Forschung

© Forschungszentrum Küste

Die Forschung am FZK ist traditionsgemäß küstenbezogen. Bereits mit Inbetriebnahme des Großen Wellenkanals (GWK) 1983 standen Küstenschutzwerke und der Sedimenttransport im Fokus der großmaßstäblichen Modellversuche. Diese klassischen Themen des Küsteningenieurwesens haben nach wie vor nicht an Bedeutung verloren, wobei bedingt durch den Klimawandel und das allgemeine Umdenken zu nachhaltigem Handeln neue Forschungsfragen entstanden und weitere Forschungsthemen, wie die Ökohydraulik und die Maritime Energie hinzugekommen sind. Diese vier Themen bilden heute den Schwerpunkt der Forschungsarbeit am FZK, die sowohl grundlagen- als auch anwendungsorientiert ist. Großmaßstäbliche Laborversuche im GWK sind dabei mehr denn je unverzichtbar für die Forschung am FZK, die durch numerische Simulationen und andere Laborversuche in den Einrichtungen der Partnerinstitute ergänzt wird.


FORSCHUNGSTHEMEN

© Forschungszentrum Küste
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Küstenschutzwerke

Große Teile der Weltbevölkerung leben in küstennahen Bereichen, zudem ist die Küste seit jeher ein Anlaufpunkt für Tourismus und Erholung, sowie für Industrie und Landwirtschaft. Küstenschutzbauwerke, wie Deiche, Deckwerke oder Wellenbrecher kommen nicht nur zum Einsatz, um einen Küstenrückgang zu verhindern, sondern vor allem um das dahinterliegende Land, seine Infrastruktur, aber insbesondere die dort lebenden Menschen vor Überflutungen und Sturmflutschäden zu schützen. Dabei sind die Bauwerke  extremen Belastungen durch Wellenangriff ausgesetzt und müssen gleichzeitig hohen Sicherheitsstandards genügen. Hierbei helfen vor allem großmaßstäbliche Modellversuche, um die physikalischen Prozesse besser zu verstehen und qualitativ hochwertige Bemessungsmodelle zu entwickeln, beispielsweise zu:

  • Wellenauflauf und Wellenüberlauf
  • Druckschlag durch brechende Wellen
  • Dynamische Wechselwirkungen zwischen Seegang, Bauwerk und Baugrund
  • Versagensformen und -mechanismen
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Sedimenttransport

Um die natürliche Erosion von sandigen Küsten und Dünen nachhaltig steuern sowie weiche Küstenschutzmaßnahmen, wie Sandauf- und Sandvorspülungen, besser planen zu können, ist ein Verständnis des welleninduzierten Sedimenttransports und seiner zugrundliegenden physikalischen Prozesse unabdingbar. Ebenso ist bei der Planung und Bemessung von Bauwerken,  wie Buhnen oder Offshore-Windanlagen, deren Einfluss auf den Sedimenttransport zwingend zu berücksichtigen. Aufgrund der hohen Komplexität der Transportprozesse, können diese bis heute nur durch zum Teil stark vereinfachende Annahmen mathematisch beschrieben werden, so dass die Ergebnisse numerischer Simulationen mit großen Unsicherheiten behaftet sind und viele weitere Laborversuche in ausreichend großem Maßstab erfordern. Forschungsfragen sind dabei z.B.:

  • Erosions- und Transportmechanismen unter Seegang und Strömung
  • Strandrückgang und Sandaufspülungen
  • Dünenabbruch und Dünenverstärkung
  • Einfluss von Bauwerken auf den Sedimenttransport (Nah- und Fernfeld)
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Ökohydraulik

Besonders im Gezeitenbereich entlang der Küste treten Wechselwirkungen von Biota (Pflanzen und Tieren) mit Wellen und Strömungen auf, die sich in einer Dämpfung der Wellenenergie, einer Änderung der Strömungsrichtung oder in Auswirkungen auf Sedimenttransport und -erosion äußern, weshalb hierbei auch oftmals von Ökosystem-Ingenieuren gesprochen wird. Doch auch andersherum betrachtet, können Änderungen des Sedimentbudgets sich auf die Ansiedlung oder den Erhalt von Pflanzen und Tieren auswirken. Das Forschungsgebiet Ökohydraulik untersucht wie die Leistungen dieser Ökosystem-Ingenieure für den Küstenschutz eingesetzt und in weiche Küstenschutzmaßnahmen integriert werden können. Hierbei sind Laborversuche unabdingbar, um die grundlegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen, beispielsweise:

  • Wellendämpfung durch Vegetation
  • Verformung von Pflanzen unter hydrodynamischer Krafteinwirkung
  • Turbulenz innerhalb und im Umfeld von Pflanzenbeständen und Tierkolonien
  • Sedimentstabilisierung durch Wurzeln und Detritus
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Maritime Energie

Erneuerbare Energien bieten eine Antwort auf die Herausforderungen des Klimawandels und dem Rückgang der fossilen Brennstoffe. Dabei besitzt die Nutzung von Energie aus dem Bereich Küste und Meer ein großartiges Potential für nachhaltige Energieversorgung. Offshore Windenergieanlagen, Wellenenergiekonverter und Gezeitenkraftwerke, die entweder schwimmend oder statisch am Meeresboden verankert sind, bieten zwar nachhaltige Lösungen, die zugleich aber mit großen Herausforderungen verbunden sind. Mittels hydraulischer Laborversuche können diese Herausforderungen beleuchtet und resultierende Fragen beantwortet werden. Dabei kommt dem Maßstab eine besondere Bedeutung zu, wie beispielsweise bei:

  • Wellenlasten unter Extrembedingungen
  • Kolkbildung und Kolkschutzmaßnahmen
  • Wellen-Bauwerk-Boden Interaktion
  • Dynamischem Verhalten schwimmender Strukturen
  • Optimierung der Effizienz vorn Wellenenergiekonvertern