Thermisch aktivierte Sandwichschwimmkörper für das Bauen auf dem Wasser

---

---

Ergebnisse

---

Das weltweite Bevölkerungswachstum und der steigende Meeresspiegel führen u.a. zu einem Mangel von Bauflächen. Durch den Klimawandel ist der Wohnraum speziell in den Küstengebieten gefährdet. Gegenwärtig werden kostenintensive Hochwasserschutz-Bauwerke umgesetzt, um sich gegen die drohenden Wassermassen zu schützen. Auch werden Maßnahmen zur Landrückgewinnung durchgeführt. Dabei wird, vom Meer abgetragenes Ufermaterial aufwändig wieder an Land transportiert, welches mit der Zeit wieder an das Meer verloren geht. Das Bauen auf dem Wasser bietet eine alternative Maßnahme an um verlorene Bauflächen und Lebensraum zu gewinnen, ohne gegen den steigenden Meeresspiegel anzutreten oder Maßnahmen zur Landrückgewinnung durchführen zu müssen. Bauwerke auf dem Wasser sind von der Versorgung über das Festland abgeschnitten und müssen sich autark versorgen können. Dafür steht das umgebende Wasser als ein enormes Energiereservoir zur Verfügung. Die Erschließung des Energiereservoirs ist durch eine thermisch aktivierte Bauteilschicht möglich. Aus wärmeschutztechnischen Gründen ist es notwendig die thermisch aktivierte Bauteilschicht mit einer Dämmschicht thermisch zu entkoppeln. Für diese Anforderungen sind Bauteile in Sandwichbauweise optimal geeignet. Die Sandwichbauteile bestehen aus einer Tragschale, einer Kerndämmschicht und einer Vorsatzschale. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, einen Schwimmkörper mit möglicher Innenraumnutzung in Sandwichbauweise mit einer thermisch aktivierten Vorsatzschale aus hochfesten Beton zu entwickeln und zu errichten.

Innerhalb des Forschungsprojekts wurden die Einwirkungen auf schwimmende Bauwerke untersucht und Lastannahmen für den Großdemonstrator getroffen. Bei der Bemessung eines schwimmenden Bauwerks sind neben den herkömmlichen Einwirkungen, der ständige Wasserdruck, die dynamische Wellenbelastung und der thermische Eisdruck infolge einer geschlossenen Eisdecke zu beachten. Der Lastfall Schiffs- oder Eisanprall wurde ausgeschlossen, da die Errichtung des schwimmenden Bauwerks auf einem See stattfinden sollte. Besondere Bedeutung kommt bei einem Sandwichquerschnitt dem Lastfall Temperatur zu. Aus der Temperaturdifferenz zwischen Vorsatz- und Tragschale folgt eine Dehnungsdifferenz, die von den Verbindungsmitteln zwischen Trag- und Vorsatzschale kompensiert werden muss. Zusätzlich befindet sich, bei einem Schwimmkörper, die Vorsatzschale teilweise unter und teilweise über dem Wasser, wodurch ein zusätzlicher Temperaturlastfall entsteht. Auf die Vorsatzschale wirkt ein nicht-linearer Temperaturverlauf über die Vorsatzschalenhöhe. Umfangreiche Berechnungen ergaben eine Steigerung der Scherverformung der Vorsatzschale von 20%.

Zur Nutzung des Innenraums von Schwimmkörpern, werden Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton erforderlich. In der DafStb Richtlinie „Wasserundurchlässige Bauwerke" sind Regeln für die Verwendung von normalfesten Betonen verankert. Aussagen zu hochfesten Betonen werden nicht getroffen. In einem Versuchsprogramm wurden ein normalfester und ein hochfester Beton mit unterschiedlichen Lagerungsbedingungen auf Wasserundurchlässigkeit nach DIN EN 12390-8 überprüft. Die herstellbedingten Schwachstellen der Vorsatzschale durch die durchstoßenen GFK – Anker und die Fugenausbildung zwischen den Vorsatzschalen wurden ebenfalls auf Wasserundurchlässigkeit im ungerissenen Zustand untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigen eine vernachlässigbare Wassereindringtiefe bei den Versuchskörpern aus hochfesten Beton. Maßgebend wird bei beiden Betonen die Schwachstelle durch den GFK – Anker. An der Schwachstelle ist bei Verwendung eines hochfesten Betons eine maximale Wassereindringtiefe von 3 cm aufgetreten. Weiterhin stellt sich, bei normalfesten und hochfesten Betonen, über die Versuchsdauer ein Selbstabdichtungseffekt ein. Dieser Effekt entsteht durch die Umlagerung des Wassers aus den Kapillarporen in die Gelporen der Betonmatrix.

Die thermisch aktivierte Vorsatzschale nimmt über Rohrregister Wärme auf oder gibt diese ab. Ein thermisch aktiviertes Bauteil wird nach seiner spezifischen Leistung, Wärme abzugeben oder Kälte aufzunehmen beurteilt. In einem entwickelten numerischen Simulationsmodell konnte der Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Leistung eines thermisch aktivierten Bauteils simuliert werden. Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wurden realitätsnahe Versuche in einem See durchgeführt.

Mit einem Großdemonstrator ist es gelungen einen wasserdichten, stabil schwimmenden und thermisch aktivierten Schwimmkörper auszuführen. Gegenwärtig werden an dem Großdemonstrator Dauermessungen zur realitätsnahen Bestimmung der spezifischen Leistung, in einem Baggersee durchgeführt. Die Messapparatur versorgt sich über Photovoltaikpaneele autark mit Strom. Die Dauermessungen geben Aufschluss über das nutzbare Energiepotenzial des umgebenden Wassers durch eine thermisch aktivierte Vorsatzschale.

Projektbeteiligte
Antragsteller/in :	TU Kaiserslautern, FG Massivbau und Baukonstruktion Paul-Ehrlich-Strasse 14 67663 Kaiserslautern
Federführende/r Forscher/in (alternativ Sprecher/in) :	Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
Fachbetreuer/in im BBSR :	Guido Hagel, WB 3

Eckdaten
Schlagworte zum Projekt :	Thermisch aktivierte Vorsatzschale, Schwimmkörper, Sandwichbauweise, Wasserdichtheit, Wassereindringtiefe, schwimmender Großdemonstrator
Bundesförderung in EUR :	98.560,00