DE102007040744A1

DE102007040744A1 - Temporäres Hochwasserschutzsystem

Info

Publication number: DE102007040744A1
Application number: DE200710040744
Authority: DE
Inventors: Stev Bringmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Hochwasserschutzsystem mit temporär aufbaubarer Stauwand, dadurch gekennzeichnet, dass als Stauwand eine flexible, jedoch weitestgehend undehnbare Membran (1) vorgesehen ist, die sich zwischen einer bodenseitigen Halterung (4) und dem gegenüberliegenden, von Stützen (2) gehaltenem Membranrand im Wesentlichen abstützungsfrei spannt.

Description

Für die Abwehr von Hochwasserzuständen an fließenden oder stehenden Gewässern werden neben den permanenten Dammanlagen auch temporäre Schutzsysteme eingesetzt, die nur für die Dauer des Hochwassers, in der Regel wenige Tage im Jahr, aufgebaut werden. Es gibt zu diesen temporären Staumauern eine Vielzahl von Systemvorschlägen und fertigen Produkten. Dabei gilt, dass diese Stausysteme bei einem zuverlässigen Hochwasserschutz vor allem folgende Eigenschaften aufweisen sollten:

– geringe Anschaffungskosten
– schnelle, einfache Aufbaubarkeit bei geringem Personalbedarf
– geringer Lagerbedarf
– hohe Lebensdauer

Die verschiedenen bekannten temporären Stausysteme erfüllen mehr oder weniger diese Kriterien, Ziel der Erfindung ist es ein Stausystem zu entwickeln, das in allen genannten Punkten gute Eigenschaften aufweist.
Erzielt wird dies durch die Verwendung einer flexiblen, aber wenig dehnbaren Membran. Diese wird so eingesetzt, das der Wasserdruck zu einer bestimmten Ausformung der Membran führt und dieser Membran damit ermöglicht auf den Wasserdruck ausschließlich mit Zugmembranspannungen zu reagieren. Diese Spannungen werden nach unten zum Boden zu einer bodenseitigen Halterung (4) und nach oben zu bogenförmigen Randverstärkungen (6) geleitet, welche wiederum die Last an aufgestellte Masten (2) abgeben. Das besondere dabei ist, das hierdurch die Kräfte aus dem Wasserdruck in eine annähernd horizontale bzw. tangentiale Kraft in der Ebene der Geländeoberfläche und bei entsprechender Stützenstellung in eine Vertikallast zerlegt werden können. Der Abstand der Masten (2) zur bodenseitigen Halterung (4) und die Membrangeometrie entscheidet darüber, welche Richtungen die resultierenden Kräfte der Membran (1) haben. Liegt die Membran im unteren Bereich mit einem Abschnitt (11) auf dem Untergrund auf, so ist die Kraft horizontal bzw. parallel zur Geländeoberfläche. Ist die Geometrie des Systems günstig gewählt, so kann die Membrankraft im oberen Bereich vertikal eingestellt werden. Steht die Stütze in diesem Fall ebenfalls vertikal, so entstehen im Normalfall keine Biegemomente innerhalb der Stütze oder in dessen Fundament. Die Stütze muss nicht unbedingt vertikal angeordnet werden, es ist jedoch sinnvoll, die Stütze in Richtung der resultierenden Kraft der Membran anzuordnen.
Während bei vielen temporären Staumauern die Stützen und deren Fundamente resultierend aus dem Wasserstaudruck hohe Biegemomente aufnehmen müssen und dementsprechend materialaufwendig sind, wird dieses Biegemoment vermieden bzw. in Kraftkomponenten zerlegt. Dies stellt einen wesentlichen konstruktiven Vorteil dar. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit den Abschnitt der Membran der auf dem Untergrund aufliegt (11), länger auszubilden. Hierdurch kann die Reibung zwischen Membran (1) und Untergrund, welche durch die Auflast des Wassers erzeugt wird, genutzt werden. Damit muss die bodenseitige Halterung (4) nur einen Teil der Membranspannung aufnehmen und kann entsprechend klein ausgebildet werden.
In Längsrichtung, d. h. parallel zur Uferlinie entstehen im Regelfall keine Membranspannungen. In Kurven, bei Höhenversprüngen, durch Ausführungstoleranzen oder Anpralllasten können jedoch in dieser Richtung ebenfalls Zugspannungen entstehen, auf die die Membran entsprechend ausgelegt sein muss.
Der Anfang oder das Ende eines solchen Hochwasserschutzsystems kann entweder an feststehende oder ebenfalls temporäre steife Wände (9) z. B. mittels Kederschiene oder Klemmung angeschlossen werden. Dabei wird in der Regel die Membran (1) speziell für einen bestimmten Ort vorgefertigt und mit den entsprechenden Anschlüssen am Anfang und Ende versehen. Auch die Aufnahme von Versprüngen, Aussparungen, Durchbrüchen, etc. ist in der Vorfertigung möglich. Derartig vorgefertigte Membranen können noch mit über 1000 m² gehandhabt werden. Größere Stausysteme können in einzelne Segmente untergliedert und erst auf der Baustelle zur Gesamtmembran z. B. durch Heißluftverschweißung oder Klemmung gefügt werden.
Als Membranen eignen sich vor allem die PVC-beschichteten Polyestermembranen. Sie sind sehr flexibel, jedoch hoch zugfest und dehnungsarm. Diese Membranen sind als technische Textilien in unterschiedlichsten Ausführungen relativ preiswert am Markt erhältlich und können gut z. B. durch Verschweißen der einzelnen Bahnen zu komplex vorgefertigten Stausystemen konfektioniert werden.
Es ist möglich die bodenseitige Halterung (4) so auszubilden, dass die Membran (1) darin gelagert werden kann. Diese bodenseitige Halterung (4) soll im folgendem als Rinne (4a) bezeichnet werden. Sie bietet den Vorteil, dass die Membran bereits dauerhaft wasserdicht verankert sein kann und vor Ort gelagert werden kann. Die Membranverbindung (5) kann z. B. durch Klemmung oder mit Kedersystemen erfolgen. Ein Deckel (7) kann die Membran schützen.
Zum Aufbau wird zunächst der Deckel(7) entfernt. Sofern die Masten (2) in der Verankerung (4) gelagert wurden, werden diese entnommen und auf den Mastfundamenten (3) angebracht. Im einfachsten Fall geschieht dies, indem die Masten in einbetonierte Hülsen gesteckt werden, deren Abdeckungen zuvor entfernt wurden. Anschließend wird die Membran (1) manuell aus der Rinne (4a) herausgezogen und diese, bzw. deren Randverstärkung (6), mit dem oberen Ende der Stützen (2) verbunden. Diese Verbindung kann über einfache Haken, durch Schäkel oder ähnlichem erfolgen. Am Anfang oder Ende des Stausystem muss gegebenenfalls die Membran an andere Schutzdämme, Wände (9) oder ähnlichem angeschlossen werden. Die Verbindung (10) kann über Kederschienen erfolgen, in die ein Keder, welcher mit der Membran (1) verbunden ist, eingezogen wird. Auch eine Klemmung oder andere Anschlußmöglichkeiten sind realisierbar.
Nach einem Hochwasser kann das System leicht demontiert werden. Die Membran wird wieder zusammengelegt und in der Regel wieder in der Rinne (4a) gelagert. Die Masten können ebenfalls abgebaut und in der Rinne (4a) gelagert werden. Abdeckungen können sowohl auf der Rinne als auch auf den Mastfundamenten (3) angebracht werden.
Unterschiedlich hohe Wasserstände führen zu unterschiedlichen Querschnittsformen der Membran. Ist die Stütze (2) fest im Untergrund eingespannt, können hierdurch Biegemomente in der Stütze entstehen, die abgetragen werden müssen. Es besteht auch die Möglichkeit die Stütze im unteren Bereich eine gewisse Flexibilität zu verleihen, so dass sich die Stütze entsprechend den verschiedenen Wasserständen und den damit verbundenen Querschnittsformen der Membran (1) selbsttätig ausrichten kann. Hiermit können Biegemomente vermieden bzw. verringert werden. Darüber hinaus verringern sich durch die Nachgiebigkeit die Kräfte aus dem Anprallen von Treibgut oder ähnlichem. Es ist jedoch notwendig, die Flexibilität oder Schwenkbarkeit der Stütze auf z. B. +-20° zu beschränken um ein gänzliches Umfallen der Stütze (2) zu vermeiden und ein sicheres Aufspannen der Membran auch bei geringen Wasserständen zu gewährleisten. In 6 ist eine entsprechende Ausführungsvariante dargestellt.
Ein wichtiger Punkt ist die mögliche Beschädigung der Membran (1) durch Treibgüter, Vandalismus oder Unvorhergesehenes. In diesen Fällen ist eine gewisse Undichtigkeit tolerierbar, solange nicht die Membran weiterreißt und damit komplett versagt. Um ein Weiterreißen zu verhindern ist es möglich entsprechend zugfeste technische Textilien mit hoher Weiterreißfestigkeit für die Membranen zu verwenden. Es sind ebenfalls Textilien auf dem Markt, bei denen in geringen Abständen Verstärkungen z. B. aus Stahlseilen eingearbeitet sind, an denen ein Riss endet. Auch eine Verstärkung mit aufgeschweißten Gurten oder ähnlichem ist möglich. Darüber hinaus ist auch eine zweilagige Ausführung der Membran denkbar wie es in 5 dargestellt ist. Die dem Wasser zugewandte Membran (1a) kann dabei eine kleine Öffnung besitzen, so das das Wasser auf die dem Wasser abgewandte Membran (1b) drückt und die Membran (1a) weitestgehend spannungsfrei sein kann. Sie erfüllt die Aufgabe des Anprallschutzes und soll z. B. Treibgut von der vom Wasser abgewandten Membran (1b) abhalten. Sie könnte auch als Stahlseilnetz oder ähnlichem gefertigt sein. Ist sie jedoch als wasserdichte Membran mit kleiner Öffnung versehen, so kann sie im Falle des Versagens der dem Wasser abgewandten Membran (1b) deren Aufgabe als dichtendes Element übernehmen.
Neben der Methode die Membran und die Stützen vor Ort in der Rinne (4a) zu lagern, bietet vor allem die Leichtigkeit und der geringe Lagerbedarf der Konstruktion die Möglichkeit die Struktur in einem Lager zu lagern oder sogar an verschiedenen Orten einzusetzen. Dabei kann entweder der Uferabschnitt für die Aufnahme des Stausystems vorbereitet sein, oder das Stausystem wird komplett erst im eintretenden Hochwasserfall installiert. Einige Ausführungsvarianten hierzu sind in den 7 bis 9 dargestellt. Vor allem die Verwendung von Kedersystemen bietet dabei die Möglichkeit schnell eine wasserdichte und kraftschlüssige Verbindung zu der bodenseitigen Halterung oder am Anfang oder Ende zu bestehen Wänden etc. herzustellen. Auch großflächige Membranen können noch von wenigen Personen bewegt bzw. ausgerollt und montiert werden.
1 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsvariante während eines Hochwassers. Die Membran (1) nimmt eine bestimmte, vom Wasserdruck abhängige Form an. Die Kräfte werden zum einen zu einer bodenseitigen Halterung (4/4a) geleitet, zum anderen über eine Randverstärkung (6) zu den Masten (2). Im dargestellten Beispiel sind die resultierenden Kräfte der Membran horizontal bzw. vertikal. Daher ist es empfehlenswert auch die Stütze (2) vertikal zu stellen. Hierdurch können Biegemomente in der Stütze weitestgehend vermieden werden. Die Stütze (2) leitet die Kräfte in das Stützenfundament (3)
2 zeigt den Querschnitt der Ausführungsvariante aus 1 ohne Hochwasserzustand. Die Membran (1) wird dabei in der Rinne (4a) gelagert und ist dauerhaft und hinreichend wasserdicht mit dieser verbunden. Auch die Stützen (2) können vor Ort gelagert werden. Deckel (7) können z. B. eine befahrbare Oberfläche erzeugen.
Die Rinne (4a) kann z. B. aus vorgefertigten Betonteilen bestehen, welche vor Ort z. B. in Kies oder Beton versetzt worden sind.
3 zeigt die Frontalansicht der Ausführungsvariante aus 1. Die Spannungen aus der Membran (1) werden über bogenförmige Randverstärkungen (6) zu den Masten (2) geleitet. Beispielhaft ist auch der Anfang bzw. das Ende der Struktur dargestellt. Die Membran wird direkt über einen Wandanschluss (10) an eine feststehende Wand (9) angeschlossen. Diese Verbindung kann dabei entweder der Querschnittsform der Membran annähernd folgen oder die Membran ist so ausgebildet, das sie z. B. einem geradlinigen Wandanschluss folgt und dabei Teile der Membran direkt an der Wand (9) anliegen. Die Zugkräfte aus der Randverstärkung (6) müssen ebenfalls von der Wand (9) aufgenommen werden.
4 zeigt die Aufsicht auf die Ausführungsvariante aus 1. Neben der Darstellung des Wandanschlusses (10) ist angezeigt, dass der Verlauf der Struktur nicht geradlinig sein muss, sondern angepasst an die Uferlinie erfolgen kann. Auch Ecken von z. B. 90° sind herstellbar (nicht dargestellt). Die Membran muss hierzu entsprechend konfektioniert sein. In Ecken kann es vorkommen, das die resultierende Kraft aus den an der Stütze angreifenden Randverstärkungen nicht vertikal ist, sondern große horizontale Anteile aufweist. Hierfür muss entweder die Stütze entsprechend der Richtung der resultierenden Kraft gestellt werden oder entsprechend biegesteif ausgeführt sein.
5 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsvariante mit zwei Membranen (1a u. 1b). Beide Membranen können an der gleichen oder an unterschiedlichen Stellen mit der bodenseitigen Halterung verbunden sein. Auch der Anschluss an die Masten (2) kann, muss jedoch nicht an der gleichen Stelle erfolgen. Die dem Gewässer zugewandte Membran (1a) wird erst im Falle eines Anpralls von Treibgut oder bei Versagen der Membran (1b) aktiv. Die Membran (1a) könnte jedoch auch z. B. als offenes Stahlseilnetz ausgebildet sein.
6 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsvariante bei dem eine geringere Wasserhöhe als die maximale Wasserhöhe anliegt. Hierdurch stellt sich eine andere, dem Wasserstand entsprechende Form der Membran (1) ein. Ist der Mast (2) wie dargestellt beweglich, so stellt er sich automatisch in die resultierende Kraft aus der Membran bzw. der Randverstärkung. In der dargestellten Ausführungsvariante wurde ein Mast mit geringerem Durchmesser in eine einbetonierte Hülse größeren Durchmessers gesteckt. Hierdurch ist der Mastfuß beweglich, wobei er jedoch ab einer bestimmten Neigung anschlägt und nicht weiter kippt.
7 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsvariante bei der die Membran nicht vor Ort gelagert wird. Die bodenseitige Halterung (4) kann dabei im Boden z. B. wie dargestellt mittels Schraubanker (13) verankert sein oder auch als Streifenfundament ausgebildet sein. Die Membranverbindung (5) ist in der dargestellten Ausführungsvariante ein Kederprofil, in das die Membran (1) schnell eingezogen werden kann.
Die Masten (2) müssen nicht zwangsweise ein Mastfundament (3) besitzen sondern können lediglich auf den Untergrund aufgestellt werden. Dabei müssen sie allerdings über eine hinreichend große Aufstandsfläche verfügen um nicht umzukippen. Die exakte Positionierung der Stützen ist wichtig für eine richtige Ausbildung der Form der Membrane (1). Hierzu können Markierungen auf dem Untergrund hilfreich sein. Die Masten könnten z. B. auch als Dreibeine etc. ausgebildet sein.
8 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsvariante die keine dauerhaft vor Ort installierten Konstruktionen benötigt. Das System ist je nach Bedarf an verschiedenen Orten einsetzbar. Dabei wird die bodenseitige Halterung lediglich durch Beschwerung des entsprechenden Membranrandes z. B. durch Sandsäcke (15) gebildet. Dabei sollte der aufliegenden Membranabschnitt (11) so groß gestaltet sein, das die Membrankräfte vollständig über Reibung zum Boden übertragen werden, sobald ein darauf lastender Wasserdruck entstanden ist. Es genügen hierdurch nur wenige Sandsäcke (15) je laufenden Meter Stausystem. Die Mastfüße sind in der Darstellung besonders großflächig, da sie besonders standfest sein sollten um bei ungenauer Aufstellung, was Horizontallasten am oberen Stützenende zur Folge haben kann, das Umkippen zu vermeiden. Um eine höhere Standfestigkeit zu erreichen, kann auch ein Teil des Mastfußes unter den Auflagerbereich der Membran (11) reichen und der gegenüberliegende Teil z. B. mit Sandsäcken beschwert werden. An der Membran angebrachte Messstreifen, bzw. Schablonen aus textilem Gewebe können die Positionierung der Stützen erleichtern.
Der Anfang und das Ende der Stauwand kann z. B. gebildet werden, indem die Membran auf einen Sandsackdamm gelegt und ebenfalls mit Sandsäcken beschwert wird. Auch die Verwendung von vorgefertigten Elementen, die einen festen und dichten Anschluss der Membran erlauben und standsicher an unterschiedlichsten Orten aufgestellt werden können ist machbar.
9 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Membran bodenseitig an eine Spundwand (14) angeschlossen wurde. Spundwände werden häufig zur Festigung von Dämmen oder Uferböschungen eingesetzt. Am oberen Ende dieser Spundwand (14) kann z. B. ein Kederprofil dauerhaft angebracht sein, in das bei Bedarf schnell eine Membran mit Keder eingezogen werden kann. Diese Erhöhung der Stauhöhe ist sowohl bei mit dem Gelände bündigen Spundwänden (14) als auch bei aus dem Gelände herausragenden Spundwänden möglich.
Vorteile der Erfindung:
Die Vorteile der Erfindung sind:

– Ein gutes statisches System der Stauanlage, welches weitestgehend statisch ungünstige Biegemomente in den konstruktiven Elementen vermeidet und damit eine materialeffiziente und leichte Struktur ermöglicht. Der Gründungsaufwand ist gering. Die zugbeanspruchte Membran ist sehr materialeffizient.
– Der Aufbau des Stausystems ist äußerst einfach, schnell und sicher von wenigen Personen zu bewerkstelligen. Durch das statische Grundkonzept sind alle Teile sehr leicht und damit gut handhabbar.
– Geringe Herstellungskosten durch Verwendung preiswerter Materialien welche gut vorgefertigt werden können.
– Es entstehen keine Lagerkosten durch den möglichen Verbleib aller Elemente vor Ort. Bei Ausführungsvarianten mit Lagerung der Elemente nicht direkt am Einsatzort ist der Platzbedarf gering und ein Transport aufgrund der geringen Masse und Volumen wenig aufwendig.
– Das System verfügt über eine hohe Lebensdauer bei geringem Wartungsaufwand

1: Membran
1a: dem Wasser zugewandte Membran
1b: dem Wasser abgewandte Membran
2: Stütze
3: Stützenfundament
4: bodenseitige Halterung
4a: Rinne
5: Membranverbindung
6: Randverstärkung
7: Deckel
8: Randverstärkung-Mast-Verbindung
9: Wand
10: Wandanschluss
11: aufliegender Membranabschnitt
12: Gewässer
13: Schraubanker
14: Spundwand
15: Sandsack

Claims

Hochwasserschutzsystem mit temporär aufbaubarer Stauwand, dadurch gekennzeichnet, dass als Stauwand eine Membran (1) vorgesehen ist, die sich zwischen einerseits bodenseitig und andererseits bodenfern gehalterten bzw. abgestützten Membranrändern im wesentlichem abstützungsfrei erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine textile, im wesentlichem undehnbare Membran (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine doppelwandige Membran (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) zwischen ihren bodenseitig und ihren bodenfern gehalterten Rändern derart abgemessen ist, dass die Membran unter Belastung durch Stauwasser ein wasserseitig konkaves Bogenprofil bildet, wobei der an der bodenseitige Halterungen (4, 4a) anschließende Bereich (11) der Membran eine im wesentlichen tangential auf dem Boden aufliegende Fläche und der an bodenferne Halterungen (6, 8) bzw. Stützen (2) anschließende Bereich der Membran eine im wesentlichen vertikale Ebene bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenseitige Teil der Membran (1) in einer bodenseitigen Rinne (4a) verankert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) bei Nichtgebrauch in der abdeckbaren Rinne (4a) ablegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenferne Bereich der Membran (1) an mobilen Stützen (2) halterbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (2) bei Nichtgebrauch der Membran (1) in der Rinne (4a) ablegbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenferne Bereich der Membran an im wesentlichen vertikalen Stützen (2) gehaltert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (2) in versenkt im Boden angeordnete Fundamente (3) einsteckbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass stauwasserseitig der die Stauwand bildenden Membran (1b) eine Schutzmembran zum Abfangen von Treibgut angeordnet ist.