Gemeinsame Forschung zum Schutz vor Sturmfluten

Die Bundeswehr ist fester Bestandteil des Zivil- und Katastrophenschutzes in Deutschland. An der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg beschäftigt sich ein Konsortium aus sieben Professuren mit sogenannten durchlässigen Wellenbrechern zum besseren Schutz vor Sturmfluten. Das Projekt wird vollständig aus Mitteln der Universität finanziert.

Steigendes Risiko für Küstengebiete und Infrastruktur

„Küstengebiete werden seit vielen Jahrhunderten dicht besiedelt und verfügen über wichtige Infrastruktur“, erklärt Mario Oertel, Professor für Wasserbau an der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr (HSU/UniBwUniversität der Bundeswehr) Hamburg. „Diese Gebiete sind seit jeher Fluten ausgesetzt. Durch den Klimawandel wächst das Risiko vor Überschwemmungen und Zerstörungen allerdings noch an“, so der Professor. Denn durch den Klimawandel steigen die Temperatur der Meere und der Meeresspiegel – Faktoren, die Sturmfluten wahrscheinlicher machen.

Professor Oertel ist Teil des mehrköpfigen Konsortiums, das zusammen die Frage beantworten will: Wie können Küstengebiete vor Zerstörung durch die zunehmenden Sturmfluten geschützt werden?

Wellen dämpfen, um Zerstörung zu verringern

Wellen transportieren Energie durch Wasser, bei Sturmfluten trifft diese Energie ungebremst auf die Küste – und richtet Zerstörung an. Wellenbrecher können diese Energie „dissipieren“, also die Energie umwandeln. So wird die Wellenhöhe reduziert und die Welle gedämpft, bevor sie auf die Küste trifft, um damit die Zerstörung zu verringern.

Allerdings leisten Wellenbrecher unterschiedlicher Bauart nicht immer den benötigten Schutz. Um die Wellenbrecher zu optimieren, bündelt die HSU/UniBwUniversität der Bundeswehr Hamburg Expertise aus den Bereichen Geotechnik, Massivbau, Hydromechanik, Stahl- und Stahlwasserbau, Konstruktionswerksstoffe und Bauwerkserhaltung sowie Statik und Dynamik. Gemeinsam forschen sie an permeablen, also durchlässigen Wellenbrechern.

Nachhaltig und effektiv: Permeable Wellenbrecher

„Permeable Wellenbrecher können unter bestimmten Voraussetzungen sogar mehr Energie umwandeln. Dadurch wird die Höhe der Welle signifikant verringert“, erklärt Professor Oertel. Dabei haben unterschiedliche Anordnungen und Strukturen Einfluss auf den Effekt der Wellenbrecher.

„Zugleich wird die Belastung auf die Wellenbrecher reduziert“, ergänzt Wolfgang Weber. Der Professor für Statik und Dynamik ist ebenfalls an dem Projekt beteiligt. „Dadurch kann eine Menge Material eingespart werden. Neben einem besseren Küstenschutz dienen permeable Wellenbrecher also auch der Nachhaltigkeit“, so Professor Weber.

Interdisziplinärer Austausch für umfassende Ergebnisse

Damit die Wellenbrecher diesen Anspruch tatsächlich erfüllen, gilt es zu prüfen: Wie können die Bauwerke sicher im Bereich der Sohle gegründet werden? Wie steht es um die statische und dynamische Belastbarkeit? Und welche hydraulischen Aspekte im Sinne des klassischen Wasserbaus kommen zum Tragen?

Jede Professur beleuchtet dafür je nach Themenschwerpunkt einen anderen Einzelaspekt in ihrer Forschung. „Wir tauschen uns regelmäßig zu Zwischenergebnissen aus und diskutieren die nächsten Forschungsschritte“, erläutert Professor Weber.

Die fächerübergreifende Zusammenarbeit umfasst auch den wissenschaftlichen Nachwuchs: „Die Doktorandinnen und Doktoranden in dem Projekt halten regelmäßig fächerübergreifende Vorträge, was den interdisziplinären Austausch fördert“, so Professor Weber.

Rechnen und testen: Vom PC ins Wasserbaulabor

Wassertiefe, Windstärke und Wellencharakteristik – für seine 3D-Modellierung muss Professor Weber eine Menge Parameter berücksichtigen. „Das numerische Modell basiert auf der Realität, und da kommen einige Faktoren zusammen“, erklärt er.

Vom Sediment über die Charakteristik der Welle bis zur Form der Wellenbrecher muss die Simulation alles abbilden. Laut Professor Weber gibt es eine weitere Herausforderung: „Die Faktoren sind nicht statisch, es handelt sich hier also um ein Problem der Interaktion zwischen Wellen, Wellenbrechern und Sediment.“

Ziel ist es, dass die Modelle auf die Natur übertragbar sind. Dafür arbeiten Professor Weber und Professor Oertel eng zusammen. „Wir testen die Modelle im Wasserbaulabor der Helmut-Schmidt-Universität“, teilt Professor Oertel mit. „Dadurch werden die PC-Modelle einerseits validiert, andererseits geben die Modelle Anregungen für vielversprechende Kombinationen im Laborexperiment“, erläutert Professor Weber. Professor Oertel fasst zusammen: „Ein steter Kreislauf aus Testen und Optimieren, Testen und Optimieren.“

Der Wellenkanal im Wasserbaulabor erstreckt sich über zwanzig Meter und ist eine Art sehr langes Aquarium. „Hier bilden wie die Modelle kleinskalig ab und untersuchen, wie sich die Kräfte und Belastung auf die Wellenbrecher auswirken“, erklärt Professor Oertel. In dem Wellenkanal sind Miniatur-Wellenbrecher installiert. Für die Tests werden maschinell generierte Wellen durch das Becken geschickt – dann wird beobachtet und gemessen. „Dadurch können wir reale Situationen besser einschätzen.“

Mit ihrer Forschung zum Küstenschutz leistet die Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr (HSU/UniBwUniversität der Bundeswehr Hamburg) somit einen wichtigen Beitrag zur Bewältigung einer globalen Herausforderung.

von Melanie Hagenau  E-Mail schreiben