Studenten der Fachrichtung Bauingenieurwesen der Technischen Hochschule Augsburg (THA) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sergej Rempel waren an der Konstruktion der Surfwelle beteiligt. (Bild: Matthias Leo)
Nur durch die Fließkraft des Wassers soll am Senkelbach im Stadtzentrum von Augsburg südöstlich des Plärrer-Geländes eine Welle zum Surfen klimaneutral erzeugt werden. Auf der acht Meter breiten Welle werden Wassersportbegeisterte mit dem Surfbrett, dem Bodyboard oder einem Kajak mitten in Augsburg in unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden surfen können – Anfänger, Fortgeschrittene und Profis. Außerhalb der Betriebszeiten wird die Welle abgeflacht und damit „unsurfbar”. Die Fertigbauteile aus Recyclingbeton mit Carbonbewehrung wurden von der Technischen Hochschule Augsburg in Zusammenarbeit mit regionalen Baufirmen konstruiert, hergestellt und während des jährlichen Bachablasses im April 2023 eingebaut. Oberhalb der Wasserfläche werden nun noch vom Betreiber der Sportanlage – dem Verein Surffreunde Augsburg – die Sicherheitsvorrichtungen, die Wellenmechanik und die Aufenthaltsplattformen errichtet. Geplant ist, dass die Surfwelle nach ersten technischen Test- und Optimierungsphasen im Sommer 2024 schrittweise zum Surfen geöffnet wird.
Initiiert wurde die Surfwelle von wassersportbegeisterten Augsburgern, die hierzu den Verein Surffreunde Augsburg gegründet haben. In der Konstruktionsphase mit an Bord waren Studenten der Fachrichtung Bauingenieurwesen der Technischen Hochschule Augsburg (THA) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sergej Rempel, Experte für Carbonbeton an der Fakultät für Architektur und Bauwesen. Seit dem Wintersemester 2022/23 unterstützen sie gemeinsam mit örtlichen Planungs- und Baufirmen den Verein. Finanziell gefördert wird das Projekt Surfwelle Augsburg durch Mittel des Freistaates Bayern und der Stadt Augsburg sowie über eine Crowdfunding-Kampagne. Im Rahmen ihrer Transferarbeit unterstützte die THA (damals noch als Hochschule Augsburg (HSA)) die Fertigstellung der Carbonbeton-Konstruktion durch HSA_transfer – die Agentur für kooperative Hochschulprojekte – gefördert durch die Bund-Länder-Initiative „Innovative Hochschule”.
Nachhaltig und ressourcenschonend
Herzstück der Anlage ist eine Konstruktion, die sich unter Wasser befindet, um mit der natürlichen Kraft des Wassers die Surfwelle zu erzeugen. Folglich wird die Welle vollkommen ohne Energieverbrauch funktionieren, also klimaneutral und unabhängig von der Energieversorgung. Im Innern der Konstruktion stecken Hightech-Materialien in Kombination mit recycelten Baustoffen. Denn die Bauteile sind nicht aus Stahlbeton, sondern aus Recyclingbeton mit Carbonbewehrung in Fertigteilbauweise konstruiert. Sie bestehen aus einer zu 100 % recycelten Gesteinskörnung – einem zirkulären Baustoff. Für den Recyclingbeton der Surfwelle wurde eine herkömmliche Rezeptur angepasst. Die bekannten „Zutaten“ wie Sand oder Kies wurden durch alten Betonwerkstein ersetzt. Hierfür musste dieser vorher gebrochen sowie gesiebt werden. Die entstandenen Korngrößen aus Altbeton konnten anschließend als Sand beziehungsweise Kies eingestuft werden. Mit dem Bau der Surfwelle wird zudem eine ungünstige Situation im Senkelbach entschärft. Zuvor konnten die teils unterspülten Querbalken an dieser Sohlschwelle zu lebensgefährlichen Situationen führen. Künftig wird der Bachlauf in diesem Segment durch eine ungefährliche Stufe aufgestaut. Auf acht Meter Breite wird das abfließende Wasser auf der Rampe eine fürs Surfen ausreichende Geschwindigkeit erreichen. Die gefährliche Deckwalze, in der Menschen oder Tiere hängen bleiben konnten, verschwindet dadurch.
So wird die Carbonbewehrung gefertigt
„Wir verwenden ‚PAN‘-Fasern – Kohlenstofffasern auf Basis Polyacrylnitril (PAN) – von verschiedenen Herstellern, die wir als Rohfaser auf Spulen beziehen. Bei uns in der Produktion werden diese Fasern zu Gitterstrukturen ‚gewirkt‘, das bedeutet, die Längs- und Querfäden werden an den Knotenpunkten mit einem Polyesterfaden über Knotenbildung fixiert. Dieses ‚Rohgewirke‘ wird mit einer wässrigen Dispersion auf Acrylatbasis getränkt. Dabei ist es sehr wichtig, eine komplette Tränkung zu erreichen, um alle 48.000 Einzelfasern eines Fadens zu aktivieren. Danach wird das so getränkte Produkt bei circa 160 Grad Celsius getrocknet und damit das gesamte Gelege schiebefest fixiert. Der große Vorteil unseres Systems ist, dass wir, nach unserem Kenntnisstand, das einzige Unternehmen sind, das sämtliche Produktionsabschnitte in einem Prozessdurchlauf auf einer Anlage durchführen kann. Dadurch werden Spannungsunterschiede vermieden und höchste Qualität erreicht“, erklärt Werner Sinz, Hitexbau.
Einstellbarer „Spoiler“ erzeugt Wellen
Konstruiert und hergestellt wurden für die Surfwelle gekrümmte und gerade Bauteile, die am Grund des Senkelbachs platziert und mit einer Stahlkonstruktion verankert wurden. Gerade Bauteile fungieren als Rampe für eine Art einstellbaren „Spoiler“, um unterschiedlich starke Wellen zu erzeugen. Weitere gerade Bauteile bilden Wände rechts und links der Sportanlage – zum einen uferseitig, zum anderen hin zum Bachlauf, der somit unter anderem als Fischtreppe dient. Die Sportnutzung wird ausschließlich innerhalb des Kanals stattfinden. Auch der Ausstieg aus dem Wasser – nach dem Abstieg vom Surfbrett – wird direkt zurück auf die Wellenanlage innerhalb des Senkelbachs führen.
Geschwungene Form – dank Carbon
Bei der Herstellung von Betonbauteilen gibt es seit einigen Jahren die Alternative, das mattenartige Gelege – die sogenannte Bewehrung – nicht aus Stahl, sondern aus Kohlenstofffasern wie Carbon zu fertigen. Die Bewehrung beim Carbonbeton besteht dabei aus einem technischen Textil, bei dem Carbonendlosfasern zu Garnen oder Stäben weiterverarbeitet sind. Vorteile von Carbon gegenüber Stahl sind unter anderem die höhere Zug- und Tragfähigkeit, die rostfreie Materialeigenschaft und die sehr gute Formbarkeit. Das Carbonbewehrungsmaterial besitzt eine Zugfestigkeit von circa 3.000 N/mm² und ist damit höher als die des üblichen Bewehrungsstahls (circa 550 N/mm²) – kurz gesagt: Die Carbonbewehrung ist damit etwa sechsmal tragfähiger als Stahl. Während Stahl korrodiert und daher durch eine mehrere Zentimeter dicke Betonschicht vor Korrosion geschützt werden muss, ist eine Carbonbewehrung rostfrei. In Kombination mit der hohen Tragfähigkeit ermöglicht damit Carbon eine gleiche Festigkeit mit weniger Beton, da wenig Überdeckung notwendig ist. Dadurch können filigranere und auch dünnwandige Betonelemente hergestellt werden, was im Vergleich zu Stahlbeton zu einer deutlich besseren CO2-Bilanz führt.
Generell kann Carbon als technisches Textil überall eingesetzt werden [1], wo:
- hohe Zugkräfte auftreten, Rissbildung minimiert werden soll,
- Rundungen erforderlich sind,
- schwierige, schwer zugängliche Baustellen bearbeitet werden,
- das Gewicht generell eine Rolle spielt,
- Verstärkung bei geringem Platzangebot notwendig ist.
INTERVIEW – Nachgefragt bei Prof. Dr.-Ing. Sergej Rempel, Experte für Carbonbeton an der Fakultät für Architektur und Bauwesen der Technischen Hochschule Augsburg (THA).
An Hochschulen wird studiert, geforscht und entwickelt. Inwiefern ist die Surfwelle ein Pilotprojekt für die Technische Hochschule Augsburg?
Prof. Dr.-Ing. Sergej Rempel: Neu daran ist, dass wir aufzeigen konnten, dass die Kombination aus Carbonbewehrung und Recyclingbeton funktioniert. Für die Bauwelt ist das zukunftsweisend. Was zur gelebten Praxis unserer Hochschule zählt, sind Transfer- und studentische Praxisprojekte wie das Projekt Surfwelle. Dabei entwickeln Studenten und Lehrende in enger Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern aus Wirtschaft und Gesellschaft Lösungen für zentrale Zukunftsfragen. Viele Studien- und Prüfungsordnungen der THA ermöglichen es uns Dozenten, eine praxisnahe und semesterweise wechselnde Aufgabenstellung zu formulieren sowie Praxispartner einzubinden. Die Studienarbeiten werden als Leistungsnachweis anerkannt. Auf mich kamen Alumni, die Mitglied im Verein Surffreunde Augsburg e. V. sind, zu. So entstand das Transferprojekt.
Was war aus Ihrer Sicht die Transferleistung?
Rempel: Indem alle Kooperationspartner ihre Expertisen aus Forschung und Praxis eingebracht haben. So konnten wir aus einem großen Wissenspool schöpfen – Bauingenieurwesen, aktuelle Forschungen zu Recyclingbeton und Carbonbewehrung, praxis-fachliche Expertisen in der Betonage und vor allem auch Kenntnisse und Erfahrungen aus dem Wassersport. Ziel war, die bestmögliche Lösung zu erzielen, nämlich eine nachhaltig aus Recycling-Carbonbeton konstruierte Surfwelle, die klimaneutral betrieben wird und sich für verschiedene Surf-Schwierigkeitsgrade eignet.
Was fasziniert Sie am Carbon-Recyclingbeton?
Rempel: Für mich als Bauingenieur ist Recyclingbeton mit der wichtigste Technikbeitrag zur Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit, den wir aktuell leisten können. Es ist ein zirkulärer Baustoff. Wir haben aus Bauschutt, der meist in großen Mengen immer noch auf der Deponie landet oder als Straßenunterbau genutzt wird, einen Gesteinszuschlag erzeugt, der zu hundert Prozent recycelt ist. Daraus haben wir die Surfwelle gebaut, die langlebig und klimafreundlich ist.
Und warum fiel die Wahl auf Carbon?
Rempel: Dank der Carbonbewehrung war es möglich, die geschwungene Form der Surfwelle zu erstellen. Mit herkömmlicher Stahlbewehrung ist das so nur schwer umsetzbar, denn Carbon lässt sich sehr gut formen. Zudem hat Carbon im Vergleich zu Stahl enorm gute Materialeigenschaften. Es ist rostfrei, sehr tragfähig. Und was viele nicht wissen, die ein Stück Carbongeflecht zum ersten Mal in der Hand halten, es ist extrem leicht. Mit der wichtigste Vorteil ist allerdings die Langlebigkeit von Carbon. So können wir Betonbauteile produzieren, die genauso lange halten wie die Pyramiden.
Wie verändert sich die „Bauwelt“ in Zukunft?
Rempel: Hinsichtlich Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Ressourcenschonung ist es bereits heute notwendig, in der Bauwelt Innovationen zu entwickeln. Die Einhaltung des 1,5-Grad-Ziels ist entscheidend, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren. Dabei ist es unerlässlich, die globalen Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Große Einsparpotenziale zeigen sich in der Bauindustrie, die für bis zu 40 Prozent des CO2-Ausstoßes verantwortlich ist. Insbesondere der Bereich des Stahlbetonbaus steht vor großen Herausforderungen, da er maßgeblich zur Reduzierung der Treibhausgase beitragen kann. Daher ist es äußerst wichtig, dass wir in diesem Bereich innovative Lösungen für die Bauwelt anbieten.
Welche Innovationsprozesse schlagen Sie vor?
Rempel: Wir sollten bei den Materialien starten und auf nachhaltige,
klimafreundliche und langlebige Stoffe setzen. Des Weiteren sollten wir das Material nur dort einsetzen, wo wir es für die Tragfähigkeit brauchen, um so Ressourcen einzusparen. Dabei werden uns digitale Prozesse helfen, zum Beispiel der 3D-Betondruck. Gleichzeitig werden wir dadurch das Problem des Fachkräftemangels auch ein Stück weit in den Griff bekommen. Wir beginnen an der THA schon heute, innovative Lösungen für die Bauwelt von morgen zu entwickeln. An unserer Fakultät für Architektur und Bauwesen, an unserem Institut für Holzbau und auch am TTZ, also am Technologietransferzentrum Digitales Planen und Fertigen im Bauwesen am THA-Standort Aichach.
Entstehen so wieder innovative Kooperationen?
Rempel: Ja, an die THA und an das TTZ in Aichach können sich interessierte Unternehmen aus der Bauwirtschaft und Handwerksbetriebe wenden, um sich für ihre realen Bedarfe im Massivbau und im digitalen Holzbau innovative Lösungen und auch passgenaue Weiterbildungen konzipieren zu lassen. Am TTZ entwickeln wir alternative Materialien im Betonbau und Produktionsmethoden im Massivbau. Beim digitalen Holzbau geht es um die Entwicklung automatisierter Fertigungsprozesse und digitaler Planungstools. Wir freuen uns jederzeit über Projektideen von interessierten Kooperationspartnern.
Kooperative Materialforschung
Sowohl bei der Auswahl und Fertigung der Bewehrung als auch bei den Betonagearbeiten haben die Forscher der Technischen Hochschule Augsburg sehr eng mit regionalen Firmen kooperiert und ihre Expertisen aus Wissenschaft und Praxis gebündelt. Die statischen Berechnungen erfolgten in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Demuth + Schön aus Augsburg. Eng eingebunden war auch Amelie Demuth, Alumna der THA. Parallel dazu entwarf und baute eine Gruppe von Studenten die gekrümmte Betonschalung. Für die Konstruktion und Fertigung der Bauteile fiel die Wahl auf eine Carbonbewehrung, für die die Firma Hitexbau die Gitterstruktur aus Carbon zur Verfügung stellte. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Herstellung textiler Bewehrungen aus Carbon, Basalt und Glas. Auf modernsten Anlagen werden große Volumen innovativer Produkte in einem kontinuierlichen Prozessdurchlauf in reproduzierbarer hoher Qualität produziert. „Textile Gitterstrukturen aus Carbon ersetzen oder ergänzen mittlerweile immer häufiger Stahl als Bewehrung im Beton. Durch den Einsatz von technischen Textilien wird Bauen innovativer, nachhaltiger und anders möglich. Die Carbonbewehrung war eine gute Wahl für die Surfwelle in Augsburg,“ erläutert Werner Sinz von Hitexbau.
Das Carbongitter wurde von den Studierenden zurechtgeschnitten, in Form gebracht und als Bewehrungskorb zusammengebunden. Dieser konnte anschließend in der Schalung millimetergenau positioniert werden; danach wurde der Recyclingbeton eingefüllt. Gegossen wurden die Betonteile bei Lauter Beton in Bobingen. Die Firma stellte neben dem Beton auch ihre hochmodern Umlauf-Fertigungsanlage zur Verfügung. „Die Surfwelle war eine Chance für die Firmen in der Region, ihre zukunftsweisenden Technologien in einem gemeinsamen Projekt umzusetzen. Die Kooperation mit der THA, unseren Partnerunternehmen und den Surffreunden hat so zu diversen Innovationen geführt und den bisherigen Erfolg möglich gemacht. Diese Bereitschaft zur Zusammenarbeit und Materialforschung sehen wir auch für die Zukunft als große Stärke des Wirtschaftsstandorts Augsburg“, sagt Maximilian Lauter, der an der THA studiert hat. Auch Dr. Peter Miehle vom Verein Surffreunde Augsburg verweist auf die kooperative praxis-fachliche und materielle Unterstützung: „Durch die Kooperation mit der Technischen Hochschule Augsburg und den örtlichen Baufirmen können wir urbanes Surfen auf ein neues Level heben: Nicht nur wird unsere Surfwelle durch die natürliche Wasserkraft vollkommen klimaneutral, also ohne CO2-Emissionen, laufen. Zudem konnten alle Bauteile mit maximaler Rücksicht auf Ressourcenschutz hergestellt werden. Die Technik-Expertisen und die zur Verfügung gestellten Materialien sind der Grundstein, auf dem unser Projekt steht.“
Der erste Bauabschnitt ist erfolgt
Die Betonfertigteile wurden in der ersten Bauphase im April 2023 im Senkelbach zusammengesetzt, ebenso wurden Stahlträger verbaut. Dies war nur während des regulären Frühjahrsbachablasses vom 14. bis 29. April 2023 möglich. Im Anschluss wurden die Betonfertigteile der Surfwelle geflutet. Bis zur Inbetriebnahme im Sommer 2024 werden über der Wasseroberfläche die Wellenmechanik, verschiedene Sicherheitsvorrichtungen wie beispielsweise Prallschutzzonen und Auffangvorrichtungen und die Aufenthaltsplattformen fertiggestellt.
Quelle: THA
Quellen
[1] https://www.frisiverto.cz/data/file/44.pdf
Kunststoffrecycling: Der große Überblick
Sie wollen alles zum Thema Kunststoffrecycling wissen? Klar ist, Nachhaltigkeit hört nicht beim eigentlichen Produkt auf: Es gilt Produkte entsprechend ihrer Materialausprägung wiederzuverwerten und Kreisläufe zu schließen. Doch welche Verfahren beim Recycling von Kunststoffen sind überhaupt im Einsatz? Gibt es Grenzen bei der Wiederverwertung? Und was ist eigentlich Down- und Upcycling? Alles was man dazu wissen sollte, erfahren Sie hier.
