Kraftaufnehmer von HBM messen den Wellenschlag auf Hochwasserschutzeinrichtungen

Der ansteigende Meeresspiegel verlangt immer drängender nach dem Bau von Hochwasserschutzeinrichtungen. Messungen des auf Bauwerke wirkenden Wellenschlags stellen einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Hochwasserschutzeinrichtungen dar. Der Brasilianer Ermano de Almeida führte im Sommer 2018 im Labor für Strömungsmechanik der Fakultät für Bauingenieurwesen der TU Delft ein Projekt durch, in dessen Rahmen der Wellenschlag auf Hochwasserschutzeinrichtungen mit Auskragungen gemessen wurde. Dazu setzte er Kraftsensoren von HBM ein. Darüber hinaus waren an dem Projekt weitere Partner beteiligt wie die nationale niederländische Wissenschaftsorganisation NWO, Rijkswaterstaat, Witteveen+Bos, PT Structural und Deltares, das niederländische Institut für Wissen und Innovation in den Bereichen Wasser, Boden und Untergrund. Die Forschungsergebnisse werden bei der Entwicklung neuer und verbesserter Wasserbauwerke wie beispielsweise der Siele des Abschlussdeichs eine Rolle spielen.

Problem: Überflutungen und Deichbrüche verursachen weltweit erhebliche Probleme und Schäden. 

Lösung: Durch das Sammeln weiterer Informationen über die Kraft des Wellenschlags sollte die Forschung in der Lage sein, robuste und sichere Bauwerke zu schaffen, ohne sie zu überdimensionieren (als dies heute der Fall sein könnte). 

Ergebnisse: Die Rohdaten der physikalischen Prüfungen werden verarbeitet und analysiert. Wertvolle Informationen für die Entwicklung und Konstruktion neuer Hochwasserschutzeinrichtungen werden das Ergebnis sein.

Messung der Stärke des Wellenschlags, der auf vertikale Bauwerke wirkt

Im Rahmen seiner PhD-Arbeit an der Fakultät für Wasserbau der TU Delft untersucht Ermano de Almeida zurzeit den Wellenschlag auf aus Stahl konstruierte Modelle von Hochwasserschutzeinrichtungen. Er studierte Bauingenieurwesen in Madrid und Aachen und erlangte seinen Master-Abschluss an der TU Delft. Als er die Möglichkeit bekam, das Forschungsprojekt an Hochwasserschutzeinrichtungen durchzuführen, ergriff er diese Gelegenheit bereitwillig. Grund dafür war nicht nur, dass er das Projekt in theoretischer wie in praktischer Hinsicht interessant fand, sondern auch, dass der Umgang mit und die Beherrschung von Wasser eine der wichtigsten Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte darstellt.

De Almeidas derzeitige Forschung konzentriert sich auf vertikale Wasserbauwerke aus Stahl und Beton. Solche Bauwerke findet man in Häfen und an Schleusen und Sielen. Sie werden ebenfalls flächendeckend in niederländischen Hochwasserschutzeinrichtungen entlang der Nordseeküste eingesetzt. Dort werden sie zusammen mit anderen hydraulischen und mechanischen Anlagen verwendet, um bei Hochwasser oder während einer Sturmflut die Siele oder Wasserwege zu schließen. Als Hochwasserschutz ist diese Art der Konstruktion überall dort besonders geeignet, wo ein Öffnen der Sieltore für Wasserdurchfluss und Transport erforderlich ist, während es ebenfalls die Möglichkeit geben muss, die Tore geschlossen zu halten, um bei Sturm Sicherheit vor Überflutung zu bieten.

Ziel des Forschungsprojekts ist es zu messen, wie stark der Wellenschlag auf vertikale Bauwerke wirkt. Diese Kräfte wirken sich besonders stark auf vertikale Bauwerke mit einer Auskragung aus, da die Wellenkraft nicht nach oben abgeleitet werden kann. Darüber hinaus erhöht dies den Druck auf den vertikalen Teil des Bauwerks. Zusätzlich wirkt durch die Wellen eine enorme Kraft auf die Auskragung. Die Auskragung kann beispielsweise eine über der Hochwasserschutzeinrichtung angebrachte Schutzkante aus Beton sein oder die Decke der Öffnung, an der Abtrennungen aufgehängt sind. De Almeida zufolge ist es höchst interessant zu untersuchen, welchen Einfluss Resonanz und Schwingungen der relativ dünnen Metallplatten unter solchen Lastbedingungen auf die Lebensdauer des Bauwerks und des verwendeten Werkstoffs haben.

„Es gibt nicht viele Situationen, in denen solche Wasserbauwerke versagt haben“, erläutert er, „es sind jedoch einige Fälle bekannt, in denen die mangelnde klare Kenntnis der Belastungskennlinien und des Strukturverhaltens zu unsicheren Bedingungen und manchmal sogar zu einem Strukturversagen geführt hat. Durch das Sammeln weiterer Informationen über die Kraft des Wellenschlags werden wir besser in der Lage sein, robuste und sichere Bauwerke zu schaffen, ohne sie zu überdimensionieren als dies heute der Fall sein könnte. Infolgedessen werden wir beim Bau Zeit, Material und Kosten sparen. Möglicherweise können wir auf Grundlage der Forschung sogar neue Wege entwickeln, diese Art von Hochwasserschutz zu bauen.“

Wasserbecken und Kraftsensoren

Die Versuche wurden im Labor für Strömungsmechanik der TU Delft durchgeführt. Das Labor hat eine Fläche von circa 5.000 m², von denen 1.700 m² für die Versuchsdurchführung genutzt werden. Acht Wasserkanäle, die einen Wasserdurchfluss von 2 Kubikmetern pro Sekunde ermöglichen, stehen für Versuche zur Verfügung. De Almeidas Versuche wurden in einem der größten Wasserkanäle des Labors durchgeführt, der 42 m lang, 80 cm breit und 1 m tief ist. Am Ende des Kanals befindet sich ein massiver Betonblock von 80 x 80 x 100 cm, auf dem eine 1 cm dicke Aluminiumplatte mit Aluminiumprofilen montiert ist. Neun Kraftsensoren U3 von HBM mit einem Messbereich von 1,0 kN sind in einer Reihe zwischen dem Aluminiumrahmen und der Metallplatte installiert. HBM empfahl den Forschern die Verwendung dieser besonderen Wägezellen, da sie aus Edelstahl und unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen und daher ideal für diesen Testaufbau im Wasser geeignet sind. Darüber hinaus haben sie eine hohe Eigensteifigkeit, gleichen Biegemomente aus und sind unempfindlich gegen Querkräfte, wodurch sie äußerst zuverlässige Messergebnisse liefern.

Die Sensoren werden an von der TU Delft selbst entwickelte Messverstärker angeschlossen. Sie zeichnen den Wellenschlag mit einer Abtastrate von 5000/s auf. De Almeida kann die Messdaten in Echtzeit auf einem Monitor sehen, der die Höhe der Wellen und die Wirkung auf das Bauwerk zeigt. Der Aufbau ist flexibel, wodurch er die Höhe der Metallplatte, die Abmessungen der Auskragung und die Positionen der Kraftsensoren anpassen kann.

Mit einem Wellengenerator wird eine Reihe regelmäßiger und unregelmäßiger Wellen erzeugt. Dieser bietet eine aktive Reflexionskompensation, durch die rücklaufende Wellen neutralisiert werden, um die Messdaten nicht zu beeinflussen. Acht Sensoren zum Messen der Welleneigenschaften hängen in Abständen von circa 40 Zentimetern voneinander einige Meter vor der Metallplatte im Wasser. Drei Kameras zeichnen die Versuchsbilder auf und ermöglichen so die Untersuchung der zu bestimmten Messergebnissen gehörigen Bilder.

Tidesperrwerke des Abschlussdeichs als Referenz

Als ursprüngliche Referenz für die Gestaltung des Versuchsaufbaus dienten die Tide-Sperrwerke des IJsselmeers im Abschlussdeich, da die im Rahmen der Forschungsarbeiten untersuchten Wellenarten und ihre Wirkung den bei diesen Bauwerken beobachteten sehr ähneln. Unter Teilabschnitten des Deichs gibt es Siele, die bei Hochwasser und Sturm mit Stahltoren verschlossen werden. Die unter dem Horizontalbalken des Hochwasserschutzes auf die Sieltore auftreffenden Wellen werden bei Stürmen plötzlich abgestoppt und üben dadurch enorme Kräfte auf das Bauwerk aus. Dieses Bauwerk wurde vor 80 Jahren errichtet und wird gerade, zusammen mit dem ganzen Abschlussdeich, instand gesetzt. De Almeida möchte die im Rahmen seiner Forschung gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Orte weltweit anwenden, beispielsweise in den USA, wo es aufgrund folgenschwerer Überschwemmungsereignisse im Land und des seit langem bestehenden guten Rufs, den die TU Delft auf dem Gebiet des Wasserbaus genießt, großes Interesse an den Forschungsergebnissen gibt.

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