Anwendungshinweise für den Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen des BSH (aktualisierte Fassung)*

Transkript

1 Anwendungshinweise für den Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen des BSH (aktualisierte Fassung)* *Die Aktualisierung trägt der Tatsache Rechnung, dass mittlerweile die EA Pfähle in ihrer 2. Auflage (2012) veröffentlicht ist. Geotechnische Sicherheitsnachweise für Gründungselemente Normenhierarchie, zyklische Einwirkungen, dynamische Pfahlprobebelastungen 1. Anlass und Zweck Bei zyklischen Einwirkungen auf Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen ist gegenüber ruhenden sowie veränderlichen Einwirkungen mit einem stark veränderten Gründungstragverhalten zu rechnen. Für den Entwurf zyklisch beanspruchter Gründungselemente existieren noch keine allgemein anerkannten oder hinreichend validierten Berechnungsmodelle. Deshalb enthalten die durch den Standard Konstruktive Ausführung von Offshore- Windenergieanlagen (kurz: Standard Konstruktion) vorgegebenen Regelwerke dazu keine einheitlichen Regelungen. In den bisherigen Genehmigungsverfahren des BSH hat sich deshalb ein unterschiedlicher Umgang der Antragsteller mit dieser Problematik gezeigt. Parallel dazu hat die Wissenschaft erste Untersuchungen und Ergebnisse zur Berücksichtigung dieses Einflusses beim Entwurf der Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen veröffentlicht. Im Zuge der europäischen Harmonisierung wurden die technischen Regeln für Sicherheitsnachweise in der Geotechnik neu gefasst. Die derzeit für Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau bauaufsichtlich eingeführte DIN 1054: ist nach Vorgabe der EU national vom Deutschen Institut für Normung (DIN) zum Jahresende 2010 zurückgezogen worden. Unabhängig davon bleibt die DIN 1054: aber national bis voraussichtlich bauaufsichtlich in den Bundesländern eingeführt. Die europäisch vorgegebenen Eurocodes inklusive der Nationalen Anhänge sind zwischenzeitlich fast alle mit Ausgabedatum oder früher vom DIN als DIN EN veröffentlicht worden. Für den Entwurf, die Berechnung und Bemessung in der Geotechnik gilt in Zukunft europäisch und national in Deutschland DIN EN : (Eurocode EC 7-1) in Ver- 1

2 bindung mit der DIN 1054: sowie der DIN EN /NA: In DIN 1054: wird für weitergehende Regelungen beim Entwurf von Pfahlgründungen auf die Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle (EA-Pfähle) verwiesen. Die 2. Auflage der EA- Pfähle behandelt in Kapitel 13 ( Tragverhalten und Nachweise für Pfähle unter zyklischen, dynamischen und stoßartigen Einwirkungen ) damit auch den für die Gründung von Offshore-WEA wichtigen äußeren Pfahlwiderstand und die damit einzuhaltenden Nachweisformen unter zyklischen Einwirkungen. Weiterhin wird derzeit eine Neuauflage und Erweiterung der Richtlinie Baugrunddynamik des AK1.4 vorbereitet, die Hinweise zur Berücksichtigung von zyklischen Einflüssen bei Flachgründungen enthält. Nach den genannten Regelwerken wird der Nachweis der äußeren axialen Tragfähigkeit von Gründungspfählen auf der Grundlage der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen geführt. Zur Anwendung dieses Verfahrens werden hier Hinweise und Empfehlungen gegeben. Die angesprochenen Regelungen werden für die Anwendung in der AWZ durch nachfolgende Anwendungshinweise in das Nachweisverfahren gemäß dem Standard Konstruktion integriert. Sie stellen damit ab sofort den aktuellen und zukunftsorientierten Handlungsrahmen für Vorplanungen sowie für Planungen und Prüfungen in laufenden Antragsverfahren dar. Ausgehend von den Ergebnissen eines Workshops von BAM, BAW und BSH am in Berlin wurden diese Hinweise für den Standard Konstruktion von einer nationalen Expertengruppe als Arbeitskreis des BSH erarbeitet (siehe Anlage1: Mitglieder). Sie sollen nach dem zu erwartenden Erkenntnisgewinn aus den ersten Anwendungsfällen und aus den Ergebnissen der fortgesetzten Forschung aktualisiert oder in eine überarbeitete Fassung des Standard Konstruktion integriert werden. 2

3 2 Anwendungshinweise zur Vorschriftenhierarchie 2.1 Allgemeines Die Anforderungen an den Entwurf der Gründungselemente von Offshore- Windenergieanlagen (OWEA) in der AWZ werden im Grundsatz durch den Standard Konstruktion in der jeweils aktuellen Version geregelt. Entsprechend dem Standard Konstruktion sind beim Entwurf vorrangig nationale und europäische bauaufsichtlich eingeführte Normen anzuwenden. Daraus ergeben sich die folgenden Anwendungshinweise. 2.2 Regelwerke für Einwirkungen Die nationalen DIN-Normen und Regelwerke decken die Einwirkungen für Offshore- Windenergieanlagen nicht bzw. nicht vollständig ab, so dass ergänzende Regelwerke heranzuziehen sind. Im Standard Konstruktion sind hinsichtlich der Einwirkungen die folgenden Normen und Richtlinien genannt, die der Entwurfsverfasser als Grundlage für die Festlegung der Lasteinwirkung verwenden kann: - DIN EN : DIN : bzw. DIN EN GL-COWT - DNV-OS-J101 - API RP 2A-LRFD / WSD 2.3 Regelwerke für Bemessung und Ausführung Die Entwurfsverfasser und der Sachverständige für Geotechnik haben unter Berücksichtigung der bevorstehenden Änderungen die folgenden Basisnormen mit ihren Berichtigungen und normativen Verweisen einschließlich der zugehörigen Ausführungsnormen heranzuziehen: - Geotechnik: ab DIN EN : Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Teil 1: Allgemeine Regeln DIN EN /NA: : Nationaler Anhang National festgelegte Parameter Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Allgemeine Regeln DIN 1054: : Baugrund Sicherheitsnachweise im Erdund Grundbau Ergänzende Regelungen zu DIN EN

4 - Stahlbau: derzeit: DIN : bzw. DIN EN 1993 (EC 3) voraussichtlich ab 2011: DIN EN : (EC 3) - Stahlbetonbau: derzeit: DIN 1045 bzw. DIN EN : (EC 2) voraussichtlich ab 2011: DIN EN : (EC 2) und DIN EN /NA: Nationaler Anhang - Beton: DIN EN : Übergangsregelungen sind im Einzelfall mit dem BSH abzustimmen. Für den Entwurf von Pfahlgründungen wird zusätzlich auf die ergänzende Anwendung der 2. Auflage der Empfehlung EA Pfähle der DGGT hingewiesen. Hinweise zur Berücksichtigung von zyklischen Einwirkungen auf Pfahlgründungen finden sich dort, wie bereits in Abschnitt 1 ausgeführt, in Kapitel 13 der EA-Pfähle (2012) Tragverhalten und Nachweis für Pfähle unter zyklischen, dynamischen und stoßartigen Einwirkungen. Hinweise zur Behandlung von zyklischen Einwirkungen beim Entwurf von Flachgründungen finden sich auch in Kapitel E4 Bleibende Verformungen und Standsicherheit der Empfehlung Baugrunddynamik des Arbeitskreises 1.4 der DGGT (Ausgabe Dezember 2011). 2.4 Abweichungen vom und Ergänzungen zum Standard Konstruktion Die in Kapitel 2.3 (Bemessung und Ausführung) genannten Normen und Regelwerke decken nicht alle Aspekte der Bemessung von Gründungselementen für Offshore- Windenergieanlagen ab. Erforderlichenfalls sind deshalb weitere Regelwerke, Richtlinien und Empfehlungen ergänzend hinzuzuziehen. Dies sind u.a.: - GL-COWT - API RP2A-LRFD - API RP2A-WSD - DNV-OS-J101 - DIBt-RiLi WEA 4

5 Zur Anwendung von Regelwerken, die offshore-spezifische Abweichungen von und Ergänzungen zu den in 2.2 und 2.3 genannten deutschen und europäischen Normen enthalten, gelten die folgenden prozeduralen Grundsätze des Standards Konstruktion: Abweichungen sind beim BSH zu beantragen, detailliert darzustellen, zu begründen und benötigen eine Aussage zur Gleichwertigkeit des gewählten Vorgehens mit den Vorgaben des Standards. Ergänzungen sind beim BSH zu beantragen, detailliert darzustellen, zu begründen und benötigen eine sachverständige Zulässigkeitsanalyse. Das BSH führt eine Plausibilitätsprüfung durch und behält sich eine Zustimmung der Abweichungs- oder Ergänzungsanträge vor. 5

6 3 Anwendungshinweise zur Berücksichtigung zyklischer Einwirkungen beim Entwurf der Gründungselemente 3.1 Vorbemerkungen Durch zyklische Einwirkungen auf die Gründungselemente und damit auf den Baugrund kann es bei allen derzeit in Frage kommenden Gründungsarten zu einer Reduktion der Gründungstragfähigkeit und zu einer Verformungsakkumulation kommen. Unter Umständen sind auch ungünstige Porenwasserdruckveränderungen bis hin zur Bodenverflüssigung möglich. Zur Beurteilung der potentiellen Änderungen des Tragverhaltens von Gründungselementen ist die Einschaltung eines Geotechnischen Sachverständigen mit besonderen Erfahrungen auf diesem Gebiet erforderlich. Im Rahmen der 1. Freigabe ist das Konzept der Berücksichtigung zyklischer Einwirkungen beim Entwurf der Gründungselemente der Tragstruktur darzustellen und das dafür vorgesehene Untersuchungsprogramm zu erläutern. Im Rahmen der 2. Freigabe sind die Nachweise zur Berücksichtigung der zyklischen Beanspruchungen zu führen und die dafür durchgeführten Labor- und Feldversuche zu dokumentieren. 3.2 Bemessungsereignis Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen werden durch die Einwirkung der Wind-, Wellen- und Betriebslasten auf die Tragstruktur ständig durch nichtruhende Belastungen beansprucht. Zur Ermittlung der Einwirkungen auf die Tragstrukturen der Windenergieanlagen wird zunächst auf den Standard Konstruktion, Abschnitt , verwiesen. Zur Berücksichtigung der zyklischen Einwirkungen in den Standsicherheitsnachweisen ist ein nachfolgend beschriebenes Sturmereignis unter Einbeziehung der sonstigen Lastfälle maßgeblich; u. U. ist auch ein besonderer Betriebszustand mit nennenswerten zyklischen Einwirkungen auf die Gründungselemente in die Nachweise einzubeziehen. Zur Untersuchung der potenziellen Tragfähigkeitsreduzierung eines zyklisch belasteten Gründungssystems während des maßgeblichen Sturmereignisses (siehe Tabelle 1 und Bild 1) ist dessen vollständiges Lastspektrum zugrunde zu legen. Dieses Sturmereignis muss den maßgebenden Extremwert der Einwirkung auf die Gründungselemente enthalten und eine standorttypische Extremwertanzahl und -verteilung berücksichtigen. Die hiermit berechneten Lasten sind auf die maximalen Bemessungslasten umzurechnen (siehe auch DIN EN 61400,Teil 1, Anhang F). 6

7 Das dem Tragfähigkeitsnachweis unter zyklischen Einwirkungen zugrunde zu legende Bemessungsereignis wird in Anlehnung an die Definition des Design Load Cases DLC 6.1 in GL (2005) mit den in Tabelle 1 angegebenen Randbedingungen beschrieben. Tabelle 1: Lastfalldefinition DLC 6.1: Parking idling, EWM50 & Hs50 yaw=+/-8 Windmodell EWM50 turbulent Windgeschwindigkeit (m/s) V50,1h Turbulenzintensität 12% Windrichtung 0 Grad Yaw-Winkel -8, 0, 8 zu Beginn der Berechnung Wellenrichtung 0 Grad Y-Achse: Normierte Wellenhöhe bzw. Windgeschwindigkeit 1,200 1,000 Wind Welle Wind/Treppe Welle/Treppe 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000-17,50-12,50-7,50-2,50 2,50 7,50 12,50 17,50 X-Achse: Zeit in h Bild 1: Verlauf der Windgeschwindigkeit und der signifikanten Wellenhöhe während des Bemessungsereignisses. 7

8 Die normierten Verläufe der Windgeschwindigkeit und der signifikanten Wellenhöhe sind in das Diagramm im Bild 1 gestrichelt eingetragen: Sie sind wie folgt definiert: Wellenhöhe: max. Hs über einen Zeitraum von drei Stunden, lineare Abnahme auf 0,5 Hs nach ±17.5h Windgeschwindigkeit (Empfehlung nach EU Vorhaben RECOFF) v(t) = 1 0,09 (t/10) 0,45 mit t = Zeit in [min] { min t min} Die Verläufe werden zweckmäßigerweise auf der Zeitachse gestuft diskretisiert. Ein beispielhafter Verlauf ist in Bild 1 eingetragen. Nach vorheriger Absprache mit dem BSH darf auch eine andere als die dargestellte Diskretisierung des Sturmverlaufes vorgenommen werden. Soweit aufgrund der Größe des Gründungsbauteils und der Beschaffenheit des Baugrundes ein ungünstiger Einfluss der Porenwasserdruckentwicklung auf die Gründungstragfähigkeit zu erwarten ist, sind maßgebende Last-Zeit-Verläufe zur Berücksichtigung solcher Effekte zu ermitteln. Beim Tragfähigkeitsnachweis sind alle potenziellen Tragfähigkeitsminderungen durch das Bemessungsereignis zu berücksichtigen. Wegen der Einrechnung charakteristischer Einwirkungen mit dem Ansatz der entsprechenden Sicherheiten wird die Berücksichtigung des singulären Bemessungssturms derzeit für den Entwurf als hinreichend angesehen: Weitere Sturmereignisse müssen dementsprechend nicht in den Tragfähigkeitsnachweis einbezogen werden. 3.3 Äquivalentes Belastungskollektiv Zur Beurteilung der Auswirkung von Lasten unterschiedlicher Amplituden und ggf. unterschiedlicher Richtungen entsprechend Kap. 3.2 der EA-Pfähle (2012) kann es zweckmäßig sein, aus der Belastung für das Bemessungsereignis eine zyklische Ersatzbelastung (äquivalentes Einstufen-Kollektiv) abzuleiten, bestehend aus einem mittleren Beanspruchungsniveau F mitt, einer äquivalenten Lastspanne F eq und einer zugehörigen äquivalenten Lastzyklenzahl N eq (siehe Bild 2). Hierbei ist zu beachten, dass für die Tragfähigkeitsminderung von Böden, anders als für andere Materialien, in der Regel wenige große zyklische Lasten von größerer Wirkung sind als viele kleine. Die Ermittlung der äquivalenten Lastamplitude und der zugehörigen äquivalenten Lastzyklenanzahl kann nach einem von Lin & Liao (1999) vorgeschlagenem Verfahren in Abhängigkeit vom gewählten Nachweisverfahren durchgeführt werden. Hinweise zur praktischen Anwendung enthält Kap. 13 der EA Pfähle. (2012). 8

9 Bild 2 Definition der äquivalenten Lastzyklenanzahl und Lastamplitude. 3.4 Bemessungssituationen und zugehörige Teilsicherheitsbeiwerte Die Einwirkungskombinationen werden den Bemessungssituationen DIN 1054:2010 zugeordnet. Die Ermittlung der Bemessungswerte der Beanspruchungen erfolgt im Analogschluss zur DIBt-RiLi für Onshore-Windenergieanlagen mit Teilsicherheitsbeiwerten, die von denen in DIN 1054:2010 abweichen. Die Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen können aus den unter 2.2 genannten Normen bzw. Richtlinien für Offshore-Windenergieanlagen entnommen werden. Das BSH behält sich die Zustimmung vor. Zur Bewertung der Einflüsse zyklischer Lasten auf die Gründungselemente sind i. A. auch die charakteristischen Werte der Einwirkungen anzugeben. 9

10 4 Anwendungshinweise zu den Nachweisen der Grenzzustände für die Gründungselemente unter Einbeziehung zyklischer Einwirkungen 4.1 Allgemeines Für Flach- und Tiefgründungen von Offshore-Windenergieanlagen ist der Nachweis der Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung der Besonderheiten zyklischer Einwirkungen zu erbringen. Ausgehend von bisherigen allgemeinen Erfahrungen und dem Stand der Wissenschaft werden nachfolgend Hinweise zu Nachweisverfahren gegeben. Wie im Standard Konstruktion festgelegt, ist für alle Nachweise die Beobachtungsmethode gemäß DIN EN (EC-7-1) und DIN 1054 dann anzuwenden, wenn die erzielten bzw. erzielbaren Berechnungsergebnisse nicht zweifelsfrei sind und für das behandelte Problem nicht erhebliche Sicherheitsreserven enthalten. Dazu ist gemäß Standard Konstruktion eine qualifizierte Darstellung der Beobachtungsmethode auszuarbeiten und vorzulegen. Soweit für den Nachweis zyklische Laborversuche verwendet werden, sind sie in enger Abstimmung zwischen dem Sachverständigen für Geotechnik und dem Verfasser des Gründungsentwurfs zu planen und durchzuführen. Eine entsprechende Dokumentation ist Bestandteil des Nachweises für das Basic Design. 4.2 Flachgründungen Im Folgenden werden erste Hinweise zu Flachgründungen gegeben; die Anforderungen für diesen Fundamenttyp konnten im Zuge der Experten-Workshops nur angerissen werden und sind bei zu erwartendem Erkenntnisgewinn zukünftig zu konkretisieren. Für den Nachweis der Tragfähigkeit von Flachgründungen mit Hilfe der üblichen Verfahren der Geotechnik kann die Verminderung der Tragfähigkeit vereinfacht mit Hilfe zyklischer Scherversuche an undrainierten Bodenproben beurteilt werden (z. B. im zyklischen Triaxialversuchsgerät; siehe dazu auch Savidis & Schuppe, 1982). Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit der Flachgründung kann mit den in Kapitel E4 der Richtlinie Baugrunddynamik des AK 1.4 der DGGT gegebenen Empfehlungen erfolgen. Die dort aufgeführten Beispiele können sinngemäß auf Flachgründungen von Offshore-Windenergieanlagen übertragen werden. Über die grundsätzlichen Entwurfsregeln in Eurocode EC 7-1: und DIN 1054: hinaus ist sicherzustellen, dass eine Erosion des Bodens unter dem Fundament durch 10

11 zyklische Einwirkungen nicht auftreten kann. Für Flachgründungen ohne ausreichend tiefreichende umlaufende Schürze bedeutet dies in der Regel, dass unter allen charakteristischen Lasten eine klaffende Fuge nicht auftreten darf. 4.3 Pfahlgründungen Axiale zyklische Einwirkungen Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit können die in der Literatur angegebenen Verfahren (siehe z.b. Kap. 13 der EA Pfähle, Randolph, 2009, Kirsch & Richter, 2010 u. a.) angewendet werden, soweit deren Eignung für den Anwendungsgegenstand gegeben ist. Für den Nachweis der Tragfähigkeit finden sich Hinweise genereller Art in Eurocode EC 7-1: und DIN 1054: In der Regel sind die in Kap. 13 der EA Pfähle, 2. Auflage, angegebenen Nachweisformate anzuwenden. Die dort gegebenen Empfehlungen basieren hauptsächlich auf den von Schwarz (2002), Mittag & Richter (2005) und Kempfert (2009) veröffentlichten Untersuchungen und Ergebnissen. Weitere veröffentlichte Interaktionsdiagramme (z. B. von Jardine & Standing, 2000) können angewendet werden, soweit sie dem zu beurteilenden Objekt entsprechen und sofern das Bemessungsereignis nach Kap. 3 erfasst wird. Die jeweilige Anwendbarkeit der veröffentlichten Ansätze und Verfahren auf das zu beurteilende Objekt (Pfahlsystem, Baugrundverhältnisse und Lastcharakteristika) ist darzulegen Zyklische Einwirkungen quer zur Pfahlachse Quer zur Pfahlachse gerichtete zyklische Belastung von Pfahlgründungen bewirkt bei entsprechend großen Pfahlkopfverschiebungen eine erhebliche Überbeanspruchung des Bodens im Bereich des Pfahlkopfes und der oberflächigen Zonen darunter und führt zu einer Zunahme der Pfahlverschiebungen mit der Anzahl der Lastzyklen. Außerdem kann eine Reduktion des Bettungswiderstandes (Bettungskapazität und Bettungssteifigkeit) eintreten, wenn durch die zyklische Beanspruchung Porenwasserüberdruckakkumulation entsteht. In bindigen Böden unter Wasser kann es darüber hinaus durch bleibende Bodenverformungen zu einer Spaltbildung zwischen Pfahl und Boden und zur Entfestigung des oberflächennahen Bereichs und damit zu einer Reduktion der Tragfähigkeit von quer zur Pfahlachse belasteten Pfählen kommen. Die Gebrauchstauglichkeit überwiegend quer zur Pfahlachse belasteter Pfahlgründungen von Offshore-Windenergieanlagen kann z. B. nach den von Grabe & Dührkop (2008) und 11

12 Achmus (2008) mitgeteilten Verfahren beurteilt werden. Weitere Hinweise zur rechnerischen Abschätzung der bleibenden Verformung zyklisch quer zur Pfahlachse belasteter Pfähle finden sich bei Hettler (1981) sowie bei Long & Vanneste (1994). Für den Nachweis des Grenzzustandes der Pfahltragfähigkeit quer zur Pfahlachse ist in Abhängigkeit von Pfahlsystem (Art, Durchmesser), Bodenart und Lastzyklenanzahl festzulegen, in welchem Maß mit einer Reduktion des mobilisierbaren Bettungswiderstandes zu rechnen ist. Diese Einschätzung kann entweder auf der Basis gesicherter Erfahrung oder unter Heranziehung der Ergebnisse geeigneter zyklischer Laborversuche unter Berücksichtigung von Porenwasserdruckveränderungen erfolgen. Der Tragfähigkeitsnachweis kann dann unter Ansatz des ggf. reduzierten Bettungswiderstandes entsprechend der in Kap. 13 der EA Pfähle beschriebenen Vorgehensweise mit dem in API RP2A-LRFD angegebenen p-y- Verfahren erfolgen. Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wie auch der Tragfähigkeit sind die jeweiligen Anwendungsbereiche und die -grenzen der gewählten Verfahren zu beachten. Der Einfluss von Porenwasserdruckveränderungen auf das Tragverhalten ist zu untersuchen und ggf. zu berücksichtigen. 4.4 Weitere Hinweise Für die aufgehende Konstruktion ist über die als Gebrauchstauglichkeitsnachweis erforderliche Schrägstellungsprognose hinaus darzustellen, dass die durch potentielle Verschiebungsdifferenzen der Gründungselemente auftretenden Zwängungsbeanspruchungen der Tragstruktur mit ausreichender Sicherheit aufgenommen werden können. 12

13 5. Dynamische Pfahlprobebelastungen Nach Eurocode EC 7-1: und DIN 1054: wird der Nachweis der äußeren axialen Tragfähigkeit von Gründungspfählen auf der Grundlage von Pfahlprobebelastungen erbracht. Für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen mit überwiegend axial belasteten Pfählen sind deshalb dynamische Pfahlprobebelastungen als Tragfähigkeitsnachweis in axialer Richtung vorzusehen. Die Vorgehensweise bei der Durchführung, Ergebnisauswertung und -interpretation dynamischer Pfahlprobebelastungen ist in Eurocode EC 7-1: und DIN 1054: mit Bezug auf die EA-Pfähle geregelt. Anzahl und Orte der durchzuführenden Pfahlprobebelastungen sind vom Sachverständigen für Geotechnik mit Bezug auf die EA-Pfähle festzulegen. Generell sind dynamische Pfahlprobebelastungen an mindestens 10 % der Anlagenstandorte durchzuführen, dabei mindestens an zwei Standorten jedes geotechnischen Standorttyps in dem Windparkareal. Das Konzept für die dynamischen Pfahlprobebelastungen (Anzahl, Standorte) ist vom Sachverständigen für Geotechnik auszuarbeiten und zusammen mit den Antragsunterlagen für die 2. Freigabe einzureichen. Das Konzept soll Art und Umfang der geplanten Probebelastungen sowie die Art der Ergebnisübertragung auf das gesamte Baufeld enthalten. Die Durchführung dynamischer Pfahlprobebelastungen erfolgt in der ersten Bauphase. Mit der Durchführung dürfen nur Institutionen mit nachweislicher Erfahrung auf dem Gebiet der Testdurchführung und Auswertung dynamischer Pfahlprobebelastungen betraut werden. Wenn die zeitliche Entwicklung der Tragfähigkeit nach der Pfahlherstellung im Tragfähigkeitsnachweis berücksichtigt werden soll, sind dementsprechende Nachrammungen als dynamische Pfahlprobebelastungen in ausreichender Anzahl vorzusehen und durchzuführen. Zur Ableitung von charakteristischen Pfahlwiderständen R k aus den Messwerten der dynamischen Pfahlprobebelastungen R m sind gemäß DIN EN : (Eurocode EC 7-1) und DIN 1054: Streuungsfaktoren anzuwenden. Dabei dürfen die Streuungsfaktoren ξ 5,6 und ξ bei überwiegend nichtbindigen Böden im Bereich der tragfähigen Schichten für den Fall Kalibrierung der dynamischen Pfahlprobebelastungen an statischen Pfahlprobebelastungen an vergleichbaren Baumaßnahmen auch dann verwendet werden, wenn auf dem Baufeld der Windenergieanlagen keine statischen Pfahlprobebelastungen durchgeführt werden. Dies begründet sich darin, dass bei nichtbindigen Baugrundverhältnissen im gesamten norddeutschen Raum umfangreiche Vergleichserfahrungen mit dynamischen und statischen Pfahlprobebelastungen und damit für diese Böden weitgehend abgesicherte Kalibrierungsfaktoren vorliegen. Außerdem werden für Pfahlgründungen von Offshore-Windenergiean- 13

14 lagen i. d. R. Stahlrohrrammpfähle verwendet, bei denen Streuungen durch die Pfahlherstellung nur eine vergleichsweise geringe Bedeutung haben und bei der Pfahleinbringung Rammberichte erstellt werden, anhand derer jeder einzelne Pfahl quantitativ beurteilt werden kann. Die dynamischen Pfahlprobebelastungen sind vom Sachverständigen für Geotechnik zu begleiten und zu bewerten. Die vollständig dokumentierten Ergebnisse der Durchführung und der Ergebnisauswertung und -interpretation der dynamischen Pfahlprobebelastungen sowie die Übertragung dieser Ergebnisse auf die nicht geprüften Pfähle durch den Sachverständigen für Geotechnik sind dem BSH unmittelbar nach Abschluss der Ausführungen und Interpretation der dynamischen Pfahlprobebelastungen vorzulegen. Für den Tragfähigkeitsnachweis von Monopiles werden aus Sicht des sachverständig beratenen BSH dynamische Pfahlprobebelastungen zum Nachweis der axialen Tragfähigkeit z. Zt. für nicht erforderlich angesehen. Generell können rammbegleitende Messungen zur Ermittlung und Überprüfung der Rammbarkeit, der Vorbelastung und des Nachweises der Vorbelastung des Pfahles durch die Rammung vorteilhaft sein. Das BSH behält sich die Anordnung dynamischer Pfahltests bei Monopiles aus sachlichem Grund und/oder aufgrund neuerer Erkenntnisse vor. 14

15 6. Literatur API RP 2A LRFD API RP 2A WSD BSH BSH Det Norske Veritas Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms Load and resistance factor design, First Edition, July 1993, Reaffirmed, May 16, Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms Working stress design, Twenty first edition, December 2000, Errata and supplement 3, October Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen. Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Baugrunderkundung, Mindestanforderung an die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen (WEA) und die Verlegung der stromabführenden Kabel, Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, DNV Offshore Standard DNV-OS-J101, Design for Offshore Wind Turbine Structures, Norwegen, Norsok N-003 Marine Actions, DIBt DIN 1054: Richtlinie für Windenergieanlagen. Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründungen. Schriften des Deutschen Instituts für Bautechnik, Reihe B, Heft 8, Berlin, Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau - Ergänzende Regelungen zu DIN EN DIN EN : : Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Teil 1: Allgemeine Regeln; Deutsche Fassung EN : AC:2009. DIN EN /NA: : Nationaler Anhang National festgelegte Parameter Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Allgemeine Regeln. 15

16 EA-Pfähle EA-Pfähle Empfehlungen des Arbeitskreises "Pfähle", 1. Auflage, DGGT e.v., Verlag Ernst & Sohn, Empfehlungen des Arbeitskreises "Pfähle", 2. Auflage, DGGT e.v., Verlag Ernst & Sohn (in Vorbereitung), Germanischer Lloyd Rules and Guidelines, IV Industrial Services, Part 2 Guideline for the certification of offshore wind turbines, Germanischer Lloyd Windenergie GmbH Hamburg, RECOFF Recommendations for design of offshore wind turbines (RECOFF), European Community (contract no. ENK5-CT , acronym RECOFF) under the Energy, Environment and Sustainable Development Programme, a Fifth Framework Programme, , Risoe, Achmus, M., Kuo, Y.-S., Abdel-Rahman, K. (2008): Zur Bemessung von Monopiles für zyklische Lasten, Bauingenieur, 83, Heft 7-8, Atkins, W.S. (2000): Cuéllar, P. (2011): Cyclic degradation of offshore piles - Offshore Technology Report 2000/013, HSE Health and Safety Executive, Norwich, UK. Pile Foundations for Offshore Wind Turbines: Numerical and Experimental Investigations on the Behaviour under Short-Term and Long- Term Cyclic Loading, Dissertation TU Berlin. Cuéllar, P., Baessler, M., Rücker, W. (2009): Ratcheting convective cells of sand grains around offshore piles under cyclic lateral loads, Granular Matter, 11(6), Grabe, J., Dührkop, J. (2008): Zum Tragverhalten von überwiegend horizontal belasteten Pfählen. Tagungsband zur 30. Baugrundtagung 2008 der DGGT in Dortmund, Hettler, A. (1981) Verschiebungen starrer und elastischer Gründungskörper in Sand bei monotoner und zyklischer Belastung", Veröffentlichung des Institutes für Bodenmechanik und Felsmechanik der Universität Fridericana in Karlsruhe, Heft

17 Jardine, R., Standing, J.R. (2000): Pile Load Testing Performed for HSE Cyclic Loading Study at Dunkirk, France. Offshore Technology Report - OTO Vol 1. Kempfert, H.-G. (2009): Pfahlgründungen. In Grundbau Taschenbuch Teil 3, Gründungen und Geotechnische Bauwerke, Kempfert, H.-G., Thomas, S.(2010): Pfahltragverhalten infolge zyklisch axialer Belastung Versuchsergebnisse und Modellbildung. Tagungsband zur 31. Baugrundtagung der DGGT in München, Kirsch, F., Richter, T. (2010a): Ein analytisch-empirischer Ansatz zur Bestimmung der Tragfähigkeit und der Verformungen von axial zyklisch belasteten Pfählen. Veröffentlichungen des Instituts für Boden- und Felsmechanik, KIT Süd, Workshop Offshore- Gründungen von Windkraftanlagen, Heft 172. Kirsch, F., Richter, T. (2010b): Ein einfaches Näherungsverfahren zur Prognose des axialzyklischen Tragverhaltens von Pfählen, Bautechnik, 2/2011. Long, J. H., Vanneste, G. (1994): Effects of Cyclic Lateral Loads on Piles in Sand", Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 120 (1), Lin, S.L, Liao, J.C. (1999): Permanent Strains of piles in sand due to cyclic lateral loads. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 125 (9), Mittag, J., Richter, T. (2005): Beitrag zur Bemessung von vertikal zyklisch belasteten Pfählen. Festschrift zum 60. Geburtstag von Herrn Prof. H.-G. Kempfert. Schriftreihe Geotechnik Universität Kassel, 18, Poulos, H.G. (1989): Cyclic Axial Loading Analysis of Piles in Sand. Journal of Geotechnical Engineering, 115, Randolph, M. F. (2009a): Cyclic interface tests on sand and influence of cyclic shearing on axial pile capacity in sand. In: Mechanical behaviour of soils under environmentally induced cyclic loads. International Centre for Mechanical Sciences (CISM): Udine, Italy. 17

18 Randolph, M. F. (2009b): Offshore Design Approaches for Sub-Failure Cyclic Loading of Foundations. In: Mechanical behaviour of soils under environmentally induced cyclic loads. International Centre for Mechanical Sciences (CISM): Udine (Italy). Randolph, M.F. Jeer, H.A., Khorshid, M.S. und Hyden, A.M. (1996): Field and laboratory data from pile load tests in calcareous soil. Proceedings of the 28th Offshore Technology Conference, Houston, Texas, Richter, T., Kirsch, F., Mittag, J. (2010): Bemessungskonzepte für axial-zyklisch belastete Pfähle Ein Überblick und neue Ansätze. Tagungsband zur 31. Baugrundtagung der DGGT in München, Savidis, S., Schuppe, R. (1982): Dynamisches Triaxialgerät zur Untersuchung des Verflüssigungsverhaltens von isotrop und anisotrop konsolidierten Sanden, Bautechnik,1/1982, Schwarz, P. (2002): Beitrag zum Tragverhalten von Verpresspfählen mit kleinem Durchmesser unter axialer zyklischer Belastung. Schriftenreihe des Lehrstuhls und Prüfamtes für Bodenmechanik und Felsmechanik der Technischen Universität München, Heft 33. Tasan, E., Rackwitz, F., Savidis, S. (2010): Porenwasserdruckakkumulation bei zyklisch horizontal belasteten Monopiles mit großen Durchmessern, Bautechnik, 8/1987, Tasan, E. (2011): Zur Dimensionierung der Monopilegründungen von Offshore- Windenergieanlagen, Dissertation TU Berlin. 18

19 Anhang 1 Mitglieder der nationalen Expertengruppe Prof. Dr.-Ing. M. Achmus Dr.-Ing. M. Baeßler Dir. Prof. Chr. Dahlke Dipl.-Ing. F. Eisfeldt Dr.-Ing. J. Gattermann Prof. Dr.-Ing. H. Harder Dr.-Ing. M. Hauschildt Dipl.-Ing. Th. Jahnke Prof. em. Dr.-Ing. H. G. Kempfert Dipl.-Ing. M. Kidane Dr.-Ing. F. Kirsch Dipl.-Ing. C.-R. Kramer Prof. Dr.-Ing. Th. Richter Prof. Dr.-Ing. W. Rücker Dr.-Ing. M. Seidel Prof. Dr.-Ing. J. Stahlmann Dr.-Ing. S. Weihrauch Dr. rer. nat M. Zeiler LU Hannover BAM Berlin BSH Hamburg BAW Hamburg TU Braunschweig Institut für Geotechnik, Hochschule Bremen Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH BSH Hamburg Universität Kassel BAW Hamburg GuD Berlin Institut für Geotechnik, Hochschule Bremen GuD Berlin BAM Berlin REpower Systems AG TU Braunschweig Steinfeld und Partner, Hamburg BSH Hamburg 19

20 Anhang 2 Hinweise zur Anwendung der Eurocodes und der ergänzenden nationalen Regelungen Seitens der für die bauaufsichtliche Einführung der Eurocodes gemäß 3 Abs. 3 Satz 1 Musterbauordnung (MBO) zuständigen Fachkommission Bautechnik in Verbindung mit den Bauministerien der Bundesländer ist derzeit vorgesehen, dass die Anwendung der Eurocodes 0 (Grundlagen), 1 (Einwirkungen), 2 (Betonbau), 3 (Stahlbau), 4 (Verbundbau), 5 (Holzbau), 7 (Geotechnik) und 9 (Aluminiumbau) zum verbindlich mit einer Stichtagsregelung bauaufsichtlich eingeführt werden, sodass ab diesem Termin nur noch die betreffenden Eurocodes als Technische Baubestimmungen gelten. Da insbesondere das für die Pfahlgründung von Offshore-WEA zur Berücksichtung eines Pfahltragverhaltens unter zyklischen Einwirkungen wichtige Kapitel 13 der EA-Pfähle vollständig auf die Nachweisformen von Eurocode EC 7-1 / DIN1054: / NA ausgerichtet ist und bestimmte Nachweisformen sowie Teilsicherheitsbeiwerte der DIN 1054: gegenüber der DIN 1054: maßgeblich verändert worden sind, wird in Anlehnung an die Auffassung der Fachkommission Bautechnik (Schreiben vom ) seitens des BSH für die für Vorplanungen bzw. Planungen und Prüfungen in laufenden Antragsverfahren anzuwendenden geotechnischen Regelwerken ab die DIN EN : (Eurocode EC 7-1) in Verbindung mit DIN 1054: und DIN EN /NA: zur vorgezogenen Anwendung verbindlich festgelegt, siehe auch Abschnitt 1. 20