Staumauer

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Intze-Gewichtsstaumauer derEdertalsperre

EineStaumauerist daswasserbaulicheKernelement einerStauanlageund wird im Regelfall an Engstellen vonTälernerrichtet. Der sich vor demAbsperrbauwerkbildendeStauseekann alsWasserspeicherunterschiedlichen Zwecken dienen. In Bezug aufMorphologieundGeologiestellt eine Mauer hohe Anforderung an denUntergrundund übernimmt im Gegensatz zu einemStaudammgleichzeitig die Trag- und Dichtungsfunktion.[1]Die in der Anfangszeit aus Naturstein-Mauerwerkerrichteten Absperrbauwerke bestehen seit Mitte des 20. Jahrhunderts vornehmlich aus unbewehrtem Massenbeton.Besonders imHochgebirgekönnen damit Wasserspeicher mit sehr großenStauhöhengebaut werden.[2]Je nach Art ihres Tragverhaltens werden die Bauweisen eingeteilt in: Gewichtsstaumauern, Bogenstaumauern und Pfeilerstaumauern. Weitere Bauformen bestehen aus einer Kombination der drei Bauarten.[3]

Die Gesamtanlage aus Staumauer und Stausee wird zusammen mit den weiteren Betriebselementen wie Vorsperre, Grundablass, Kraftwerk etc. alsTalsperrebezeichnet.[4]

Gesäuberte Gründungsfläche derTalsperre Leibis-Lichte

DieGründungeiner Staumauer hat ausschließlich auf tragfähigemFelszu erfolgen. Dessengeomechanischenund strukturgeologischen Eigenschaften bestimmen zusammen mit derTalform(Muldental, U- oder V-Tal) die Bauart der Staumauer, die zusammen mit demUntergrunddasTragwerkdes Sperrbauwerks bildet[5].Dieses Tragwerk muss sicherstellen, dass die auftretenden Kräfte aus demWasserdruckgezielt in den Untergrund bzw. in die Talflanken abgeleitet werden. Deshalb sind geologische Voruntersuchungen zur Feststellung der felsmechanischen Eigenschaften im Sperrenbereich, insbesondere im Hinblick auf Dichtigkeit und Festigkeit von Untergrund und Talflanken notwendig. Die Felsoberfläche als Gründungssohle muss sorgfältig vorbereitet und gesäubert werden, wobeiverwittertesGesteinabzutragen ist und vorhandeneKlüfteund Spalten geschlossen und abgedichtet werden müssen. Bei gebogenen Mauern müssen auch dieWiderlageran den Talhängen ausreichend tragfähig sein und sind entsprechend zu behandeln.[3]Um eineUnterläufigkeitzu vermeiden und denSohlenwasserdruckzu mindern ist auf ausreichende Dichtheit des Untergrundes im Bereich des Absperrbauwerkes zu achten. Dazu kann einDichtungsteppichauf der Sohle vor der Sperre dienen oder es kann ein Dichtungsschleier in den Untergrund eingepresst werden.

Bei Gewichtsstaumauern erfolgt die Lastabtragung im Wesentlichen überScherspannungauf der Gründungssohle. Zur Erhöhung derGleitsicherheitist eine vertiefte Einbindung in den Fels vorteilhaft, die schonend und nicht durch Sprengung erfolgen sollte, um die Gründungssohle nicht aufzulockern. Je größer die Krafteinleitung, desto tiefer muss die Einbindung sein. Auch die Ausbildung der Gründungsfläche mitVerzahnungerhöht dieReibungso wie auch die Herstellung von Betonblomben zwischen Fels und Mauer.[6]Exzentrisch wirkendeVorspannankeran der Wasserseite der Mauer gegen eventuell auftretende Zugspannungen sind kritisch zu sehen, da sie auf eine Lebenszeit von 100 Jahren ausgelegt sein müssen. Sie erfordern einen stabilen Felsuntergrund und erzeugen konzentrierte Ankerkräfte auf der Mauerkrone.[1]In Österreich dürfen sie nur bei bestehenden Anlagen und in Ausnahmefällen eingebaut werden.[7]

Zum Nachweis der Standsicherheit des Gesamttragwerks wird heutzutage dieFinite-Elemente-Methodeverwendet. Damit können auch die Belastungen aus der Sickerströmung und der Auftriebswirkung für Mauer und Untergrund berücksichtigt werden.[8]

Sohlenwasserdruck und Kontrollgang

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Kontrollgang derOleftalsperre

Der hoheWasserstandin der Talsperre erzeugt einen entsprechend hohen Wasserdruck, der wegen derRestdurchlässigkeitzu einer Durchströmung von Mauer und Untergrund führt. Dadurch wird das gesamte Tragwerk unterAuftriebgesetzt, der alsPorenwasserdruckbzw.Sohlenwasserdruckder Auflast aus der Mauer entgegenwirkt. Nach DIN 19700 muss dieser bei der Bemessung berücksichtigt werden[3],um auch mögliche Zugspannungen an der Wasserseite zu detektieren. EinKontrollgangauf der Gründungssohle in Längsrichtung der Mauer dient der Überwachung des Bauwerks und der deutlichen Reduzierung des nach oben wirkenden Sohlenwasserdrucks. Er bietet Platz für verschiedene Messeinrichtungen zum Verformungsverhalten und der Kontrolle des Sohlenwasserdrucks einschließlich des Sickerwasseranfalls hinsichtlich Menge, Herkunft und Analyse der Schwebstofffracht. Daneben gestattet der Gang die Überprüfung der Drainagen auf Funktionsfähigkeit und der evtl. Instandsetzung sowie nachträgliche Arbeiten zur Abdichtung von Untergrund und Bauwerk.[1]Die 19700 Teil 11 sieht seit 1986 einen solchen Prüfgang im unteren Teil nahe der Stauwand als erforderlich an.[5]

Die ab 1890 gebauten Bruchsteinmauern, die meistens auf einem Entwurf vonProf. Intzebasieren, waren noch ohne Sohlenwasserdruck bemessen, aber mit einem angenommenen Wasserspiegel bis zur Mauerkrone. Um das Eindringen von Wasser zu mindern und den Fließweg im Untergrund zu verlängern, hatte er den sogenannten „Intze-Keil“vorgesehen. Diese im Bereich des höchsten Wasserdrucks am Fuß der Mauer eingebrachte und verdichtete Vorschüttung aus bindigem Material trug zur ersten Reduzierung des Sohlwasserdrucks bei. Spätere Untersuchungen zur Durchlässigkeit dieses Materials haben eine deutliche Abdichtungswirkung nicht bestätigt.[1]Der Keil reichte ungefähr bis zur halben Höhe der Mauer. Die obere Hälfte hatte einen wasserdichtenPutzmit Dichtanstrichen erhalten und war durch ein Vorsatzmauerwerk geschützt. Eindringendes Wasser sollte durch Tonrohrdrainagen an der Wasserseite aufgefangen werden, die im unteren Viertel der Mauer über Sammler zur Luftseite geführt wurden. Leider wurden die Drainagen häufig bei Sanierungen durch Verpressarbeiten verschlossen.

Einen Kontrollgang besaßen die Intze-Mauern nicht. Ab den 1980er Jahren zogen dieAufsichtsbehördendieStandsicherheitdieser Mauern in Zweifel und ordneten die Absenkung des erlaubten Stauziels an. Die folgenden Sanierungsverfügungen zur Anpassung an dieAnerkannten Regeln der Technikführten mehrfach zumAuffahrenvon Drainage- und Kontrollstollen auf der Gründungssohle dieser Talsperren.[9]Die seit den 1950er Jahren gebauten Talsperren mit Gewichtsstaumauern wurden mehrheitlich mit derartigen Kontrollstollen errichtet.

Gewichtsstaumauer

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Kraftwirkung an einer Gewichtsstaumauer

Eine Gewichtsstaumauer ist im Prinzip eineSchwergewichtswand,die allein durch ihr Eigengewicht die horizontal wirkende Kraft des Wassers überSchubspannungin den Felsuntergrund ableitet. Die Mauern benötigen daher immer guten und standfesten Baugrund aus Fels. Mit einem bogenförmigen Grundriss können temperaturbedingte Dehnungen zusätzlich ausgeglichen werden.[10]Als Baumaterial wurde anfangs Mauerwerk aus Bruchstein verwendet, das seit den 1920er Jahren durch Beton ersetzt worden ist. In denUSAwird neuerdings auchWalzbeton(englischRoller Compacted Concrete,kurzRCC) eingesetzt[11].Der Mauertyp eignet sich für breite und weniger tiefe Täler mit schwach geneigten Talflanken.

Die Aufstandsfläche verläuft im Querschnitt entweder annähernd horizontal, oder zur Luftseite hin ansteigend, was für die Gleitsicherheit vorteilhaft ist.[12]Im Querschnitt ist eine Gewichtsstaumauer ungefähr dreieckförmig mit einer Erweiterung im Kronenbereich zur Aufnahme einer Fahrbahn, über die Arbeiten an Mauer und Einbauten erfolgen können. Das Verhältnis von Sohlenbreite zu Höhe beträgt ungefähr 2:3 mit einer nahezu senkrechtenWasserseite.Mit ihren luftseitigen Neigungen zwischen 1:0,65 und 1:0,8 sind diese Bauwerke relativ schlank.[2]

Größere Gewichtsstaumauern haben im Allgemeinen einen oder mehrereKontrollgänge,in denen sichDrainagenund Messinstrumente zur Überwachung befinden. Betonmauern sind gegenüber Mauern aus Bruchstein empfindlich gegenüber Temperatureinflüssen und müssen deshalb konstruktiv mit Dehnungsfugen ausgeführt werden. Diese liegen im Abstand von 15 bis 30 Meter übereinander und besitzen Blockstärken von 25 bis 40 Metern.[1]

In Deutschland gibt es 74 Gewichtsstaumauern[10],die älteste ist dieEschbachtalsperrevon 1891. Eine große Anzahl steht in den Mittelgebirgen Eifel, Sauerland, Bergisches Land, dem Harz und im Thüringer Wald sowie in Sachsen. Die größten sindMöhnetalsperreundEdertalsperre.Nach 1945 wurden die Mauern mehrheitlich aus Beton und mit einem geraden Grundriss gebaut. Die jüngste Gewichtsstaumauer in Deutschland ist 2005 mit derTalsperre Leibis-LichteinThüringenerrichtet worden. Die älteste betonierte Gewichtsstaumauer Europas staut das Wasser desPérolles-SeesinFreiburg/Fribourg(Schweiz) und wurde 1872 fertiggestellt. Nach Stand 2010 steht die höchste Gewichtsstaumauer in derSchweiz:Grande Dixence.

Bildergalerie Gewichtsstaumauern

Kraftwirkung an einer Bogenstaumauer

Bogenstaumauern, in Österreich auchGewölbestaumauergenannt, gelangen bevorzugt in verhältnismäßig engen und steilen Tälern zur Ausführung, sodass sie vorwiegend imHochgebirgeanzutreffen sind. Grundsätzlich bestehen sie aus Beton und sind im Vergleich zu ihrer Höhe sehr schlank, wodurch zum Bau deutlich weniger Material benötigt wird als bei einer Gewichtsmauer. Wegen der relativ kleinen Aufstandsfläche ist eine sorgfältige Gründung auf stabilem Fels unumgänglich.

Im Grundriss und oft auch im Querschnitt sind Bogenstaumauern wie ein Bogen gekrümmt und können große Höhen erreichen. Die sich aus dem Wasserdruck aufbauenden Kräfte werden wie bei einerBogenbrückeüberwiegend als Druckkräfte in Richtung der Wandachse links und rechts auf die Talflanken übertragen.[2]Zur Anpassung an die geologischen Verhältnisse und um die Steifigkeit der Widerlager zu homogenisieren wird einPulvinoalsStützungin der Umfangsfuge eingebaut. Das Bauelement gibt der Mauer die Möglichkeit, sich an der Stelle aufgrund der wechselnden Wasserdruckkräfte elastisch zu verdrehen, ohne dass Risse in Mauer und Felsuntergrund entstehen.[1]

Die DIN 4048 differenziert noch die Bogenstaumauern in:[4]

Gleichradien-Staumauern
Diese Bogenstaumauern besitzen in jedem Horizontalschnitt auf der Wasserseite den gleichen Krümmungsradius. Naturgemäß wird bei steilen Talflanken der Öffnungswinkel der Mauer nach unten hin kleiner. Bei breiteren Tälern bleibt der Öffnungswinkel fast gleich und man spricht von einerZylinderstaumauer.
Gleichwinkel-Staumauern
Bei diesen doppelt gekrümmten Mauern besitzen alle Horizontalschnitte den gleichen Öffnungswinkel, wodurch sich der Krümmungsradius entsprechend ändert.
Kuppelstaumauern
Diese Bogenstaumauern sind die heute üblich gebauten Mauern. Sie sind sehr schlank mit Krümmung in vertikaler und horizontaler Richtung, weshalb sie auchDoppelbogenstaumauerngenannt werden. Sie besitzen in allen Horizontalschnitten unterschiedliche Radien und Öffnungswinkel.[2]

Aufgrund der fehlenden Voraussetzungen gibt es in Deutschland mit derOfenwaldsperrenur eine Bogenstaumauer. In Europa sind die meisten in den dreiAlpenländernzu finden.

Bildergalerie Bogenstaumauern

Pfeilerstaumauern sind Betonbauwerke für relativ breite Täler mit flachen Talhängen. Die Lastabtragung entspricht einer Gewichtsstaumauer, wobei das Tragwerk wie bei einerBrückeaus einzelnenPfeilernbesteht[13].Auf diese stützt sich die Stauwand in Form von ebenen, geneigtenPlattenoder von einzelnenGewölbenbzw.Kuppelnab. Die gleich weit voneinander entfernt stehenden Pfeiler sind meist gleichartig aufgebauteScheiben(Wände), die in ihrer Achsrichtung die Druckkräfte aus dem Wasserdruck in den Untergrund ableiten. Bei geneigter Wasserseite kann der Wasserdruck vorteilhaft mit einervertikalenKomponente aufgenommen werden, wodurch das geringere Gewicht der Mauer ausgeglichen wird[11].Wegen ihrer geringenGrundflächeist die Belastung des Baugrunds unter den Pfeilern verhältnismäßig hoch, weshalb der Felsuntergrund eine ausreichende Tragfähigkeit aufweisen muss.

Die Problematik des Sohlenwasserdrucks bei Gewichtsstaumauern hat schon relativ früh zur Entwicklung dieser „aufgelösten Staumauern “geführt[1],denn der freie Raum zwischen den Pfeilern bewirkt eine starke Reduzierung des Sohlenwasserdrucks, der sich in diesen Bereichen entspannen kann[13].Die offene, aufgelöste Bauweise hat gegenüber einer Gewichtsstaumauer eine deutlich geringere Gesamtmasse zur Folge und bietet eine gute Zugänglichkeit zu allen Anlagenteilen. Jedoch erfordert ihre Feingliedrigkeit wegen der umfangreichen Schalungsarbeiten und des aufwändigeren Bewehrungseinbaus einen erhöhten Bauaufwand[2],der durch die Einsparungen beim Konstruktionsmaterial nicht aufgewogen wird.[11]Darüber hinaus sind Pfeilerstaumauern empfindlich hinsichtlich Widerlagerverschiebungen und innerer Spannung des Betons aufgrund vonSchwindenundKriechen.Bei zu wenig eingebauterBewehrungbesteht die Gefahr großer Rissbildung.[1]Um Temperaturschwankungen im 'luftigen' Bauwerk zu reduzieren wurden beispielsweise bei derOleftalsperredie Pfeilerzwischenräume verschlossen, sodass die Luftseite als glatte Wand erscheint.

Je nach Ausbildung der Pfeiler und der wasserseitigen Wand als Platte oder Gewölbe wird unterschieden nach[1]:

Pfeilerplattenstaumauer
Die Pfeiler der Pfeilerplattenstaumauer sind als dreiecksförmige oder trapezförmige Wände aufgebaut, auf denen die Stauwand aufliegt. Zwischen den Wandfundamenten ergeben sich breite Abstände zum Abbau des Sohlwasserdrucks. Die Segmente zwischen den Pfeilern werden durch Platten an der Wasserseite überbrückt.
Pfeilerkopfstaumauer oder Hohlpfeilerstaumauer
Die Pfeiler der Pfeilerkopfstaumauer sind einzelne Baukörper in Pfeilerzellenbauweise[14].Zwischen diesen begehbaren Hohlpfeilern ist auf der Sohle eine Fuge zur Entspannung des Sohlwasserdrucks angeordnet. Wegen der unvermeidlichen Bewegungen der Bauteile untereinander müssen die wasserseitigen Dichtungen sorgfältig ausgebildet werden (Skizze Nr. 33 in[15]).
Pfeilergewölbestaumauer
Bei der Pfeilergewölbestaumauer, auch alsGewölbereihenstaumaueroderVielfachbogenstaumauerbezeichnet, werden die Segmente der Stauwand nicht mit Platten, sondern mit einfach oder doppelt gekrümmten Gewölben verbunden (Skizze Nr. 37 in[15]).

Die einzige Gewölbereihenstaumauer in Deutschland ist dieLinachtalsperreinBaden-Württemberg.Die Oleftalsperre desWasserverband Eifel-Rurist Deutschlands einzige Pfeilerkopfstaumauer. In den USA sind deutlich mehr Pfeilerstaumauern gebaut worden, die zum Teil Kombinationen aus den genannten Typen sind (siehe nächster Abschnitt Sonstige Staumauern).

Bildergalerie Pfeilerstaumauern

Sonstige Staumauern

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In einigen Fällen sind auch kombinierte Bauarten entstanden, besonders bei Erhöhungen oder sonstigen Umbauten an den Sperrbauwerken. Dies gilt auch in Kombination mit Staudämmen, wobei die Setzungen und Spreizbewegungen der Dämme Berücksichtigung finden müssen. Nach DIN 19700-11 müssen dabei alle Bauteile als Ganzes zusammenwirken, um die Lasten sicher in den Baugrund abzuleiten.[5]

EineHybrid-Bauart ist dieBogengewichtsmauer,die eine Schwergewichtsmauer mit einer Bogenstaumauer kombiniert. Die Lastabtragung erfolgt je nach Geometrie der einwirkenden Wasserkräfte mehr wie eine Gewichtsstaumauer oder mehr wie eine Bogenstaumauer, sodass ein dreidimensionales Tragverhalten entsteht. Eine Vertreterin ist die Intze-Mauer derUrfttalsperre,die nachweislich dieses Verhalten zeigt[1].Bei den Pfeilerstaumauern gibt es die Kombination mit einer Bogenstaumauer, wenn in Talmitte ein breiterer Bereich überbrückt werden muss. Ein Beispiel dafür ist dieRoselend-Talsperrein Frankreich, die in Nordrichtung mit der Méraillet-Mauer eine Pfeilerstaumauern in Reinform darstellt.

Die Kombination von Mauer und Damm ist beispielhaft die 400 m lange Bogenstaumauer desStausee Kopsin Österreich. Ihr Südende stützt sich an einem künstlichen Widerlager ab und die Lücke zwischen dem künstlichen Widerlager und dem Fels der Südseite des Tales wird mit einer gewöhnlichen Gewichtsstaumauer geschlossen.

Bildergalerie sonstige Staumauern

Shāh Abbās Arch Bogenstaumauer in der ProvinzSüd-Chorasanim Iran

DieRömerbauten eine der ersten Bogenstaumauern im Vallon de Baume südlich vonSaint-Rémyin der Provence, Frankreich. DerStaudamm von Glanumwar 12 m hoch, 18 m lang, 3,9 m dick und diente der Wasserversorgung der nahe gelegenen Stadt. Der Radius war 14 m und der Öffnungswinkel 73°. Sie bestand aus zwei Mauern mit einer Füllung dazwischen. 1891 wurde sie mit einem modernen Damm überbaut, es existiert nur noch eine Zeichnung.[16][17]

Der oströmische HistorikerProkopbeschreibt in seiner Architekturabhandlung eineBogenstaumauer in Dara.

Die um 540/550 n. Chr. erbaute Staumauer am Eisernen Tor inAntiochia am Orontes,heuteAntakya,ist wahrscheinlich die älteste noch teilweise erhaltene Bogenstaumauer der Erde. Die Staumauer, eine Mischung aus Bogenstaumauer und Gewichtsstaumauer, war 17 m hoch und Teil eines Stadttores („Eisernes Tor “), das insgesamt 32 m hoch war.[18]

Die Mongolen errichteten ebenfalls einige Bogenstaumauern, zum Beispiel dieKurit-Talsperre.

DieFrançois-Zola-Talsperrevon 1854 ist die erste moderne Bogenstaumauer der Erde. Eine weitere der ältesten bestehenden Bogenmauern Europas staut das Wasser desLac de MontsalvensimKanton Freiburg.Sie wurde 1920 fertiggestellt.

Weitere herausragende Bogenstaumauer-Bauwerke des 19. Jahrhunderts sind:

  • Mir Alam (Meer Allum, Meer Alum) Tank, Indien, 1804–1806[19]
  • Jones Falls, Kanada, 1831
  • Paramatta, Australien, 1856
  • 75-Miles-Dam, Australien, 1880
  • Lithgow Nr. 1, Australien, 1896
  1. abcdefghijPeter Rißler:Talsperrenpraxis.Oldenbourg Verlag, München 1999,ISBN 3-486-26428-1.
  2. abcdeLexikon der Geowissenschaften - Staumauer.In:spektrum.de.Abgerufen am 13. März 2024.
  3. abc DIN 19700, Teil 10Stauanlagen – Gemeinsame FestlegungenBeuth-Verlag, Berlin Juli 2004
  4. ab DIN 4048, Teil 1Wasserbau, Begriffe.Beuth-Verlag, Berlin 1987, Nr. 1.2.
  5. abc DIN 19700, Teil 11Stauanlagen – TalsperrenBeuth-Verlag, Berlin Juli 2004
  6. R. Widmann:Die Talsperren Österreichs.(PDF) Die Sicherheit von Talsperren. In:atcold.at.Österreichischer Wasserwirtschaftsverband, 1969,abgerufen am 17. März 2024(deutsch).
  7. Richtlinie zum Nachweis der Tragsicherheit von Betonsperren.(PDF) In:bml.gv.at.Österreichische Staubeckenkommission, November 2016,abgerufen am 17. März 2024(deutsch).
  8. E. Staudacher, G. Zenz:Standsicherheitsnachweise von Gewichtsstaumauern mit CADAM2D.(PDF) In:springer.com.Österreichischer Wasser- und Abfallwirtschaft, 20. Juni 2020,abgerufen am 25. März 2024(deutsch).
  9. P. Rißler:Sanierung und Anpassung von Talsperren während des Betriebs.(PDF) In:baw.de.Bundesanstalt für Wasserbau,abgerufen am 17. März 2024(deutsch).
  10. ab Bauweise & Funktionsweise von Talsperren.In:ruhrverband.de.Abgerufen am 14. März 2024.
  11. abcT. Strobl, F. Zunic:Wasserbau – Aktuelle Grundlagen – Neue Entwicklungen.Springer Verlag, Heidelberg New York 2006,ISBN 3-540-22300-2.
  12. O.J. Rescher:Talsperrenstatik.Springer Verlag, Berlin 1965,ISBN 978-3-540-03389-9.
  13. ab Pfeilerstaumauer.In:baw.de.Abgerufen am 22. März 2024.
  14. Die Oleftalsperre.(PDF) In:wver.de.Wasserverband Eifel-Ruhr, Oktober 2017,abgerufen am 24. März 2024(deutsch).
  15. ab P. Rißler:Systematik der Absperrbauwerke.(PDF) In:peter-rissler.de.Abgerufen am 25. März 2024(deutsch).
  16. Key Developments in the History of Arch Dams(Mementovom 15. April 2009 imInternet Archive)
  17. Histoire des barrages
  18. Mathias Döring:Das Eiserne Tor, eine 1500 Jahre alte Bogenstaumauer in Antiochia (Türkei).In:Mitteilungen IWW Aachen.Heft 158, Talsperren im Wandel, 15. Deutsches Talsperrensymposium 14.–16. April 2010 Aachen.
  19. https://structurae.net/en/structures/meer-alum-dam.Der im Stadtgebiet vonHyderabadgelegene Stausee, früher Trinkwasserreservoir, heute Freizeitpark, ist benannt nach Mir Alam, 1804-1808 Premierminister desFürstenstaats Hyderabad.Die Gründungsplakette nenntS[amuel]. H. Russell Esq.r of the Corps of Engineers of the Madras Establishmentals Bauleiter, der auch die dortige britische Residenz entworfen hatte.[1]