Schwimmende Gründung von Windkraftanlagen auf Deponien am Beispiel der Deponie Georgswerder in Hamburg

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1 Schwimmende Gründung von Windkraftanlagen auf Deponien am Beispiel der Deponie Georgswerder in Hamburg Prof. Dr.-Ing. Klaus-Peter Salomo Dipl.-Ing. Michael Strampe IGU Ingenieurgesellschaft für Geotechnik und Umweltmanagement Prof. Dr.-Ing. Salomo + Partner mbh Sankt-Viti-Str. 1, D Uelzen 1 ALLGMEINES Windkraftanlagen (WKA) werden in der Regel in besonders windexponierten geografischen Lagen errichtet. Anders als bei anderen Bauwerken ist es daher seltener möglich, bei der Wahl des Anlagenstandortes die Gegebenheiten des Untergrundes zu berücksichtigen. Das hat zur Folge, dass oft untergrundverbessernde Maßnahmen erforderlich werden, um die typgeprüfte Standardgründung realisieren zu können. Nicht in allen Fällen ergeben sich daraus jedoch wirtschaftliche Lösungen. Daher ist als Alternative eine dem jeweiligen Standort angepasste Sondergründung denkbar. Insbesondere, wenn es sich um Anlagenstandorte mit sehr gering tragfähigem Untergrund handelt, kann ein dem Untergrund angepasster Gründungsvorschlag deutlich wirtschaftlicher sein, als eine aufwändige Untergrundverbesserung oder eine umfangreiche Tiefgründung. Einen Sonderfall nicht tragfähiger Untergründe stellen dabei Mülldeponien als potentielle Anlagenstandorte dar, da hierbei neben der geringen, und in der Regel schwer kalkulierbaren Tragfähigkeit des Baugrundes häufig auch ein generelles Verbot jeglichen Untergrundeingriffs umfangreichen Erdarbeiten entgegenstehen. Sehr oft werden daher Sonderlösungen für die Gründung derartiger Windkraftanlagen gewählt. 1.1 Die Altdeponie Georgswerder in Hamburg Die Altdeponie Georgswerder erstreckt sich mit ihrer 45 Hektar großen Grundfläche auf einer Elbinsel im Hamburger Stadtteil Wilhelmsburg. Die Müllablagerung erfolgte zwischen 1948 und Das Deponievolumen der ca. 40 m hohen Haldendeponie beträgt ca. 7 Mio. Kubikmeter. Damit ist Georgswerder eine der größten Altdeponien in Deutschland. Bis 1979 wurde Bau- und Trümmerschutt sowie Haus- und Sperrmüll abgelagert. Zusätzlich ist bekannt, dass von 1967 bis 1974 etwa Tonnen chlororganisch belastete Sonderabfälle der chemischen und mineralölverarbeitenden Industrien in Flüssigabfallbecken und Fasslagern deponiert wurden. Neben Lösungsmitteln (BTEX), bituminösen Rückständen (PAK) und Naphthalin-Raffinationsrückständen wurde 1983 in austretendem Sickerwasser auch das Sevesogift Dioxin nachgewiesen. Daher wurde die bis dahin ausschließlich vorhandene Abdeckung der Halde n-

2 oberfläche mit Lehmböden in einem sehr aufwändigen Sanierungsverfahren mit e i- nem Oberflächenabdichtungssystem versehen, das im Wesentlichen aus einer 35 cm dicken Gasdränschicht, einer PEHD-Dichtungsbahn, einer 60 cm dicken mineralischen Dichtung, einer 40 cm dicken Flächendränage aus Kiessand und einer bis zu 1,50 m dicken Rekultivierungsschicht besteht. Zusätzlich sorgen seit 1985 parallel errichtete Einrichtungen, wie das 1985 in Betrieb genommene Entgasungssystem, die Sickerflüssigkeitsfassung am Deponiefuß mit Aufbereitungsanlage sowie ein Grundwasserschutzbrunnensystem, für den Schutz der Umwelt. Die gesamten Sanierungsmaßnahmen dauerten bis 1995 an und kosteten ca. 150 Mio. DM. 1.2 Geologie und Hydrogeologie des Deponiestandortes Die ursprüngliche Geländeoberfläche vor dem Deponiebetrieb lag bei ca. 1,0 m +NN. Die anstehenden Marschablagerungen bis zu einer Tiefe von ca. 7,0 m -NN bestehen aus Klei, Torf und Mudde. Sie wurden im Holozän gebildet und weisen mit ihren vereinzelten Sandlinsen ein sehr uneinheitliches Bild auf. Der Kleiabbau zur Gewinnung von Rohmaterial für die Ziegeltonherstellung mit unbekannter Abbautiefe sowie die Einwirkungen von Bombardements im 2. Weltkrieg schwächte die Schicht großflächig. Es wird jedoch angenommen, dass die Kleischicht an keiner Stelle vollständig abg e- tragen wurde. Die Bombentrichter wurden hauptsächlich mit Feinsanden verfüllt. Wegen der Auflast des Müllberges ist davon auszugehen, dass die ehemals natürliche GOK durch Setzungen weiter gesunken ist und heute unterhalb von 0,0 m NN liegt. Die Weichschichten übernehmen heute die Funktion einer Geologischen Barriere, die die Schadstoffausbreitung maßgeblich behindert. Es folgt der darunter anstehende obere Grundwasserleiter mit einer Mächtigkeit von etwa 15 m, welcher aus Fein- und Mittelsanden sowie gröberen Schmelzwassersanden und - kiesen aufgebaut ist. Die Basis aus tertiärem Glimmerton mit einer geschätzten Mächtigkeit von 40 m, der abschnittsweise von Geschiebemergel und Geröll überlagert wird, weist tief eingeschnittene pleistozäne Erosionsrinnen auf. Das Niederschlagswasser, welches als Oberflächenwasser abläuft und nicht in das obere Decksubstrat eindringt, wird in einem Ringgraben gefasst. Die Flächendränage oberhalb der KDB entwässert in eine Ringleitung und wird dann gemeinsam mit dem Oberflächenwasser abgeführt. Der Deponiekörper weist einen Stauwasserkörper auf, der zu Beginn der Sanierungsmaßnahmen 1988 auf 14 m +NN stand und heute bei etwa 8 m +NN liegt. Das bedeutet, dass ca m³ Wasser pro Jahr durch die Marschablagerungen dem Grundwasser zufließen. Weitere Wasseraustritte am Haldenfuß in einer Größenordnung von etwa m³ pro Jahr werden gefasst und gereinigt. In den nächsten Jahren wird der Stauwasserspiegel weiter bis zum Grundwasserniveau sinken. Das Grundwasser ist gespannt und liegt im Mittel bei 0,3 m + NN, schwankt jedoch - bedingt durch die Tideabhängigkeit der Elbe - zwischen 0,5 m - NN und 1,5 m + NN. Die nachstehende Abbildung 1 zeigt die geologische Situation.

3 Abb. 1: Profilschnitt Altdeponie Georgswerder (Umweltbehörde Hamburg, 1995) 1.3 Der Energieberg Georgswerder Die Erhebung des Müllberges in der sonst flachen Elbmarsch hat bereits 1992 zur Nutzung der Windenergie durch Windkraftanlagen geführt. Damals wurde eine 150 KW-Anlage mit einer Nabenhöhe von 30 m aufgestellt. Das achteckige Fundament liegt oberhalb der KDB. Wegen der befürchteten Sackungen und Setzungen des Müllberges, und damit auch der WKA, wurde eine Nachstelleinrichtung installiert, mit der eine Turmneigung von bis zu 3% ausgeglichen werden konnte. Wegen der ausschließlich eingetretenen gleichmäßigen Setzungen musste diese Möglichkeit jedoch nicht in Anspruch genommen werden. Die Setzungen lagen zuletzt bei etwa 1 cm/a. Wegen der positiven Erfahrungen wurden dann 1995 und 1996 zwei weitere Windkraftanlagen mit 500 KW Leistung und einer Turmhöhe von 40 m errichtet. Eine vierte Anlage, mit einer Leistung von 1,5 MW, wurde erst 2004 im südlichen Teil des Deponiegeländes errichtet. Unter dem Motto Entwürfe für die Zukunft der Metropole" stellt sich die Hansestadt Hamburg im Rahmen der Internationalen Bauausstellung (IBA) 2013 den aktuellen globalen Herausforderungen, darunter der des Klimawandels, und zeigt im Zeitraum von 2007 bis 2013 beispielhafte Projekte, die Baufortschritt und Umweltschutz mite i- nander verbinden.

4 Das Ziel des Projekts Energieberg Georgswerder" ist, die Altdeponie in eine öffentlich begehbare Energielandschaft umzugestalten. Hierfür wurde der Südhang bereits mit einer m² großen Photovoltaikanlage ausgestattet. Der Wiesenschnitt der begrünten Deponie wird zur Umwandlung in Biogas genutzt und auch das methanhaltige Deponiegas wird zur Energiegewinnung genutzt. Im Auftrag der Hamburger Stadtentwässerung AöR, einem Unternehmen von Hamburg Wasser, soll die Nutzung der Windenergie im Zuge eines Repowering erheblich effizienter werden. Repowering bezeichnet im vorliegenden Fall dabei das Ersetzen alter Windkraftanlagen durch neue Anlagen mit einem höheren Wirkungsgrad. Der Vorteil des Repowering, gegenüber einer neuen Anlage, liegt in der vorhandenen G e- nehmigung und der höheren Akzeptanz der Anwohner, da neue Genehmigungen häufig Auslöser von Bürgerprotesten sind. Auf der Altdeponie Georgswerder ersetzt eine WKA vom Typ REpower 3.4M104 mit 3,4 MW Nennleistung die drei älteren Windkraftanlagen mit einer summierten Gesamtleistung von 1,15 MW. Der Aufstellort der neuen Windkraftanlage befindet sich unmittelbar am Standpunkt der alten 150 kw- Anlage aus dem Jahre 1992 und setzt daher einen Abriss im Vorfeld der Arbeiten voraus. Das umliegende Gelände hat eine Höhe von ca. 40 m +NN liegt somit im Bereich des höchsten Punktes der Deponie. Die beiden anderen Altanlagen WKA 2 und WKA 3 müssen vor Inbetriebnahme der neuen REpower-Anlage ebenfalls zurück gebaut werden, da die gegenseitigen dynamischen Einflüsse der Rotoren nicht verträ g- lich sind. Die nachstehende Abbildung 2 zeigt die Gesamtsituation. neue WKA Abb. 2: Luftbild der Deponie Georgswerder mit den vier alten WKA und eingetragener Standort der neuen Anlage (Bildgrundlage: Beckereit, M. 2010)

5 1.4 Untergrunderkundung am geplanten Anlagenstandort Nach DIN 4020 ist eine Deponie als Baugrund mit ihren ungewöhnlichen und schwier i- gen Baugrundverhältnissen der Geotechnische Kategorie 3 (GK3) zuzuordnen und ve r- langt daher größtmögliche Sorgfalt und einen erhöhten Untersuchungsaufwand bei der Untergrunderkundung. Grobe Kenntnisse über die Baugrundsituation lagen nur aus bis zu 11 m Tiefe durchgeführten Bohrungen aus dem Jahre 2008 vor. Es wurden daher zur Untergrunderkundung am geplanten WKA-Standort zusätzlich zwei Kernbohrungen niedergebracht. Um nicht mit dem kontaminierten Stauwasser in direkten Kontakt zu kommen, wurde eine maximale Erkundungstiefe von 28,00 m unter GOK festgelegt. Die Bohrung B1 musste allerdings wegen eines Hindernisses bereits bei 23,40 m abgebrochen werden. Aus den Kernen wurden Sonderproben gewonnen und im bodenmechanischen Labor hinsichtlich der maßgebenden Kennwerte untersucht. In den beiden nachstehenden Tabellen 1 und 2 sind die festgestellten Schichten vereinfacht zusa m- mengestellt. Tab. 1: Schichtenabfolge Bohrung, B1 (Bohransatzpunkt 40,79 m +NN) Bezeichnung Mächtigkeit UK [m] [m +NN] Beschreibung Rekultivierungsschicht 0,25 40,54 humoser Oberboden Auffüllung +Dränsch. 1,25 39,29 Sand, schluffig, schwach tonig Trennvlies - - Flächendrainage 0,25 39,04 Sand, kiesig KDB - - PEHD 1,5 mm Mineralische Dichtung 0,60 38,44 Geschiebemergel Gasdrainage 0,40 38,04 Sand, feinkiesig Auffüllung 3,85 34,29 Sand, schluffig, z.t. schw. tonig Müll (ca. 34,30) (ca. 0,00) Hausmüll, Bauschutt Tab. 2: Schichtenabfolge Bohrung, B2 (Bohransatzpunkt 40,67 m +NN) Bezeichnung Mächtigkeit UK [m] [m +NN] Beschreibung Rekultivierungsschicht 0,40 40,27 humoser Oberboden Auffüllung +Dränsch. 0,55 39,72 Sand, schluffig, schwach tonig Trennvlies - - Flächendrainage 0,25 39,47 Sand, kiesig KDB - - PEHD 1,5 mm Mineralische Dichtung 0,75 38,72 Geschiebemergel Gasdrainage 0,25 38,47 Sand, feinkiesig Auffüllung 3,25 35,22 Sand, schluffig, z.t. schw. tonig Müll (ca. 35,20) (ca. 0,00) Hausmüll, Bauschutt

6 Es ist erkennbar, dass die Mächtigkeit der oberen Auffüllungen (Humusschicht bis zur Ausgleichsschicht über dem Müll) zwischen 5,45 m und 5,75 m beträgt und dass der Müll eine Mächtigkeit von ca. 34 m - 35 m aufweist. Für den Müllkörper konnten aus beiden Bohrungen wichtige Beurteilungen des Tra g- verhaltens festgestellt werden. Die Anteile von Boden, Bauschutt, Folien, Papier, Holz und weiteren Abfällen variieren vor allem höhenmäßig stark. Der Müll weist eine weit fortgeschrittene Konsolidation, bei einer mindestens mitteldichten Lagerung bzw. einer mindestens steifen Konsistenz, auf. Mit zunehmender Tiefe steigt die Komprimierung der einzelnen Müllschichten. Dünne organische Schichten und Holzfraktionen befinden sich noch immer im Umwandlungsprozess, haben aber aufgrund ihrer Tiefenlage kaum negativen Einfluss auf das Setzungsverhalten. Für die Gründungsbeurteilung wurde aus den Ergebnissen der Laboruntersuchungen ein vereinfachtes Schichtenmodell zu Grunde gelegt: Ausgleichsschicht bis 6,50 m unter GOK = 18 kn/m 3, E s,stat = 15 MN/m² = 32,5, c = 0 kn/m² Müll 1 bis 16,50 m unter GOK = 16 kn/m 3, E s,stat = 2 MN/m² = 27,5, c = 2 kn/m² Müll 2 bis 40,00 m unter GOK = 15 kn/m 3, E s,stat = 5 MN/m² = 27,5, c = 5 kn/m² Grundwasser ca. 20,00 m unter GOK Für die Gründung der geplanten WKA wurden seitens des Deponiebetreibers folgende Randbedingungen vorgegeben: Der Standort der neuen Anlage befindet sich auf dem Altstandort der W KA 1, allerdings nicht zentrisch; Abstandskriterien der geplanten WKA zu Wohnbebauung und Kleingärten; WKA-Standort befindet sich in leicht geneigtem Gelände (etwa 5 % bis 10 %); Oberflächenabdichtung der Deponie muss nach Fertigstellung der Anlage wieder hergestellt werden, Gasfassung darf nicht beeinträchtigt werden; Keine Tiefgründung wegen der Schadstoffproblematik zulässig.

7 2 Gründungskonzept Die Gründung von Windkraftanlagen erfolgt in der Regel auf der Grundlage einer typgeprüften statischen Berechnung. Dabei geht der Aufsteller der statischen Berechnungen von angenommenen Untergrundverhältnissen aus. Wenn die Untergrundverhältnisse jedoch nicht den angenommenen bodenmechanischen Voraussetzungen entsprechen, ist ein häufig beschrittener Weg der, den Untergrund durch Maßnahmen des Spezialtiefbaus derart zu verändern, dass seine veränderten Eigenschaften die Vorgaben erfüllen. Wenn dieser Lösungsweg aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht beschritten wird, bleibt als Gründungsmöglichkeit normalerweise nur eine Pfahlgründung. Eine Tiefgründung auf dem Standort der Deponie Georgswerder ist jedoch grundsätzlich ausgeschlossen, da Schadstoffverschleppung in den noch unbelasteten Untergrund der Deponiebasis in Folge der Durchdringungen mit den Pfählen befürchtet werden. Als Gründungsmöglichkeiten kommen daher ausschließlich Varianten in Betracht, bei denen die Fundamentlasten mit einer Flachgründung in den Untergrund eingeleitet werden. Die neue Anlage vom Typ REpower 3 XM hat eine Nabenhöhe von 100 m und einem Rotordurchmesser von 104 m. Die Leistung dieser Anlage beträgt 3,37 MW. Für diese Anlage liegt eine Typenstatik für eine Flachgründung vor. Darin ist ein 16-eckiges Fundament mit einem Durchmesser von 17,50 m ( Schlüsselweite ) vorgesehen. In der Tabelle 3 sind nachstehend die aus der Typenstatik übernommenen Belastungsgrößen sowie die bodenmechanischen Anforderungen an den Untergrund zusammengestellt. Tab. 3: Eckdaten und bodenmechanische Anforderungen REpower 3XM Nennleistung in MW 3,37 Einschaltgeschw. in m/s 3,5 Nennleistung ab m/s 12,5 Abschaltgeschw. in m/s 25 Rotorfläche in m² Rotordurchmesser in m 104 Nabenhöhe in m 96,5-100 Turm Stahlrohr Fundament Stb-Sockel - Form (rund / eckig) 16-eckig - Durchmesser in m 17,50 - Höhe in m 2,60+2,95 - Sauberkeitsschicht in cm 10 mittl. Bodenpressung in kn/m² 265 max. Kantenpressung in kn/m² 360 max. Eckpressung in kn/m² 370 Dyn. Drehfedersteifigkeit k φ MNm/rad mind. Reibungswinkel in 10 Es,dyn / Es,stat in MN/m² 198 / 44 Lastannahmen vertikal in kn - Turm + Gondel Fundament Gesamtlast

8 Setzung in cm 2.1 Machbarkeit einer Flachgründung mit dem Standardfundament Auf der Grundlage der Lastangaben in der Typenstatik wurde mit Hilfe von Grundbruchund Setzungsberechnungen untersucht, wie groß die von der Fundamentgröße abhängigen Untergrundverformungen sind. Die Fundamentgröße wurde variiert, wobei als kleinste Fundamentgröße das typengeprüfte Standardfundament zu Grunde gelegt wurde. Die Fundamentsohle wurde einheitlich - wie in der Typenstatik - mit 3,00 m unter GOK angesetzt. Die Grundbruchnachweise ergaben bei allen Fundamentgrößen deutlich ausreichende Sicherheiten, bzw. geringe Ausnutzungsgrade. Die Ermittlung der Setzungen ergab folgende Werte (Abbildung 3): 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Fundament - Ø in m Reihe1 Abb. 3: Setzungen unterschiedlich großer Flachgründungen Die ermittelten Setzungsgrößen zwischen 11 cm und 66 cm zeigen, dass die Setzungen eines normalen Flachfundamentes für Windkraftanlagen unzulässig groß sind, da sie von Windkraftanlagen nicht verkraftet werden können. Selbst bei einer sehr großen Fundamentgrundfläche entstehen für die Windkraftanlage unverträglich große Setzungen, aus denen in Folge der großen exzentrischen Fundamentbelastung sehr große Fundamentschiefstellungen und entsprechend große Turmneigungen resultieren. Daher war im vorliegenden Fall eine Flachgründung, selbst mit einem gegenüber der Typenstatik deutlich vergrößerten Fundament, ohne Veränderungen des Untergrundes nicht realisierbar. Untergrundverbesserungen in Form von Tiefenverdichtungen waren wegen des absoluten Verbotes eines tiefreichenden Eingriffs in den Deponiekörper nicht möglich, so dass diese Gründungsalternative von vorne herein auszuschließen war. Auch eine Verfestigung von Teilen der oberen Müllschicht unmittelbar unterhalb des Fundamentes war wegen des heterogenen Aufbaus des Mülls und der hohen organischen Anteile nicht möglich.

9 2.2 Tief abgesetzte Flachgründung als schwimmende Gründung mittlere Bodenpressung = 122 kn/m² Kantenpressung (charakter. Lasten) = 165 kn/m² Pressung aus Eigengewicht. ohne Wind = 81 kn/m² Aushubentlastung = 84 kn/m² erf. E Sdyn/E Ssta = 67 / 22 MN/m² = 0,34 Abb. 4: Ausführungsvariante der Schwimmenden Gründung Zur Ausführung gelangte eine tief abgesetzte Flachgründung in Form einer schwimmenden Gründung (s. Abbildung 4). Dabei wird die Vorbelastung aus der bisherigen Bodenüberdeckung bis zur Gründungssohle in Anspruch genommen. Mit technischen Maßnahmen wird dann die Bodenpressung durch Variation der Fundamentgröße und der Einbindetiefe so verändert, dass sie in der Größenordnung der Vorbelastung, oder sogar darunter, liegt. Bei einer derartigen schwimmenden Gründung entstehen dann theoretisch gegenüber dem bisherigen Belastungszustand keine zusätzlichen Belastungen des Untergrundes, so dass keine Setzungen zu erwarten sind. Verformungen sind dann lediglich infolge der baubetrieblich bedingten Auflockerungen der Gründungssohle denkbar. Auch wenn die neue Belastung größer als die Aushubentlastung ist, entstehen nur geringe Setzungen infolge dieser Differenzlast. Derartige Gründungen sind z.b. erreichbar, indem das Fundament als Hohlkörper ausgebildet wird, oder indem bei entsprechend tief liegender Fundamentsohle die Überschüttung mit einem extremen Leichtbaustoff erfolgt. Bodenmechanisch spielt dabei das Kompressionsverhalten des Fundamentuntergrundes hier vor allem des Deponiekörpers eine ausschlaggebende Rolle. Die aus der Vorbelastung bereits eingetretene Kompression des Müllkörpers geht beim Aushub der Baugrube nur zu einem sehr geringen Anteil als elastische Entspannung zurück. Als Ergebnis der Untergrunderkundungen hat sich nämlich ergeben, dass der Deponiekörper an den untersuchten Stellen nur ein relativ geringes elastisches Verformungsverhalten zeigt. Bei derartigen Gründungsmaßnahmen müssen grundsätzlich die Lastanteile aus Erst- und Wiederbelastung unterschieden werden. Bodenmechanisch wird dieses in der Setzungsberechnung durch den Ansatz unterschiedlicher Steifemodule für diese beiden Zustände berücksichtigt.

10 2.3 Machbarkeit der Schwimmenden Gründung Für diese Gründungsvariante wurden die anstehenden Bodenschichten fast bis zur Müllgrenze flächenhaft ausgeräumt. Das Fundament wurde anschließend 4,65 m unter GOK abgesetzt. Die dann folgende Auffüllung über dem Fundament bis etwa 1,0 m unter GOK wird mit Schaumglasschotter ECOGLAS der Steinbach Schaumglas GmbH & Co. KG als sehr leichtem Füllmaterial mit einer Wichte von 2,4 kn/m³ verfüllt. Diese Maßnahme bewirkt die beabsichtigte große Entlastung des Untergrundes und ist aber gleichzeitig ausreichend stabil, um geringere Geländeauflasten (z.b. Befahrbarkeit des Geländes mit Wartungsfahrzeugen) zu ermöglichen. Eine Andeckung mit Oberboden zur Begrünung ist dann lediglich im oberen Meter vorgesehen. Auf der Grundlage der Lastangaben in der Typenstatik wurde mit Hilfe von Setzungsberechnungen untersucht, wie groß die von der Fundamentgröße abhängigen Untergrundverformungen sind. Für die Berechnungen wurden Steifemodule für die Wiederbelastungsphase verwendet. Dabei wurde als kleinste Fundamentgröße das typengeprüfte Standardfundament zu Grunde gelegt. Die Untergrundsituation entspricht der in Abschnitt 1.4 genannten, wobei unterhalb der Fundamentsohle nur noch ein ca. 1,0 m dicker Rest der Ausgleichsschicht verbleibt. Untersuchungen an den entnommenen Bohrkernen haben entsprechende Erfahrungen bestätigt, nach denen die Steifemodule der Wiederbelastung ungefähr dem fünffachen Wert der Erstbelastungswerte entsprechen E SWieder 5 E SErst. Die Ermittlung der Setzungen ergab folgende Werte (Abbildung 5): Abb. 5: Setzungen unterschiedlich großer Schwimmender Gründungen Die grafische Darstellung der Ergebnisse der Setzungsberechnungen zeigt, dass die Setzungen des Standardfundamentes ( 17,50 m) für Windkraftanlagen auch bei Verwendung der sehr leichten Auffüllung noch zu Verformungen führen, die von Windkraftanlagen nicht verkraftet werden können. Tolerable Setzungsgrößen werden mit Fundamenten von ca. 22,0 m Durchmesser erreicht.

11 3 Bau der Windkraftanlage 3.1 Voruntersuchungen und erdstatische Nachweise Die Voruntersuchungen haben ergeben, dass das Fundament in einer Tiefe von 4,65 m unter GOK abgesetzt werden soll. Die Wiederverfüllung sollte dann großvolumig mit sehr leichtem Schaumglas-Schüttgut erfolgen, das eine ausreichende chemische Beständigkeit und eine hohe Belastbarkeit aufweist. Die Wichte dieses Leichtbaustoffes ECOGLAS wurde im eingebauten Zustand mit = 2,4 kn/m³ gemessen. Dadurch wird der Deponiekörper im Wirkungsbereich der WKA-Gründung in der Tiefe von 4,65 m unter GOK mit einer Spannung von 84 kn/m² entlastet, die Belastung aus der WKA (ohne Wind) einschließlich der Überschüttung beträgt 81 kn/m². Dadurch ist sichergestellt, dass die Setzungen infolge der Last aus der Anlage und der Windbelastung nur zu Setzungen in einer Größenordnung führen, die für die Windkraftanlage verträglich sind. Die Setzungen des zur Ausführung gelangten Fundamentes wurden für die Lastfälle 1 und 3 in den kennzeichnenden Punkten ermittelt. Sie betragen s min =5,35 cm und s max =8,22 cm, daraus ergibt sich eine mittlere Setzung von s = 6,8 cm. Die Schiefstellung der Fundamentsohle beträgt dann Δs/l = 2,9/1.491 = 0,002 (1:519). Allgemein gilt für Windkraftanlagen, dass eine Schiefstellung von 3 mm/m, d.h. Δs/l = 1:333, unproblematisch ist. Daher ist festzustellen, dass die Setzungen für die Anlage verträglich sind. Bei der Untersuchung der Grundbruchsicherheit zeigte sich, dass der Ausnutzungsgrad beträgt nur = 0,056 beträgt. WKA sind stark dynamisch beanspruchte Bauwerke. Die Drehfedersteifigkeit ist dabei eine kennzeichnende Größe, die sich mit Kenntnis der Setzungen des Fundamentes leicht berechnen lässt: Drehwinkel = ds / b [rad] Drehfedersteifigkeit k = M / [kn m/rad] Aus der Setzungsberechnung konnte die statische Drehfedersteifigkeit ermittelt werden zu k,stat = ,7 MN m/rad = 2, N m/rad. Das entspricht einer dynamischen Drehfedersteifigkeit (Klein, G. 1990) von k,dyn = ,7 = MN m/rad > MN m/rad = min. k,dyn Es konnte daher festgestellt werden, dass die modifizierte Flachgründung mit einem Fundamentdurchmesser von = 23,00 m und einer Überschüttung mit leichtem Schaumglasschotter sowohl bodenmechanisch als auch bodendynamisch in Ordnung ist. Die theoretisch entstehenden Setzungen und Schiefstellungen bleiben in einer unbedenklichen Größe. Die einwandfreie dynamische Bettung des Fundamentes ist gewährleistet.

12 3.2 Ausführung Nach der Baufeldräumung und dem Rückbau der alten WKA 1 wurde die vollflächig verlegte KDB ringförmig freigelegt und für die Spundwandrammung aufgeschnitten. Spundbohlenlänge = 6,20 mm; Durchmesser Baugrube/Fundament = 23,0 m, Baugrubensicherung durch außen liegenden Stahlbetongurt Der Baugrubenaushub erfolgte in zwei Teilschritten: Im ersten Schritt ist die KDB großflächig freigelegt worden. Die einzelnen Schichten (Grasnarbe, Mergel und Dränkies) wurden separiert und zwischengelagert. Im zweiten Schritt wurde dann auf die Endtiefe von rund 5,0 m unter GOK ausgekoffert. Der alte Füllboden oberhalb der Müllschichten wurde ebenfalls separiert und zwischengelagert. Der Baugrubenaushub wurde am , inkl. einer 10 cm dicken Sauberkeitsschicht aus Sand und einer Abdeckung mit Baufolie fertiggestellt. Während der Baugrubenherstellung (Spundwandbau und Auskofferungsarbeiten) wurde ein kontinuierliches Gasmonitoring durchgeführt. Hierzu wurden gemäß des Arbeits- und Sicherheitsplanes in regelmäßigen Zeitabständen Gaskonzentrationsmessungen mit einem PID-Multigasmessgerät und zusätzlich mit mehreren 4-Gasmessgeräten (persönliche Ausrüstung am Mann) durchgeführt und protokolliert. Es folgten die Bewehrungs- und Betonierarbeiten für das neue Fundament. Nach Herstellung des Fundamentsockels wurde das Schaumglasschotter-Material ECOGLAS eingebracht, Diese Schicht endet etwa 1,0 m unter GOK und wurde mit einem Schutzvlies abgedeckt. Am begannen die Arbeiten des Spundwandrückbaus. Im Zuge dieser Arbeiten wurde der Spalt der Spundbohlen im Boden mit einer Zementsuspension verpresst. Anschließend wurde das Dichtungssystem fachgerecht wieder geschlossen und mit Klemmprofilen am Fundamentsockel gas- und wasserdicht angeschlossen. Den Abschluss der Tiefbaumaßnahme bildete der schichtengleiche Aufbau bis zur GOK mit einer mineralischen Kiesdränschicht und einem Trennvlies auf der KDB und dem ursprünglichen Abdeckboden. Die neue Windkraftanlage wurde in der letzten Woche des Jahres 2011 offiziell in Betrieb genommen und liefert bereits Strom unter Volllast. Im Rahmen des Qualitätsmanagements werden in regelmäßigen Zeitabständen höhenmäßige Deformationsmessungen durchgeführt. Die bisherigen Setzungen (Stand ) betragen lediglich 2 mm und belegen die erfolgreiche Umsetzung des innovativen Gründungskonzeptes.

13 Abb. 6: fertige Baugrube Abb. 7: Herstellung des Fundamentes

14 Abb. 8: Schaumglasschotter Abb. 9: KDB Anschluss

15 Abb. 10: fast fertige Windkraftanlage

16 4 LITERATUR IGU MBH UELZEN: Baugrund- und Gründungsgutachten, Repowering WKA auf der Deponie Georgswerder, Endbericht vom TINAT, C.: Untersuchungen zur Gründung von Windkraftanlagen auf gering tragfähigem Untergrund am Beispiel einer WKA-Gründung im Rahmen des Repowering auf der Altdeponie Georgswerder, Bachelorarbeit an der OSTFALIA Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fakultät Bau-Wasser-Boden, Suderburg, 2012 UMWELTBEHÖRDE HAMBURG: Deponie Georgwerder, Sanierung Freie und Hansestadt Hamburg, Umweltbehörde, Amt für Umweltschutz - Altlastensanierung, 1995 FREIE UND HANSESTADT HAMBURG: Veröffentlichungen zur Deponie Georgwerder SOKOLLEK, V., STEINERT, B., MELCHIOR, S., MOOSMANN, L.: Results from thirteen years of monitoring the encapsulated landfill Georgswerder, in: ConSoil 2003, 8 th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil 2003 BECKEREIT, M: Nachhaltige Energie aus Hamburg; Der Energieberg heute und morgen 25Jahre Deponie Georgswerder, Festveranstaltung Hamburg Energie am KLEIN, G.: Bodendynamik und Erbeben in Grundbautaschenbuch, 4. Auflage, Band 1. S. 459 ff, Verlag Ernst & Sohn 1990 DEUTSCHES INSTITUT FÜR BAUTECHNIK - DIBT.: Richtlinie für Windenergieanlagen, Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung, Schriften des Deutschen Instituts für Bautechnik, Reihe B, Heft 8, 2004