einzelner Parameter an der Unsicherheit. Mit diesen Informationen kann die Sicherheit eines Hochwasserschutzsystems durch gezielte lokale Maßnahmen sehr wirtschaftlich verbessert werden. Die vorgestellten adaptiven Rechennetze können auch in zahlreichen weiteren Einsatzgebieten der hydraulischen Modellierung, beispielsweise im operationellen Einsatz, zu deutlichen Leistungssteigerungen führen.