Gewicht- und kostensparende Spundwandlösung von ArcelorMittal für den Ausbau des Hafens Visakhapatnam

Beschreibung

Hafenerweiterung: eine optimierte Lösung dank ArcelorMittals Spundwandexperten

Visakhapatnam war der einzige Hafen des Landes, der von 2004-2005 einen Warenumschlag von 50 Mio. Tonnen verzeichnen konnte, auch wenn das Wachstum nur bei 5% lag. Trotzdem hatte sich indische Regierung zum Ziel gesetzt, die Kapazität des Hafens auf 70 Mio. Tonnen zu erhöhen. Das Ausbauprojekt umfasste die Vertiefung des äußeren Hafenbeckens, damit auch noch größere Schiffe anlegen können. Der Hafen von Visakhapatnam errichtete kürzlich 22 neue Liegeplätze, darunter 2 hochmoderne, speziell auf Erz-Verladung angepasste Ankerplätze, eine Offshore-Anlegestelle für Öltanker, einen LPG-Liegeplatz, einen Containerhafen und vier neue Multifunktions-Liegestellen. Eine dieser neuen Konstruktionen, Berth WQ-7 am verlängerten, nördlichen Arm des inneren Hafens, wurde im April 2005 aus 2.350 Tonnen Spundbohlen fertiggestellt und kann Schiffe bis zu 45.000 DWT abfertigen.

Zur Analyse der Beschaffenheit des Meeresgrundes wurden einige Probebohrungen durchgeführt, die für die Entwicklung der Spundwandlösung eine wichtige Rolle spielten. Der geologische Aufbau des Bodens wurde wie folgt beschrieben: Füllmaterial auf einer Schicht feinem, verschlemmten Sand bis zu einer Tiefe von 6 Metern, darunter wiederum befinden sich Lehm mit mittlerer Dichte auf sehr dichtem, verwitterten Felsgestein mit SPT-Werten über 50.

Die Gezeitenpegel im Hafengebiet variieren zwischen MHWN = +1.49 m und MLWS = +0.09 m. Die Lasten von hohen Wellen wurden nicht berücksichtigt, da sich der zu errichtende Liegeplatz in geschütztem Gebiet befindet, entfernt vom offenen Meer.

Das Planungsteam von ArcelorMittal lieferte einen Vorentwurf basierend auf den vom Bauherrn bereitgestellten Informationen. Diesen Bemessungsergebnissen nach liegt das maximale Biegemoment 5,5 m unter der Wasseroberfläche: 1,570 kNm/m im Normalfall und 1,620 kNm/m im Falle eines Erdbebens. Die sich daraus ergebenden Kräfte liegen weit über den maximalen Widerstandmoments von herkömmlichen Spundwandkonstruktionen, weshalb für den Bau von Berth WQ-7 ein kombiniertes Wandsystem aus folgenden Elementen gewählt wurde:

• 192 Gründungspfähle HZ 975 A – 14, S 430 GP, L = 25.5 m
• 191 Zwischenbohlen AZ 18, S 320 GP, L = 20.0 m
• 275 Ankerpfähle AZ 18, S 320 GP, L = 10.8 m

Die HZ 975 A – 14/AZ 18 – Spundwand hat eine Systembreite von 1.790 mm, ein Widerstandsmoment von 8,170 cm³/m und ein Gewicht von 225 kg/m². Die Gründungspfähle wurden aus hochfestem S 430 GP-Stahl gefertigt (mit einer Mindeststreckgrenze von 430 N/mm, einer Mindestzugfestigkeit von 510 N/mm² und einer Mindestdehnung von 19%). Durch den Einsatz von hochfestem Stahl konnte Material eingespart werden, was wiederum Transportkosten reduzierte. Das Widerstandsmoment der HZ-Pfähle wurde an das maximale Biegemoment angepasst, indem deren Flansche mit RH-Profilen verstärkt wurden.

Die Kaimauer: Bauschritte

• Einbau der vorderen Hauptspundwand (landseitig)
• Einbau der Ankerwand (landseitig)
• Anbringung der Stahlanker zwischen den beiden Wänden
• Hinterfüllung und Errichtung des Abschlusses aus bewehrtem Beton.
• Ausbaggern auf -12 m vor der Hauptspundwandkonstruktion
• Einbindung des neuen Liegeplatzes in die bestehende Konstruktion
• Asphaltieren, Errichtung von Entwässerung durch Düker und elektrischer Beleuchtung.

Einbau der Spundbohlen

Die Stahlspundbohlen wurden landseitig mit einem herkömmlichen Vibrationshammer eingebaut. Vibrationsbären reduzieren die Reibung zwischen Boden und Bohle, indem sie vertikale Vibration auf die Spundbohle übertragen. Die Vibrationen entstehen durch statische Drehmassen, die durch ihre Anordnung in Paaren horizontale Vibration beseitigen. Die verbleibenden vertikalen Komponenten summieren sich und die Zentrifugalkraft verflüssigt den Boden neben den Spundbohlen temporär. Das Gewicht der Spundbohlen und der Hammer schaffen genug abwärts gerichtete Kraft, um die Bohlen in den Boden zu rammen. Vorzugsweise zwei hydraulische Klemmen garantieren die sichere Befestigung und Übertragung der Schwingbewegungen auf die Spundbohle. Normalerweise werden drei technische Parameter eingesetzt, um Vibrationsbären zu beschreiben: statisches Moment, Zentrifugalkraft und Frequenz Die Frequenz entspricht der Anzahl der Umdrehungen der Drehmasse pro Minute. Das statische Moment entspricht dem Masseprodukt der Drehmassen [kg] und dem Abstand [m] zwischen der Rotationsachse und dem Schwerkraftmittelpunkt der Drehmasse.

Die generierte Zentrifugalkraft (kN) hängt vom statischen Moment und der Frequenz ab. Solche Rammgeräte sind besonders empfehlenswert für den Einbau von Spundbohlen sowohl über als auch unter Wasser in nicht bindige, wassergesättigte Böden. Die Wahl des Vibrators hängt vom Querschnitt und Gewicht der Bohlen ab, der Versenkungstiefe und der Bodenbeschaffenheit. Ein PTC 60 HD (Hochleistungs-Vibrationshammer) wurde für den Einbau der Spundwand bei Liegeplatz WQ-7 ausgewählt und bietet eine Frequenz von 1.650 rpm, ein statisches Moment von 60 kgm und eine maximale Zentrifugalkraft von 1830 kN. Die Baufirma, Afcons, wählte zwei Raupenkräne mit je 40 und 70 Tonnen Hubkraft, um den 7-Tonnen schweren Vibrationsbären, die Spundbohlen und das Rammführungsgestelle zu bedienen. Mit Hilfe eines Dieselbären wurden die Spundbohlen schließlich in die geplante Tiefe gebracht.

Laut der Analyse der drei anfänglichen Probebohrungen vor Ort befanden sich auf -20,5 m verwitterte Felsen. Da die Gründungspfähle bis zu 3 m in dieses Gestein eingeführt werden mussten, war ein Schlaghammer notwendig. Die Zeichnungen für das Rammführungsgestelle wurden vom technischen Team von ArcelorMittal bereitgestellt, die anfallenden Schweißarbeiten wurden von einem indischen Subunternehmer realisiert, der von Afcons bestellt wurde.

Das Rammführungsgestelle wurde mithilfe eines Theodolits geebnet. ArcelorMittal bot kostenlose technische Unterstützung vor Ort für den Einbau der kombinierten Spundwand. Die Kaimauer wurde für eine Lebensdauer von 50 Jahren entworfen, deshalb wurde bei der Wahl der Spundwandprofile ein Verlust von 4 mm durch Korrosion im permanenten Unterwasserbereich wasserseitig und 1 mm landseitig berücksichtigt. Erreicht wird diese Lebensdauer dank des Einsatzes eines kathodischen Korrosionsschutzsystems mit Fremdstrom.

Der Hafen von Visakhapatnam: ein Ausflug in die Geschichte

In den frühen 1920er Jahren beschloss die indische Regierung den Bau eines Hafens bei Visakhapatnam, an der Ostküste des Landes, um einen direkten Meereszugang für die Mineralien und andere Güter aus den Zentralprovinzen zu schaffen. Visakhapatnam bedient ein riesiges Hinterland, da es zwischen Madras und Kalkutta keinen anderen Hafen gibt. 1933 wurde schließlich mit dem Ausheben eines großflächigen Sumpfgebiets bei Visakhapatnam begonnen, um einen sicheren Hafen zu bauen.

Der Hafen wurde ursprünglich als Rohstoffhafen für Manganerz-Exporte errichtet, mit nur drei Liegeplätzen und einer Warenumschlagskapazität von 0,3 Mio. Tonnen. Eine ungewöhnliche Besonderheit des Hafens sind die beiden alten Schiffe "Janus" und "Welledson", die mit Steinen gefüllt und auf der Südeinfahrt zum Hafen versenkt wurden, um als Wellenbrecher zu agieren.

Rund 90% des indischen Außenhandels durchlaufen einen der 11 Häfen an seiner 6.000 km langen Küste: Calcutta, Chennai (Madras), Cochin, Haldia, Kandla, Mangalore, Mormugao, Mumbai (Bombay), Paradip, Tuticorin und Visakhapatnam werden vom staatlich kontrollierten Port Trust betrieben. Zusammen konnten sie vor dem Erweiterungsprojekt von Visakhapatnam rund 230 Mio. Tonnen Güter pro Jahr abfertigen. Ein Entwicklungsplan für eine Umschlagskapazität von zusätzlichen 170 Mio Tonnen wurde fertiggestellt.