Inhalt: Neubau eines Erdmagnetfeldsimulators in Lehmbek am Nord-Ostsee-Kanal
VeranlassungFür die Vermessung der magnetischen Signatur von hochgeschützten Marinefahrzeugen wie der U-Boot Klasse 212A oder Minensuchboote benötigt die Wehrtechnische Dienststelle (WTD) 71 in Lehmbek ein spezielles Messbauwerk. Hauptanforderungen an das Bauwerk sind die Simulation von Erdmagnetfeldern, die an frei wählbaren Orten auf der Erde vorliegen und magnetische Vermessung der Fahrzeuge in diesen simulierten Magnetfeldern. Dies ist zur Sicherstellung des magnetischen Eigenschutzes der Fahrzeuge gegen Seeminen notwendig.
Abb.1 Gesamtbauwerk
Im Borgstedter See am Nord-Ostsee-Kanal bei Rendsburg befindet sich ein Erdmagnetfeldsimulator, der in den 1960er Jahren errichtet wurde. Dieser Simulator genügt nicht mehr den heutigen Anforderungen hinsichtlich der Größe der zu vermessenden Fahrzeuge und der messtechnischen Eigenschaften. Außerdem hatte sowohl die Unterwasserkonstruktion aus Holz als auch die Überwasserkonstruktion aus Aluminium das Ende ihrer Lebensdauer erreicht. Aus diesem Grund wurde der Bau eines neuen Erdmagnetfeldsimulators notwendig.
Um die messtechnischen Anforderungen zu erfüllen, durften für den Bau nur amagnetische Baustoffe verwendet werden.
Bagger- und DeckwerksarbeitenFür den neuen Simulator wurde ein Becken mit einer Grundgröße von 40 m Breite und 120 m Länge hergestellt. Die erforderliche Beckentiefe beträgt NN - 11 m. Die oberen Bodenschichen bis NN + 0,5 m wurden als Trockenaushub gebaggert, die weiteren Mengen als Nassbaggerarbeit. Das Baggervolumen betrug insgesamt ca. 180000 m³. Hierin sind die Herstellung von Böschungsneigungen 1 : 3, ein Volumenzuschlag für die ca. 1 m starke Erosionssicherung sowie die Herstellung der notwendigen Zufahrtstiefe enthalten. Bei dem zu baggernden Sediment handelte es sich um Boden der Klassen I bis II. Das Sediment wurde mit Spülschuten zum Spülfeld Mittlere Gieselau am Nord-Ostsee-Kanal verbracht.
Abb.2 Lager des Erdmagnetfeldsimulators Lehmbek
Die Erosionssicherung wurde in der Regelbauweise nach dem Merkblatt „Anwendung von Regelbauweisen für Böschungs- und Sohlsicherungen an Wasserstraßen“ (MAR) hergestellt. Die Erosionssicherung besteht aus Wasserbausteinen der Klasse IV auf einer geotextilen Filterschicht. Wegen der erforderlichen amagnetischen Eigenschaft wurden natürliche Wasserbausteine verwendet. Das Uferdeckwerk wurde bis NN + 0,5 m, das heißt 0,5 m über Normalwasserstand, geführt. Das Deckwerk ist mit einem Colcrete-Vollverguss verklammert, da die zu vermessenden Einheiten unter Last (Fahrstufe 10 Kn) im Simulator liegen. Wellenbelastungen aus dem Schiffsverkehr auf dem Nord-Ostsee-Kanal sind zu vernachlässigen, da der Simulator durch die Rader Insel vom Kanal getrennt ist.
Abb.3 Baggerarbeiten zur Herstellung des Beckens und der Zufahrt
IngenieurbauwerkDas Gesamtbauwerk hat eine Länge von 113 m, eine Breite von 34 m und eine Höhe von 28 m über NN. Das Bauwerk besteht aus zwei Hauptelementen, die getrennt gegründet sind und auch sonst keine statisch wirksame Verbindung haben: als Tragsystem für die Spulenanlage die Rahmenkonstruktion sowie im Unterwasser-Bereich als Träger für die Sondenanlage der Sondentisch. Um die notwendige amagnetische Eigenschaft sicherzustellen, wurde das Bauwerk aus Holz errichtet, wobei Verbindungsmittel aus amagnetischem Stahl zu verwenden waren. Es hat sich gezeigt, dass eine konsequente Bauaufsicht, die neben den Stahlteilen auch die verwendeten Kleinteile (Scheiben, Muttern) und Schweißelektroden überwacht, notwendig ist. Problematisch ist allerdings, dass eine vollständige magnetische Analyse von Baustoffen nur im Labor möglich ist, was unter Berücksichtigung der betrieblichen und wirtschaftlichen Anforderungen der Baumaßnahme nur stichprobenartig oder bei Auffälligkeiten möglich ist. Auch auf ins Wasser gefallene Kleinstteile musste geachtet werden. Handelte es sich um Teile mit magnetischer Wirkung, wie zum Beispiel Sägeblätter, musste eine Bergung angeordnet werden.
Alle Gründungspfähle des Bauwerkes wurden aus Basralocus, einem aus Surinam zu beziehenden bohrmuschelresistenten Hartholz, hergestellt, um eine Schädigung durch Bohrmuschelbefall zu verhindern. Da die auf dem Weltmarkt verfügbare Kapazität an Basralocus begrenzt ist und für die Baumaßnahme erhebliche Mengen benötigt wurden, mussten die Liefertermine und der zeitliche Verlauf des Einbaues sorgfältig geplant werden.
Abb.4 Rammarbeiten
RahmenkonstruktionDie Rahmenkonstruktion dient als Träger für Spulen, die im Inneren des Simulators ein Magnetfeld erzeugen. Als Gründung für die Rahmenkonstruktion wurden Pfähle gerammt, die zu Dalben verzimmert wurden. Diese wurden als Bündeldalben aus Basralocus-Pfählen (40 cm x 40 cm und 50 cm x 50 cm) errichtet. Der Dalbenabbund wurde aus Bongossi-Holz hergestellt. Die seitliche Auskragung des Dalbenabbundes trägt einen Wartungssteg.
Abb.5 Dalbenabbund
Insgesamt wurden 14 Zweigelenkrahmen aus Brettschichtholz-Leimbindern (Fichte) errichtet. Die Querschnittsmaße der Leimbinder betragen 1,85 m x 0,36 m. Der Rahmen hat eine Stützweite von 26,75 m und eine Höhe von 28,05 m über Normalnull. Die Rahmenabstände betragen in den Endfeldern 12,2 m, ansonsten 8 m. Die Rahmenauflager wurden als Sonderanfertigungen aus amagnetischen Stahl (1.4571) ausgeführt. Die Rahmenecken wurden biegesteif nach den statischen Erfordernissen ausgeführt. Als Wetterschutz haben die Rahmen Abdeckungen aus Holzplatten erhalten. Windverbände in Form von überkreuz gespannten Edelstahlbändern wurden im zweiten, im siebten (das heißt im mittleren) und im zwölften (das heißt im vorletzten) Feld an beiden Seiten sowie in der oberen Horizontalebene angebracht. Druckriegel befinden sich zwischen den Stielen und den Bindern. Eine Außenverkleidung des Gesamtbauwerkes entfällt, da sie für die Funktion des Simulators nicht erforderlich ist, erhebliche Kosten verursacht hätte und erhöhte statische Anforderungen wegen der Windlasten verursacht hätte. Für den Nichtfachmann mag dadurch eventuell der Eindruck einer unfertigen Halle entstehen, wogegen der Fachmann das Bauwerk nach seiner Funktion beurteilt und daneben den ästhetischen Wert der klaren Gliederung zu würdigen weiß.
Abb.6 Rahmenauflager
Abb.7 Rahmenecke
Außer den Gründungspfählen für die Rahmenkonstruktion und für den Sondentisch wurden Schutzdalben gerammt, um das Bauwerk vor Belastungen aus Schiffsstößen zu schützen. Insgesamt sind für das Bauwerk ca. 850 Pfähle mit Längen zwischen 6,5 m und 22,5 m gerammt worden. Da bei den Rammarbeiten artesisch gespanntes Grundwasser angetroffen wurde, mussten entsprechende Abdichtungsmaßnahmen getroffen werden. Zwei Holzstege verbinden den Simulator mit dem Land, eine auf der westlichen und eine auf der östlichen Seite des Simulators.
SondentischDer Sondentisch liegt vollständig unter Wasser. Seine Abmessungen betragen 26 m x 120 m, und er ist auf Basralocus-Pfählen der Abmessungen 30 cm x 30 cm und 35 cm x 35 cm gegründet. An den Gründungspfählen sind Zangenhölzer befestigt, auf denen der aus Hartholz-Balken und Kunststoffplatten gebaute Sondentisch angeordnet ist. Der Sondentisch dient als oberes Widerlager der Sondenrohre, das heißt als Sicherung der Rohre gegen seitliches Ausweichen durch Strömungsdruck, temperaturbedingte Verformungen oder unbeabsichtigte mechanische Einwirkungen. Besondere Sorgfalt erforderte die exakte Positionierung und lotrechte Ausrichtung der Sondenrohre. Hierfür wurden zunächst Schutzrohre im Bohrverfahren gesetzt, in die die Sondenrohre eingestellt wurden. Als Sondervorschlag der ausführenden ARGE blieben die Schutzrohre als verlorener Baubehelf im Baugrund. Der Raum zwischen Schutzrohr und Sondenrohr wurde soweit mit Sand verfüllt, wie zur Einspannung der Sondenrohre im Untergrund statisch erforderlich ist. Die Positionierung der Bohrungen erfolgte mit einem von der ausführenden ARGE entwickelten, GPS-gestützten System. In den Sondenrohren befinden sich magnetische Messsonden. Der Sondentisch dienst außerdem als Träger für die Messkabel der Sonden.
Abb.8 Sondenrohr, Schutzrohr und Sondentisch
Abb.9 Einbau von Sondentischen (Vordergrund)
Bau des Wartungssteges (links)
Vorbereitung für das Errichten des ersten Rahmens (Hintergrund)
Abb.10 Errichtung der Rahmen
Die Rahmenkonstruktion dient als Träger für das Spulensystem. Mit den Spulen können frei wählbare Erdmagnetfelder simuliert werden. Das natürliche Erdmagnetfeld hat in Mitteleuropa eine Stärke von ca. 48000 Nanotesla (nT), wobei ca. 20000 nT in der horizontalen und ca. 44000 nT in der vertikalen Richtung auftreten. Global gesehen ist das Erdmagnetfeld sowohl was die Stärke betrifft als auch die Richtung veränderlich. Über längere Betrachtungszeiträume ist das Erdmagnetfeld außerdem zeitlich variabel.
Für die Erzeugung der Magnetfelder im Simulator gibt es drei getrennte Spulensysteme, von denen zwei zur Erzeugung horizontaler Magnetfelder dienen (eines in Richtung der Simulatorachse und eines quer dazu) sowie ein drittes zur Erzeugung eines vertikalen Magnetfeldes. Bestandteil der Baumaßnahme war auch die Bereitstellung der Stromversorgungseinheiten für die Spulen.
Abb.11 Prinzip der Spulen und Wirkungsrichtung der erzeugten Magnetfelder
Die zweite Hauptkomponente des Simulators sind die Messsonden, die sich in den Sondenrohren in zwei Ebenen unter der Wasseroberfläche befinden. Insgesamt sind mehrere hundert Sonden installiert, die den speziellen messtechnischen Anforderungen entsprechen. Die Messergebnisse laufen über Datenträger zum Mess- und Betriebsgebäude, in dem die Simulatorsteuerung und Messauswertung stattfindet. Für die Messauswertung wurde im Rahmen der Baumaßnahme eine spezielle Software entwickelt. Aufgrund der Anforderungen an die Genauigkeit der Messungen, der vorgegebenen Bandbreite des Messpektrums sowie der erforderlichen Stabilität der Werte über die Messdauer war die Entwicklung der Software eine der anspruchsvollsten Aufgaben innerhalb des Gesamtprojektes. Die Mess- und Auswertetechnik entspricht dem Stand der Wissenschaft und Forschung, und die Gesamtanlage ist weltweit einzigartig.
Abb.12 Simulatorbetrieb
Weitere Ausrüstung des SimulatorsFür die Unterbringung der mess- und betriebstechnischen Komponenten wurde ein Mess- und Betriebsgebäude als eingeschossiges Massivbauwerk errichtet.
Abb.13 Mess- und Betriebsgebäude
Die vorhandenen Infrastruktur wie Zufahrts- und Versorgungsstraßen wurden an den Simulatorstandort angepasst, beim Mess- und Betriebsgebäude wurden die notwendigen Parkplätzen für das Betriebs- und Wartungspersonal hergestellt. Der Simulator wurde mit vier Windenhäusern ausgestattet, in denen die Winden zum Verholen und Positionieren der Einheiten während der Vermessung untergebracht sind. Westlich des Simulators wurde ein ca. 130 m langer Anleger gebaut, an dem die zu vermessenden Einheiten während der Wartezeit liegen können und Ver- und Entsorgungsmöglichkeiten haben.
PlangenehmigungsverfahrenFür die Maßnahme war ein Plangenehmigungsverfahren nach § 14 WaStrG erforderlich. Aus Umweltschutzgründen wurde im Plangenehmigungsbeschluss festgelegt, dass die Nassbaggerarbeiten nur in den Monaten September bis April durchgeführt werden dürfen. Als Kompensationsmaßnahmen wurden unter anderem gemähte Grünflächen in Sukzessionsflächen umgewandelt, Gehölzflächen angelegt und Unterwasserbermen zur Ansiedlung von Röhricht angelegt.
Stand und AusblickFür die Maßnahme wurden bislang ca. 40,6 Mio. € investiert. Der Simulator wird inzwischen von der WTD 71 genutzt. Zur Verbesserung der Zufahrtsbedingungen wird derzeit eine Anpassung der Simulatorzufahrt geplant. Die Maßnahme wird ca. 107000 m3 Nassbaggerarbeiten umfassen. Weiterhin ist der vorhandene Altsimulator zurück zu bauen.