Bau- und umwelttechnische Aspekte von Offshore-Windenergieanlagen

Bearbeiter: PD Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz

Förderung durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Kooperation mit: Mitglied der Forschungsgruppe Gigawind an der Universität Hannover

Kurzbeschreibung des Projekts:

Das Institut befasst sich in der Forschungsgruppe Gigawind mit Fragen der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen. Eine wesentliche Zielsetzung der Forschungsgruppe Gigawind ist die Erarbeitung von praxisorientierten Lösungsansätzen für die Planung und Bemessung von Offshore-WEA. Dabei kommt der Bemessung der Gründung insofern eine besondere Bedeutung zu, weil deren Kosten unter den Randbedingungen der Refinanzierung investitionsentscheidend sein können. Zu den möglichen Gründungsarten haben wir z. B. in Lesny et al. (2002) und Richwien und Lesny (2004) Stellung genommen und generell kann festgestellt werden, dass der Schlüssel für eine wirtschaftliche Gründung die Wahl der optimalen Gründungsart ist. Dabei sind sowohl die konkreten Baugrundeigenschaften, vor allem aber auch Randbedingungen wie Wassertiefe, Entfernung des Standorts von geeigneten Hafenanlagen, Wetterbedingungen usw. entscheidend. Diesbezüglich kommt es also vor allem auf eine Abwägung verschiedener Planungsaspekte an, um schließlich eine unter den gegebenen Bedingungen gleichermaßen ausführungssichere und wirtschaftliche Lösung zu finden (Lesny et al. 2005).

Nachweiskonzept

Im Rahmen des Forschungsprojektes arbeiten wir an einem ingenieurpraktischen Nachweiskonzept für die Gründung einer Offshore-WEA. Wir favorisieren dabei eine zweistufige Strategie, um den komplexen Verhältnissen bei der Bauwerk-Baugrund-Interaktion gerecht zu werden. Dazu sind genaue Kenntnisse der auftretenden Belastungen sowie der Baugrundeigenschaften notwendig. Bisher haben wir unsere Untersuchungen auf den Monopile als Gründungsvariante fokussiert und die Möglichkeit der Übertragung von Standardbemessungsverfahren auf Monopile-Gründungen durch dreidimensionale numerische Simulationen untersucht (siehe Bild 1). Daraus wurde von Wiemann (2006) eine Erweiterung des Standardbemessungsverfahrens für Monopiles entwickelt, womit die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Anlage in einem ersten Schritt quasistatisch nachgewiesen werden kann.

 

Bild 1: Porenzahlverteilung bei horizontaler Belastung eines Monopiles

Bild 1: Porenzahlverteilung bei horizontaler Belastung eines Monopiles

Durch das Nachweiskonzept wird weiterhin das Tragverhalten unter zyklischer Belastung während des Betriebs abgedeckt. Dabei muss eine eventuelle Veränderung der Baugrundeigenschaften durch den hohen Anteil von nichtruhenden, stochastischen Einwirkungen quantifiziert werden. Diese zyklischen Lasten treten bei der Gründung einer Offshore-WEA unter Betriebsbedingungen bei einer angestrebten Lebensdauer von 50 Jahren ungefähr 150 Mio. mal auf. Da diese hohe Anzahl von Lastspielen weder numerisch noch physikalisch modelliert werden kann, muss das Baugrundverhalten über einen repräsentativen Zeitraum bekannt sein. Da das Nachweiskonzept auch in absehbarer Zeit nicht als geschlossene Lösung formuliert werden kann, beruht unsere Bemessungsstrategie derzeit auf einer Kombination von bodenmechanischen Elementversuchen und analytischen bzw. numerischen Berechnungsverfahren, in denen dieser repräsentative Zeitraum untersucht wird. In unserem bodenmechanischen Labor werden dafür die Bodenproben unter verschiedenen Randbedingungen in zyklischen Elementversuchen getestet. Dabei ermitteln wir für einen ausgewählten Boden das zyklische Belastungsverhältnis, bei dem eine stetige Akkumulation plastischer Dehnungen auszuschließen und eine Annäherung der Dehnungsrate gegen Null zu erwarten ist. In sogenannten Mehrstufenversuchen (Bild 2) repräsentieren wir verschiedene Lastniveaus, durch deren Variation die Belastungsgeschichte und damit das erreichbare zyklische Belastungsverhältnis beeinflusst wird. Bisher existieren allerdings noch keine verbindlichen Modelle für die Abbildung der Belastungsgeschichte. Das im Versuch ermittelte zyklische Belastungsverhältnis wird dann für die Berechnung der Gründung herangezogen. Dabei dürfen die im Berechnungsmodell auftretenden Spannungen unter der zyklischen Lasteinwirkung die im Elementversuch ermittelten nicht überschreiten.

 

Bild 2: Ergebnis eines zyklischen Triaxialversuchs

Bild 2: Ergebnis eines zyklischen Triaxialversuchs

Modellierung Bauwerk-Boden-Interaktion

Wir modellieren die Bauwerk-Boden-Interaktion in numerischen Simulationen u.a. durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode. Dabei ist es z.B. möglich, die Porenwasserdruckentwicklung am Pfahl genauer zu untersuchen. Es lässt sich zeigen, dass ein Porenwasserüberdruck bis zur Aufhebung der effektiven Spannungen in Einzelfällen auftreten kann. Dabei treten diese Liquefactioneffekte lokal begrenzt in definierten Zonen um den Pfahl herum auf (Bild 3). Ein Kollaps wird daher nicht erwartet, eventuell aber eine Reduzierung der Scherfestigkeit und damit eine Änderung der Bettungsbedingungen, die eine Zunahme der Verformungen zur Folge haben kann. Es handelt sich also um ein Gebrauchstauglichkeitsproblem.

Entscheidende Bedeutung bei der Vorhersage der Horizontalverschiebungen kommt der verwendeten Berechnungsmethode zu. Grundsätzlich sind numerische Lösungen bei solch komplexen Bauwerk-Boden-Interaktionen angebracht. Die Beschreibung der Wechselwirkung kann prinzipiell auf zwei Wegen geschehen:

1. Elementebene

Hierzu sind Stoffgesetze nötig, die eine Spannungs-Verformungsbeziehung definieren, mit denen das Systemverhalten z.B. in einer FE-Berechnung modelliert wird.

2. Systemebene

Mit Hilfe von Strukturmodellen werden die betreffenden Eigenschaften des Systems abgebildet und zur Berechnung der Verschiebungen herangezogen (p-y-Methode, Strain-Wedge-Modell bei Pfahlberechnung). Es werden funktionale Zusammenhänge speziell zwischen Systemverhalten und Belastung definiert.

Bei Berechnung einer Offshore-Gründung mit der FE-Methode stößt man allerdings schnell an die Grenzen der Rechenkapazität, da sehr große Zyklenzahlen untersucht werden müssen und klassische Stoffgesetze aus der Werkstoffmechanik inkrementell formuliert sind (Bild 4). Ebenso stellt bei der Anwendung von Modellen auf Systemebene die große Zyklenzahl ein Problem dar. Lösungsmöglichkeiten sind explizite Stoffgesetze auf Elementebene oder aber die o.a. expliziten Methoden auf Systemebene, bei denen eine akkumulierte Verschiebung für eine beliebige Zyklenzahl direkt ausgerechnet wird.
Aus mathematischer Sicht werden bei allen expliziten Verfahren logarithmische, doppeltlogarithmische oder exponentielle Ansätze gewählt, um die Zyklenzahl unter Beachtung der Randbedingungen mit den akkumulierten plastischen Verformungen zu verknüpfen. In jedem Falle muss aber, solange kein geeigneter Ansatz für das Stoffgesetz oder das Systemverhalten zugrunde liegt, auf Beobachtungen an einem Experiment oder an einer realen Struktur zurückgegriffen werden, denn die expliziten Verfahren sind immer halbempirisch oder empirisch. Damit wird es erforderlich, Übertragungsmöglichkeiten für die in zyklischen Elementversuchen gewonnenen Ergebnisse auf das Systemverhalten der Gründung bereitzustellen. Zur Zeit arbeiten wir daran, die maßgebenden Parameter zu quantifizieren, um aus dem Elementverhalten auf das Strukturverhalten schließen zu können.

Bild 3: Porenwasserdruckverteilung unter horizontaler Pfahlbeanspruchung      Bild 4: berechneter Spannungs-Dehnungs-Verlauf eines zyklischen Triaxialversuchs

Bild 3: Porenwasserdruckverteilung unter horizontaler Pfahlbeanspruchung

Bild 4: berechneter Spannungs-Dehnungs-Verlauf eines zyklischen Triaxialversuchs

Insbesondere zur Erhebung der Umweltrandbedingungen an den jeweiligen Windparkstandorten werden momentan in verschiedenen Windparks in Nord- und Ostsee Messeinrichtungen gebaut bzw. sind bereits in Betrieb. Mit diesen Messmasten werden i.d.R. auch Messungen der Strukturbelastung und des Strukturverhaltens durchgeführt. So werten wir im Rahmen des Forschungsprojekts Gigawind+ Daten des Messmastes Amrumbank-West hinsichtlich des Tragverhaltens der Monopilegründung aus. Die verfügbaren Messergebnisse werden momentan hinsichtlich der Verschiebungen und des Bettungsverhaltens des Monopiles analysiert. Die Ergebnisse des Messpfahles können in begrenztem Umfang für die Beurteilung der Gründung einer Offshore-Windenergieanlage mit größeren Dimensionen herangezogen werden. An einer genauen Beurteilung arbeiten wir momentan.

 Veröffentlichungen:

Lesny, K.; Funke, G.; Jakubiec, K.(2005):
Saugrohrgründungen für Offshore-Windenergieanlagen, dargestellt am Beispiel der Hexafix-Gründungsstrebenstruktur. In: Tagungsband zum HTG-Kongress 2005, Bremen, S. 285-296

Lesny, K.; Richwien, W. (2005):
Bemessung von Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen. In: Tagungsband zum HTG-Kongress 2005, Bremen, S. 253-264

Lesny, K.; Wiemann, J. (2005):
Design aspects of monopiles in German offshore wind farms. In: Proc. of the Int. Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics (ISFOG 2005), Perth, Australien, S. 383-389

 Lesny, K.; Wiemann, J.; Richwien, W. (2005): Bemessung der Gründung von Offshore-WEA. In: Dokumentation zum 4. Symposium Offshore-Windenergie, Bau- und umwelttechnische Aspekte, 27.September 2005, Hannover

Richwien, W.; Lesny, K.; Hinz, P. (2005):
Validierung bautechnischer Bemessungsmethoden für Offshore-Windenergieanlagen, Forschungsprojekt GIGAWIND plus , Jahresbericht 2004, Kapitel Tragstruktur - Gründung

Richwien, W.; Lesny, K. (2004):
Kann man Kolke an Offshore-Windenergieanlagen berechnen? In: Beiträge zum BAW-Workshop "Boden- und Sohl-Stabilität - Betrachtungen an der Schnittstelle zwischen Geotechnik und Wasserbau", Karlsruhe, S. 6-1 - 6-8

Richwien, W.; Lesny, K. (2004):
Windfarmen in der Nordsee. In: Ingenieurwissenschaft - Essener Unikate 23 (2004), S. 60-69

Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2004):
Bau- und umwelttechnische Aspekte von Offshore Windenergieanlagen, Forschungsprojekt GIGAWIND, Abschlussbericht 2000 - 2003

Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2004):
Bau- und umwelttechnische Aspekte von Offshore Windenergieanlagen, Forschungsprojekt GIGAWIND, Jahresbericht 2003, Kapitel Baugrund und Tragstruktur - Gründung

Wiemann, J. (2004):
Zur Anwendbarkeit von Standardverfahren zur Bemessung von Pfählen für Offshore-Windenergieanlagen. In: 28. Baugrundtagung Leipzig, Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure", Leipzig 2004, S. 44-45

Wiemann, J.; Lesny, K. (2004):
Untersuchungen zur Bemessung von Pfahlgründungen für Offshore-Windenergieanlagen. In: Beiträge zur 16. Deutschsprachigen ABAQUS-Benutzerkonferenz, Königswinter

Wiemann, J.; Lesny, K.; Richwien, W. (2004):
Evaluation of Pile Diameter Effects on Soil Pile Stiffness. In: Dokumentation der 7th German Wind Energy Conference DEWEK, Wilhelmshaven, 2004

Wiemann, J.; Lesny, K.; Richwien, W. (2004):
Anwendbarkeit von Standardverfahren zur Bemessung von Pfahlgründungen für Offshore-WEA. In: Dokumentation zum 3. Symposium Offshore-Windenergie Bau- und umwelttechnische Aspekte, 16. März 2004, Hannover

Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2003):
Bau- und umwelttechnische Aspekte von Off-shore Windenergieanlagen, Forschungsprojekt GIGAWIND, Jahresbericht 2003, Kapitel Baugrund und Tragstruktur - Gründung

Richwien, W.; Lesny, K. (2003):
Risikobewertung als Schlüssel des Sicherheitskonzepts - Ein probabilistisches Nachweiskonzept für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen. In: Erneuerbare Energien 13 (2003), Heft 2, S. 30-35

Lesny, K.; Richwien, W.; Wieman, J. (2002):
Gründungstechnische Randbedingungen für den Bau von Offshore-Windenergieanlagen in der Deutschen Bucht. In: Bauingenieur 77 (2002), S. 431-483

Richwien, W.; Lesny, K.; Wieman, J. (2002):
Nachweise und Sicherheitskonzepte für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen in der Deutschen Bucht. In: Dokumentation zum 2. Symposium Offshore-Windenergie, Bau- und umwelttechnische Aspekte, Hannover

Wiemann, J. (2002):
Gründungskonzepte zur Errichtung von Offshore-Windparks. In: 27. Baugrundtagung Mainz, Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure", Mainz 2002, S. 61

Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2001):
Gründungskonzepte für Offshore-WEA. Symposium Offshore-Windenergie, Bau- und umwelttechnische Aspekte, 25.06 2001, Hannover

Lesny, K.; Perau, E.; Richwien, W.; Wang, Z. (2000):
Some Aspects on Subsoil Failure of Vertical Breakwaters. In: Forschungsbericht aus dem Fachbereich Bauwesen an der Universität Essen, Heft 83

Literatur:

McClelland, B.; Reifel, M. D. (1986):
Planning and Design of Fixed Offshore Platforms, Van Nostrand Inc., New York

Wang, Z. (2000):
Behaviour of Soils and Foundation Structures under Cyclic Loads. In: Mitteilungen aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik der Universität Essen, Heft 25, Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf, Essen