Instandhalten und Sanierung von Fundamenten

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1 1 WiD WHITEPAPER Instandhalten und Sanierung WHITEPAPER Instandhalten und Sanierung von Fundamenten Sicherer Stand über die Entwurfslebensdauer hinaus Von DR.-ING. CLAUS GORALSKI Ein Projekt des BWE e.v.

2 2 WiD WHITEPAPER Instandhalten und Sanierung Instandhalten und Sanierung von Fundamenten Sicherer Stand über die Entwurfslebensdauer hinaus Schäden im Fundamentbereich können die Verfügbarkeit der WEA einschränken. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass sie meist systematisch nach einer bestimmten Nutzungsdauer auftreten und durch geeignete Sanierungsverfahren dauerhaft behoben werden können. Die Schäden können konstruktionsbedingt verursacht oder Folge einer unzureichenden Bauausführung sein. In Zukunft wird für viele Bestandsanlagen neben der Instandhaltung der Türme und Fundamente die Beurteilung hinsichtlich eines Weiterbetriebes über die Entwurfslebensdauer hinaus von Bedeutung sein. Die Ergebnisse der regelmäßigen Fundamentinspektionen und der Instandhaltungsund Ertüchtigungsmaßnahmen müssen in die Bewertung zum Weiterbetrieb einfließen. Daher ist eine detaillierte und möglichst lückenlose Dokumentation der Lebensgeschichte der WEA sowie eine zustandsorientierte Instandhaltung der Fundamente dringend zu empfehlen.alle Beteiligten vom Auswuchten profitieren. Autor DR.-ING. CLAUS GORALSKI, Jahrgang 1973, Studium Bauingenieurwesen an der RWTH in Aachen mit dem Schwerpunkt Konstruktiver Ingenieurbau, anschließend Promotion und Ausbildung zum Schweißfachingenieur. Tätigkeiten als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl und Institut für Massivbau der RWTH in Aachen. Seit 2007 Leiter des Fachbereichs Windenergie im Ingenieurbüro H+P Ingenieure GmbH, verantwortlich für die Tragwerksplanung von Fundamenten (Flach-, Tiefgründungen sowie Sonderkonstruktionen) und Türmen (Stahl- und Spannbeton) für WEA, Produktentwicklung im Bereich der Windenergie, Begleitung von Zulassungsverfahren, Begutachtung von Schadensfällen und Erstellung von Sanierungskonzepten. Mitglied des BWE-Sachverständigenbeirats. *Alle Abbildungen von H+P Ingenieure Titelfoto: Schoening Fotodesign Whitepaper-Experten im Dialog: Diese Fachbeiträge stellen die Meinung der jeweiligen Autoren dar und spiegeln nicht grundsätzlich die Meinung des Bundesverbandes WindEnergie e.v. wider.

3 3 Beim Betrieb von Windenergieanlagen lag der Fokus bei Wartung und Instandsetzung über einen langen Zeitraum im Bereich der Maschine und des Rotors. Durch das Bekanntwerden von konstruktionsbedingten Auffälligkeiten bei bestimmten Arten der Turmverankerung im Fundament wurde der regelmäßigen Bauwerksprüfung mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Gleichzeitig wird den Betreibern mehr und mehr bewusst, dass eine detaillierte Prüfung des Bauwerks (Turm und Gründung) Bestandteil der wiederkehrenden Prüfung ist. Dies ist durch die in Deutschland bauaufsichtlich eingeführten Normen und Regelwerke in der Baugenehmigung geregelt. Der Bundesverband Windenergie (BWE) hat mit seinen Ratgebern zur Wiederkehrenden Prüfung und zum Fundament wertvolle Handlungsempfehlungen für die Praxis veröffentlicht. Anforderungen steigen mit der Höhe der Türme Tragstrukturen für Windenergieanlagen (WEA) sind hohe, schlanke Bauwerke, die durch Wind- und Betriebslasten zyklisch beansprucht werden und dabei den Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Mit zunehmender Leistung und Nabenhöhe der WEA nehmen auch die Anforderungen an die Tragstruktur (Turm und Fundament) und deren Wartung und Instandhaltung zu. Die aktuellen Normen und Richtlinien ([1], [2]) sowie die Auflagen der meisten Typenprüfungen erfordern regelmäßige Inspektionen des Turmes und des Fundamentes. Neben den vorgeschriebenen Wiederkehrenden Prüfungen ([3], [4]) können zusätzliche Überprüfungen etwa für Versicherungen, bei Besitzerwechsel, aus Auflagen von Sachverständigen oder zur Beurteilung eines Weiterbetriebes über die Entwurfslebensdauer ([5]) hinaus erforderlich werden. In der Praxis besteht die Möglichkeit, die verschiedenen Inspektionen zu kombinieren oder zusammenzufassen. Dabei sind Umfang und Anforderungen an die Untersuchungsmethoden sowie die Anforderungen an die Sachverständigen zu beachten. Um den Wartungs- und Instandhaltungsaufwand möglichst gering zu halten, müssen Schwachstellen insbesondere am Übergang zwischen Turm und Fundament rechtzeitig erkannt und zeitnah behoben werden. Die Anbindung des Turmes an das Fundament hat sich als sensibles Bauteil herausgestellt. In einigen Fällen sind in der Vergangenheit Schäden am Stahlbetonfundament in Form von Betonschäden und Wassereintritt aufgetreten. In den Ratgebern der technischen Arbeitskreise des BWE ([3], [4], [5], [6]) sind die wichtigsten technischen Zusammenhänge sowie die Bestimmungen der aktuell gültigen Regelwerke übersichtlich und verständlich zusammengefasst.

4 4 Abbildung 1: Prinzipskizze Fundament mit Stahlsektion Kritisch ist der Übergang vom Turm zum Fundament Die Identifizierung der maßgeblichen Bauteile bildet die Basis der durchzuführenden Untersuchungen und sollte anhand der Ausführungsunterlagen sowie der Baudokumentation erfolgen. Aus diesen Unterlagen lassen sich hochbeanspruchte Bereiche der Konstruktion ableiten und Ausführungsdetails identifizieren, die besondere Anforderungen an die Herstellung bedeuten. Zusätzlich enthalten die Typenprüfungsberichte und die Prüfberichte der Einzelprüfungen wichtige Informationen. Grundsätzlich ist unabhängig von der Bauweise der Übergang zwischen Turm und Gründung, also die Verankerung des Turms im Fundament, ein kritisches Detail. Die Verbindung zwischen Stahlturm und Fundament erfolgt mit speziellen Verankerungselementen, welche aus den Erfahrungen des Stahlbaus abgeleitet wurden. Prinzipiell kann zwischen der Verankerung mit Fundamenteinbauteilen und vorgespannten Verbindungen mit sogenannten Ankerkörben unterschieden werden.

5 5 Das Fundamenteinbauteil (Bild 1a) besteht aus einem Stahlzylinder mit einem oder zwei Lasteinleitungsflanschen. Das Biegemoment am Turmfuß wird über ein Kräftepaar als Druck- und Zugkraft in das Fundament übertragen. Durch die Anordnung einer vertikalen Hochhängebewehrung wird die Lastweiterleitung in das Stahlbetonfundament ermöglicht. Im Fall des Einzelflansches, welcher meist in der Mitte des Fundamentquerschnitts angeordnet wird, ist ein Fundamentsockel erforderlich. Die obere Biegezugbewehrung der Fundamentkonstruktion wird durch das Fundament-Einbauteil hindurch geführt. Dazu werden Öffnungen im Stahlzylinder angeordnet, die das Bewehrungsraster vorgeben. Bei der baulichen Durchbildung des Verankerungsbereichs ist auf die Verträglichkeit zwischen dem elastischen und verformungsfähigen Stahleinbauteil und dem spröden Materialverhalten des Betons zu achten. Zur Sicherstellung des rechnerisch angesetzten Lastabtragungsmechanismus sind dauerelastische Weicheinlagen zur Entkoppelung statisch nicht gewollter Lasteinleitungsstellen erforderlich. Besonders im Fall des sogenannten Doppelflanscheinbauteils (Bild 1b), bei dem die Druck- und Zugkraft über getrennte Lasteinleitungsflansche in den Betonkörper übertragen werden, besteht die Gefahr einer ungewollten Lasteinleitung, was zu Rissbildung und Betonabplatzungen sowie Lockerung des Stahleinbauteils führen kann. Abbildung 2: Prinzipskizze Fundamet mit Ankerkorb Der Ankerkorb (Bild 2) besteht aus einem oberen und einem unteren Ringflansch, welche durch Gewindestangen miteinander verbunden werden. Mit Hilfe der Gewindestangen wird der Stahlrohrturm auf das Fundament aufgespannt. Als Widerlager dient der untere Ankerring aus Stahl. Die obere Lasteinleitung erfolgt über ein Mörtelpolster aus einem Spezialmörtel. Aufgrund der vorgegebenen Transportabmessungen ist der Turmschaftdurchmesser beim Stahlrohrturm auf 4 m begrenzt, sodass bei zunehmender Bean-

6 6 Abbildung 3: Prinzipskizze Fundament mit Verankerung des Spannbetonturmes spruchung die Anschlusskräfte nicht auf einen größeren Umfang verteilt werden können. Daher liegt die technische Herausforderung in der Verankerung des Turmschaftes im Fundament und in der Lastweiterleitung der Anschlusskräfte. Ausführung wird hohen Anforderungen nicht immer gerecht Die technische Entwicklung und Bauausführung ist in den letzten Jahren den hohen Anforderungen an die Anbindung zwischen Stahlrohrturm und Fundament nicht immer gerecht geworden, sodass Auffälligkeiten im Übergangsbereich zwischen Stahlrohrturm und Fundamentbeton insbesondere bei der Verwendung von Fundamenteinbauteilen festzustellen sind. - Durchfeuchten des Fundamentbetons infolge einer mangelhaften Abdichtung zwischen Stahlrohrturm und Fundamentbeton - Rissbildung und Betonabplatzung infolge einer unzureichenden Entkopplung zwischen dem Beton und dem Stahlturm - Relativbewegung zwischen Stahlturm und Fundamentbeton infolge einer nicht kraftschlüssigen Verbindung zwischen T-Flansch und Fundamentbeton. Dies bedeutet in der Praxis einen erhöhten Wartungs- und Instandsetzungsaufwand. Spannbetontürme bzw. der Spannbetonschaft von Hybridtürmen werden heute aus Betonfertigteilen hergestellt und mit der Turmvorspannung auf das Betonfundament aufgespannt (Bild 3). Das Fundament wird vor Ort gegossen und die Spannarbeiten werden in einem begehbaren Fundamentkeller ausgeführt, der auch im Betrieb der WEA zugänglich sein muss. Dadurch sind die wesentlichen lastabtragenden Bereiche des Fundamentes zugänglich und aus direkter Nähe inspizierbar.

7 7 Inspektionsverfahren Nach der DIBt-Richtlinie für WEA ([1]) sind Wiederkehrende Prüfungen in regelmäßigen Intervallen an Maschine und Rotorblättern sowie an der Tragstruktur (Turm und Gründung) durchzuführen. Für das Fundament bedeutet dies, dass mindestens der Fundamentsockel, der Übergang zwischen Turm und Fundament sowie falls vorhanden der Fundamentkeller (Bild 3) auf Risse, Betonabplatzungen und eindringende Feuchtigkeit zu untersuchen sind. Die Sichtprüfungen müssen aus direkter Nähe in Anlehnung an DIN EN ISO 9712 erfolgen und können auf erweiterte Prüfverfahren ausgedehnt werden. Der Prüfende sollte über eine entsprechende Zertifizierung für die jeweilige Bauweise (z. B. Stahl-, Beton-, Verbundbau) und über einen gültigen Sehtest entsprechend ISO 9712 verfügen. Bei nicht vorgespannten Verankerungen kann es zu einer Lockerung des Stahleinbauteils und damit zu einer Relativbewegung zwischen Fundament-Einbauteil und Beton kommen. Liegen entsprechende Anzeichen vor, ist eine Messung der Relativbewegung durchzuführen ([6]). Wichtige Sanierungsverfahren Schäden im Fundamentbereich können die Verfügbarkeit der WEA einschränken. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass sie meist systematisch nach einer bestimmten Nutzungsdauer auftreten und durch geeignete Sanierungsverfahren dauerhaft behoben werden können. Die Schäden können konstruktionsbedingt verursacht oder Folge einer unzureichenden Bauausführung sein. Fundamentsanierung Die genannten Auffälligkeiten können die Gebrauchstauglichkeit der Windenergieanlage einschränken und zu einer fortschreitenden Schädigung des Lasteinleitungsbereichs im Fundament führen. Um die geplante Nutzungsdauer zu erreichen und die Standsicherheit nicht zu gefährden, sind Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen durchzuführen. Dabei ist für jeden Einzelfall zunächst die Schadensursache zu untersuchen. Nur wenn die Schadensursache bekannt ist kann eine Sanierung langfristig erfolgreich sein. Das Sanierungskonzept ist daher stets auf einer statischen und dynamischen Untersuchung des Fundamentes zu entwickeln. Abdichtung des Übergangs zwischen Turm und Fundament Ist die vorhandene Abdichtung zwischen Turm und Fundament unzureichend oder schadhaft, kann eindringendes Wasser den Beton und Bewehrungsstahl schädigen. Daher sind schadhafte Abdichtungen umgehend durch ein zuverlässiges und dauerhaftes System zu ersetzen. Bei einer Verankerung des Turmschaftes mit Hilfe eines T-Flansches im Betonfundament tritt zwischen der Stahlturm und der Betonoberfläche eine vertikale Relativbewegung infolge der elastischen Dehnung der

8 8 Turmwand auf. Gleichzeitig kann es zu einer horizontalen Lasteinleitung im Bereich der Betondeckung kommen. Für die Sanierung kann daher eine Entkopplung zwischen Fundamentbeton und Stahleinbauteil erforderlich werden. Dabei wird der vorhandene Beton an der Oberfläche entfernt und ein elastischer Streifen, z.b. aus Moosgummi auf die Stahloberfläche aufgeklebt (Bild 3). Anschließend wird mit einem kunststoffmodifizierten Mörtel eine nach außen geneigte Betonoberfläche wiederhergestellt. Der Übergangsbereich sollte abschließend mit einer flächigen Abdichtung versehen werden. Das Abdichtungssystem muss in der Lage sein die Relativbewegung infolge elastischer Stahldehnung zwischen Stahlturm und Beton aufzunehmen. In der Praxis werden hierzu aufgespritzte Polyurethane erfolgreich eingesetzt. Die Materialien sollten für den jeweiligen Anwendungsfall zugelassen sein. Die Verarbeitung sollte durch qualifizierte Fachfirmen nach den Arbeitsanweisungen des Herstellers erfolgen. In vielen Fällen wird der Hersteller in die Planung und Ausführung der Sanierung mit eingebunden. Fixieren gelockerter Fundamenteinbauteile Infolge von Lufteinschlüssen unterhalb der breiten Lasteinleitungsflansche kann eine Schwächung des Betons vorliegen, die zu einer Bewegung des T-Flansches im Betonfundament führt. Beim Doppelflansch-Fundamenteinbauteil tritt eine Bewegung zwischen den Lasteinleitungsflanschen und Fundamentbeton konstruktionsbedingt infolge Betonschwinden und der Stahldehnung auf. Abbildung 4: Beispielhafte Darstellung von Sanierungsverfahren für ein Fundament mit Stahleinbauteil 1. WEICHEINLAGE (ENTKOPPELUNG) 2. HOHLKEHLE 3. DAUERELASTISCHE ABDICHTUNG REPROFILIERUNG INJEKTIONSKANAL

9 9 Tritt nun zusätzlich Wasser in das Fundament ein wird durch die Bewegung des T-Flansches eine Pumpbewegung erzeugt, welche im Betrieb der Anlage zum Auswaschen von Betonpartikeln führt. Dies vergrößert das Spiel zwischen T-Flansch und Beton, sodass eine schnell fortschreitende Schädigung einsetzen kann. Das Spiel zwischen T-Flansch und Beton kann durch eine kombinierte Messung der Relativbewegung und der Turmwanddehnung im Betrieb der Windenergieanlage überprüft werden. Von einem gelockerten Fundamenteinbauteil ist auszugehen, wenn die gemessene Relativbewegung zwischen Stahlturm und Fundamentbeton den Wert infolge der Stahldehnung überschreitet. Durch eigene umfangreiche Kurz- und Langzeitmessungen konnte eine Korrelation zwischen der gemessenen Bewegung und dem Betriebszustand (Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Betriebszustand der WEA, Turmfußmoment) nachgewiesen werden. Einzelne Messungen können demnach keine belastbaren Aussagen zur Schädigung des Betons im Bereich des T-Flansches liefern. Abbildung 5: Messsystem zur Überprüfung der Relativbewegung zwischen Stahlturm und Fundament Um eine fortschreitende Schädigung und eine Reduzierung der Lebensdauer zu verhindern, müssen gelockerte Fundamenteinbauteile im frühen Stadium fixiert werden. Hierzu werden die Hohlräume durch Injektion mit einem druckfesten Material verfüllt. In Abhängigkeit vom Schädigungsgrad sowie der Größe der Hohlräume und Fehlstellen kommen Zementleime und suspensionen sowie Polyurethane zum Einsatz. Größere Hohlräume sind mit Zementleimen zu füllen, kleinere Hohlräume und Spalte können mit Zementsuspensionen oder Polyurethanen verpresst werden (Bild 4). Bei der Auswahl der Materialien ist der im Vergleich zum Beton deutlich geringere E-Modul der Kunststoffe zu berücksichtigen. Zur Planung der Injektionsmethodik kann eine Untersuchung der Fehlstellen mit

10 10 Hilfe von Kernbohrungen und Videoendoskopie durchgeführt werden. Mit der Durchführung der Arbeiten sollten ausschließlich erfahrene Fachfirmen betraut werden. Da die verwendeten Materialien unter zyklischer Beanspruchung, wie sie beim Betrieb von Windenergieanlagen auftreten, bis heute nicht ausreichend untersucht wurden, wird eine regelmäßige Kontrolle der sanierten Fundamente empfohlen. Der Erfolg der Injektion kann durch einen Vergleich der Bewegungsmessung (vorher nachher) überprüft werden (Bild 5). Dabei sollte wiederum auf die Vergleichbarkeit der Messergebnisse (Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Betriebszustand) geachtet werden. In Darstellung: H+P Ingenieure vielen Fällen erscheint es empfehlenswert die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Lasteinleitungsflansch und dem Beton im Rahmen der Wiederkehrenden Prüfung zu kontrollieren. Grundsätzlich müssen die verwendeten Materialien für den jeweiligen Anwendungsfall zugelassen sein und die Verarbeitung muss durch qualifizierte Fachfirmen nach den Arbeitsanweisungen des Herstellers erfolgen. In vielen Fällen wird der Hersteller in die Planung und Ausführung der Sanierung eingebunden. Bei Eingriffen in die lastabtragenden Bauteile ist eine Sanierungsstatik zu Erstellung und ein Prüfingenieur für Baustatik hinzuzuziehen. Anforderungen an den Sachverständigen Türme und Fundamente für WEA sind Bauwerke, deren Planung, Herstellung und Errichtung in Deutschland durch bauaufsichtlich eingeführte Normen und Richtlinien geregelt ist. Auf europäischer Ebene werden hier die Eurocodes herangezogen. Viele Fragestellungen erfordern vertiefte statische und konstruktive Kenntnisse. Die Untersuchung und Bewertung der Tragstruktur sollten daher von unabhängigen Sachverständigen mit besonderer Fachkunde für Tragstrukturen von WEA durchgeführt werden. Ein Nachweis der Fachkunde sollte vom Auftraggeber eingefordert werden. Als besonders fachkundige Personen für Fragestellungen zu Türmen und Gründungen gelten dabei Bauingenieure mit mindestens zehn Jahren Berufserfahrung in den zu beurteilenden Bereichen ([7]) sowie Prüfingenieure für Baustatik. Im Bereich des Stahlbaus kann die Fachkunde auch durch eine Zertifizierung nach DIN EN 1090 und DIN EN ISO 9712 nachgewiesen werden. Die Dokumentation der WEA und die Erfassung der Bauwerksgeschichte wird noch wichtiger Zukünftig wird für viele Bestandsanlagen neben der Instandhaltung der Türme und Fundamente die Beurteilung hinsichtlich eines Weiterbetriebes über die Entwurfslebensdauer hinaus von Bedeutung sein ([5]). Die Ergebnisse der regelmäßigen Fundamentinspektionen, aber auch die Instandhaltungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen müssen in die Bewertung zum Weiterbetrieb einfließen. Daher ist eine detaillierte und möglichst lückenlose Dokumentation der Lebensgeschichte der WEA in einem Bauwerksbuch sowie eine zustandsorientierte Instandhaltung der Fundamente dringend zu empfehlen.

11 11 Literatur: [1] Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Richtlinie für Windenergieanlagen Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung, Okt [2] DIN EN ( ): Windenergieanlagen Teil 1: Auslegungsanforderungen (IEC : A1:2010) [3] Bundesverband WindEnergie e.v.: Grundsätze für die Wiederkehrende Prüfung von Windenergieanlagen [4] Bundesverband WindEnergie e.v.: Grundsätze für die Prüfung zur zustandsorientierten Instandhaltung von Windenergieanlagen [5] Bundesverband WindEnergie e.v.: Grundsätze für die Durchführung einer Bewertung und Prüfung über den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen. [6] Bundesverband WindEnergie e.v.: Ratgeber zum Thema Schäden an Fundamenten von Windenergieanlagen. [7] Bauministerkonferenz der für Städtebau, Bau- und Wohnungswesen zuständigen Minister und Senatoren der Länder (ARGEBAU): Hinweise für die Überprüfung der Standsicherheit von baulichen Anlagen durch den Eigentümer/Verfügungsberechtigten, September 2006.