Technischer Bericht

10. Deutsche Betonkanu-Regatta
Technischer Bericht
Burgdorf, April 2005
Juni 2005 Heidelberg
Kanuten Christoph Eggimann
Jukka Etter
Philippe Karli
Thomas Kämpfer
Marius Mühlethaler
Markus Walter
Dozenten Dr. Hans Hausammann
Dr. Reinhard Müller

10. Deutsche Betonkanu-Regatta 2005 in Heidelberg
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis......................................................................................................................I
1. Einführung........................................................................................................................1
2. AVOR (Arbeitsvorbereitung) ............................................................................................1
3. Formgebung.....................................................................................................................2
3.1. Unser Bootstyp .......................................................................................................2
3.2. Das Design .............................................................................................................2
3.3. Längen / Breitenverhältnis ......................................................................................3
3.4. Querschnittsgeometrie............................................................................................4
3.5. Längsschnittgeometrie............................................................................................4
3.6. Beton- Raumgewicht ..............................................................................................5
3.7. Endgültige Form .....................................................................................................5
4. Betonrezeptur ..................................................................................................................6
4.1. Beton ......................................................................................................................6
4.2. Bewehrung..............................................................................................................6
4.3. Anforderung und Veranlagung des Verbunds ........................................................7
4.4. Nachbehandlung.....................................................................................................7
5. Schalungskonzept............................................................................................................8
5.1. Schalungstyp ..........................................................................................................8
5.2. Trennmittel..............................................................................................................8
5.3. Ausschalungskonzept.............................................................................................9
6. Materialliste......................................................................................................................9
7. Auftriebsberechnung für Betonboote .............................................................................10
Anhang A Prüfungsprotokoll
Anhang B Fotodokumentation
- I - 15.06.2005

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1. Einführung
Unsere Schule hat die Ehre, sich als Teilnehmer an der diesjährigen Betonkanu-Regatta in
Heidelberg aktiv zu beteiligen. Die Regatta ist ein internationaler Wettbewerb zwischen
Fachhochschulen. Geprüft werden dabei verschiedenste Kriterien. Die Juroren beurteilen
beispielsweise den technischen Bericht und die Ausführung des Bootsbaus. Nebst vielen
weiteren Bewertungen steht schliesslich der sportliche Test an. Ein Kanu-Team aus jeweils
zwei Studenten muss ihr Boot unbeschadet und möglichst ohne zu kentern von Start- zu
Zielpunkt rudern. Unsere Schule wird durch sechs Ingenieurstudenten vertreten. Ihre Aufgabe
solide zu lösen und dabei Erkenntnisse in unbekannten Disziplinen zu gewinnen wird genauso
ihr Bestreben sein, wie das ehrenhafte Privileg, unsere Schule erfolgreich zu vertreten.
Heidelberg wir kommen…
2. AVOR (Arbeitsvorbereitung)
Verschiedene Problemstellungen müssen gründlich untersucht werden.
Um einigermassen geordnet vorzugehen, treffen wir zuerst Arbeitsvorbereitungen. Sie ermöglichen
ein strukturiertes Vorgehen und verhindern Überschneidungen von indifferenten
Arbeitsbereichen. Ausserdem halten wir uns an einen eigens zusammengestellten Zeitplan.
Wir unterteilen folgende Arbeitsbereiche:
Abb. 1: Arbeitsaufteilung
mit einem Studenten.
Formgebung Betonrezeptur/
Bewehrungsart
Schalungskonzept
Betonkanu
Jeden dieser Verantwortlichkeitsbereiche besetzen wir
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Marketing
& Organisation
Doku
& Re

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3. Formgebung
Die Form des Betonkanus wir an einem CAD- Programm entwickelt. Sie ist richtungweisend
für jeden weiteren Arbeitsprozess. Der Knackpunkt lag bei der Wahl der Bootscharakteristik.
Soll unser Boot möglichst schnell sein, oder aber wendig, oder sollen wir nach einem Kompromiss
zeichnen. Wir haben uns nach Gesprächen mit ehemaligen Teilnehmern entschlossen,
ein eher schnelles Boot zu konstruieren.
3.1. Unser Bootstyp
In der Natur kennen wir verschieden Bewegungen in, bzw. auf dem Wasser. Es sind dies
entweder schwimmende Taucher, Gleiter oder Verdränger. Als Assoziation von Natur zu
Technik vergleichen wir Taucher mit U- Boot, Gleiter mit Highspeed- Boot und Verdränger
mit Ruderboot oder Kanu. Um Gleiten von Verdrängen zu unterscheiden, sind die Länge der
am Bug entstehenden Welle und die Bootslänge entscheidend. Ihre Verhältniszahl ist vergleichbar
mit der Froud`schen Zahl.
Ist das Verhältnis lwelle/lboot ≤ 1.00 spricht man von Verdrängung.
Abb. 2: Wellenverhalten des Verdrängungstypen
Das am Bug verdrängte Wasser fliesst in der Nähe des Hecks wieder zusammen. Unser Betonkanu
widerspiegelt also den Verdrängungstypen.
3.2. Das Design
Bootslänge
Wellenlänge
Verschiedene Designelemente verleihen dem Boot letztlich seinen Charakter. Schnelligkeit,
Wendigkeit und Spurtreue sind mitunter wichtige Eigenschaften. Da sich aber diese Kriterien
zum Teil widersprechen, müssen Kompromisse eingegangen werden. Dem Schwerpunkt der
Verwendung folgen untergeordnete Merkmale. Sie alle werden in Abhängigkeit der geometrischen
Ausmasse optimiert.
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Entscheidend sind also:
- Längen/ Breitenverhältnis (Schlankheit)
- Querschnittsgeometrie (Rumpf)
- Längsschnittgeometrie
In der folgenden rudimentären Grafik haben wir versucht, die charakteristischen Attribute der
geometrischen Beschaffenheit gegenüber zu stellen.
klein
Längen/ Breitenverhältnis
U-Querschnitt
V-Querschnitt
Charakteristik Schnelligkeit Manövrierbarkeit Spurtreue
gross
Längsgeometrie mit Verjüngung
Längsgeometrie ohne Verjüngung
Stoffraumgewicht
Abb. 3: Auswirkungen der Bootscharakteristik
Aufgrund verschiedener Empfehlungen von Modellbauern, Kanu- Vereinen und der bisherigen
Erfahrungswerte unserer Schule entscheiden wir uns für ein möglichst schnelles Boot.
Natürlich entstehen dadurch Einbussen bei der Wenigkeit und Manövrierbarkeit des Gefährts.
3.3. Längen / Breitenverhältnis
Bei unseren Untersuchungen bezüglich des Längen/ Breitenverhältnis haben wir mehrfach
eine Analogie zwischen einem Kanuboot und einem Ski feststellen können. So lässt sich
beispielsweise ein schlankes, langes Boot mit einem Abfahrtsski vergleichen. Seine Schnel-
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ligkeit hat das Kanu dem schlanken Querschnitt und der ruhigen Lage während dem Gleiten
zu verdanken.
Ein breiter Schiffsquerschnitt hingegen ähnelt in seinem Verhalten einem taillierten Slalomski.
Das Kanu wird zwar manövrierfähiger, wirkt aber unstabil und langsam, da es auf den
Wellengang stärker reagiert. Die Schlankheit spielt hierbei also eine zentrale Rolle. Wir achten
deswegen auf eine möglichst grosse l/b- Verhältniszahl innerhalb der bedingten Grenzwerte:
min. max.
Länge 4.00m 6.00m
Breite 0.70m 1.00m
l/b- Verhältniszahl 4.00 ≤ l/b ≤ 8.57
Unser Spielraum ist begrenzt auf obgenannte Zahlen.
3.4. Querschnittsgeometrie
Der Rumpf soll, nach unseren vorangegangenen Aussagen möglichst schlank ausfallen. Die
Form ist theoretisch beliebig wählbar. Statisch gesehen sind gewölbte Schnitte sicherlich von
Vorteil. Ausführtechnisch und dynamisch wäre aber ein V- Design vorzuziehen. Wir treffen
einen Kompromiss und lassen das Boot am unteren Ende gegen einen Kiel laufen. Wir versprechen
uns dadurch ein hohes dynamisches Verhalten. Um den Zugkräfte denkbar günstig
zu trotzen, wölben wir unseren Querschnitt leicht an und lassen ihn dann gegen oben senkrecht
zur Wasserlinie gehen. Diese Massnahme erleichtert uns das Aufbringen des Mörtels
wesentlich.
Abb. 4: Verschiedene Querschnittsgeometrien im Vorversuch
3.5. Längsschnittgeometrie
Wie bereits erläutert, soll unser Boot in seinem Verhalten einem Abfahrtsski gleich kommen.
Zu einem schlanken Rumpf gehört ein langer Längsschnitt. Bei der Entscheidung über die
Länge unseres Boots halfen uns wiederum die Kanufahrer.
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Wir treffen eine Annahme von 5.20m. Eine gerade Kiellinie verspricht zwar mehr Spurtreue,
die Wendigkeit jedoch wird reduziert. Wir entschliessen uns erneut zu einer Übereinkunft.
Die Verjüngung gegen Bug und Heck beträgt beidseitig 5cm.
Abb. 5: Definitive Längsschnitt- und Querschnittgeometrie
3.6. Beton- Raumgewicht
Es ist selbstredend, dass das Gewicht des Bootes ein wichtiger Faktor bei Geschwindigkeit
und Trägheit mitspielt. Beeinflusst wir das Gewicht durch die Zusammensetzung der Betonrezeptur,
auf die wir im nächsten Kapitel eingehen werden.
3.7. Endgültige Form
Abb. 6: CAD Form im vergleich zum betonierten Kanu
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4. Betonrezeptur
Der endgültigen Betonrezeptur sind etliche Tests und Endtäuschungen vorausgegangen. Wir
haben es dennoch geschafft, in Abhängigkeit der bestimmten Richtlinien und mit Hilfe von
erfahrenen Experten und der Schweizer Norm SN EN 206-1: 2000 eine Betonrezeptur zusammenzustellen.
Worauf wir dabei geachtet haben, wird Ihnen folgend aufgezeigt.
4.1. Beton
Nach eingehenden Gesprächen mit verschiedenen Beton- Technologen und anhand unserer
fachlichen Kenntnisse haben wir begonnen, möglichst variantenreiche Betonrezepturen zu
mischen. Bald haben wir festgestellt, dass einige Mischungen zwar optimale Laborwerte ergaben,
dafür aber bei der praktischen Nutzbarmachung unbefriedigende Eigenschaften aufwiesen.
Wir mussten also einen Beton kreieren, dessen Verarbeitbarkeit genauso viel versprechende
Resultate aufweist wie die chemische und physikalische Beschaffenheit. Geprüft
haben wir unsere Rezepturen auf Druck und Zug.
Schliesslich haben wir bewehrte Prüfplatten auf deren Biegezugwiderstand getestet. Die Resultate
des Testsiegers 2000-3 sind im Anhang A aufgelistet.
4.2. Bewehrung
Unser Beton soll mit drei Armierungslagen verstärkt werden.
Sie werden die entstehenden Biegezugkräfte aufnehmen und
den Beton so möglichst gut entlasten. Wir haben uns entschieden,
Glasfasernetze dafür zu verwenden. Sie sind bereits
in geringer Materialdicke sehr widerstandsfähig und wiesen
eine kleine Rohdichte auf. Um einer allfälligen Korrosion
vorzukommen, werden sie mit einer Polyethylenbeschichtung
überzogen. Sie werden vor allem bei sonnenseitigen Fassaden
als Gipsernetze für Aussenputze verwendet.
Abb. 7: Glasfasernetz im Zugversuch
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4.3. Anforderung und Veranlagung des Verbunds
Die zwei wichtigsten anzustrebenden Ziele sind zum einen eine hohe Biegezugfestigkeit,
zum andern ein geringes Raumgewicht des Verbunds. Ausserdem sind zum Beispiel die
Konsistenz des Betons, der E- Modul des Verbunds oder die Nachbehandlung des betonierten
Kanus essenzielle Aspekte.
Um eine hohe Biegezugfestigkeit des Verbunds zu erreichen, muss eine optimale Verbindung
zwischen Armierung und Beton erreicht werden. Die Viskosität des Betons stand dabei
zentral. Verschiedene Betonzusatzmittel sind zur Auswahl gestanden.
Um ein geringes Raumgewicht zu erzielen, haben wir uns zuerst die Frage gestellt, welche
Komponenten den Beton schwer machen. Danach haben wir nach Ersatzstoffen und/ oder
Kompromissen gesucht. Dabei zur Seite standen und Dr. Reinhard Müller, ehemaliger FH-
Dozent für Betontechnologie, und Dr. Jean- Paul Jaccoud von der ETH Zürich. Zahlreiche
Tests haben uns schliesslich zu einer optimalen Betonrezeptur geführt, siehe Tabelle 1.
Material Gewicht [kg] [kg/m3] Volumen in [l] des Boots Total [kg]
Wasser 300.00 1000 21.000 21.00
Zement 500.00 3120 11.218 35.00
Micro-Ballons 12% 60.00 210 20.000 4.20
Kohlefasern 0.5% 2.50 200 0.875 0.18
Sand 627.00 2650 16.562 43.89
SikaFume 5% 25.00 2200 0.795 1.75
Verflüssiger 1.2% 6.00 1100 0.382 0.42
Total 1520.500 70.832 106.44
w/z = 0.6
Tab. 1: Endgültige Betonrezeptur
4.4. Nachbehandlung
Für hohe Dauerhaftigkeit muss unser Beton nicht nur fest, sondern, speziell im oberflächennahen
Bereich auch dicht sein. Je geringer die Porosität und je dichter der Zementstein, desto
höher ist auch der Widerstand gegen äussere Einflüsse. Vor allem gegen vorzeitige Austrocknung,
Erschütterung und frühzeitige mechanische Beanspruchung müssen Massnahmen
getroffen werden.
Die Folgen von zu frühem Wasserverlust sind unter anderem eine geringe Festigkeit des oberflächennahen
Bereichs, Entstehung von Frühschwindrissen und grössere Wasserdurchlässigkeit.
Wir haben deshalb immer wieder Zeitungen in warmes Wasser getaucht und sie auf die Oberfläche
aufgetragen. Des weitern decken wir das Boot mit Folie, die wir nur bei erneutem
Besprühen mit Wasser entfernen.
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5. Schalungskonzept
Anhand der eher schlechten Erfahrungen unsere Vorgänger haben wir auf die konventionelle
Holzschalung verzichtet und stattdessen nach einem neuen Konzept gesucht.
Wir haben uns entschieden eine Schalung zu konstruieren, die das Kanu während des
Transports nach Heidelberg zusätzlich bestmöglich schützen soll. Eine Negativform aus Styropor
soll diese Mehrzweckschalung ausbilden. Während der Aushärtungsphase wird unser
Boot entsprechend den normierten Empfehlungen nachbehandelt.
Wie wir dabei vorgegangen sind und auf welche Schwierigkeiten wir gestossen sind, erläutern
wir in diesem Kapitel.
5.1. Schalungstyp
Um das Betonkanu unbeschadet nach Heidelberg
zu transportieren, einigen wir uns auf eine Negativschalung.
Der Beton wird also in eine Form eingebracht,
bei der die Schalung die umhüllende bildet.
Als Material untersuchen wir vorab verschiedene
Isolationsplatten. Am Ende dieser Vorversuche
steht die Styroporplatte vorwiegend aus wirtschaftlichen
Gründen als Testsieger fest. Die im
CAD- Programm entwickelte Querschnittsform wir
in 0.10m breite Lamellen zerlegt und ausgeschnitten.
Die zugeschnittenen Platten werden dann
längs halbiert, um dem Beton beim Ausschalen
keine zusätzlichen Spannungen aufzuzwingen. Ei-
Abb. 8: Styroporschalung Bug
ne Holzkiste bildet die Umrahmung und versteift
die ca. 5.50m lange und 1.00m breite Styropor- Box. Um eine Verschiebung während der
Festigkeitsentwicklung zu vermeiden, spannen wir die aneinander gereihten Platten vor. Anschliessend
haben wir während mehrerer Tage Schichten von Epoxid-Harz aufgetragen, um
die Oberfläche zu härten.
5.2. Trennmittel
Die Oberfläche des Styropors ist nach dem Schleifen rau und uneben. Deshalb muss ein geeignetes
Trennmittel gefunden werden, welches eine Verbindung zwischen Beton und Scha-
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lungsmaterial verhindert und die Unebenheiten
ausgleicht. Unsere Vorversuche im
Labor haben uns schnell in die Richtung
des modernen Model- Leichtbaus gewiesen.
Verschiedene Glasgewebe haben zwar die
Unebenheiten ausgeglichen, waren aber
unter dem Mikroskop betrachtet dennoch zu
wenig glatt. Also haben wir dünne, selbstklebende
Polyethylenfolien auf das Styropor
aufgetragen und sie mit einem Heissluft-
Gebläse verschweisst.
5.3. Ausschalungskonzept
Nach ungefähr vier Wochen und der entsprechenden Nachbehandlung wird unser Boot ausgeschalt.
Zuerst wird der Holzrahmen längs- und stirnseitig entfernt. Anschliessend werden
die Styroporplatten auf den Seiten herausgezogen. Das Schalungsmaterial soll dabei nicht
verletzt werden, damit die gesamte Box erneut zusammen gestellt werden kann, um das Kanu
zu verschiedenen Öffentlichkeitsauftritten, und im Juni endlich nach Heidelberg zu bringen.
6. Materialliste
Material Anzahl
Styropor 2.7 m 3
Holzplatten 12 m 2
Folie 6 m 2
Epoxitharz 3 kg
Wachs 0.5 kg
Glasfasernetz 20 m 2
Styropor 0.15 m 3
Bewehrung
Auftriebskörper
Beton s. Art. 4.3 Beton
Tab. 2: Materialliste
Abb. 9: Aufschweissen der PE Folie
Schalung
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7. Auftriebsberechnung für Betonboote
1. Forderung laut Ausschreibung:
Der Auftrieb soll das Eigengewicht des Kanus um mindestens 1000 N ( ≅ 100 kg) übersteigen.
mit F Sicherheit = 1000 N
F Auftriebskraft ≥ F Gewichtskraft Kanu + F Sicherheit [N]
F Auftriebskraft ≥ 491 N + 1000 N= 1491 N
2. Der Auftrieb bestimmt sich aus dem Volumen des verdrängten Wassers
Mit
F Auftriebskraft = ρ x g x V [N]
ρ = Dichte des Wassers = 1000 kg/m³
g = Fallbeschleunigung = 9,81 m/s²
V = Volumen des eingetauchten Körpers in m³
3. Das erforderliche Volumen für die Auftriebskörper bestimmt sich aus der
zweiten Formel:
V erforderlich = F Auftriebskraft/(ρ x g) [m³]
V erforderlich = 1491 / (1 x 9,81) = 0.15 m³
Bootsgewicht (unter Wasser): 50 kg = 491 N
Gewähltes Material für die Auftriebskörper: Styropor
Befestigung der Auftriebskörper: Zwei Auftriebskörper von je 0.075 m3 werden im vorderen
und hinteren Hohlkörper des Boots eingeklemmt.
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