Staumauern Flashcards
Vor- und Nachteile von Staumauern
Vorteile
- Staumauern können bei extremen Hochwasserereignissen überströmt werden, ohne zu
versagen (Vajont!) - Die Hochwasserentlastung kann in die Staumauern integriert werden, es entfallen die
Kosten für eine separate Anlage - Entnahmeleitungen können problemlos durch die Staumauer geführt werden.
Vor- und Nachteile von Staumauern
Nachteile
- hohe Anforderungen an den Bauuntergrund
- plötzliches Versagen
Typen von Staumauern
im Schnitt und im Grundriss
Gewichtsstaumauer
Grundriss
Dreieck
Typen von Staumauern
im Schnitt und im Grundriss
Bogenstaumauer
Grundriss
Bogen
Typen von Staumauern
im Schnitt und im Grundriss
Pfeilerkopfstaumauer
Grundriss
Balken
Wahl des Staumauertyps
- Geologische Verhältnisse
- Talform
Staumauertyp
Gewichstmauer
topologisch
‧ Anwendungsgebiet: breite Täler
geologisch
‧ tragfähige Talsohle aus Fels
Staumauertyp
Bogenstaumauer
topologisch
‧ Anwendungsgebiete: enge U- oder v-Täler mit steilen Flanken
geologisch
‧ gleichmäßig tragfähiger Fels mit hohem Verformungsmodul vor allem in den Talflanken
Staumauertyp
Bogengewichtsstaumauer
topologisch
‧ Bei Täler mit b:h < 5
geologisch
‧ tragfähige Talsohle und Taktflanken
Staumauertyp
Pfeilerstaumauer
topologisch
‧ Anwendungsgebiet: breite Täler
geologisch
‧ sehr tragfähige talsohle aus Fels mit gleichmäßig großem E-Modul
Materialverbrauch
Es kann gezeigt werden, dass Bogenstaumauern bei gleicher Bauhöhe nur rd.
50% des Materialbedarfs haben wie Pfeilerstaumauern und Gewichtsstaumauern.
Den höchsten Materialbedarf bei gleicher Bauhöhe haben Gewichtsstaumauern.
Diagramm
Gewichtsstaumauern
Gewichtsstaumauern halten das Wasser aufgrund ihres
Eigengewichts zurück. Die Kräfte (Wasserdruck, Eigengewicht)
werden über die Sohle in den Untergrund übertragen. Hierbei ist
darauf zu achten, dass auch bei maximalen Einstau noch
Druckspannungen auf den Untergrund am wasserseitigen
Mauerfuß vorhanden sein müssen. Die Berechnung der
Standsicherheitsnachweise erfolgt heutzutage überwiegend mit
FEM-Modellen.
Gewichtsstaumauern werden in der Regel aus einzelnen
Betonblöcken gebaut, die jeweils die Kräfte in den Untergrund
ableiten. Die einzelnen Betonblöcke werden untereinander
verdübelt.
Standsicherheitsnachweise für
Gewichtsstaumauern
- Keine Zugspannungen in der Staumauer sowie zwischen Sohle und Mauer
- keine Überschreitung der zulässigen Druckspannungen
- keine Überschreitung der zulässigen Bodenpressungen
- Standsicherheitsnachweis gegen Gleiten
- Standsicherheitsnachweis gegen Kippen
Bruchsteinmauer
Urft-Talsperre (NRW-Eifel, ~ 1900)
Intzekeil
Nach damaligen Stand der Technik diente er zur Weiterleitung der großen
Wasserdruckkräfte an der Sohle in den Untergrund.
Bruchsteinmauer
Urft-Talsperre (NRW-Eifel, ~ 1900)
Problem
Fugenbildung zwischen Mauerkörper und Intzekeil, so dass dieser
unwirksam wurde
Reduktion des Auftriebs
Verlängerung des Sickerwegs und
Reduktion des Druckgradienten
I=deltah/deltaL
Bogenstaumauern
Bedingungen
Die Wahl einer Bogenstaumauer hängt entscheidend von der Sohltopographie und der Geologie des
Untergrunds ab. Letztere muss eine ausreichende Tragfähigkeit besitzen, um die Kräfte über die
Bogenwirkung des Bauwerks in den Untergrund sowie die Talwände abzuleiten. Daher können
Bogenstaumauern nur bei engen, annähernd symmetrischen Talquerschnitten und tragfähigen
Talflanken eingesetzt werden.
Bogenstaumauern
Verhältnis
Bogenstaumauern werden bis zu einem Verhältnis von Kronenlänge L zu Mauerhöhe H von 6:1 (selten
bis 10:1) gebaut.
Bogenstaumauern
Typen
- Zylindertyp
- Gleichgewichtstyp
- Kuppeltyp
- Schalenstaumauern
Durch moderne Berechnungsverfahren können die
Bogenstaumauern in der Vertikalen und der Horizontalen
gekrümmt gebaut und bemessen werden und entfalten somit eine
optimale Tragwirkung bei geringen Baukosten
(Doppelt gekrümmte Bogenstaumauer!).
Zylindermauer
Die Zylindermauer hat einen kreisförmigen Radius r in allen Höhenlagen und eine
üblicherweise senkrechte Wand über die gesamte Bauwerkshöhe. Die
Berechnung der erforderlichen Bauwerksdicke d wird anhand der Ringformel
durchgeführt.
Herleitung der Ringformel
Die erforderliche Dicke der Staumauerwand in Abhängigkeit der Mauerhöhe berechnet
sich in Abhängigkeit der zulässigen Betondruckspannung zul, der Wassertiefe z und des
Radius r.
Gleichwinkeltyp
Beim Gleichwinkeltyp handelt es sich um eine Bogenstaumauer mit gleichen
Öffnungswinkeln, aber verschiedenen Radien. Dieser Typ ist insbesondere für
Täler mit schmaler Sohle und steilen Hängen geeignet.
Pfeilerstaumauer
Pfeilermauern wirken hinsichtlich der Tragwirkung wie Gewichtsstaumauern, d.h. die wasserseitige
Stauwand überträgt die wirkenden Kräfte in den Untergrund. Um das geringere Eigengewicht
auszugleichen, wird eine Pfeilerstaumauer zur Wasserseite leicht geneigt gebaut.
Dadurch kann der Betonbedarf bei erhöhtem Schalungsaufwand reduziert werden.
Zwischen den Pfeilern ist eine Dichtung vorzusehen, wobei Verformungen und Verschiebungen zu
berücksichtigen sind, um die Dichtigkeit zu gewährleisten. Der hydrostatische Auftrieb auf die Sohle
der Pfeilerstaumauer ist aufgrund der geringeren Breite im Vergleich zu Gewichtsstaumauer reduziert.
Daraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an den Untergrund hinsichtlich Dichtigkeit und
Erosionsbeständigkeit.
Pfeilerstaumauer - Typen
‧ Pfeilerkopfstaumauer
‧ gewölbereihen-/ Vielfachbogenstaumauer
‧ Plattenpfeilerstaumauer
Herleitung der Ringformel
II
Mit der Ringformel ergibt sich bei einer Minimierung
der Querschnittsfläche eine optimaler Öffnungswinkel
der Zylindermauer von 133°. Ein leichtes Abweichen von
diesem Winkel hat kaum Auswirkungen, so dass auch
Winkel zwischen 120° und 140° möglich sind.
Thermische Beanspruchung
von Staumauern
Beim Bau von Staumauern werden große Mengen Beton verbaut. Hierbei kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen Beton und Zement, bei denen Hydratationswärme entsteht. Bei der langsamen Abkühlung kommt es zu Spannungs- und damit verbunden zu Verformungsänderungen. Große Temperaturschwankungen und – gradienten führen daher zur Bildung von Rissen, die u.U. die Stabilität und Funktionsfähigkeit des Bauwerks einschränken bzw. gefährden.
Phasen der Temperaturentwicklung
bei Talsperren
Phase I
Temperatur bleibt konstant bei T0
vor Beginn
des Abbindeprozesses
Phasen der Temperaturentwicklung
bei Talsperren
Phase II
Die Hydratation des Betons bewirkt einen
Anstieg der Temperatur. Aufgrund der
Plastizität des Betons entstehen keine
Spannungen
Phasen der Temperaturentwicklung
bei Talsperren
Phase III
Die Temperatur nimmt zu, dadurch will sich
der Beton ausdehnen, dies wird behindert,
wodurch Druckspannungen entstehen.
Phasen der Temperaturentwicklung
bei Talsperren
Phase IV
Der Beton kühlt ab.
Phasen der Temperaturentwicklung
bei Talsperren
Phase V
Aufgrund weiterer Abkühlung entstehen
Zugspannungen. Hierdurch können Risse im
Beton entstehen
Thermische Beanspruchung von Staumauern
Durch unterschiedliche Temperaturen im Winter und im Sommer kommt es in
einer Staumauer zu sehr komplexen Temperaturverhältnissen, die einen
Jahresgang aufweisen.
Untergrundabdichtung
Bei wasserdurchlässigem Untergrund kann es erforderlich sein, eine
Untergrundabdichtung z.B. in Form eines Injektionsschleiers (Zementinjektion)
einzubringen. Dadurch wird der Sickerweg verlängert und der hydraulische
Gradient reduziert. Dies führt zu einer erhöhten Sicherheit gegen hydraulischen
Grundbruch.
Untergrundabdichtung (Beispiel)
Beschriftete Skizze
Standsicherheitsnachweise
gegen Gleiten
BS I
• Hauptdruckspannungen bei unbewehrtem Beton, Bruchsteinmauerwerk und Fels
- 2,1
• Gleitsicherheit in der Sohlfuge und in Bauwerksfugen
- 1,5
• Gleitsicherheit bei Trennflächen im Fels
- 2,0
Standsicherheitsnachweise
gegen Gleiten
BS II
• Hauptdruckspannungen bei unbewehrtem Beton, Bruchsteinmauerwerk und Fels
- 1,7
• Gleitsicherheit in der Sohlfuge und in Bauwerksfugen
- 1,3
• Gleitsicherheit bei Trennflächen im Fels
- 1,5
Standsicherheitsnachweise
gegen Gleiten
BS III
• Hauptdruckspannungen bei unbewehrtem Beton, Bruchsteinmauerwerk und Fels
- 1,2
• Gleitsicherheit in der Sohlfuge und in Bauwerksfugen
- 1,2
• Gleitsicherheit bei Trennflächen im Fels
- 1,2
