Fächerecholot
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Berechnung des wellen- bzw. seegangsinduzierten Sedimenttransports und der lokalen morphologischen Veränderungen an See- und Küstenbauwerken stellt eine der größten Herausforderungen im Küsteningenieurwesen dar, die bis heute noch nicht gelöst werden konnte. Ein Hauptgrund hierfür ist das Fehlen zuverlässiger Messdaten, um die grundlegenden physikalischen Prozesse des Sedimenttransports über die verschiedensten Zeitskalen besser als bisher möglich zu verstehen und zu beschreiben und entsprechende analytische Berechnungsansätze und mathematisch-numerische Modelle kalibrieren, verifizieren und validieren zu können. Der Große Wellenkanal (GWK) des Forschungszentrums Küste (FZK) - mit etwa 300 m Länge, 5 m Breite, 7 m Tiefe und Wellenhöhen bis zu etwa 2,5 m eine der größten Einrichtungen ihrer Art weltweit - erlaubt die Durchführung der notwendigen Versuche in sehr großem Maßstab bis hin zum Naturmaßstab. Zur dreidimensionalen, berührungslosen messtechnischen Erfassung der welleninduzierten Sedimentumlagerungen wurde das beste auf dem Markt verfügbare Fächerecholotsystem angeschafft und auf die besonderen Erfordernisse des Einsatzes im GWK (begrenzte Breite und vergleichsweise geringe Wassertiefe) angepasst. Seit der Inbetriebnahme des Geräts im November 2009 wurde das Fächerecholot in drei großen Forschungsprojekten im GWK eingesetzt, die alle auf die Bestimmung der welleninduzierten Kolkentwicklung und die Stabilität von Kolkschutzmaßnahmen um Offshore-Bauwerke fokussiert waren: • Das Projekt CoMlBBS (Composite Modelling of Interactions Behween Beaches and Structures) im Rahmen der von der EU finanzierten integrierten Infrastrukturinitiative HYDRALAB III befasste sich mit der Entwicklung von Methoden zur Verbindung physikalischer Experimente und numerischer Modellierung (Composite Modeling), am Beispiel des durch Bauwerke, wie Buhnen, Wellenbrecher oder Monopiles, beeinflussten Sedimenttransports am Meeresboden. Das FZK führte in diesem Zusammenhang Versuche im GWK zur Kolkentwicklung um einen schlanken senkrechten Zylinder (Monopile) unter Sturmflutbedingungen durch. Dabei wurde in regelmäßigen Abstanden, nach einer Einwirkung von 500 bis 1000 Wellen, des Bodenprofil um den Pfahl herum mit dem Fächerecholot aufgemessen und somit die räumliche und zeitliche Entwicklung des Kolks erfasst. Derartige Ergebnisse aus großmaßstäblichen Versuchen lagen bis dato nicht vor und konnten nur mit Hilfe des Fächerecholots mit ausreichender Genauigkeit und in einem vertretbaren zeitlichen Aufwand erzielt werden. • In dem vom BMU geförderten Projekt Gigawind alpha ventus wird wissenschaftliche Begleitforschung zum Offshore-Testfeld „alpha ventus", nördlich von Borkum, betrieben mit dem vorrangigen Ziel, die Kosten für die Türme von Offshore Windenergieanlagen zu minimieren. Innerhalb des Teilprojekts 5 werden die Kolkphänomene an den im Testfeld errichteten Tripod-Tragstrukturen untersucht, die geometrisch sehr viel komplexer als einfache Monopiles sind. Hierzu führte das Franzius-lnstitut der Leibniz Universität Hannover Versuche im GWK im Maßstab 1:12 durch, bei denen das Fächerecholot in ähnlicher Weise wie im Projekt CoMlBBS eingesetzt wurde. Die Daten haben das Prozessverständnis der Kolkbildung an dieser komplexen Gründungsstruktur entscheidend verbessert und werden zur Zeit für die Validierung eines numerischen Modells verwendet. • Die von einem Industriepartner finanzierten Versuche hatten das Ziel, für ein Schwergewichtsfundament die Strömungsverhältnisse, die Formen und Tiefen der Kolke sowie die Wirksamkeit und damit Gebrauchstauglichkeit eines gewählten Kolkschutzes bestehend aus geotextilen Sandcontainern zu untersuchen und beurteilen zu können. Hierzu wurden vom Franzius-lnstitut Versuchsreihen im Maßstab 1:17 im GWK durchgeführt sowie die Lagestabilität verschiedener einzelner geotextiler Sandcontainer untersucht. Das Fächerecholot wurde in ähnlicher Weise wie zuvor sowohl zur Bestimmung der Kolkenhwicklung als auch zur Detektion der einzelnen Sandcontainer eingesetzt. In allen bisherigen Projekten wurde mit dem Fächerecholot zwischen einzelnen Versuchen, d.h. in ruhigem Wasser gemessen, wobei durch das berührungslose Messprinzip nicht nur sehr genaue, ungestörte Daten erhoben werden konnten, sondem hierdurch auch eine erhebliche Zeitersparnis bei der Durchführung einer gesamten Versuchsreihe erzielt werden konnte, da der GWK nicht nach jedem Versuch entleert und wieder gefüllt werden muss. Für 2012 sind Versuche geplant, bei denen der Einsatz des Geräts unter Wellen getestet werden soll, um die Entwicklung von Sandrippeln zu beobachten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010): Measuring Three Dimensional Bed Forms in Large Scale Wave Facilities. Proceedings of the Chinese-German Joint Symposium on Hydraulic and Ocean Engineering (JOINT 2010), Tianjin, China, 2010
Schimmels, S.
- (2010): Physical Modeling of Scour around Tnpod Foundation Structures for Offshore Wind Energy Converters. Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering, No. 32 (2010), Shanghai, China, Paper 280, 5th July 2010
Stahlmann, A., Schlurmann, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.9753/icce.v32.sediment.67) - (2011): Composite modelling of interactions between beaches and structures. Journal of Hydraulic Research, 49;sup1, 2 - 14
Gerritsen, H.; Sutherland, J.; Deigaard, R.; Sumer, M.; Fortes, C.J.E.M.; Sierra, J.P.; Schmidtke, U.
- (2011): Erkenntnisse zur Kolkbildung an Tripod OWEA-Tragstrukturen aus dem großskaligen physikalischen Modell und der Natur. Tagungsband 8. FZK-Kolloquium - Maritimer Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Forschungszentrum Küste, S. 21-26
Stahlmann, A., Schlurmann, T.
- (2011): Investigations on Scour at Tripod Foundation Structures in the German Offshore Test Site alpha ventus. Proceedings of the EWEA Offshore 2011 Conference, Amsterdam, 30. Dezember 2011
Stahlmann, A., Schlurmann, T.
- (2011): Kolkbildung und Dimensionierung des Kolkschutzes eines OWEA-Schwerkraftfundaments. Tagungsband 8. FZK-Kolloquium - Maritimer Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Forschungszentrum Küste, S. 93-104
Wahrmund, H., Wilms, M., Stahlmann, A., Heitz, C., Schlurmann, T.
- (2011): Kolkbildung und Dimensionierung des Kolkschutzsystems eines OWEA Schwerkraftfundaments. Tagungsband HTG-Kongress 2011, Hafentechnische Gesellschaft e.V., Hamburg
Wilms, M., Wahrmund, H., Stahlmann, A., Heitz, C., Schlurmann, T.
- (2011): Zeitliche Kolkentwicklung durch einen Monopile unter Seegang bei Sturmflut. Tagungsband 8. FZK-Kolloquium - Maritimer Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Forschungszentrum Küste, S. 15-20
Schmidtke, U.; Oumeraci, H.
