Entwicklung einer Fertigungstechnologie zur Herstellung einer anforderungsgerecht angepassten Erosionsschutzmatte für eine Beeinflussung von Strömungsgeschwindigkeiten auf geneigten Flächen
Teilvorhaben: Entwicklung materialspezifisch gestickter Barrierestrukturen
(BMBF-highSTICKplus 03WKCE03B)

Abstract

Um den Aufwand bei der Befestigung von Entwässerungsgräben durch den Einbau von Steinschüttungen zu minimieren, wird eine Geotextilmatte entwickelt, welche sich durch eine anforderungsgerechte Strukturierung und einen leichten Einbau auszeichnet. Grundlage der Matte ist ein Geotextil aus PET-Fasern mit sticktechnisch hergestellten Barrierestrukturen in Form von Taschen bzw. Zick-Zack-Strukturen. Aufgrund der Schubkräfte stellen sich die Elemente je nach Intensität der Strömung auf und wirken als Widerstand. Die Strukturierung drosselt die Fließgeschwindigkeit des abzuführenden Wassers und verzögert somit die Auswirkungen der Erosion. Besonders bei unwegsamen Geländen stellt diese Matte eine gute Alternative zu herkömmlichen Steinschüttungen dar, da der Transport und die Verlegung erleichtert werden.

Aufgabenstellung

Die Beschädigung durch Erosion an Einlauf- und Wasserbauwerken bei der Ableitung von Oberflächenwasser stellt ein immer wiederkehrendes Problem dar. Auch bei der Fahrbahn- und Brückenentwässerung, Entwässerung von Böschungen oder in fließenden Gewässern können Erosionsschäden auftreten. Gegen diese Beschädigungen werden massive Wasserbauwerke, Prallelemente bzw. Steinschüttungen eingesetzt. Diese reduzieren die Fließgeschwindigkeit des abzuführenden Wassers und verzögern somit die Erosion. Jedoch stellt der Einbau, besonders bei unwegsamen Geländen, eine große Herausforderung dar, da mitunter spezielle Zugangsstraßen für den Transport der Betonelemente und Steinschüttungen errichtet werden müssen.
Das Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung einer industriell gefertigten Erosionsschutzmatte mit einer strömungsoptimierten komplexen Barrierestruktur. Die Anforderungen an das Produkt setzen sich aus den Materialeigenschaften, den technischen Erfordernissen an den Stickprozess bzw. den Einbau der Matten zusammen.
Um die Matten gegenüber den auftretenden Belastungen zu stabilisieren, müssen die textilen Materialien appretiert, wasserfest und witterungsbeständig ausgerüstet werden. Zur optimalen Ausformung der Strukturierungen und zum Nachweis der Funktionsweise erfolgen Untersuchungen mittels Strömungssimulation in einer Versuchsrinne und in umfangreichen Feldversuchen.
Mit der textilen Lösung wird eine vergleichbare Leistungsfähigkeit wie bei der Verwendung von Steinschüttungen angestrebt und auch erreicht.

Lösungsweg

Die Untersuchungen erfolgen in Bezug auf die einzusetzenden Materialien und Materialsysteme bzgl. deren Eignung zur sticktechnischen Verarbeitung auch unter Beachtung der geforderten Dimensionierung im Endprodukt. Dabei werden die Erfahrungen aus Materialwissenschaften, technischen Textilien und Wasserbau genutzt, um ein Produkt mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln:

  • flexibel gestaltbar hinsichtlich Dimension und Geometrie durch sticktechnische Individualisierung der Morphologie und abgestimmt auf die Anwendungsspezifik
  • technologischer Freiheitsgrad in der Landschaftsgestaltung
  • Anwendung ohne Untergrundvorbehandlung
  • problemlose Anpassung an die Geländemorphologie durch textilindizierte Drapierfähigkeit
  • Minimierung von Transportaufwendungen im Vergleich zu klassischen komplexen Systemen
  • Schonung von Ressourcen durch geringeren Verbrauch an Steinen, Schüttungen usw.

Zur Optimierung der Strukturelemente werden Strömungsversuche unter Laborbedingungen durchgeführt. Das Strömungsmodell mit einer Länge von 3 m und einer Rinnenbreite von 40 cm verfügt über einen flexibel einstellbaren Neigungs- und Böschungswinkel, der von 0 bis 10° einstellbar ist. Bei einer Wassermenge bis 36.000 Liter/Stunde können die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten und Scherkräfte gemessen werden.

Vergleich der Strukturhöhen
Abb. 1: Vergleich der Strukturhöhen
Strömungsversuchs-stand ZickZack offene Spitze
Abb. 2: Strömungsversuchs- stand ZickZack offene Spitze

Auf der Deponie "Am Lembach", Oelsnitz (Vogtl.), wurden umfangreiche Feldversuche durchgeführt. Auf einer Streckenlänge von 25 m, mit geringen Neigungen von 5 %, 7,5 % sowie 10 % und einer Pumpenleistung von ≤ 50 l/s wird mittels Sensor und Schwimmkörper (Holzkugel, ∅ 40 mm, Gewicht 26,30 g) die Fließgeschwindigkeit ermittelt.
Parallel zu den Feldversuchen und Strömungsuntersuchungen im Labor werden begleitend  Strömungssimulationen mit ANSYS durchgeführt. Ein Vergleich der Rauhigkeitsbeiwerte (kSt, je kleiner kSt desto höher die Bremswirkung) aus der Simulation zeigt ähnliche Werte wie im Feldversuch.
Alle durchgeführten Untersuchungen bestätigen, dass die Barrierestrukturen in Form von Taschen bzw. Zick-Zack-Elementen einer vergleichbaren Leistungsfähigkeit wie bei der Verwendung von Steinschüttungen entsprechen.

Anwendungen

Um den Aufwand bei der Befestigung von Entwässerungsgräben zu minimieren, ist eine Geotextilmatte entwickelt worden, welche sich durch anforderungsgerechte Strukturierung und leichten Einbau auszeichnet. Durch den flexiblen textilen Charakter der Matten ist die Handhabung nicht an vorhandene Ressourcen wie Steine oder Steinschüttungen gebunden. Die Strukturmatten können in Entwässerungsgräben bzw. -kanälen, im Deponiebau, Bergbau und in Folgelandschaften eingesetzt werden. Die für den individuellen Anwendungsfall angepassten Strukturen zeichnen sich durch eine einfache Handhabung und Montage sowie eine problemlose Anpassung an die Geländemorphologie aus. Die Strukturmatten erzielen einen hohen Wirkungsgrad bei geringstem Materialeinsatz.


Varianten der Versuchsdurchführung im Feldversuch
a) Zick-Zack
b) ohne Struktur
c) Taschen
d) Schotter

Varianten der Versuchsdurchführung im Feldversuch


Ansprechpartner

Dipl. Des. (FH) Nora Grawitter


 
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