Grundlagen einer Entwurfsrichtlinie für. Offshore-Windenergieanlagen. Abschlussbericht

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1 Grundlagen einer Entwurfsrichtlinie für Offshore-Windenergieanlagen Abschlussbericht Juli 2006

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3 I Forschungsvorhaben: Grundlagen einer Entwurfsrichtlinie für den Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen Förderkennzeichen: FV 152 Zahlungsempfänger: Hochschule Bremen Laufzeit des Vorhabens: Förderung des Projektes durch: Land Bremen vertreten durch: Senator für Bau und Umwelt Senator für Bildung und Wissenschaft Senator für Wirtschaft und Häfen Hochschule Bremen ENERCON GmbH

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5 III Zielsetzung In der insgesamt noch jungen Technik für Offshore-Windenergienutzung in der Nord- und Ostsee sind spezifische Enwurfsnormen bisher nicht verfügbar. Die direkte Übertragung von Onshore-Daten ist nur bedingt möglich; insbesondere die Größe der Offshore-Anlagen, die dortigen Baugrunde, der stärkere Wind sowie die zusätzliche Welleneinwirkung schaffen gravierende Unterschiede zu Windenergieanlagen an Land. Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung praxistauglicher Konzepte zur sicheren, aber auch vereinfachten Entwurfsberechnung von Offshore-Anlagen. Notwendig sind, neben der Sichtung und der Zusammenfassung des wissenschaftlichen Standes der Technik, umfangreiche statistische Auswertungen zu den potentiellen Einwirkungen sowie Parameterstudien mit Berechnungen an ausgewählten Tragsystemen. Betrachtet werden die drei Substrukturen Anlagenturm (über dem Wasser), Stützkonstruktion (im Wasser) und Gründung (im/auf dem Meeresboden) im Hinblick auf die jeweilige Beanspruchung durch Wind und Welleneinwirkung. Die Ergebnisse der Arbeit fließen derzeit in eine Arbeitsgruppe am Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg, zur Entwicklung einer Richtlinie für den Entwurf von Offshore-WEA ein. Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Harry Harder Leiter des Institutes für Geotechnik an der Hochschule Bremen Prof. Dipl.-Ing. Horst Bellmer Honorarprofessor an der Hochschule Bremen; Mitinhaber des Ingenieurbüros Prof. Bellmer Ingenieurgruppe GmbH Projektbearbeitung: Dipl.-Ing. Daniel Bringezu Dipl.-Ing. Holger Rakers Wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Geotechnik an der Hochschule Bremen

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7 Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis ZIELSETZUNG...III INHALTSVERZEICHNIS...V 1 ZUSAMMENFASSUNG ÜBERTRAGBARKEIT DER RICHTLINIE FÜR WINDENERGIEANLAGEN DES DIBT FÜR DIE BEMESSUNG VON OFFSHORE-WINDENERGIEANLAGEN STANDORTBEDINGUNGEN VON OWEA Fragestellung Windlasten Allgemeines Das Windklima der Nordsee und der Ostsee Windlastannahmen nach DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen März Windlasten nach DIN Windlastannahmen des GERMANISCHEN LLOYD (GL) Windlastannahmen nach IEC Berechnungen und Abschätzungen von Winddaten aus meteorologischen Messdaten und Berechnungen Vergleich und Bewertung der Ergebnisse Wellenlasten Allgemeines Das Seeklima in der Nord- und Ostsee Ermittlung der Wellenbelastung von Offshore-WEA Belastung durch Meeresströmung Allgemeines Meeresströmungen in Nord- und Ostsee Gezeitenströmung Winderzeugte Strömung Kombination der Meeresströmungen Eisbelastung Eisbildung in Nord- und Ostsee Eisbildung und Erscheinungsformen des Eises Eigenschaften des Eises und Berechnung von Eiskräften Reduzierung der Eislasten Kolkbildung Allgemeines Kolkentstehung und Kolkauswirkungen Kolkschutz Berechnung der zu erwartenden Kolktiefen Kombination der Belastungen...95

8 VI Inhaltsverzeichnis Kombination Wind und Seegang unter Betriebsbedingungen Kombination von Wind und Seegang unter extremen Bedingungen Kombination von Wind und Seegang mit anderen Belastungen Lastannahmen für Hydrodynamische Belastung in internationalen Regelwerken Einflüsse einer Klimaveränderung Fazit GRÜNDUNGSVARIANTEN FÜR OFFSHORE-WINDENERGIEANLAGEN Allgemeines Randbedingungen für Gründungssysteme Gründungsvarianten Allgemeines Schwergewichtsgründungen (Gravitations-Fundament) Pfahlgründungen Alternative Gründungsmöglichkeiten GEOTECHNISCHEN VORAUSSETZUNGEN FÜR DEN ENTWURF VON OFFSHORE-WINDENERGIEANLAGEN Allgemeines Baugrunderkundung Geophysikalische Erkundung Geotechnische Erkundung Umfang der Baugrunderkundungen BSH-Standard Baugrunderkundung DIN GERMANISCHER LLOYD (GL) AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API) DET NORSKE VERITAS (DNV) FUGRO-MCCLELLAND Baugrundverhältnisse in Nord- und Ostsee Fazit BERECHNUNGS- UND BEMESSUNGSVERFAHREN FÜR DEN GRÜNDUNGSENTWURF VON OWEA Allgemeines Kriterien und Verfahren für den Gründungsentwurf Schwergewichtsgründungen Allgemeines Nachweis der Kippsicherheit Nachweis der Grundbruchsicherheit Nachweis der Gleitsicherheit Nachweis der Auftriebssicherheit Konsistentes Versagensmodell zum Nachweise der Standsicherheit Pfahlgründungen...140

9 Inhaltsverzeichnis VII Allgemeines Pfahlgründungen für Offshore-WEA Nachweis der axialen Tragfähigkeit Berechnungsverfahren zur lateralen Tragfähigkeit Ansätze für seitliche Bettung Offshore-Gründungen unter nicht monotoner Belastung Allgemeines Offshore-Gründungen unter zyklischer Belastung Verhalten von Boden unter dynamischer Belastung Fazit BERECHNUNGEN MIT NUMERISCHEN MODELLEN Allgemeines Modellaufbau Stoffgesetz Baugrund-Modell Pfahl-Modell Kontaktdefinitionen Randbedingungen und Diskretisierung Ergebnisse der numerischen Berechnungen Fazit EINFLÜSSE AUF DIE DIMENSIONEN VON PFAHLGRÜNDUNGEN Allgemeines Axialtragfähigkeit Vorbemessung Pfropfenbildung im Pfahlrohrquerschnitt Reduktion der Zugkräfte durch Ballastierung des Tripod Lateraltragfähigkeit Kolkeinwirkung Fazit MAßGEBENDE EINWIRKUNGSKOMBINATION UND MODELLPARAMETER FÜR DIE BEMESSUNG DER TRIPOD-GRÜNDUNG Allgemeines, Berechnungsumfang Hydrodynamische Belastung des Tripod und Konstruktionsvariationen Allgemeines, Berechnungsansätze Auswirkung der Wellenrichtung beim Tripod Variation der Strebenneigung Variation der Systemgeometrie Einfluss des Wasserstandes Variation von Wellenhöhe und Wellenperiode Gesamtbelastungen der OWEA und Variation der Lagerungsbedingungen und der Knotensteifigkeit...259

10 VIII Inhaltsverzeichnis Allgemeines Berechnungsumfang, Auswertungsmethode Beanspruchungen des Tripod durch Wind- und Wellenbelastung Eigengewicht Kombination der Wind-, Wellen- und Eigengewichtsbelastung Strömungslasten Einfluss der seitlichen Pfahlbettung im Bodens Allgemeines Berechnungsumfang Beanspruchungen des Tripod unter Berücksichtigung der Bettung des Bodens Kombinations- und sicherheitstheoretische Überlegungen für Tripods Fazit STATISCHE GRENZEN DES MONOPILES ALS ALTERNATIVE ZU EINER TRIPOD- GRÜNDUNG Allgemeines, Berechnungsumfang Auswertung Bewertung SCHWINGUNGSVERHALTEN UND LEBENSDAUER VON OFFSHORE- WINDENERGIEANLAGEN UNTER DYNAMISCHER BEANSPRUCHUNG Einleitung Schwingungsverhalten von OWEA Allgemeines Auswirkungen der Eigenfrequenz auf die Belastung Einflussparameter auf die Eigenfrequenz von Windenergieanlagen Bewertung Konzepte für den Nachweis der Betriebsfestigkeit von OWEA Betriebsfestigkeitsbewertung nach unterschiedlichen Normen und Richtlinien Deterministisches Verfahren Berechnungen im Frequenzbereich Berechnungen im Zeitbereich Fazit FAZIT UND AUSBLICK Fazit Ausblick ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS LITERATURVERZEICHNIS VERWENDETE SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN...367

11 Zusammenfassung 1 1 Zusammenfassung Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Frage praxistauglicher Berechnungs- und Bemessungsansätze und -methoden für die Planung und den Entwurf von Offshore- Windenergieanlagen (OWEA). Windenergieanlagen sind hybride Anlagen, teils Maschine, teils Bauwerke. Maschinen werden traditionell typengeprüft und in Serie gefertigt, Bauwerke hingegen insbesondere Ingenieurbauwerke werden zweck- und standortbestimmt als Unikate errichtet. Der derzeitige Stand der Technik sieht zwangsläufig individuelle Entwürfe durch umfangreiche standortspezifische numerische Simulationen und Berechnungen für jede einzelne WEA vor, weil einerseits die Standortbedingungen eine bedeutende Entwurfskomponente bilden und andererseits Erfahrungen als Grundlage für Verallgemeinerungen fehlen. Eine einheitlich anwendbare Richtlinie existiert nicht, und die Richtlinien von privatrechtlich organisierten Klassifizierungsgesellschaften führen zumindest teilweise zu unterschiedlichen Ergebnissen. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel einen ganzheitlichen Überblick über alle Aspekte des Bauwerkes Offshore-Windenergienanlage zu geben. Dazu werden Ergebnisse der Grundlagenforschung gesichtet, zusammengestellt und nötigenfalls ergänzt. Die für die Entwurfsplanung von Offshore-Windenergieanlagen benötigten Annahmen über die äußeren Umweltbedingungen werden benannt und ihre Auswirkungen auf die Dimensionierung der Turm-, Stütz- und Gründungskonstruktion untersucht und zusammengestellt. Für einen Großteil der Problemstellungen werden geeignete vereinfachte Ansätze und Methoden, die meist ohne großen numerischen Aufwand anwendbar sind, vorgestellt und erläutert. Im ersten Teil des Berichtes werden die maßgebend vorherrschenden äußeren Offshore- Bedingungen und ihre statistischen Auswertungen im Vergleich mit bestehenden Normen und Richtlinien beschrieben und erläutert. Dazu werden die relevanten Einwirkungsgrößen, wie Windverhältnisse, Seegang, Meeresströmung, Eis, Kolk und die Kombination der Belastungen anhand von statistischen Daten ausgewertet und mit verfügbaren Vorschriften verglichen. Mit Hilfe der statistischen Daten werden konkrete Vorschläge für die Annahmen zu den maßgebenden Umgebungsbedingungen formuliert. Unterschieden wird dabei zwischen Betriebs- und Extremlasten. Wie die einzelnen Belastungen für die Dimensionierung von OWEA anzusetzen sind, wird ebenfalls detailliert angegeben. Im zweiten Teil werden die geotechnischen Aspekte von Offshore-Windenergieanlagen und ihre Besonderheiten behandelt. Dabei werden, ausgehend von den derzeit diskutierten Gründungsvarianten, die Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung erläutert, die gängigen Verfahren zur Bemessung von verschiedenen Gründungsstrukturen vorgestellt und die ihren zu Grunde liegenden Annahmen im Hinblick auf die Anwendung zur Dimensionierung von OWEA geprüft.

12 2 Zusammenfassung Anschließend wird ein numerisches Boden-Pfahl-Modell vorgestellt und zur Validierung der vereinfachten analytischen Verfahren verwendet. Dabei werden zunächst die für das numerische Modell notwendigen Einflussparameter variiert und deren Auswirkungen auf das System untersucht und ausgewertet. In den folgenden Abschnitten werden die analytischen Berechnungsmethoden und deren Parameter mit denen des FE-Modells verglichen. Die Ergebnisse werden gegenübergestellt sowie entsprechende Anwendungshinweise für den Offshore-Bereich gegeben. In einer umfangreichen Parameterstudie werden die Auswirkungen variierender Modellgeometrien, unterschiedlicher Annahmen über Umweltlasten und Bodenverhältnisse an zwei Gründungsvarianten (Tripod, Monopile) und Modellen studiert und bewertet. In einem weiteren Schritt werden die analytischen Verfahren mit den Berechnungen des FE- Modells verglichen. Im letzten Abschnitt werden die Besonderheiten und Einflüsse auf die Lebensdauerberechnung der Windenergieanlage untersucht. Hierfür wird zunächst das für die Berechnung der Lebensdauer entscheidende Schwingungsverhalten für unterschiedliche Gründungstrukturen untersucht. Im weiteren Verlauf werden die Konzepte zur Bewertung der Lebensdauer hinsichtlich unterschiedlicher Vorschriften und Berechnungsverfahren gegenübergestellt und bewertet.