Programm "TRASSE"

Projektierung von Fahrrinnen in Kanälen oder in nicht fließenden Gewässern

Bild 1: Blick auf die UHW - Flusshavel

Für die Projektierung von Kanälen bzw. von Fahrrinnen in nicht fließenden Gewässern existieren in der Wasserstraßenverwaltung „Richtlinien für Regelquerschnitte von Schifffahrtskanälen“ die mit dem BMV- Erlass BW24/BW23/BW28/52.05.00/16/VA94 im Jahr 1994 einge-führt wurden. Im Rahmen der Planungsarbeiten für das Verkehrsprojekt Deutsche Einheit Nr. 17 (VDE 17), dem Ausbau der Wasserstraßen zwischen Hannover und Berlin zu einer Wasserstraße der Klasse Vb, stellte sich schnell heraus, dass sich die Ausbauziele der Richtlinie nicht durchsetzen lassen. Große Teile der auszubauenden Wasserstraße verlaufen durch natürliche Flusslandschaften in Naturschutz- bzw. FFH- Gebieten bzw. durch das Berliner Stadtgebiet, in dem die Bebauung bis an die derzeitigen Ufer heran reicht. Diese Randbedingungen erfordern es, dass die künftigen Fahrrinnen im Wesentlichen dem jetzigen Verlauf der Fahrrinne folgen müssen, wodurch die angestrebten Mindestradien von 600 m in Krümmungen nicht eingehalten werden können. Aus diesem Grund mussten mit Planungsbeginn des VDE 17 neue Trassierungswerkzeuge entwickelt werden.

Zielstellung der Software

Auf Grund der örtlichen Gegebenheiten innerhalb des auszubauenden Streckenabschnitts des VDE 17 ergaben sich folgende Anforderungen an das zu entwickelnde Trassierungsverfahren:

• Bemessungsschiffe sind der 185 m lange Schubverband, das 110 m lange Großmotorschiff und das 85 m lange Europaschiff.
• Es müssen Fahrrinnenradien von der Geradeausfahrt bis zu Radien von 200 m berücksichtigt werden können.
• Die Berücksichtigung der fahrdynamischen Unterschiede und der damit verbundenen Auswirkungen auf die Fahrspurbreiten bei den Kurvenein- und Ausfahrten, insbesondere bei Kurven mit kleinen Radien, Kurven mit geringen Zentriwinkeln und Wechselbögen, muss sichergestellt sein.
• Das Verfahren musste schnell verfügbar und leicht anwendbar sein.
• Die Ergebnisse der Trassierung sollen sich in dem CAD- System der Wasserstraßenverwaltung MicroStation integrieren lassen.

Theoretische Grundlagen des Verfahrens

Bild 2: Berechnung der Fahrspurbreite nach Graewe

Bild 3: Gemessener Driftwinkel

Bild 4: In Cf-Werte überführte Driftwinkel

Bild 5: Vergleich berechnete Schleppkurve mit Luftaufnahme im Spreebogen in Berlin

In den eingangs genannten Richtlinien für Regelquerschnitte von Schifffahrtskanälen setzen sich die Fahrrinnenbreiten aus den Fahrspurbreiten der Bemessungsschiffe und den Sicherheitsabständen zwischen den Schiffen und zu den Ufern zusammen. Sowohl für die Sicherheitsabstände als auch für die Fahrspurbreiten der Schiffe in der Geradeausfahrt werden dabei feste Werte vorgegeben. Für Krümmungen mit Radien unter 2000 m werden die Fahrspurverbreiterungen nach der Formel von Graewe (veröffentlicht in der Zeitschrift Bautechnik 1/1971) berechnet. Diese Formel sieht wie folgt aus.

[math]\displaystyle{ B1 = \sqrt{(R+B)^2 + \left[\frac{L}{2} + \left(R+\frac{B}{2}\right) * tan(\beta)\right]^2 } -R }[/math]

Dabei sind:
B1 – Fahrspurbreite [m]
R – innerer Kurvenradius [m]
L – Schiffslänge [m]
B – Schiffsbreite [m]
β – Driftwinkel

Ergänzend zu dieser Rechenvorschrift werden für den Radienbereich zwischen 600 m bis 2000 m Driftwinkel vorgegeben, die in die Formel einzusetzen sind.

Bedingt durch die Anforderungen der Planung des VDE 17 im Stadtgebiet Berlin, bei der die angestrebten Mindestradien von 600 m deutlich unterschritten werden mussten, wurde das Verfahren TRASSE entwickelt. Das Verfahren TRASSE beruht im Grundsatz wie die Graewe-Formel auf dem Satz von Pythagoras.

Wie in Bild 2 erkennbar, wird ein rechtwinkliges Dreieck aufgespannt, bei dem sich der rechte Winkel Außenbords an der Position des taktischen Drehpunktes, das ist der Punkt, an dem die seitliche Anströmung auf den Schiffskörper die Richtung wechselt, befindet. Die spitzen Winkel liegen im Zentrum des Drehkreises bzw. im Heck des Schiffes. Bis auf die gesuchte Fahrspurbreite B1 folgen fast alle Parameter aus der Schiffs- oder Kurvengeometrie. Der Driftwinkel, mit dessen Hilfe der Abstand zwischen Heck und der Position des taktischen Drehpunktes berechnet wird, kann durch Naturmessungen bestimmt werden.

Diese Berechnung nach der Graewe-Formel lässt sich vereinfachen, in dem man einen dimensionslosen Koeffizienten Cf einführt, der multipliziert mit der Schiffslänge ebenfalls den Abstand zwischen Heck und Position des taktischen Drehpunktes ergibt.

[math]\displaystyle{ B1 = \sqrt{(R+B)^2 + (Cf * L)^2} -R }[/math]

Im Rahmen der Modellentwicklung wurde eine Vielzahl von fahrdynamischen Naturuntersuchungen durchgeführt, bei denen mit unterschiedlichen Schiffstypen und Beladungszuständen in Abhängigkeit der Kurvenradien die zugehörigen Driftwinkel gemessen wurden (Bild 3). Anschließend wurden die Driftwinkel in die dimensionslosen Cf- Wert überführt, wobei man feststellen konnte, dass der Koeffizient vom gefahrenen Radius unabhängig ist (Bild 4). Dies gilt bis zu einem kleinsten gefahrenen Radius von einer Schiffslänge.

Mit beiden Berechnungsverfahren lassen sich nur pauschal Fahrspurbreiten für die Kurvenfahrt berechnen. Wie die Übergänge zwischen Gerade und Kreisbögen bzw. die Fahrspurbreiten in Kurven mit kleinen Zentriwinkeln zu gestalten sind, fehlen noch Informationen. Die Klärung dieser Frage war aber eines der Entwicklungsziele.

Bei der Weiterentwicklung des Verfahrens wurde die Tatsache genutzt, dass an der Position des taktischen Drehpunktes dass Schiff mit seinem taktischen Drehpunkt immer tangential auf seiner Kursachse "fährt". Führt man ein Rechtecksymbol, welches die Abmessungen des Bemessungsschiffes hat und dessen Referenzpunkt an der Position des taktischen Drehpunktes liegt, tangential an einer vorher konstruierten Kursachse entlang, entsteht aus der Vielzahl von Rechtecksymbolen eine Schleppkurve, die der Fahrspur eines Schiffes entspricht. Naturuntersuchungen haben die Richtigkeit dieser Vorgehensweise bestätigt (Bild 5).

Diese Schleppkurven berücksichtigen automatisch die Unterschiede des nautischen Verhaltens der Schiffe bei der Kurveneinfahrt im Vergleich zur Kurvenausfahrt. Ebenso werden in Kurven mit kleinen Zentriwinkeln die notwendigen Fahrrinnenverbreiterungen nicht im vollen Umfang wirksam, wie es die pauschale Berechnung mit den vorgenannten Formeln erfordern würde. Für derartige Situationen werden entsprechende Abminderungen errechnet. Ebenso können die Fahrrinnenverläufe in Bereichen mit unmittelbar aneinander folgenden Krümmungen konstruiert werden.

Um die Übernahme der Berechnungsergebnisse in die Trassierungsumgebung MicroStation zu erleichtern, wurden die Konstruktionsschritte so aufbereitet, dass sie direkt als MicroStation-Applikation programmiert werden können. Im Ergebnis ist ein übersichtliches Werkzeug entstanden, mit dem Fahrrinnen innerhalb der Arbeitsumgebung der Wasserstraßenverwaltung projektiert werden können.

Beschreibung der Arbeitsschritte von TRASSE anhand eines Anwendungsbeispiels

Bild 6: Erster Trassierungsschritt: Konstruktion der Kursachsen

Bild 7: Zweiter Schritt: Positionierung der Schiffssymbole

Bild 8: Dritter Schritt: Generierung der Hüllkurven

Bild 9: Vierter Schritt: Ermittlung Verkehrsflächenbedarf

Bild 10: Fünfter Schritt: Berechnung der Fahrrinne

Bild 11: Sechster Schritt: Berechnung der Ufereingriffe und der Abtragsvolumen

Die einzelnen Arbeitsschritte sollen am Beispiel der Trassierung der Flusshavel erläutert werden. Notwendige Eingangsdaten sind die Digitale Bundeswasserstraßenkarte (DBWK), ein digitales Geländemodell (DGM) des Ausgangszustandes des Flussbettes mit den zugehörigen Uferanschlüssen und die Abmessungen der Bemessungsschiffe nebst den zugehörigen Cf-Werten (Koeffizient zur Berechnung des Abstandes Heck – taktischer Drehpunkt).

Im ersten Bearbeitungsschritt werden in den Karten die Kursachsen konstruiert, auf denen die Bemessungsschiffe entlang "fahren" sollen (Bild 6).

Bei der Konstruktion der Kursachsen muss sichergestellt sein, dass die Achsen ausschließlich aus Geraden und Kreisbögen bestehen, die sich abwechseln und tangential ineinander übergehen. Diese Randbedingungen sind notwendig, damit die fahrdynamischen Eigen-schaften der Binnenschiffe trotz der starken Vereinfachung des Rechenmodells erhalten bleiben. Unter Nutzung des MicroStation-Zusatzes InRail bzw. InRoad können derartige Kursachsen mit den dort enthaltenen Trassierungswerkzeugen schnell erstellt und manipuliert werden.

Bei der Konstruktion der Achsen ist zu berücksichtigen, dass deren Entfernung zum rechten Ufer groß genug ist, um die vorgeschriebenen Sicherheitsabstände zwischen Schleppkurve des Bemessungsschiffes und Ufer zu garantieren. Darüber hinaus müssen die Kursachsen des Tal- und des Bergfahrers weit genug voneinander entfernt sein, damit auch zwischen den Schleppkurven der geforderte Sicherheitsabstand eingehalten wird. Sind die Kursachsen fertiggestellt, werden die Schleppkurven errechnet.

In Bild 7 ist die Begegnung zweier 185 m langer Schubverbände dargestellt. Der blaue Schubverband fährt zu Tal und der rote Schubverband zu Berg. Werden nach dem Erzeugen der Schleppkurven Bereiche erkannt, in denen die Zielstellung des Ausbaus bzw. die angestrebten Abstände zwischen den Schiffen oder zu den Ufern nicht eingehalten sind, müssen die Kursachsen entsprechend manipuliert werden. Die Manipulation der Kursachsen wird so lange durchgeführt, bis die angestrebten Sicherheitsabstände eingehalten oder notwendige Ufereingriffe minimiert worden sind. Erfüllen die Schleppkurven alle Anforderungen, werden die Fahrspurbreiten ermittelt.

In Bild 8 ist eine Begegnung zweier Schubverbände im Bereich des Deetzer Knies dargestellt. Durch die Konstruktion der Hüllkurven um die Schleppkurven der Schiffssymbole entstehen Flächen, die der jeweiligen Fahrspur des Schiffes entsprechen.

Bei der Geradeausfahrt ist die Breite des Schiffes gleich der Breite der Fahrspur. Dies entspricht aber nicht den natürlichen Verhältnissen, da ein Schiff nicht geradeaus fahren kann. In der Realität fährt es auf einem Schlängelkurs der geplanten Route nach. Um diesen erhöhten Verkehrsflächenbedarf zu berücksichtigen, weisen die Hüllkurven einen Mindestabstand zueinander auf. Unterschreitet die Schleppkurve diesen Mindestabstand, entfernen sich die Hüllkurven an beiden Seiten von den Schiffssymbolen um jeweils der Hälfte der Fehlbreite. In der Kurvenfahrt wird die Zusatzbreite infolge Schlängelfahrt bereits im Cf-Wert berücksichtigt. Für die Erzeugung der Hüllkurven stehen entsprechende Rechenroutinen zur Verfügung.

Auf der Grundlage der beiden Fahrspuren wird der Verkehrsflächenbedarf für die Begegnung der beiden Schubverbände ermittelt(Bild 9) und ein Geländemodell der neuen Fahrrinne berechnet, welches in das Ausgangsgeländemodell integriert wird (Bild 10).

Durch den Verschnitt des Ausgangsgeländes mit dem Modell der neuen Fahrrinnen können letztendlich die notwendigen Abtragsvolumina in der Fahrrinne (getrennt nach Sohle und Böschung) und die Größe der notwendigen Uferrückverlegung berechnet werden (Bild 11).

Referenzprojekte

Wegen der einfachen Handhabung der Software wird das Programm "TRASSE" zwischenzeitlich auch in den Ämtern eingesetzt. Folgende Projekte wurden unter anderem seit Einführung des Verfahrens mit "TRASSE" bearbeitet:

Projekt	Ausführende Einrichtung
VDE 17; Trassierung Spreebögen	BAW
Trassierung Havel–Oder-Wasserstraße	WSA Eberswalde
VDE 17; UHW – Flusshavel	WNA Berlin / BAW
VDE 17; Britzer Zweigkanal	BAW
Veltener Stichkanal	BAW
VDE 17; Spandauer Knoten	BAW
VDE 17; Jungfernsee	WNA Berlin
Schleuse Storkow	BAW
Befahrbarkeitsanalyse Saar für hydrost. Stau	Corporate Montage/BAW
VDE 17; Brandenburger Seen	WNA Berlin
Zufahrt Schleuse Bolzum	NBA Hannover
DEK, Stadtstrecke Meppen	BAW

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