PaNSiWa

1. Motivation und Zielsetzung

In den letzten 15 Jahren wurden vermehrt Schadensfälle an Buhnen, Leitwerken sowie Deckwerken der deutschen Seeschifffahrtsstraßen festgestellt. Die Untersuchungen dieser Schäden haben gezeigt, dass die für die Bemessung der Deckschichten an Strombauwerken in Seeschifffahrtsstraßen bislang verwendeten Ansätze, die für die Belastung der Deckschichten durch Windwellen entwickelt wurden, nicht ausreichend sind, um die zunehmenden Belastungen durch schiffserzeugte Wellen zu berücksichtigen. Seit 2011 werden daher durch die BAW, Dienststelle Hamburg, in einem Verbundprojekt (Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an Seeschifffahrtsstraßen) gemeinsam mit der HPA, dem LWI der TU Braunschweig und dem IWW der RWTH Aachen fundierte Unterlagen zur Bemessung dieser Bauwerke erarbeitet. Die durch das LWI innerhalb dieses Verbundprojekts durchgeführten 2D-Untersuchungen an Punktmessungen in 3D-Schiffswellenfeldern wurden im August 2013 abgeschlossen und haben die derzeit noch bestehenden Wissenslücken hinsichtlich der Typisierung und Parametrisierung von Schiffswellen aufgezeigt. Die Ergebnisse des Verbundprojekts haben insbesondere die Notwendigkeit einer 3D-Analyse der komplexen räumlichen, nichtlinearen Schiffswellenfelder verdeutlicht, die nicht Bestandteil des Untersuchungsumfangs innerhalb des Verbundprojekts waren. Durch das Verbundprojekt sind die für die Durchführung des geplanten Vorhabens notwendigen Kontakte vorhanden und sowie die Verfügbarkeit von Schiffswellendaten für Validierungs-, Vergleichs- und Analysezwecke gesichert.

Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Erarbeitung von wissenschaftlichen Grundlagen für die Parametrisierung schiffsinduzierter 3D-Wellenfelder als Grundlage für die hydraulische Bemessung von Deckschichten von Strombauwerken an Seeschifffahrtsstraßen unter besonderer Berücksichtigung der räumlichen sowie der nichtlinearen Eigenschaften der Schiffswellen.

2. Arbeitsprogramm und Methodik

Die geplanten theoretischen und numerischen Untersuchungen zielen auf folgende Schwerpunkte ab:

• Implementierung einer nichtlinearen Fourier-Transformation (3D-NLFT) für die nichtlineare Analyse von räumlichen Schiffswellenfeldern im Frequenzbereich,
• Implementierung einer Hilbert-Huang-Transformation (3D-HHT) für die nichtlineare Analyse von räumlichen Schiffswellenfeldern im Zeit-Frequenz-Bereich,
• Vergleichende Analyse von Schiffswellendaten anhand der 3D-NLFT, der 3D-HHT und der herkömmlichen FFT,
• Parametrisierung von 3D-Schiffswellenfeldern mit dem Ziel, die für die Bemessung der Strombauwerke relevanten Parameter bereitzustellen, insbesondere auch die Ausbreitungsrichtung der verschiedenen Komponenten des Wellenfeldes.

3. Geplante Ergebnisse

Im Rahmen des Projekts werden Empfehlungen für die Auswahl der geeigneten Methoden zur Ermittlung der Wellenparameter sowie die mit dieser Methode bereits ermittelten Parameter erarbeitet. Für die 2D-Schiffswellen liegt aus dem Schrifttum bereits eine Definition der maßgebenden Wellenparameter vor, die jedoch anhand der im Laufe des Projektes gewonnenen Erkenntnisse ggf. ergänzt werden muss. Für die 3D-Schiffswellen liegen im Schrifttum keine Angaben vor, so dass hier kritisch überprüft werden muss, welche der 2D-Parameter hier repräsentativ sind und welche Parameter zusätzlich ermittelt werden müssen. Hierzu sind ggf. erneute Simulationen und Datenanalysen erforderlich. Nach Definition der maßgebenden Parameter erfolgt eine Typisierung und Klassifizierung der aus Laborversuchen, Naturmessungen und Simulationen vorhandenen 2D- und 3D-Schiffswellen anhand dieser Definitionen. Die Typisierung und Klassifizierung erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der verschiedenen Fragestellungen und Prozesse, die für die Interaktion zwischen schiffsinduzierten Wellen und Strombauwerken maßgebend sind.

Das Projekt "Parametrisierung nichtlinearer schiffsinduzierter 3D-Wellenfelder für die hydraulische Bemessung von Schutzbauwerken an Seeschifffahrtsstraßen (PaNSiIWa)" wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Das Projekt PaNSiWa ist aus einem Verbundvorhaben zwischen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Dienststelle Hamburg, dem Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW) der RWTH Aachen und dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI), Abt. Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, hervorgegangen. Innerhalb von PaNSiWa werden Ergebnisse und Daten aus diesem Verbundvorhaben verwendet, vor allem Daten aus dem Wellenbecken der BAW in Hamburg.

Brühl, M. (2014): Direct and inverse nonlinear Fourier transform based on the Korteweg-deVries equation (KdV-NLFT) - A spectral analysis of nonlinear surface waves in shallow water. PhD Thesis, Leichtweiß-Institute for Hydraulic Engineering and Water Resources, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Germany. (http://www.digibib.tu-bs.de/?docid=00058144).

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Analysis of propagation of long waves in shallow water using the nonlinear Fourier transform (NLFT). Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2014), OMAE2014-24165, June 8-13, 2014, San Francisco, USA, 9 pp.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Nonlinear Fourier transform (NLFT) for the identification of transmitted solitons behind submerged reefs: The reconstruction of the original data. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2014), OMAE2014-24162, June 8-13, 2014, San Francisco, USA, 9 pp.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Die nichtlineare Fourier-Transformation im Wasserbau: Grundlagen und Anwendungsbeispiele. 44. Internationales Wasserbau-Symposium Aachen (IWASA 2014), Aachen, Germany.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Identification and analysis of transient waves in shallow water using the KdV-based nonlinear Fourier transform (KdV-NLFT). EGU General Assembly 2014, EGU2014-16174, 27 April - 02 May 2014, Vienna, Austria.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Identification of transient waves in shallow water using the KdV-based nonlinear Fourier transform (KdV-NLFT). 7th Chinese-German Joint Symposium on Hydraulic and Ocean Engineering (CGJOINT), September 07-12, 2014, Hannover, Germany.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2014): Identifizierung von transienten Wellen im Flachwasser mit der KdV-basierten nichtlinearen Fourier-Transformation (KdV-NLFT). 16. Treffen junger Wissenschaftler deutschsprachiger Wasserbauinstitute (16. JUWI-Treffen), 30. Juli - 1. August 2014, Braunschweig, Germany.

Oumeraci, H.;Brühl, M.; Neuert, N. (2014): Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an Schifffahrtsstraßen, Arbeitspaket AP5: Entwicklung eines 3D-CFD/CSD-Modells und numerische Stabilitätsuntersuchungen (Numerische Simulation), Abschlussbericht, . Technische Universität Braunschweig, Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI), Abt. Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, LWI-Bericht Nr. 1034, Braunschweig, 306 S.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2013): Frequenzanalyse und Parametrisierung von Schiffswellen aus hydraulischen Modellversuchen und numerischen Simulationen. 9. FZK-Kolloquium, FZK, Hannover, Germany.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2012): Nonlinear decomposition of transmitted wave trains from soliton fission using "Nonlinear Fourier transform (NLFT)": The spectral basic components. Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2012), OMAE2012-83418, July 1-6, 2012, Rio de Janeiro, Brasil, 10 pp.

Gossel, A.;Brühl, M.; Oumeraci, H. (2012): Influence of wave and structure parameters on the transformation of solitary waves at submerged reefs using nonlinear Fourier transform (NLFT). 4th International Conference on the Application of Physical Modelling to Port and Coastal Protection, September 17-20, 2012, Ghent, Belgium, 10 pp.

Oumeraci, H.; Brühl, M. (2012): Schiffserzeugte langperiodische Belastung zur Bemessung der Deckschichten von Strombauwerken an Schifffahrtsstraßen, Arbeitspaket AP5: Entwicklung eines 3D-CFD/CSD-Modells und numerische Stabilitätsuntersuchungen (Numerische Simulation), Teilbericht 1 (Arbeitspakete AP5-1 und AP5-2): AP5-1: Anpassung des 2D-CFD/CSD-Modells für die Ermittlung der schiffserzeugten Belastungen auf Deckschichten von Strombauwerken an SeeSchStr, AP5-2: Numerische 2D-Simulation schiffserzeugte Belastungen von Deckschickten als Vorstudien (Optimierung) zu kleinmaßstäblichen Versuchen im Wellenkanal (Entwurf, Stand 20.11.2012), . Technische Universität Braunschweig, Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI), Abt. Hydromechanik und Küsteningenieurwesen, LWI-Bericht Nr. 1034, Braunschweig, 53 S.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2011): Anwendung der "Nichtlinearen Fourier-Transformation (NLFT)" für die Analyse von Solitonen hinter einem getauchten Riff. CoastDoc-Workshop, October 24-25, 2011, Braunschweig, 16 pp.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2011): Application of 'nonlinear Fourier transform (NLFT)' for the analysis of soliton fission behind submerged reefs with finite width. Proceedings of the ASME 2011 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2011), OMAE2011-49668, June 19-24, 2011, Rotterdam, The Netherlands, 8 pp.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2010): Analysis of soliton fission over a submerged structure using 'Nonlinear Fourier Transform (NLFT)'. Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering (ICCE 2010), No. 32(2010), Paper #: waves.59, Shanghai, China, 12 pp. Retrieved from journals.tdl.org/ICCE/.

Brühl, M.; Oumeraci, H. (2010): Nonlinear Fourier Transform (NLFT) for wave analysis and nonlinear processes in wave-structure interaction. 5th Workshop on Water Waves, September 30th - October 1st, 2010, Berlin, Conference presentation.