Schwimmende Konstruktionen

Betonponton (Foto von Hermann Kassens Bauunternehmung GmbH)

Als schwimmende Konstruktion (Ponton) versteht man ein allseitig geschlossenes, im allgemeinen quaderförmiges Bauteil mit einem Hohlraum oder einer Füllung, die aus leichten Materialien besteht, welches schwimmen kann. Dabei muss die Gewichtskraft des verdrängten Wasservolumens größer sein als das Eigengewicht und die Nutzlast der Bauteile.

Begriffe

Teilelemente einer schwimmenden Konstruktion

An einem Ponton lassen sich folgende Teilelemente benennen bzw. Begriffe definieren:

1. Führungsdalben - Diese dienen der Lagesicherheit einer schwimmenden Anlage. Führungsdalben sind eine der verschiedenen Befestigungsvarianten, weitere Möglichkeiten werden in den Anforderungen aufgeführt.
2. Dalbenschlösser - Diese dienen bei Führungsdalben als Befestigung. Dalbenschlösser sind fest am Schwimmkörper verbaut und umgreifen die Dalben. Somit kann der schwimmende Ponton sich den Wasserständen anpassen.
3. Kammern - Die Kammern sind ein Hauptbestandteil der schwimmenden Anlage und meist quadratisch. Diese sorgen für den Auftrieb und können deswegen auch "Auftriebskörper" genannt werden.
4. Fenderleisten - Sie sind für das Anlegen von Schiffen gedacht, werden deshalb an den Seitenwänden angebracht und schützen das Bauwerk vor harten Stößen bei Anlegemanövern.
5. Tiefgang - Tiefgang bezeichnet das Maß des Bauteils, das unterhalb der Wasseroberfläche liegt.
6. Freibord - Freibord ist das Maß oberhalb der Wasseroberfläche. Zusammen ergeben Tiefgang und Freibord die Bauteilhöhe.
7. Poller - Für die Schiffe, die an die schwimmende Konstruktion anlegen, dienen die Poller als Festmachpunkt.
8. Krängung - Durch die Belastung auf dem Bauwerk kann sich eine Schiefstellung einstellen, diese wird dann Krängung genannt.

Anwendung

Wo die herkömmlichen Baumethoden des Hoch- und Ingenieurbaus an ihre Grenzen treffen, kann durch die vielfältige Einsatzmöglichkeit der schwimmenden Konstruktionen Abhilfe geschaffen werden. So können Brücken, Fluglandebahnen, Häuser oder Straßen auf Pontons errichtet werden. Auf diese Weise kann man sich das Aufschütten im Meer ersparen . Ebenso können Pontons als schwimmende Arbeitsplattformen verwendet werden. Sie können als Stelzenponton für einen längeren Zeitraum auf Stützen tideunabhängig und sturmfest an einer Stelle montiert werden. Dies wird für die Ölgewinnung (Ölbohrplattformen) oder für die Montage der Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt. Auf Flüssen oder im Hafenbereich werden Arbeitsplattformen für den Maschineneinsatz verwendet. Pontons sind auch Bestandteil von Schwimmdocks, die für die Wartung und Reparatur von Schiffen und weiteren Wasserbauwerken (z. B. Schleusentore) benutzt werden, indem sie durch installierte Pumpen in den Luftkammern geflutet werden. Durch das ansteigende Eigengewicht senkt sich die Konstruktion in die Tiefe. Sobald das Ponton den angestrebten Tiefgang erreicht hat, kann das zu wartende Bauteil (z. B. Schiff, Schleusentor) über die Deckenplatte auffahren. Durch Abpumpen des Wassers in den Kammern und dem dadurch sinkenden Eigengewicht hebt sich das Ponton wieder mit dem zusätzlichen Bauteil aus dem Wasser.

Anforderungen

Mindestanforderungen

Für die Gewährleistung der Schwimmfähigkeit und Stabilität müssen durch den dafür vorgesehenen Nachweis die folgenden baulichen Mindestkriterien erfüllt sein:

• Freibord von mindestens 0,15 m
• Sicherheitsabstand mindestens 0,30 m
• Krängungswinkel von maximal 10°

Diese sorgen für ausreichende Sicherheit gegen das Kentern des Bauwerks. Für den Betrieb des Bauwerks muss außerdem im Havariefall bei Ausfall einer Kammer sichergestellt werden, dass das Bauwerk ausreichend gegen Kentern oder Sinken abgesichert ist. Dabei ist zu beachten, dass – im Falle eines Lecks - immer ein Freibord und Sicherheitsabstand von mindestens 0,10 m sichergestellt ist

Verankerung

Um ein Losreißen oder Verschieben der schwimmenden Konstruktion zu verhindern, muss diese hinreichend gesichert werden. Das Losreißen oder Verschieben kann durch Strömung, Wind, Wellen, Wasserstandsschwankungen oder mögliche Sonderlasten hervorgerufen werden. Durch vorbeifahrende oder anlegende Wasserfahrzeuge muss die Konstruktion gegen sog. Wellenschlag oder Schiffsstoß befestigt sein. Die Funktionsfähigkeit der Verankerung muss auch dann gegeben sein, wenn das Bauteil leckgeschlagen ist. Die Verankerungen werden in zwei Varianten unterschieden:

Verankerung - Variante 1

Die schwimmende Konstruktion ist direkt mit dem Festland verbunden. Dafür kann eine der nachfolgenden Befestigungsmittel ausgewählt werden:

• Ketten
• Drahtseil
• Kunststoffseil
• Schorbäume (druckfeste Verankerung z.B. durch Rohre)
• Verbindungsbrücke

Bei der Befestigung ist ein mutwilliges Lösen der Verankerung zu verhindern [3]. Dies gilt als erfüllt, wenn es ohne Werkzeug nicht zu lösen ist.

Verankerung - Variante 2

Die Befestigung erfolgt über Führungen oder Dalben. Hierbei muss besonders darauf geachtet werden, dass einerseits kein Verkanten an der Führung möglich ist, sowie andererseits bei dem höchsten zu erwartenden Wasserstand kein Ausschwimmen aus der Verankerung passieren kann.

Tiefgang

Für den Tiefgang werden die Massen des Bauwerks mit dem Volumen des verdrängten Wassers verglichen. Zu den Massen des Bauwerks zählt das Eigengewicht inklusive der dauerhaften Ausbauten auf dem Bauwerk, sowie die Verkehrslasten. Die Verkehrslasten sind in Abhängigkeit der Nutzung mit dem Bauherren abzustimmen.

Es können die nachfolgend aufgeführten Zustände unterschieden werden:

Ist die Masse des Bauwerks geringer als die des verdrängten Wassers, spricht man von einem Schwimmzustand, da das Bauwerk aus dem Wasser ragt.

Sind die Massen gleich groß, ist das Bauwerk exakt auf derselben Höhe der Wasseroberfläche. Dieser Zustand wird als schwebend aber labiles Gleichgewicht bezeichnet. Nachteilig ist hierbei, dass bei der geringsten Veränderung der Masse oder bei bestimmten äußerlichen Gegebenheiten (z. B. Temperatur, Wetterverhältnisse) sich die Masse des Bauwerks ändern könnte und sich der Zustand von schwebend zu sinkend ändern könnte. Bei den Lasten ist zu berücksichtigen, dass eine ungleichmäßige Verteilung der Eigenlasten/Ausbaulasten des Pontons zu einer Verdrehung des Bauwerks führen kann. Um dies zu verhindern gibt es verschiedene Möglichkeiten: z. B. Ausgleichsmassen, wie in Behälter gefüllter Sand/Kies oder eine Anpassung der Bauteildicken in bestimmten Bereichen der Kammern.

Kentersicherheit

Als Schwimmstabilität bezeichnet man das Verhalten eines Schwimmkörpers in Bezug auf die Wasseroberfläche. Dabei wird betrachtet, ob das Bauwerk genügend Auftrieb besitzt, um nicht zu kentern oder abzutauchen. Die Schwimmstabilität wird auch Kentersicherheit eines Schwimmkörpers genannt. Eine Berechnung verhindert, dass bei der außermittigen Belastung auf dem Bauwerk sich dieses um seine eigene Achse dreht. Für die Berechnung werden zwei Zustände unterschieden - der Ruhezustand und der Betriebszustand. Das Bauwerk befindet sich im Ruhezustand, wenn alle Ausbauten montiert sind, sich allerdings nicht in Benutzung befinden. Ebenso können sich mögliche Verbrauchsvorräte und Ersatzteile auf dem Bauwerk zur Lagerung befinden. Das Bauwerk befindet sich im Betriebszustand, wenn sich die Ausrüstungsgegenstände im planmäßigen Betrieb befinden. Hierbei sind ebenso Verbrauchsvorräte und Ersatzteile auf dem Bauwerk zu berücksichtigen . Der maßgebende Zustand des Bauwerks ist der Betriebszustand. Im Betriebszustand kommen die meist außermittig montierten Arbeitseinrichtungen zum Einsatz, hierbei kann sich eine Schiefstellung/Verdrehung des Pontons einstellen. Daraus ergibt sich, dass bei der Berechnung das rückdrehende Moment aus Auftrieb mit dem Kippmoment aus Eigengewicht und Verkehrslasten verglichen werden muss. Das Auftriebsmoment muss größer sein als das Kippmoment. Der Dazu zu erbringende Nachweis ist der der metazentrischen Höhe. Sie beschreibt die Verbindung vom Bauteilschwerpunkt und dem Angriffspunkt des Moments. Die Metazentrischen Höhe ist wie folgt zu ermitteln:

Kentersicherheit - Bezeichnungen

$h_{M}={\frac {I_{y}}{V_{w}}}-e$

wobei:

Iy…	Flächenträgheitsmoment des Schwimmkörpers bezogen auf die y-Achse
Vw…	Volumen des Wassers, das vom Bauteil verdrängt wird
e…	Abstand zwischen dem Bauteilschwerpunkt und dem Schwerpunkt des verdrängten Wassers
$\alpha$…	Auslenkungswinkel (Schiefstellung des Bauwerks bei Belastung)

Das Ergebnis der Berechnung von h_M kann anschließend ausgewertet werden.

h_M > 0 → stabile Kentersicherheit

h_M = 0 → indifferente Kentersicherheit

h_M < 0 → instabile Kentersicherheit

Normative Regeln

Für die Berechnung von Wasserbauten werden Berechnungs- und Ausstattungsvorschriften aufgeführt. Dabei sind die Normen in verschiedene Bereiche aufgeteilt, die die Grundlagen, die Einwirkungen, die Bemessung sowie die Ausstattung der Bauteile regeln. Sie werden unterteilt in allgemeine und spezifische Normungen. Allgemeine Vorschriften:

• DIN EN 1990:2010 und 1990/NA sowie 1990/NA/A1 – Grundlagen der Tragwerksplanung

Einwirkungen:

• DIN EN 1991-1-1:2010 und 1991-1-1/NA – Einwirkungen auf Tragwerke (Eigenlasten)
• DIN EN 14504 Fahrzeuge der Binnenschifffahrt – Schwimmende Anlegestellen und schwimmende Anlagen auf Binnengewässern – Anforderungen und Prüfungen 09/2016

Bemessung:

• DIN EN 1992-1 und 1992-1/NA
• DAfStb Heft 600 – Richtlinie, Erläuterungen zum EC 2
• DAfStb – Richtlinie Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (wu-Richtline)
• DIN EN 1993 und 1993/NA
• DIN EN 1997 und 1997/NA

Weitere Vorschriften u. a.

• EAU 2012
• TRAS 320
• ZTV-Ing

Lastannahmen

Für die Belastungen des Wasserbauwerks wird unterschieden in ständige und veränderliche Lasten. Bei ständigen Lasten handelt es sich um solche, die dauerhaft auf das Bauwerk einwirken (z. B. Zugangsrampe, sämtliche Ausbauten). Veränderliche Lasten sind solche, die nicht dauerhaft auf ein Bauwerk einwirken bzw. durch die unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten der schwimmenden Konstruktion bedingt sind (z. B. Verladekräne, Personenverkehr, Materialien etc.).

Ständige Lasten

Ständige Lasten unterteilen sich in zwei verschiedene Kategorien. Die erste ist das Eigengewicht der Konstruktion, die sich aus dem spezifischen Gewicht des Materials ergibt. Die zweite Kategorie ist die Ausbaulast. Diese setzt sich aus Belastungen zusammen, die fest auf dem Bauwerk montiert werden. Diese könnten sich aus Zugangsrampen, Bodenbelägen, Einrichtungsgegenständen, etc. ergeben. Ausbaulasten sind je nach Anforderung und Nutzung der schwimmenden Konstruktion individuell festzulegen.

Veränderliche Lasten

Wasserdruck

Der Wasserdruck wirkt unablässig auf das Bauwerk ein und ist somit von großer Wichtigkeit. Wenn die geometrischen Randbedingungen und der resultierende Wasserdruck zuverlässig ermittelt werden können, darf man sie mit den Teilsicherheitsbeiwerten der ständigen Einwirkungen kombinieren . Der Wasserdruck wird wie folgt ermittelt :

• Süßwasser: γ = 10,0 kN/m³
• Salzwasser: γ = 10,4 kN/m³

Der Wasserdruck steigt konstant mit wachsender Tiefe an. Der durch den Wasserdruck entstehende Auftrieb sowie der seitliche Wasserdruck ist bei allen in das Wasser eingetauchten Bauteilen zu berücksichtigen und ist abhängig von der jeweiligen Gesamtlast.

Wasserdruck im Inneren von Bauteilen

Bei allen Bauteilen, die von Wasser berührt werden, muss zusätzlich mit Druckkräften infolge Spaltwasserdruck in offenen Fugen oder Rissen gerechnet werden (betrifft bei Stahlbetonpontons die Zugzone von bewehrten Bauteilbereichen).

Verkehrslast

Bei den Verkehrslasten handelt es sich um Lasten, die nicht ständig auf die Konstruktion einwirken. Dabei werden durch Fahrzeug- und Personenverkehr oder durch das Bedienen von Zusatzausrüstung zusätzliche Lasten erzeugt. Die am häufigsten auftretende Verkehrslast ist dabei die aus Fahrzeug- oder Personenverkehr. Bei schwimmenden Konstruktionen können z. B. durch Anlegemanöver Kräfte aus Pollerzug oder Schiffsanlegestoß auftreten. Je nach Nutzung der schwimmenden Konstruktion können auch speziellere Verkehrslasten dazukommen, z. B. durch Ausbauten wie Verladekräne oder durch Lagerflächen auf den Konstruktionen.

Trossenzug

Beim Trossenzug wird unterschieden, ob Binnenschiffe oder Seeschiffe ankern sollen. Für die Binnenschifffahrt muss folgendes berücksichtigt werden: Der Poller muss auf eine horizontale Trossenzugkraft als charakteristische Einwirkung von 200 kN dimensioniert werden. Dabei ist der Angriffswinkel der Trossenzugkraft entsprechend der geometrischen Möglichkeiten zu variieren. Hingegen muss bei den Verankerungsteilen der Poller eine charakteristische Trossenzugkraft von 300 kN nachgewiesen werden. Im Regelfall wird die Polleroberkante in einer Höhe von 2,3 m über dem Wasserniveau angebracht .
Für die Seeschifffahrt muss folgendes berücksichtigt werden: Für die Seeschifffahrt werden die Poller je nach verdrängtem Wasser der Schiffe bemessen. Dies wird im nachfolgenden Bild 6 aufgeführt. Die Wirkungsrichtung des Trossenzuges kann wasserseitig in jedem Winkel erfolgen. Bei Anlegestellen mit strömendem Gewässer ist ab einer Größe von 50.000 t verdrängtem Wasser eine Erhöhung des Trossenzuges um 25 % vorgesehen .

Festlegung der Pollerzuglasten für Seeschiffe

Schnee- und Eislasten

Für Wasserbauteile werden die Schneelasten wie im Hochbau angesetzt, das heißt, sie können den dafür vorgesehen Tabellen der Schneelastzone entnommen werden. Eislasten sind bei Wasserbauwerken als zusätzliche Belastung zu berücksichtigen. Diese entstehen z.B. aus :

• Thermischem Eisdruck einer geschlossenen Eisdecke
• Eisstoß durch Eisschollen
• Eisdruck durch nachschiebendes Eis
• Eisauflast
• Vertikalkräfte infolge anhaftendem Eis

Die hierbei entstehenden Kräfte sind abhängig von den örtlichen Gegebenheiten.

Windlasten, Temperaturlasten, Kriechen und Schwinden

Die aus Wind resultierenden Kräfte werden über die im Hochbau verwendeten Windlastzonen ermittelt. Hier wird über den Standort des Bauteils die passende Windzone/Windlast angesetzt. Windlasten werden bei schwimmenden Konstruktionen nur für angelegte Schiffe (Trossenzug) berücksichtigt, da sie nur im Einzelfall Einfluss auf das Bauwerk an sich haben . Temperaturlasten entstehen durch den stetigen Wechsel der Temperaturen und des Temperaturunterschieds zwischen den wasserberührenden und den luftberührenden Bauteilen. Durch die Temperaturschwankungen können sich Bauteile verformen. Dadurch entstehen Schnittgrößen durch die hervorgerufenen Zwängungen . Die Temperaturlastfälle beziehen sich immer auf eine mittlere Aufstelltemperatur von 10 °C. Diese werden wie folgt eingeteilt :

• Luftseitige Oberflächen ΔT = ± 25 K
• Wasserseitige Oberflächen ΔT = ± 15 K

Bei Betonbauteilen muss in der Regel Kriechen und Schwinden berücksichtigt werden. Dies kann zu Zwang in den Bauteilen führen, wenn das Bauteil nicht in einem Stück betoniert wird. Um Kriechen und Schwinden bei der Berechnung zu berücksichtigen, wird oft ein fiktiver Temperaturlastfall erzeugt .

Transport

Für den Transport von der Fertigungsstelle zum Einsatzort müssen gesonderte Kräfte angesetzt werden. Diese sollten in Abstimmung mit dem Bauherrn erfolgen, denn je nach Transportart werden unterschiedliche Kräfte auf das Bauwerk einwirken. Transportmöglichkeiten sind :

• das Schleppen durch Schleppkähne
• das Verladen auf spezielle Schiffe

Außergewöhnliche Belastung

Je nach Funktion des Bauwerks müssen unterschiedliche außergewöhnliche Belastungen berücksichtigt werden. Hierzu gehören Störungsfälle technischer Anlagen oder der Lastfall einer Havarie des Schwimmkörpers. Dabei wird der Ausfall einer Luftkammer simuliert. Je nach Anforderung des Bauherren muss der Betrieb fortgeführt werden können oder ein Transport zu einer Reparaturstelle möglich sein. Weiterhin können auch Lasten durch im Gewässer schwimmendes Treibgut erzeugt werden, die das Bewegen der Dalbenschlösser verhindern. Auch das Festfrieren der Dalbenschlösser kann zu unplanmäßigen Lasten führen . In Gewässern mit schwankenden Wasserständen kann es bei schwimmenden Konstruktionen zu einem Aufliegen des Bauteils an einer Stelle kommen. Somit würde eine unplanmäßige Biegung in das Bauteil eingeleitet werden. Das Aufliegen kann die Folge einer Anspülung von Schlick unter dem Bauwerk sein oder das Bauwerk liegt landseitig auf der abfallenden Gewässersohle.

Vergleich der verschiedenen Bauweisen

Für den Bau von schwimmenden Konstruktionen kommen im Wesentlichen drei Materialien (Kunststoff, Stahl, Stahlbeton bzw. Spannbeton) zum Einsatz, die bezogen auf die konkreten Einsatzzwecke jeweils Vor- und Nachteile haben.

Kunststoff

Die aus Kunststoff geformten Hohlkammern sind aufgrund ihres geringen Gewichts gut für den Bau von leichten Steganlagen geeignet. Durch die verschiedenen Verbindungsmöglichkeiten der einzelnen Elemente ist es relativ einfach möglich, die einzelnen Teile zu größeren Baukörpern zusammenzusetzen. Kunststoff gelangt durch seine Beschaffenheiten schnell an die Grenze seiner Tragfähigkeit. Daher wird dieses Material hauptsächlich für kleinere Stege oder Freizeitanlagen verwendet (z. B. Schwimminseln, Sportbootanleger, etc.).
Vorteile:

• Gute Transportmöglichkeiten
• Systembauweise
• beliebig erweiterbar

Nachteile:

• nur mit geringer Verkehrslast belastbar
• geringe Dauerhaftigkeit/Lebensdauer

Stahl

Stahlpontons werden als Hohlkörper ausgebildet und können in verschiedenen Längen und Breiten hergestellt werden. Die Maße werden hier vor allem durch einen möglichen Transport des Pontons zum Zielort eingeschränkt. Der Ponton wird in mehrere Kammern eingeteilt. Durch die ausgesteiften Bleche lassen sich große Konstruktionen mit relativ geringem Gewicht bauen. Ein Nachteil ist eine sehr aufwendige Herstellung durch die vielen Schweißnähte. Ebenso müssen die Bauteile gegen Korrosion geschützt werden. Dies ist besonders im Wasserwechselbereich wichtig, um ein Durchrosten oder eine Schwächung des Pontons zu verhindern. Der aufgetragene Korrosionsschutz muss bei Wasserbauteilen ebenso gegen Abrieb durch Kollisionen geschützt sein. Damit ist diese Bauweise relativ teuer. Einsatzbereiche für Stahlpontons sind z. B.: Offshore-Bohrplattformen, Pontonschiffe ohne eigenen Antrieb, militärische Zwecke (z. B. Pionier-Brücken) etc.
Vorteile:

• größere Abmessungen möglich
• beliebige Verkehrslast aufnehmbar (Begrenzung durch die Tragkraft des Materials)
• geringes Eigengewicht

Nachteile:

• hohe Herstellungskosten
• eingeschränkt in der Form
• Abmessungen eingeschränkt durch den Transport

Stahlbeton und Spannbeton

Betonpontons können mit schlaffer Bewehrung oder in Spannbetonbauweise hergestellt werden. Das hohe Eigengewicht des Pontons führt zu größeren erforderlichen Abmessungen und wirkt sich dabei positiv auf die Schwimmstabilität aus, da das hohe Gewicht für eine ruhigere - trägere - Lage des Pontons sorgt. Die Form des Pontons kann hierbei an die örtlichen Gegebenheiten frei angepasst werden. Somit kann sich der Betonponton gut an seine Einsatzstelle anpassen. Ein weiter großer Vorteil dieser Bauweise ist, dass das Hauptbauwerk nicht gegen Korrosion geschützt werden muss. Diese Aufgabe wird von dem Beton übernommen. Ausnahmen sind hierbei nur die Konstruktionen, bei denen Dalben die Lagesicherung des Bauteils übernehmen, sie sind die einzigen Stahlbauteile, die sich im Wasserwechselbereich befinden. Durch das Vorspannen der Bauteile wird durch das Überdrücken von Zugspannungen eine Rissbildung verhindert. Das unplanmäßige Eindringen von Wasser in die Hohlkammern wird so verhindert. Die Stahlbeton- und Spannbetonbauweise wird vor allem für Anlegestellen von Schiffen genutzt. Auch ein Einsatz als Schwimmdock ist möglich. Schwimmdocks werden für die Wartung von Wasserbauteilen und Schiffen eingesetzt.
Vorteile:

• bessere Schwimmstabilität
• Form ist flexibel anpassbar
• Entfall von zusätzlichem Korrosionsschutz
• beliebige Verkehrslast aufnehmbar (Begrenzung durch die Tragkraft des Materials)

Nachteile:

• hohes Eigengewicht
• Abmessungen eingeschränkt durch den Transport
• Größere Abmessungen erforderlich für dieselbe Tragkraft im Vergleich zur Stahlbauweise

Quellen

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