DE10005537A1

DE10005537A1 - Schwimmender Wellenbrecher (künstliche Sandbank)

Info

Publication number: DE10005537A1
Application number: DE10005537A
Authority: DE
Inventors: Detlev Michler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die Erfindung des schwimmenden Wellenbrechers kommt aus dem Bereich Bauwesen - Küstenschutz -. Es ist ein Küstenschutzwerk, das sich im Wasser und nicht direkt am schützenden Objekt am Land befindet. DOLLAR A Der Wellenbrecher hat zwei Funktionen: DOLLAR A 1.) Wellen auch bei sehr hohem Wasserstand (z. B. Sturmfluten) vor dem eigentlichen Ufer soweit zum Brechen und Abgabe von Energie zu bringen, das hinter der Wellenbrecherkonstruktion ein relativ ruhiger Wasserspiegel entsteht. DOLLAR A 2.) Das Brechen der Welle erfolgt auf der Oberseite der Wellenbrecherkonstruktion (langgezogene ebene Fläche). Wellenerzeugte Strömungen und Turbulenzen werden von der Konstruktion nach unten abgeschirmt. Die Sohle wird vor Turbulenzen und damit verbunden vor einem erheblichen Transport von Sedimenten geschützt. DOLLAR A Der schwimmende Wellenbrecher besteht aus einer Wellenbrecherzone (tiefwasserzugewandte Seite, schräg ins Wasser geneigte Flächenkonstruktion) und Wellenauslaufzone (flachwasser- bzw. uferzugewandte Seite, waagerechte Flächenkonstruktion). Die Konstruktion besteht aus leichtem Material (z. B. Kunststoff), damit sie schwimmfähig ist. Die Kammern sind aus Stabilitätsgründen mit Wasser gefüllt. Außerdem besitzt der Wellenbrecher Flutungs- und Entflutungskammern sowie Ballastgewichte, damit die gesamte Konstruktion im Wasser absenkbar und aufschwimmbar ist. DOLLAR A Die Konstruktion ist im Wasser zu verankern. Hierbei können verschiedene Verankerungssysteme verwendet werden.

Description

1. Einführung

Die hier beschriebene Erfindung ist aus dem Bereich Bauwesen - Küstenschutz -. Es ist ein "schwimmender Wellenbrecher" vergleichbar einer künstlichen Sandbank, die jedoch je nach Bedarf zum Einsatz gebracht werden kann (Unterwasser abgesenkt bei leichtem und normalem Seegang, aufgeschwommen bei starkem Seegang).

2. Stand der Technik und Kritik am Stand der Technik

Zur Energieumwandlung von Wellen werden Küstenbauwerke und teilweise auch natürliche Dünenlandschaften durch massive Bauwerke geschützt. Diese Küstenschutzmaßnahmen bestehen in der Regel aus

- befestigten Flächen z. B. am Deichfuß (in Form von offenen und geschlossenen Deck werken)
- aus Steinschüttungen (Steine mit großem Gewicht) bzw. Schüttungen aus Betonelementen (Tetrapoden, Dolos etc.).

Die Schutzwerke befinden sich jeweils direkt am zu schützendem Objekt (z. B. Bermen an Deichen, Steinschüttungen an Molen und Strandmauern usw.). Auf Grund von wechselnden Wasserständen sind diese Maßnahmen über eine gewisse Höhe auszubilden, um auch bei hohen Wasserständen und Sturmfluten einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten.

Bei Dünenlandschaften ist die Ausführung der o. g. bautechnischen Küstenschutzmaßnahmen durch die Beeinträchtigung des äußeren Erscheinungsbildes und des Aussehens nicht besonders schön.

Die o. g. bautechnischen Küstenschutzmaßnahmen sind ständig vorhanden und zu sehen (Dauerschutzmaßnahmen). Sie können nicht nach Bedarf (z. B. bei starkem Wellengang) zum Einsatz gebracht werden und bei leichtem und normalem Seegang für diese Zeit weggebracht werden (das wäre ein zu großer Aufwand).

Ein weiterer Nachteil der o. g. Küstenschutzmaßnahmen ist, dass insbesondere in der Brandungszone kein Transport von Strandmaterial (Sedimente an der Sohle) verhindert wird, ohne die Fläche vollständig befestigen zu müssen. Der Transport von Strandmaterial erfolgt auf Grund von wellenerzeugter Strömung im Brandungsbereich (starke Turbulenzen durch brechende Wellen). Ein mögliches "Wegspülen" von Sand und Sedimenten wird bei Ausführung der üblichen Küstenschutzmaßnahmen nicht entgegengewirkt.

3. Lösung der Aufgabe Beeinträchtigung des Erscheinungsbildes der Landschaft (Dünen etc.) Lösung

- Verlegung des Küstenschutzwerkes in das Wasser (nicht an Land)
- Einsatz des Küstenschutzwerkes nach Bedarf: Möglichkeit zum Aufschwimmen und Absenken der Konstruktion

Wechselnde Wasserstände Lösung

- schwimmende Konstruktion

Maßnahmen gegen den Sedimenttransport durch brechende Wellen Lösung

- Wirkungsbereich der brechenden Welle wird zur Strandsohle unterbrochen

Der Wellenbrecher hat zwei Funktionen:

1. Wellen auch bei sehr hohem Wasserstand (z. B. Sturmfluten) vor dem eigentlichen Ufer soweit zum Brechen und Abgabe von Energie zu bringen, das hinter der Wellenbrecherkonstruktion ein relativ ruhiger Wasserspiegel entsteht. Sanddünen und Naturlandschaften sowie Küstenbauwerke müssen nicht durch unangenehm aussehende Küstenschutzmaßnahmen direkt gesichert werden.
2. Das Brechen der Welle erfolgt auf der Oberseite der Wellenbrecherkonstruktion (langgezogene ebene Fläche). Wellenerzeugte Strömungen und Turbulenzen werden von der Konstruktion nach unten abgeschirmt. Die Sohle wird vor Turbulenzen und damit verbunden vor einem erheblichen Transport von Sedimenten geschützt.

Erläuterungen zum Brechen einer Welle

In Abhängigkeit der Wassertiefe sowie der Wellenhöhe und -länge beginnen Wasserwellen sich zu brechen (Energieumwandlung in Wärme).

Im Flachwasserbereich ist bei einer Verringerung der Wassertiefe (Sandbank, Uferbereich) für das Brechen der Welle dabei nur die Wassertiefe und die Wellenhöhe ausschlaggebend.

Nach Modellversuchen und Naturbeobachtungen schwankt das Verhältnis Wassertiefe/Wellenhöhe zwischen rund 0,97 und 1,37. Für überschlägliche Untersuchungen dürfte das Verhältnis Wassertiefe/Wellenhöhe = 1,0 sinnvoll sein. [1]

Um eine Welle zum Brechen zu bringen ist es erforderlich, die Orbitalgeschwindigkeit am Wellenkamm größer als die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit werden zu lassen. Dann löst sich am Brechpunkt über dem nahezu senkrechten Leehang aus dem Kamm die sogenannte Brecherzunge, die im freien Fall in das Wellental stürzt. Bei diesem Sturzbrecher wird der größte Teil der Wellenenergie auf sehr kurzer Laufstrecke (Linienbrandung) umgesetzt. Bei steilen Böschungen (steiler als 1 : 10) bewirkt der Reflexionsanteil, dass die Brecherzunge des Sturzbrechers gleich nach ihrer Bildung aufschlägt. [2]

Eine Beschreibung der Konstruktion des schwimmenden Wellenbrechers kann dem nachfolgenden Abschnitt 4 entnommen werden.

4. Beschreibung der Konstruktion 4.1 Angaben zur Form des Wellenbrechers

Der Wellenbrecher besteht aus

a) einer Wellenbrecherzone und
b) einer Wellenauslaufzone.

a) Wellenbrecherzone

Die Wellenbrecherzone ist der Tiefwasserseite zugewandt und dient dazu, die Welle zum Brechen zu bringen. Sie ist mit einer Neigung versehen und taucht in das Wasser ein. Die Zone ist entsprechend tief ausgebildet, dass auch bei extrem hohen Wellen eine Brechung der Welle herbeigeführt wird.

Die Abmessungen der Wellenbrecherzone richten sich nach den individuellen örtlichen Gegebenheiten (maximale Wellenhöhe, Wellengeschwindigkeit, vorh. Sohlgefälle des Untergrundes im Wasser etc.) und ist jeweils zu bemessen.

Anders als im Deichbau üblich, kann die Wellenbrecherzone aus Gründen der Materialersparnis als "konvexes" Profil ausgebildet werden. Im Deichbau wäre der Deichfuß bei Ausführung eines konvexen Profils besonders zu sichern. Da der Wellenbrecher jedoch nicht aus Sand oder Klei besteht sondern aus einem festen Material (siehe Abschnitt 4.2) mit einer monlithischen Form, besteht nicht die Gefahr eines Ausspülens. Lediglich wird die Krafteinwirkung der Wellenbewegung in diesem Bereich geringfügig erhöht.

b) Wellenbrecherauslaufzone

Die Wellenbrecherauslaufzone ist der Flachwasser- bzw. Landseite zugewandt. Sie ist horizontal und entsprechend lang ausgebildet, um der gebrochenen Welle eine ausreichend lange Auslaufmöglichkeit zu geben.

Bei Einsatz des schwimmenden Wellenbrechers bei besonders starkem Seegang kann es erforderlich sein, im Bereich der Wellenauslauffläche zusätzliche Kuppen bzw. Aufkantungen vorzusehen, um die Wellenwirkung so weit wie möglich zu reduzieren und zusätzlich Energie umzusetzen.

In der Mitte zwischen Wellenbrecherzone und -auslaufzone ist aus konstruktiven und statischen Gründen ggf. eine leichte Kuppe auszuführen.

4.2 Angaben zum Material und Konstruktion des Wellenbrechers

Der schwimmende Wellenbrecher besteht aus einem wasser- bzw. salzwasserbeständigem Material, der eine relativ geringe Wichte (leichter als Wasser) aufweisen und möglichst nicht verrottbar sein sollte. Aus Kostengründen wären Kunststoffe (z. B. PE-HD, GFK oder ähnlich) von Vorteil. Es wären jedoch auch Konstruktionen aus Metall möglich, die jedoch auf Grund ihres hohen Eigengewichtes Schwierigkeiten mit dem Auftrieb erhalten.

Die Konstruktion besteht aus Hohlraum-Kammern, die aus Masse- und Stabilitätsgründen mit Wasser geflutet sind. Um den Wellenbrecher nur zur Zeiten starker Wellenbewegungen zum Einsatz zu bringen, sind an einigen Stellen Flutungs- und -Entflutungskammern angeordnet, die dann mit Luft einen Auftrieb bzw. Absenkung der Konstruktion erzeugen. Um ein Absenken der Konstruktion aus Kunstoff (die Wichte des Kunststoffes ist leichter als Wasser) zu gewährleisten, sind ggf Ballastgewichte in der Konstruktion vorzusehen. Eine Dimensionierung (Anzahl und Abmessungen) der Flutungs- und Entflutungskammern sowie Ballastgewichten ist abhängig von der Gesamtkonstruktion und ist individuell vorzunehmen.

Die Konstruktion ist ausreichend steif ausgebildet, um die Kräfte der verschiedenen Wellenbrecher (Sturzbrecher, Reflexionsbrecher etc.) zum Zeitpunkt des Brechens aufnehmen zu können.

Die bei Sturzbrechern entstehenden Druckschläge auf die Oberfläche der Wellenbrecher- und Auslaufzone werden von der Konstruktion aufgenommen und abgeleitet.

Die Konstruktion ist entsprechend den individuellen statischen Erfordernissen zu bemessen.

4.3 Verankerung des Wellenbrechers

Die Verankerung des Wellenbrechers kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolge, z. B.

- Befestigung der Konstruktion an Ketten bzw. Stahlseilen und Verankerung im Untergrund über Zugpfähle. Die Ketten bzw. Zugseile werden entsprechend der unterschiedlichen Wassertiefe über Windenbetrieb verlängert oder verkürzt und die Konstruktion damit in Position gehalten.
- Befestigung der Konstruktion an Pfeilern (Stützen), die in den Untergrund gerammt werden.
- Befestigung der Konstruktion an einer seitlichen Führung zwischen zwei Wänden (z. B. Wände einer Hafenmole im Einfahrtsbereich eines Hafens).

Andere Verankerungsmethoden wären möglich und sind zu prüfen.

4.4 Verbindung der einzelnen Konstruktions-Segmente

Bei einem langgezogenen Küstenschutzwerk besteht die gesamte Konstruktion des Wellenbrechers aus mehreren aneinandergesetzten Segmenten. Je nach Verlauf der Uferlinien werden die Segmente dem Linienverlauf angepasst (winkelige Anschlussenden, halbrunde Form der Segmente usw.) und unter bestimmten Winkeln miteinander verbunden. Wichtig für diese Verbindung ist,

- dass eine ausreichend stabile Verbindung besteht, damit die einzelnen Segmente durch die Wellenbewegung und die Krafteinwirkung der Brecher nicht auseinandergerissen werden,
- zwischen den Segmenten keine starre Verbindung besteht, um im Bedarfsfall einzelne Segmente abkoppeln und warten zu können.

Um eine ausreichend steife Gesamtkonstruktion zu erhalten und dennoch eine Bewegungsfreiheit einzelner Segmente zu gewährleisten, sollten die einzelnen Segmente ähnlich wie Schaniere miteinander verbunden. Die Segmente erhalten jeweils an den zusammenzuführenden Außenseiten eine Verzahnung. Die verzahnten Teile werden ineinandergesteckt und mit eine Bolzen verbunden. Die Verzahnung ist innen kreisrund hohl, dass der Bolzen entsprechend durchgeführt werden kann. Anschließend wird der Bolzen gegen Herausrutschen gesichert.

Bei Einsatz des Wellenbrechers bei starkem Seegang sollte die Verbindung der Segmente im maßstäblichen Modellversuch getestet werden. Sollten sich die Segmente durch den Welleneinfluss auf Grund der beweglichen Verbindungen zu sehr bewegen (Resonanz, Eigendynamik), sind zusätzliche Aussteifungen der Segmentverbindungen erforderlich (z. B. angeschraubte Rechteckprofile an der Oberseite der Konstruktion).

Alternative Verbindungen zwischen den Segmenten wären möglich und sind zu prüfen.

4.5 Aufsetzen der Konstruktion auf den Untergrund

Um die Konstruktion auf den Untergrund aufsetzen zu können, muß der Untergrund ausreichend tragfähig sein (z. B. Sand). Die Wellenbrecher-Konstruktion ist in etwa dem Verlauf des vorhandenen Sohlgefälles des Untergrundes anzupassen. Die beiden Enden der Konstruktion so ausgebildet, dass sie auf den Untergrund abgesetzt werden können.

Vorgefertigte Absetzpoller, die auf dem Untergrund errichtet werden, um die Konstruktion hierauf abzusetzen, sind nicht sinnvoll. Hierbei besteht die Gefahr, das die Poller durch Sedimenttransport im Bereich der Sohle über Jahre gesehen ggf. versanden und dann unbrauchbar sind.

Besser geeignet und unabhängiger sind Absetzvorrichtungen die nur an der eigentlichen Konstruktion befestigt sind. Z. B. besteht die Möglichkeit, große abgerundete Flächen an den Aufsetzpunkten anzuordnen, die eine geringe Flächenpressung erzeugen und damit nicht so tief in den Untergrund einsinken (siehe Anlage 1, Ausführung einer Nase im vorderen Bereich der Wellenbrecherzone und Abrundung des Endes der Wellenauslaufzone). Ein geringes Einsinkmaß ist erforderlich, damit die Kohäsionskräfte des Bodens so gering wie möglich gehalten werden und jederzeit ein Auftrieb der Konstruktion aus eigener Kraft gewährleistet ist.

5. Modellversuche und Einsatz eines Prototyps

Für die Bemessung der Wellenbrecherkonstruktion ist je nach örtlichen Verhältnissen eine andere Wellenhöhe zu berücksichtigen. Insbesondere bei größeren Vorhaben sollten im Rahmen der Vor- und Entwurfsplanung Vorerkundungen über den Seegang und den topografischen Verlauf des Küstenstreifens erfolgen. Desweiteren sollten ergänzende Modellversuche unter Berücksichtigung der festgestellten Verhältnisse ausgeführt werden, um die geeignetste Form des Wellenbrechers festzustellen. Gegebenenfalls ist dann ein Prototyp eines Wellenbrechers herzustellen und an einem ausgesuchten Küstenabschnitt zu testen.

6. Einsatzmöglichkeiten des schwimmenden Wellenbrechers

Der schwimmende Wellenbrecher ist in erster Linie für den Küstenschutz zum Einsatz vor oder im Bereich der Brandungszone vorgesehen. Da der schwimmende Wellenbrecher jedoch nicht ausschließlich als Wellenbrecher zu betrachten ist, sondern auch eine normale Wellenbewegung (Auf und Abbewegung) verhindert, ist er überall dort einsetzbar, wo man einen relativ ruhigen Wasserspiegel benötigt z. B.

- vor Hafeneinfahrten (Sportboothafen etc.) zur Reduzierung des Welleneinflusses im Hafenbecken
- als zusätzliche Minderung von Wellenangriffskräften vor einer Mole.

Literaturverzeichnis

[1] Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen: Die Küste, Archiv für Forschung und Technik an der Nord- und Ostsee, Heft 36, 1981
[2] Brettschneider/Lecher/Schmidt: Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 6. Auflage, 1982

Claims

1. Schwimmender Wellenbrecher als Küstenschutzmaßnahme, um Wellen vor dem eigentlichen Ufer zum Brechen (Abgabe von Energie) zu bringen bestehend aus einer Flächenkonstruktion dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenkonstruktion aus einer Wellenbrecherzone (tiefwasserzugewandten Seite, schräg ins Wasser geneigte Flächenkonstruktion) und Wellenauslaufzone (flachwasser- bzw. uferzugewandte Seite, waagerechte Flächenkonstruktion) besteht. Die Konstruktion ist schwimmfähig und falls erforderlich nach Bedarf mit Vorrichtungen (Flutungs- und Entflutungskammern) versehen, um die Konstruktion im Wasser abgesenken und wieder aufschwimmen zu können.