Belastung schlanker zylindrischer Pfahlbauwerke durch nicht brechende und brechende Wellen - Großmaßstäbliche Laborversuche und theoretische Untersuchungen -

Irschik, Kai

doi:10.24355/dbbs.084-201309251047-0

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Belastung schlanker zylindrischer Pfahlbauwerke durch nicht brechende und brechende Wellen - Großmaßstäbliche Laborversuche und theoretische Untersuchungen -

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Diese Arbeit stellt einen Beitrag zur Wellenbelastung schlanker Zylindern dar. Als einer der Kernbeiträge der Arbeit gilt ein neu implementiertes Verfahren für die systematische Analyse von Versuchen zur Belastung schlanker Zylinder durch sehr steile und brechende Wellen. Das Verfahren dient als Grundlage für die Entwicklung/Verifizierung theoretischer Beschreibungen der für die Belastung relevanten Prozesse. Das Verfahren wird in den Kapiteln 4-7 beschrieben und implementiert. Als Hauptgrundlage der Arbeit dienen großmaßstäbliche Versuche - KC= 3 bis 14, Re= 4.0E5 bis 1.2E6 - im Großen Wellenkanal (Kapitel 3). Zur Klassifikation nach Lastfällen werden (i) die Distanz des Brechpunkts zur Zylinderfront und (ii) der Brechertyp mittels einer neu implementierten Methode berücksichtigt. Dabei werden gebrochene und brechende Wellen, steile Wellen und flache Wellen unterschieden. Für die Krafttrennung in quasi-statischen und dynamischen Kraftanteil wurde ein neues robustes Verfahren erfolgreich eingesetzt (Kapitel 4). Als weiterer Schlüsselbeitrag folgt die Analyse des dynamischen Kraftanteils (Kapitel 5). Die von Wienke & Oumeraci (2005) ermittelten curling Faktoren wurden für wassertiefenbedingte Sturzbrecher bestätigt. Bei Kollapsbrechern ist eine Anpassung aufgrund einer steileren Wellenfront erforderlich. Die Analyse des quasi-statische Kraftanteils erfolgt in den Kapiteln 6 & 7. Zunächst wird die gängige Praxis bei der Anwendung der Morison-Formel kritisch im Hinblick auf sehr steile Wellen diskutiert. Anschließend werden in Kapitel 7 die Kraftkoeffizienten CM und CD anhand der gemessenen Orbitalströmung und Linienkräfte auf das Bauwerk ermittelt. Es zeigt sich, dass Werte aus den Regelwerken korrigiert werden sollten. Außerdem werden potentialtheoretische Erweiterungen der Morison-Formel getestet. Abschließend konnten nicht lineare Effekte wie das sog. „ringing“ sehr gut anhand der gemessenen Wasserspiegelauslenkung ermittelt werden.

This research study aims at the contribution to the wave loading of slender cylinders. Among the key result of this study, a consistent methodology for a systematic analysis of the tests on wave loads induced by near-breaking and breaking waves on slender cylinders is proposed. This provides the basis for the development and verification of theoretical descriptions of relevant processes. The methodology is described and successfully implemented in chapters 4-7. This study is based on systematic large scale model tests - KC= 3 bis 14, Re= 4.0E5 bis 1.2E6 - performed in the Large Wave Flume (GWK), Hannover. For the classification of individual wave events (i) distance of the breaking point to the cylinder front, and (ii) breaker type are considered. Here broken and breaking waves, near-breaking waves, non-breaking flat waves due to a more reliable and automated data analysis are distinguished. For the force separation in a quasi-static force and a dynamic force a new robust method combining FFT and EMD filtering has successfully been applied (chapter 4). A further key contribution is the analysis of the impact load for depth limited wave breaking waves (chapter 5). The curling factors determined by Wienke & Oumeraci (2005) for plunging breakers were confirmed. A slight adjustment is however required for collapsing breakers due to a steeper wave front. The quasi-static load to near breaking waves is analysed in chapters 6 & 7. The validity for near breaking waves of the commonly applied Morison formula is critically discussed. Further on in chapter 7 drag and inertia coefficients are determined on the basis of the measured orbital flow and wave-induced line forces on the pile. It is shown that adjustments to recommendations in the design standrards would be required. Modifications of the Morison formula based on potential theory were also tested. Finally, non-linear effects such as “ringing” could be determined from the analysis of the measured surface elevation.