Numerische Untersuchung zum Tragverhalten horizontal belasteter Monopile-Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen
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- Nadja Solberg
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1 Numerische Untersuchung zum Tragverhalten horizontal belasteter Monopile-Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus Dr.-Ing. Khalid Abdel-Rahman Institut für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau Universität Hannover
2 Windpark Utgrunden, Schweden
3 Quelle:
4 Quelle:
5 Baugrundaufbau in Nord- und Ostsee Quartäre Ablagerungen des Pleistozäns und des Holozäns Nordsee Ostsee, -1, -7, -2, -21, -32, -37, -5, [m] BP 1 BP 2 BP 3 Feinsand, schluffig Fein- Mittelsand Mittelsand, kiesig Mittelkies Fein- Mittelsand Mittelsand, kiesig Fein- Mittelsand,, -2, Feinsand, -2, schluffig -3, -8, Mudde -8, Geschiebelehm -15, -15, Schluff, -2, sandig Ton -25, -32, -5, -5, [m] [m] Feinsand, schluffig Humus Fein- Mittelsand Mergel Mittelsand, kiesig Ton, schluffig Fein- Mittelsand BP 1 BP 2, Schlick Sande Mudde -12, Schluff Ton Mergel Mergel -3, T / U - Stein [m] Quelle: Stahlmann/Schallert (23)
6 Gründungsvarianten + 19 m + 13 m + 3 m D = 7,5 m + _, m Schwergewicht Monopile Tripod Jacket
7 + 19 m Problemstellung + 13 m System: gebetteter Balken V M H + 3 m + _, m D = 7,5 m
8 k ES D Bettungsmodulverfahren nach DIN 154:23-1 bzw. ks, max ES 1m =k y e h s ph s, max = = Anwendung nur für die Schnittgrößenermittlung M H σ y max,3d 2cm e ph k s y σ h
9 Verfahren nach API (Sandboden) H M p = A pu tanh k z A p u y p u p ( p p ) p =min, u us ud p us p ud = = ( c z + c D) ' z c γ 1 2 Dγ ' z 3 y A = 3,,8 z / D A =,9,9 (statisch) (zyklisch)
10 Maximale Bettungsreaktion (Sandboden) API: DIN 485: p us p ud u = ( c z + c D) ' z 1 2 γ = c3 Dγ ' z p = De =γ ' z D k µ µ ph ph ph 1 +,45 z / D = 1,369 z / D ( p p ) p = A( z / D) min, u us ud ph ( z / D < 3,33) ( z / D 3,33) Koeffizienten c,c in c c c Winkel der inneren Reibung ϕ in Koeffizient c in 1 3 2,5 5, 7,5 D = 2 m ϕ = D = 7,5 m ϕ = 3 Tiefe z in m 1 API Tiefe z in m 1 2 DIN 485 ( δ = ) DIN 485 ( = ) δ 2 3 API
11 Steifigkeit (Sandboden) API: k z p = A pu tanh A p dp u dy = dp dy ( y = ) k z DIN 154: u ( y = ) = ES bzw. dp dy u ( y ) u = = E S y D 1m p u Anfangsbettungsmodul k in MN/m ϕ = 29 ϕ = 3 Sand, unter Wasser ϕ = 36 ϕ = Bezogene Lagerungsdichte I D in %
12 Betrachtete Systeme H H H M L = 18 m L = 3 m L = 3 m Sand, mitteldicht D = 2 m t = 3 cm D = 7,5 m t = 9 cm D = 7,5 m t = 9 cm
13 Finite Elemente-Modell Symmetrisches System 8-Knoten Volumenelemente Kontaktelemente zwischen Pfahl und Boden Stahl linear elastisch Boden: a) lin. elastisch ideal plastisch (MC) b) hypoplastisch Stoffgesetz Stoffparameter FEM, MC E S = 8 MN/m 2, ν =,25 ϕ = 33, ψ = 1, c = kn/m 2 FEM, hypopl. ϕ c = 3, h s = 58 MN/m 2, e d =,53, e c =,84, e i = 1,, n =,25, α =,13, β = 1,5
14 Berechnungsergebnisse Monopile (D = 7,5 m) Horizontalverschiebung Bettungsspannungen (> 5 kn/m 2 ) H = 4,8 8, 3,2 MN, M = MNm
15 Horizontalverschiebungen (D = 2 m) Horizontalverschiebung y in mm Tiefe in m API / LPILE FEM, MC FEM, hypopl. BMV 2 H =,8 MN 2 H = 1,5 MN
16 Ergebnisse p-y-kurven (D = 2 m) API / LPILE FEM, MC FEM, hypopl. BMV H Sand, mitteldicht z = 1,1 m z = 3,9 m z = 6, m p in kn/m p in kn/m z = 1,1 m y in mm z = 3,9 m y in mm p in kn/m z = 16, m 5 1 y in mm z = 16, m z = 18, m Stahlrohr D = 2 m; t = 3cm a p in kn/m z = 6, m y in mm
17 Horizontalverschiebungen unter H-Last (D = 7,5 m) Horizontalverschiebung y in mm Tiefe in m API / LPILE FEM, MC FEM, hypopl. BMV 3 H = 4,8 MN 3 H = 8 MN
18 Horizontalverschiebungen unter H- und M-Last (D = 7,5 m) Horizontalverschiebung y in mm Tiefe in m H = 4 MN M = 12 MNm API / LPILE FEM, MC FEM, hypopl. BMV H = 8 MN M = 24 MNm
19 Ergebnisse p-y-kurven (D = 7,5 m) 6 Sand, mitteldicht API / LPILE FEM, MC FEM, hypopl. BMV M Stahlrohr D = 7,5 m; t = 9 cm a H z = 1,5 m z = 3, m z = 5,5 m z = 9,5 m p in MN/m p in MN/m p in MN/m 4 z = 1,5 m y in mm 4 z = 3, m y in mm z = 5,5 m y in mm 6 p in MN/m 4 z = 26, m 2 z = 26, m 2 4 y in mm z = 3, m p in MN/m 4 2 z = 9,5 m y in mm
20 Schlussfolgerungen: p-y-kurven: FE (MC) ist oberflächennah zu steif, in großer Tiefe zu weich gegenüber API. Dies gilt für beide betrachteten Durchmesser. Resultierende Verschiebungen: API-Ergebnisse und FE-Ergebnisse (MC) stimmen sowohl für D=2 m als auch für D=7,5 m relativ gut überein. Für das hier betrachtete System mit D=7,5 m führt das API-Verfahren zu realistischen Ergebnissen. Offene Fragen: Übertragung auf andere Randbedingungen? Verhalten bei zyklischer Belastung?
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