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Ökologie

1.4.06 Integriertes Warnsystem – Überwachung und Stabilisierung von Deichen mit sensorbasierten Geotextilien

Bis heute wird der Zustand von Deichen fast ausschließlich visuell kontrolliert; wie es im Inneren des Deichs aussieht, bleibt den Inspektoren verborgen. Doch häufig sind Schäden erst im fortgeschrittenen Stadium sichtbar. Für eine gezielte Unterstützung bruchgefährdeter Abschnitte ist es im Krisenfall dann oft zu spät. Eine automatisierte Überwachung im Inneren des Deichs könnte hier Abhilfe schaffen. Mit Förderung des BMBF hat das Sächsische Textilforschungsinstitut (STFI) gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sowie weiteren Partnern spezielle Geotextilien entwickelt, mit denen Deiche nicht nur befestigt, sondern zugleich überwacht werden können. Aus den Forschungsarbeiten sind mittlerweile das junge Spin-off-Unternehmen fibrisTerre GmbH und drei vermarktungsfähige Patente hervorgegangen.

Mit der in Deutschland üblichen Inspektion der Oberfläche können Schäden am Deich nicht immer schnell und zuverlässig genug erfasst werden. Gerade bei Hochwasser wäre hier eine Rund-um-die-Uhr-Beobachtung erforderlich, die personell kaum zu bewältigen ist. Zwar existieren auf dem Markt bereits elektronische Messsysteme, doch diese sind teuer und kommen deshalb nur selten zum Einsatz. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts „Entwicklung von multifunktionalen, sensorbasierten Geotextilien zur Deichertüchtigung, für räumlich ausgedehntes Deich-Monitoring sowie für die Gefahrenerkennung im Hochwasserfall bei der Deichverteidigung“ entwickelten Wissenschaftler des Sächsischen Textilforschungsinstituts in Chemnitz, zusammen mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin und weiteren Partnern einen neuartigen Baustoff mit integrierter Sensortechnik.

Vielseitiger Baustoff: Geotextilien

Geotextilien sind speziell für den Außenbereich konstruierte, strapazierfähige Vliesstoffe, Gewebe oder Gewirke aus natürlichen oder synthetischen Materialien. Sie werden in der Geo- und Bautechnik eingesetzt – in der Regel, um Erdbauwerke zu stabilisieren und die Bodenerosion zu verhindern, zum Beispiel im Straßen- und Gleisbau oder im Wasserwege- und Deichbau. Je nach Verwendungszweck sind Geotextilien entweder wasserdurchlässig, wenn damit etwa steile Hänge, Straßen- oder Eisenbahnböschungen befestigt werden, oder wasserdicht wie beim Einsatz in Deponien.

Kontrollmessung an einer sensorbasierten Geotextilfläche beim Applikationsprozess im Feldversuch in Swienna Poremba (Polen)

Kontrollmessung an einer sensorbasierten Geotextilfläche beim Applikationsprozess im Feldversuch in Swienna Poremba (Polen)
Kontrollmessung an einer sensorbasierten Geotextilfläche beim Applikationsprozess im Feldversuch in Swienna Poremba (Polen)
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Automatisiertes Deich-Monitoring

Die Projektidee bestand darin, ein multifunktionales Geotextil zu entwickeln, das über die Befestigung der Deichböschungen hinaus auch dazu genutzt werden kann, die Stabilität des Deichs zu kontrollieren. Zu diesem Zweck wurden direkt im Herstellungsprozess sogenannte faseroptische Sensoren in Vliesstoffstrukturen eingearbeitet. Bei diesen Sensoren handelt es sich um gewöhnliche, preisgünstige Glasfasern aus der Telekommunikationstechnik. Über spezielle optische Messverfahren erfassen sie auch minimale Dehnungen der Textilstruktur sowie Temperaturveränderungen. Deichverformungen während eines Hochwassers können auf diese Weise registriert werden. Die festgestellten Veränderungen können dann an zentrale Mess- und Überwachungsstationen weitergemeldet werden. Von dort aus sind sie jederzeit abrufbar, sodass im Schadensfall frühzeitig Alarm ausgelöst werden kann.

Zur Gewinnung und Auswertung der Messwerte wurde eine neue Messgerätebasis entwickelt. Die dazu notwendigen Arbeiten übernahm vorrangig die BAM. Die im Rahmen des BMBF-Forschungsprojektes „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ (RIMAX) entwickelte und patentierte neue Messtechnik auf Basis der Brillouin-Frequenzbereichsanalyse offenbarte so viel Potenzial, dass das EXIST-Forschungstransfer-Programm den Antrag von drei jungen Wissenschaftlern zur Neugründung einer eigenen Firma bewilligte. Seit ihrer Gründung im Januar 2010 ist die fibrisTerre GmbH das erste Spin-off-Unternehmen der BAM.

Feldversuch im 1:1 Labordeich des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen in Hannover

Feldversuch im 1:1 Labordeich des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen in Hannover
Feldversuch im 1:1 Labordeich des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen in Hannover
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Herstellung der Geotextilien

Wie müssen Textilien beschaffen sein, damit die optischen Fasern ausreichend geschützt sind? Welche Materialien eignen sich am besten? Wie können die Glasfasern verarbeitet werden? Die Wissenschaftler des Sächsischen Textilforschungsinstituts führten hierzu zahlreiche Versuche an einer sogenannten Vliesraschelmaschine durch. Dabei handelt es sich um ein klassisches Herstellungsverfahren für Geotextilien, welches speziell für diesen Zweck modifiziert wurde. Zur Ermittlung des sensorischen und mechanischen Leistungsprofils der multifunktionalen Geotextilien, wurden neue Prüfmethoden entwickelt. Sowohl für das Herstellungsverfahren als auch für die Anwendung von sensorintegrierten Geotextilien im Deich erhielt das STFI ein Patent.

Feldversuch in Solina (Polen)

Feldversuch in Solina (Polen)
Feldversuch in Solina (Polen)
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Inzwischen wurde die Funktionsfähigkeit der Geotextilien in verschiedenen Feldtests nachgewiesen. Verschiedene Studien an einem Versuchsdeich in Originalgröße auf dem Gelände des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Universität Hannover zeigten, was das neue Verfahren leisten kann. Es wurden verschiedene Krisen- und Belastungssituationen simuliert und die Funktionstüchtigkeit der sensorbasierten Geotextilien unter praxisrelevanten Belastungen nachgewiesen. An der Vermarktung der sensorisch aktiven Geotextilien arbeiten momentan die Firmen BBG-Bauberatung Geokunststoffe GmbH und die Firma rg-research, gegründet von Herrn Rainer Glötzl (http://rg-research.de).

Vorteile des Verfahrens

Das Deich-Monitoring mittels sensorbasierter Geotextilien ist eine vergleichsweise preisgünstige Alternative zu anderen Entwicklungsansätzen. Die Kosten pro Messstelle werden durch die Anwendung des optischen Verfahrens erheblich reduziert. Überdies lassen sich die Daten flächendeckend und nicht nur punktuell oder linear entlang einer Kette von Sensoren erheben. Auf diese Weise wird es möglich sein, auch sehr lange Deichstrecken mit geringem Personalaufwand zu überwachen und eine exakte Schadenskartierung zu erstellen. Mit nur einem Monitoringsystem können sowohl kurzfristige Veränderungen wie Risse und Ausspülungen als auch langfristige Veränderungen wie das Setzungsverhalten von Deichen beobachtet werden. Schließlich bringt das Verfahren auch ökonomische Vorteile für den Deichbau, weil die Deichbefestigung und die Integration des Monitoringsystems in einem Arbeitsschritt erfolgen können.

Projektkoordination
Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. (STFI)

Elke Thiele
Annaberger Straße 240
09125 Chemnitz
Tel.: 03 71/52 74-0
Fax: 03 71/52 74-1 53
E-Mail: elke.thiele@stfi.de
Internet: www.stfi.de
Förderkennzeichen: 02WH570
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