Standard Baugrunderkundung für die Planung von OWEA - Erste Erfahrungen bei der praktischen Anwendung -

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1 Standard Baugrunderkundung für die Planung von OWEA - Erste Erfahrungen bei der praktischen Anwendung - Prof. Dr.-Ing. Werner Richwien Dr.-Ing. Kerstin Lesny Dipl.-Ing. Peter Hinz Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Universitätsstr. 15 Fon: Fax: werner.richwien@uni-due.de Internet:

2 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz 2 1 Einleitung Für die Gründung von Offshore Windenergieanlagen werden bisher fast ausschließlich die bewährten Konzepte für freistehende Offshore Plattformen in modifizierter Ausführung herangezogen. Wie bei allen Gründungsaufgaben sind die Baugrunderkundungen von entscheidender Bedeutung für eine technisch zuverlässige und wirtschaftlich optimale Gründungsbemessung. Baugrunderkundungen offshore sind allerdings zeitaufwändig und teuer, mit der Folge, dass anfangs in der Planungsphase oft auf umfassende und vor allem aussagefähige Untersuchungen verzichtet wird. Aus diesem Grund hat das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) einen Standard Baugrunderkundung herausgegeben, in dem ein Mindestumfang geophysikalischer und geotechnischer Baugrunderkundungen definiert ist (BSH, 2003). Dieser Standard ist verbindlicher Bestandteil der vom BSH für Windparks in der AWZ zu erteilenden Baugenehmigung. Im Rahmen unserer wissenschaftlichen Arbeit haben wir an der Erarbeitung des Standards Baugrunderkundungen mitgewirkt, zugleich mussten wir aber im Rahmen unserer Beratungstätigkeit auch feststellen, dass in konkreten Fällen nicht alle Vorgaben des Standards umgesetzt werden können. Die Autoren haben daher mit Unterstützung des BSH eine Umfrage durchgeführt, welche Erfahrungen mit dem Standard Baugrunderkundungen konkret vorliegen. Obwohl die eingegangenen Rückmeldungen noch keine Verallgemeinerung erlauben, stellen wir die bisherigen Ergebnisse nachfolgend zur Diskussion. 2 Systematik der Baugrunderkundungen Die eigentlichen Standorterkundungen umfassen alle für die Bemessung der Gründung erforderlichen geotechnischen Erkundungen (Bohrungen, Sondierungen) einschließlich der geotechnischen Labor- und Feldversuche. Die Ergebnisse dieser Erkundungen werden in einem Baugrunduntersuchungsbericht zusammengefasst, der Grundlage für das Baugrund- und Gründungsgutachten ist. Dessen Ergebnisse fließen schließlich in den Ausschreibungs- bzw. Ausführungsentwurf für die einzelnen Anlagen ein. Hinzu kommen bau- und betriebsbegleitende Untersuchungen, wie Rammprotokolle oder Bauwerksmessungen. Nach DIN 1054 (2005) werden Offshore Bauwerke als Bauwerke mit dem höchsten Schwierigkeitsgrad hinsichtlich Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit eingestuft (Geotechnische Kategorie GK 3). Ein Sachverständiger für Geotechnik ist daher zwingend einzuschalten. Zu seinen Aufgaben gehören insbesondere:

3 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz 3 die Ausarbeitung eines Konzeptes für die Baugrunderkundungen, die Veranlassung der Baugrunderkundungen, die Überwachung der Baugrunderkundungen und die Darstellung der Ergebnisse der Baugrunduntersuchungsbericht und ggf. Ausarbeitung des Baugrund- und Gründungsgutachtens. Der Sachverständige für Geotechnik hat dafür Sorge zu tragen, dass der Baugrund innerhalb eines geplanten Windparks in allen für die Gründungsbemessung relevanten Eigenschaften erfasst wird. Dazu muss er gegenüber dem Bohrunternehmer weisungsbefugt sein, um z. B. die Qualität der Erkundungen sicherzustellen. Das setzt seine wirtschaftliche Unabhängigkeit gegenüber dem Bohrunternehmer voraus. Gerade diese umfassende Verantwortung des Baugrundsachverständigen ist den Planern von Offshore Windenergieanlagen nicht immer bewusst. Oft werden die Erkundungen ohne den Baugrundsachverständigen durchgeführt und diesem dann erst zur Abfassung eines Baugrunduntersuchungsberichts übergeben. Diese Praxis entspricht nicht der Verantwortung die dem Baugrundsachverständigen hier (in Übereinstimmung mit DIN 4020) übertragen wird. 2.1 Geophysikalische Baugrunderkundungen Die geophysikalischen Baugrunderkundungen werden in Abhängigkeit von der Größe des Windparks und dem Abstand der Anlagen untereinander geplant. Der Standard Baugrunderkundung lässt die gesamte Bandbreite geophysikalischer Untersuchungen zu. Ohne Kalibrierung sind geophysikalische Messergebnisse allerdings nicht aussagefähig. Zur Kalibrierung werden die Ergebnisse von Bohrungen benötigt, der BSH Standard legt die Anzahl der benötigten Bohrungen mit rd. 10% der Anlagenstandorte fest. In der derzeitigen Praxis wird das Konzept der Mindestanforderungen diesbezüglich nur in Ausnahmefällen konsequent und komplett umgesetzt. So werden die Ergebnisse von geophysikalischen Untersuchungen in vielen Fällen gar nicht oder nur mit Bohrungen aus Datenbanken kalibriert, zum Teil werden erst im Nachgang Bohrungen durchgeführt. Eine solche Vorgehensweise ist sehr problematisch, weil die geophysikalischen Eigenschaften sehr verschiedener Bodenarten durchaus sehr ähnlich sein können. Geologische Modellbildungen auf einer solchen Grundlage sind kaum möglich, was aber nicht immer bewusst ist.

4 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz Geotechnische Baugrunderkundungen Geotechnische Baugrunderkundungen dienen primär der Erkundung von Baugrundkennwerten und der Gewinnung von Bodenproben für die Laborversuche. Sie werden daher an den jeweiligen Standorten der Anlagen durchgeführt. Mindestanforderungen hinsichtlich ihrer Anzahl, Anordnung und Tiefe sind sinnvoller Weise an der Art der Gründung (Flach- oder Tiefgründung) zu orientieren, weil diese die zu führenden Nachweise bestimmt. Diese Forderung mag in der Praxis nicht immer relevant sein, zumindest bei den Standorten in der Nordsee steht nämlich schon in vielen Fällen aufgrund der generellen geologischen Verhältnisse die Art der Gründung fest. Wo dies nicht der Fall ist, müssen die Baugrunderkundungen so angelegt werden, dass aus ihnen alle benötigten Kennwerte abgeleitet werden können. Allgemein fordert der Standard Baugrunderkundung Bohrungen nach DIN 4021 (1990) inklusive Schichtenverzeichnissen nach DIN 4022 Teil 1 (1987) in Kombination mit Ducksondierungen nach DIN 4094 Teil 1 (2002). Diese Forderung entspricht der Vorgehensweise an Land. Bohrungen werden offshore entweder mit einem Bohrschiff oder von einer Hubinsel aus durchgeführt. Als Bohrverfahren kommen Rotationsbohrungen mit Spülhilfe (vorwiegend auf Bohrschiffen) zum Einsatz, wobei die Bodenproben mit Ramm- oder Druckkernen von der Bohrlochsohle aus entnommen werden, oder auch Rammkernbohrungen als Trockenbohrung mit durchgehender Gewinnung von Bohrkernen (vorwiegend auf Hubinseln). Bei sehr harten Sedimenten werden ggf. Seilkernbohrungen durchgeführt. Die teilweise eingesetzten Vibrocorer eignen sich aufgrund ihrer begrenzten Aufschlusstiefe und der Störungen bei der Probennahme als geotechnische Aufschlüsse nur bedingt, z. B. für Erkundungen von Kabeltrassen. Die auf dem Markt verfügbaren Bohrverfahren stoßen jedoch dort an ihre Grenzen, wo extrem harte Sedimente anstehen, die aber durchteuft werden müssen. Dies ist bei den festen Geschieben, insbesondere aber bei der verfestigten und mit Flintsteinlagen durchsetzten Kreide der Ostsee der Fall, aber auch beim Durchörtern von Gerölllagen oder Findlingen. Drucksondierungen werden entweder direkt von der Hubinsel oder dem Bohrschiff aus durchgeführt, oder entsprechend dem Bohrfortschritt von der Bohrlochsohle aus. Dabei ist die Erkundungstiefe oft durch die Lastaufnahmekapazität des Widerlagers begrenzt. Immer häufiger kommen auch so genannte Ballastblöcke zum Einsatz, die auf dem Meeresboden abgesetzt werden. Gerade bei Einsatz von einer Hubinsel aus konnten damit gute Erfahrungen gemacht werden.

5 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz 5 Alternativ zu den Drucksondierungen lässt der Standard Baugrunderkundung auch Bohrlochrammsondierungen nach DIN 4094 Teil 2 (2003) zu, die aber längst nicht so aussagefähig sind wie Drucksondierungen. Wegen der hohen Kosten für die Baugrunderkundungen auf See und dem erheblichen Wetterrisiko kommt der Überwachung durch den Sachverständigen für Geotechnik und dessen Entscheidungen nicht nur technische Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang ist seine Unabhängigkeit von den wirtschaftlichen Interessen des Bohrunternehmers von entscheidender Bedeutung. In der Praxis werden jedoch häufig die Ingenieurleistungen für die Überwachung der Baugrunderkundungen als Teil der gewerblichen Leistung ausgeschrieben und vergeben. Dadurch verliert der Baugrundsachverständige seine wirtschaftliche Unabhängigkeit, eine solche Regelung widerspricht also dem Ziel seiner Beauftragung und der Aufgabe, die er zu erfüllen hat, und sollte vom Baugrundsachverständigen nicht akzeptiert werden. Unsere Erfahrung hat allerdings gezeigt, dass sich wegen der wirtschaftlichen Dominanz vieler Auftraggeber nur Wenige eine solch konsequente Haltung leisten können. Als problematisch hat sich zudem die oft zu Lasten des Bohrunternehmers gehende vertragliche Regelung von Schlechtwetterzeiten herausgestellt. Werden diese dem Bohrunternehmer angelastet, besteht die Gefahr, dass auch dann gebohrt und sondiert wird, wenn es objektiv unmöglich ist, gute Ergebnisse zu erzielen. Gerade auch deshalb ist es im Interesse der Qualität der Erkundungen dringend geboten, dass sich die Auftraggeber bereit erklären, den Baugrundsachverständigen separat zu beauftragen, und ihm dann auch die Gewährleistung für die Vollständigkeit und die Qualität der Erkundungen abverlangen. Die Anwendung des BSH-Standards hat sich bei den inhomogenen Baugrundverhältnissen in der Ostsee als problematisch herausgestellt. So können z. B. in den festen bindigen Böden, wie dem Geschiebemergel, entweder überhaupt keine Drucksondierungen durchgeführt werden oder die angestrebte Erkundungstiefe kann nicht oder nur durch Überbohren erreicht werden. Letzteres kann allerdings auch bei Nordseeböden der Fall sein, die z. T. sehr hohe Lagerungsdichten aufweisen. Von besonderer Bedeutung ist die Gewinnung von Bodenproben in ausreichender Menge, Größe und Qualität für die Laborversuche. Der Standard Baugrunderkundung fordert mindestens Bodenproben der Güteklasse 2 nach DIN 4021 (1980) oder die Gewinnung von Sonderproben. Der Mindestdurchmesser wurde demzufolge auf 70 mm bei Druckkernproben, 80 mm bei Rammkernproben und 114 mm bei Sonderproben festgelegt. Diese Größenordnungen

6 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz 6 berücksichtigen die heute verfügbare Gerätetechnik zur Probenentnahme wie sie gerade auch auf Bohrschiffen vorhanden ist. In der Praxis ist die Probengewinnung offensichtlich kein Problem, solange keine Geschiebe bzw. verfestigte Böden oder Festgestein erbohrt werden. Die Qualität der Bodenproben hängt jedoch von der eingesetzten Bohrtechnik und dem Probendurchmesser ab. So wurden bei Einsatz einer Hubinsel generell Proben guter Qualität erbohrt, da dort wie an Land gearbeitet werden kann (keine Seegangseinwirkungen) und die Bohrtechnik der konventionellen Technik mit ausreichend großen Kerndurchmessern entspricht. Bohrschiffe hingegen halten nur bestimmte Bohr- bzw. Kerndurchmesser vor, die in der Regel kleiner als die der konventionellen Technik sind. Problematisch ist jedoch die Probengewinnung bei sehr festen Geschieben mit eingelagerten Findlingen und der teilweise verfestigten Kreide in der Ostsee. Die Kreide ist lokal mit kompakten Flintsteinbänken durchsetzt, die beim Bohrvorgang vollständig zerbohrt werden. Teilweise sind jedoch Flintsteine unterschiedlicher Größe in der Kreidematrix eingelagert, an denen sich bevorzugt Wasser ansammelt, so dass die Kreide auf kurze Entfernung Zustandsformen von breiig bis halbfest annehmen kann. Derartige Proben können gar nicht bearbeitet oder nur für die Klassierung und Zustandsbeschreibung verwendet werden. Bei den Laborversuchen zur Bestimmung der erforderlichen bodenmechanischen Kenngrößen unterscheidet der Standard Baugrunderkundung zwischen Versuchen zur Klassifizierung und Zustandsbeschreibung, zum Formänderungsverhalten und zur Festigkeit. Die Auswahl der Versuche und Festlegung der Versuchsrandbedingungen erfolgt in Abhängigkeit von der Gründungsaufgabe. Hinsichtlich der Versuchsdurchführung wird auf die einschlägigen DIN-Normen verwiesen. Darüber hinaus wird empfohlen, bereits an Bord der Hubinsel bzw. des Bohrschiffes erste Versuche durchzuführen, z. B. Flügelsondierungen oder Wassergehaltsbestimmungen als Entscheidungshilfe für die weitere Auswahl und den Umfang der Felduntersuchungen. In der Praxis werden solche Versuche aber nur auf Bohrschiffen durchgeführt, die über entsprechende Laboreinrichtungen verfügen. Penetrometerversuche zur Bestimmung der undrainierten Scherfestigkeit werden jedoch häufig eingesetzt und zur Beurteilung der Qualität der Bodenproben als sehr wichtig erachtet. Die Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Gründung unter zyklischer Belastung beinhaltet eine Beurteilung des Bodenverhaltens unter den Lasteinwirkungen aus Wind, Wellen, Strömung und Eis. Daher fordert auch der Standard Baugrunderkundung die Durchführung zyklischer Elementversuche als Triaxial-, direkte Scher- oder Oedometerversuche. Diese Versuche sind

7 Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dr.-Ing. K. Lesny, Dipl.-Ing. P. Hinz 7 jedoch sehr aufwändig und komplex. Entsprechende Empfehlungen oder gar eine Standardisierung der Versuchsdurchführung gibt es bislang nicht. Daher werden bisher diese Versuche im Regelfall nur auf wissenschaftlicher Ebene von Forschungseinrichtungen durchgeführt. 3 Fazit In der praktischen Umsetzung hat sich inzwischen gezeigt, dass der Standard Baugrunderkundungen von den planenden Ingenieuren wie auch von den Baugrundsachverständigen als hilfreich und zielführend aufgenommen wird. Allerdings wird seine Systematik mitunter als zu starr empfunden, was aber zumindest teilweise der Erwartungshaltung der Anwender zuzuschreiben ist, nämlich dann, wenn diese glauben, ohne eigene konzeptionelle Ansätze den Standard Baugrunderkundungen abarbeiten zu können. Objektiv erlaubt und erfordert der Standard, bei entsprechender Begründung von den Mindestanforderungen abzuweichen und erreicht somit die nach den bisherigen Erfahrungen notwendige Flexibilität. Es ist zu wünschen, dass es in Zukunft gelingt, die auflaufenden Ergebnisse von projektbezogenen Baugrunderkundungen für die Vorplanung verfügbar zu machen. Des weiteren ist es von großem technischen und wirtschaftlichen Interesse, das Potential von geophysikalischen Erkundungen besser als heute möglich nutzbar zu machen. Dringend erforderlich ist, dass die Baugrundsachverständigen ihre Aufgabe als unabhängige Berater aller Beteiligten begreifen und sich nicht in unzumutbare vertragliche Bindungen drängen lassen. Wir hoffen, dass die im vorliegenden Beitrag diskutierten Erfahrungen aufgegriffen werden und der Standard Baugrunderkundungen im notwendigen Umfang eine Anpassung erfährt. 4 Quellennachweis BSH (2003): Standard Baugrunderkundung- Mindestanforderungen für Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen. BSH-Nr LESNY, K.; RICHWIEN, W. (2006): Baugrunderkundungen für Offshore-Windenergieanlagen - Mindestanforderungen und praktische Umsetzung, Geotechnik 29, Heft 3, S