Das ZÜBLIN-Fundament: Eine innovative Flachgründung für Offshore-Windenergieanlagen in großen Wassertiefen

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1 Veröffentlichungen des Grundbauinstitutes der Technischen Universität Berlin Heft Nr. 47, Berlin 2009, S. xx-xx Vortrag zum 5. Hans Lorenz Symposium am Das ZÜBLIN-Fundament: Eine innovative Flachgründung für Offshore-Windenergieanlagen in großen Wassertiefen Dr.-Ing. Udo Hartwig Ed. Züblin AG / Zentrale Technik Dipl.-Ing. Klaus Pöllath Ed. Züblin AG / Vorstand Zusammenfassung Der Entwurf von Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen wird in erster Linie durch die Erfordernis eines gesicherten Abtrags der zu einem großen Teil zyklischen Belastungen aus Wind und Wellen bestimmt. Darüber hinaus kann durch die gewählte Art der Konstruktion das bei der Installation auf hoher See vorhandene Wetterrisiko wesentlich verringert werden. Im vorliegenden Beitrag wird das ZÜBLIN-Fundament vorgestellt, welches mit der Zielstellung entwickelt wurde, zum einen ein günstiges Tragverhalten bei zyklischen Beanspruchungen zu besitzen und zum anderen mit einem möglichst geringen Einsatz auf hoher See montierbar zu sein und damit das Wetterrisiko bei der Installation zu minimieren. Nach einer Vorstellung der wesentlichen Konstruktionsdetails werden die Baugrundverhältnisse an einem repräsentativen Standort in der Nordsee dargestellt. Danach wird auf die geotechnischen Nachweise und dort insbesondere auf die zyklische Natur der Belastung eingegangen. Abschließend folgt eine Erläuterung der erforderlichen Onshore- und Offshore-Arbeiten, beginnend mit der geplanten Serienproduktion am Produktionsstandort Küste, über den Transport zum Standort auf hoher See mit einem speziell entwickelten Installations-Schiff auf Basis eines Halbtauchers bis zu den vorund nachlaufenden Erdbauarbeiten. 1 Einleitung Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen stellen aufgrund des Standortes auf hoher See besondere Anforderungen an die Planer und die Bauausführenden. Große, zyklische Belastungen aus Wind und Wellen und schwierige, hochgradig wetterabhängige Installationsbedingungen sind nur

2 2 Hartwig, Pöllath zwei der zu berücksichtigenden Faktoren beim Entwurf. Bisherige Offshore-Bauwerke sind mehr oder weniger Einzelobjekte, bei deren Design nicht endgültig geklärte Fragen teilweise mit sehr konservativen Designparametern ausgeglichen werden. Aufgrund der hohen Anzahl von zu installierenden Windenergieanlagen bietet sich eine Serienfertigung an mit Chancen und Risiken. Eine möglichst genaue Kenntnis der Bodenmechanik stellt ein wesentliches Kriterium für die Risikominimierung des Gesamtbauwerks dar, wobei das bodenmechanische Tragverhalten unter einer zyklischen Belastung bisher von Richtlinien und Normen nicht abgedeckt ist, jedoch zurzeit von verschiedensten Instituten wissenschaftlich untersucht wird. Das von ZÜBLIN entwickelte Schwerkraftfundament bietet eine innovative und wirtschaftliche Lösung für die Gründung von Offshore-Bauwerken. Das ca to schwere Fundament wird als Fertigteil in Kainähe gefertigt, mit einem speziellen Baugerät, einem Halbtaucher, zu seinem endgültigen Standort transportiert und dort auf dem Meeresgrund abgesetzt. In der Produktionsstätte werden sowohl der Stahlmast als auch die Maschinengondel mitsamt den Rotorblättern auf dem Fundament montiert und dann wird die gesamte Anlage verschifft. Der Umfang der wetterabhängigen Offshore-Installationsarbeiten kann damit im Vergleich mit den meisten anderen Gründungskonzepten signifikant reduziert werden. 2 Das ZÜBLIN-Fundament Bild 1 zeigt eine Grafik des ZÜBLIN-Fundamentes mit einer Offshore-Windenergieanlage nach der Installation am Standort. Bei einer Wassertiefe von z.b. 45 m liegt die Oberkante des Fundamentes ca. 20 m oberhalb LAT (Lowest Astronomical Tide). Die Nabe befindet sich bei einer 5-MW-Turbine ca. 130 m oberhalb des Meeresgrundes. Das Fundament mit einer Gesamthöhe von ca. 65 m besteht aus einem vorgespannten, hohlen Betonschaft, welcher mit einem Kreuz aus vorgespannten Stahlbeton-Hohlkästen verbunden ist. An den Enden der Beton-Hohlkästen sind insgesamt vier Fundamentplatten angeordnet, über welche die konzentrierte Lastübertragung in den Baugrund erfolgt. Die gewählte Geometrie bietet neben dem tief liegenden Schwerpunkt aus bodenmechanischer Sicht verschiedene Vorteile. Zum einen liegen die Sohlspannungsresultierenden der Fundamentplatten weit vom Gesamtschwerpunkt der Konstruktion entfernt, so dass das Widerstandsmoment gegen ein Kippen der Konstruktion sehr groß ist. Zum anderen wird ausgeschlossen, dass Setzungen an den Rändern des Fundamentes zu einer Lastumlagerung in näher am Schwerpunkt liegende Bereiche führen und in der Folge ein Reiten des Fundamentes stattfindet. Der Schaft und die kreuzförmig angeordneten Hohlkästen werden mit Sand gefüllt, um das Gesamtgewicht der Gründung, und damit die ständigen Sohlspannungen, zu erhöhen. Dadurch wird

3 Das ZÜBLIN-Fundament 3 das Verhältnis zwischen der zyklisch wechselnden Belastung und der ständigen Belastung verringert und damit das Tragverhalten unter zyklischer Beanspruchung verbessert. Bild 1: Das ZÜBLIN-Fundament mit Offshore-Windenergieanlage (Grafik) Die Masse des Betonbauwerkes beträgt ca t und die des Sandballastes ca t. Das gesamte Bauwerk inkl. Stahlturm, Turbine und Rotor erzeugt unter Auftrieb eine Gewichtskraft von ca kn. Unter den Fundamentplatten, die jede eine Grundfläche von ca. 100 m 2 besitzen, wirken damit infolge Eigengewicht Sohlspannungen von ca. 200 kn/m 2. 3 Bathymetrie und Baugrund Im Bild 2 ist zunächst beispielhaft die Bathymetrie für den Windpark Global Tech I dargestellt, welcher aus insgesamt 80 Windenergieanlagen der 5-MW-Klasse bestehen wird. Wie auch in anderen Nordsee-Windparks zeigt sich hier die Ebenheit des Meeresbodens. Die Wassertiefen LAT schwanken sehr gering, wenn die gesamte Fläche berücksichtigt wird, die ein Windpark einnimmt.

4 4 Hartwig, Pöllath Bild 2: Bathymetrie eines Windparks in der Nordsee (exemplarisch) Aufgrund der hohen Kosten von Baugrunderkundungen auf hoher See sowie den Besonderheiten bei einem Windpark mit seiner Vielzahl weit voneinander entfernter Einzelgründungen wurde vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) der Standard Baugrunderkundung für Offshore-Windenergieparks entwickelt, in dem der Rahmen für Art und Umfang der erforderlichen Baugrunderkundungen für die einzelnen Genehmigungsphasen vorgegeben wird. Der Standard Baugrunderkundung wird für Genehmigungen nach Seeanlagenverordnung in der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) vorgeschrieben. Der Baugrund stellt sich in vielen projektierten Nordsee-Windparks innerhalb der AWZ vergleichsweise einheitlich dar. Deshalb ist nur selten davon auszugehen, dass die Verwendung verschiedener Gründungssysteme innerhalb eines Windparks technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Abgesehen von vereinzelten Becken mit bindigen Ablagerungen besteht der Nordsee-Baugrund in der Regel aus Sand, dessen Lagerungsdichte i.a. mit der Tiefe zunimmt. Im Bild 3 sind exemplarisch die Ergebnisse von Bohrungen und Drucksondierungen an zwei WEA-Standorten innerhalb des Windparks Global Tech I in der Nordsee dargestellt.

5 Das ZÜBLIN-Fundament 5 Bild 3: Baugrunderkundungsergebnis aus der Nordsee (exemplarisch) Der für das ZÜBLIN-Fundament tragfähige Baugrund steht in dem hier gezeigten Beispiel ab einer Tiefe von ca. 0 bis 4 m unterhalb des Meeresgrundes an. Im oberen Bereich anstehender sehr locker bis locker gelagerter Sand wird vor der Installation des Fundamentes ausgehoben. In den für das ZÜBLIN-Fundament gründungsrelevanten Tiefenbereichen, d.h. den Tiefenbereichen, in denen sich die Spannungen infolge der Belastung signifikant ändern, sind die Sande meist enggestuft, wobei der Schluffanteil variieren kann (SE/SU). Bild 4 zeigt hierfür einige typische Kornverteilungskurven. Bild 4: Typische Kornverteilungskurven aus der Nordsee

6 6 Hartwig, Pöllath 4 Geotechnische Nachweise 4.1 Allgemeines Nach dem Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen des BSH sind für die Dimensionierung und Bemessung folgende technische Regelwerke zugrunde zu legen: BSH Standard Baugrunderkundung DIN EN : DIN 1054: Daneben können jedoch auch andere Normen und Richtlinien, die vom Germanischen Lloyd, dem Det Norske Veritas (DNV), dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) oder auch dem American Petroleum Institut (API) herausgegeben wurden, ergänzend verwendet werden. Grundsätzlich sind bei Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen die folgenden Grenzzustände zu untersuchen: Grenzzustand der Tragfähigkeit (Ultimate Limit State ULS) Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (Serviceability Limit State SLS) Grenzzustand der Ermüdung (Fatigue Limit State FLS) Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung (Accidential Limit State ALS) Untersucht werden für das ZÜBLIN-Fundament die maßgeblichen Lastrichtungen 0 parallel zu den Hauptachsen der Hohlkästen sowie 45 parallel zu den Winkelhalbierenden der zwei Hauptachsen. Für die Grenzzustände ULS und SLS werden für das ZÜBLIN-Fundament, in Anlehnung an die DIN 1054: , die Sohlspannungen wie in den Bildern 5 und 6 dargestellt begrenzt. Bild 5: Begrenzung der Sohlspannungen im ULS

7 Das ZÜBLIN-Fundament 7 Bild 6: Begrenzung der Sohlspannungen im SLS Im ULS wird ein Klaffen der Fuge der am weitesten der Last zugewandten Platte(n) bis zur Platteninnenkante zugelassen. Im SLS darf kein Klaffen einer Fuge auftreten. 4.2 Lasten Bei den Beanspruchungsfällen ULS und SLS handelt es sich um mehr oder weniger theoretische Fälle, in denen ungünstige Wettersituationen und Anlagenzustände kombiniert werden. Für diese singulären Belastungsereignisse können die geotechnischen Grenzzustände gut prognostiziert werden, sei es mit analytischen oder mit numerischen Berechnungsmethoden. Hingegen kann der Einfluss der zyklischen Belastung auf das Tragverhalten, wie z.b. eine mögliche schrittweise Zunahme der Setzungen oder der Porenwasserdrücke, momentan nur eingeschränkt quantifiziert werden. Nachfolgend sind die singulären Extremlasten in den Lastfällen ULS und SLS beispielhaft einer während eines Sturmereignisses möglichen, zyklisch auftretenden Belastung gegenübergestellt. Moment M z [MNm] Horizontalkraft H[MN] ULS SLS Sturm (max. Belastung, peak) konst. zykl. Σ konst. zykl. Σ Tabelle 1: Lasten in den Grenzzuständen ULS und SLS und während eines Sturms (exemplarisch)

8 8 Hartwig, Pöllath Es ist zu erkennen, dass die tatsächlich zyklisch auftretenden Lasten deutlich kleiner sind als die für die Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise anzusetzenden Lasten. Für definierte Windklassen, d.h. für Gruppen mit unterschiedlich großen Windgeschwindigkeiten, erfolgt die Ermittlung der zyklischen Belastungen z.b. mit dem Computerprogramm GH BLADED der Fa. Garrard Hassan. Die Berechnungen werden auf Basis der vorgesehenen Struktur (Gründung und Windenergieanlage) mit den windparkspezifischen ozeanographischen und meteorologischen Daten ausgeführt. Im Bild 7 ist exemplarisch ein Berechnungsbeispiel für das ZÜBLIN-Fundament und die Windgeschwindigkeit v = 28,5 m/s (Sturmereignis) dargestellt. Bild 7: Berechnungsergebnis für das Biegemoment M z am Schaft (aus GH BLADED ) Für die Ermittlung der zyklischen Belastung über die gesamte Lebensdauer des Bauwerks werden die für die einzelnen Windklassen berechneten Schnittgrößen entsprechend der Wahrscheinlichkeit des Auftretens der jeweiligen Windklasse im gesamten Zeitraum aufsummiert. Die Auszählungsart der Zyklen (Rainflow-Anlayse) ist auf die Ermüdungsnachweise der Betonkonstruktion ausgelegt. Hier wird die Reihenfolge der Lastzyklen während der Lebensdauer vernachlässigt. Für die Beurteilung des zyklischen Verhaltens des Bodens sind hingegen Modelle erforderlich, welche die zeitliche Abfolge der einzelnen Lastzyklen realitätsnah, z.b. auf der Basis realer Messungen in der Nordsee während eines Sturms, abbilden.

9 Das ZÜBLIN-Fundament 9 Bild 8: Berechnungsergebnis für das Biegemoment M z am Schaft (aus GH BLADED) 4.3 Bodenmechanisches Verhalten unter zyklischer Belastung Das bodenmechanische Verhalten unter zyklischer Beanspruchung kann nach Goldscheider et. al. folgendermaßen unterschieden werden: schrittweises Versagen: proportionale Zunahme der plastischen Verschiebungen mit der Anzahl der Lastzyklen instabil shakedown: ab einer bestimmten Anzahl von Lastzyklen keine weitere Zunahme der plastischen Verschiebungen stabil Beruhigung: unterproportionale Zunahme der plastischen Verschiebungen mit der Anzahl der Lastzyklen metastabil Bild 9: Bodenmechanisches Verhalten unter zyklischer Beanspruchung (Goldscheider et. al.) Für die Beurteilung, welche der vielen Lastzyklen primär betrachtet werden sollten, kann in einem ersten Schritt das zyklische Lastverhältnis CLR verwendet werden. Es beschreibt das Verhältnis des

10 10 Hartwig, Pöllath zyklischen Lastanteils zum ständigen Lastanteil. Beim ZÜBLIN-Fundament wird dieses Verhältnis sinnvoll mit den Kräften in der Sohlfuge der am stärksten belasteten Platte gebildet. Bild 10: Zyklisches Lastverhältnis CLR Wird als grober Anhaltswert angenommen, dass bei einem zyklischen Lastverhältnis CLR < 20 % der Einfluss der Zyklik vernachlässigt werden darf, bleiben von den ca. 1,6 Milliarden während der Lebensdauer insgesamt angreifenden Lastzyklen noch ca. 1 Million übrig, d.h. ca. 0,5. Dies würde die rechen- und versuchstechnische Behandlung der zyklischen Belastung bereits wesentlich vereinfachen. Bild 11: Zyklisches Lastverhältnis CLR aller Lastzyklen im Verlauf der Lebensdauer

11 Das ZÜBLIN-Fundament 11 Der Nachweis, dass die zyklischen Belastungen nicht zu einer Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit, z.b. zu einer zu großen Schiefstellung bzw. sogar zu einem Versagen durch Bodenverflüssigung führen, muss auf verschiedene Weise geführt werden. Neben zyklischen Elementversuchen und kleinmaßstäblichen Modellversuchen im Labor kann der Einfluss der Geometrie dabei nur über dreidimensionale numerische Berechnungen berücksichtigt werden. Zurzeit läuft ein vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördertes Forschungsvorhaben, welches vom Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik an der Universität Karlsruhe (TH) in Zusammenarbeit mit der Ed. Züblin AG durchgeführt wird ( Geotechnische Robustheit und Selbstheilung bei der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen ). Hier wird u.a. das Verhalten von Flachgründungen auf versuchstechnischer und theoretischbodenmechanischer Ebene untersucht. Ziel ist u.a. die Entwicklung eines Berechnungsmodells, mit dem das Selbstaufrichten einer Flachgründung nach einer Schiefstellung, d.h. die Selbstheilung, durch nachfolgende Lastzyklen auch rechnerisch simuliert werden kann. Dieses Verhalten ist nicht nur theoretisch und durch Modellversuche schlüssig belegbar sondern wurde auch bereits an bestehenden Bauwerken onshore und offshore beobachtet. Die nachfolgenden Bilder zeigen schematisch das beschriebene Verhalten. Durch die Möglichkeit des Wiederaufrichtens verhalten sich Flachgründungen, insbesondere das ZÜBLIN-Fundament, bodenmechanisch deutlich gutmütiger als andere Gründungsarten. Bild 12: Schiefstellung einer Flachgründung infolge kleiner Lastzyklen

12 12 Hartwig, Pöllath Bild 13: Selbstheilung einer Flachgründung nach Schiefstellung 5 Onshore- und Offshore-Arbeiten 5.1 Produktionsstandort onshore Eine geeignete Produktionsstätte für die Serienproduktion der ZÜBLIN-Fundamente müsste eine große Freifläche, eine Kaianlage und einen Autobahnanschluss liefern. Die Fundamente würden dann im Sinne einer industriellen Fließband-Serienproduktion entsprechend dem jeweiligen Fertigstellungsgrad an unterschiedlichen Standorten hergestellt und ausgerüstet werden. Der Transport der Fundamente zwischen den einzelnen Produktionsstandorten könnte z.b. mittels Schwerlast-Modultransportern erfolgen. Diese sind in der Lage, die schweren Fundamente ohne zusätzliches Hebegerät aufzunehmen und auf engem Raum zu verfahren. Für das Aufnehmen und Absetzen der Fundamente könnten die Modultransporter unter die auf Pallungen ruhenden Fundamente geschoben werden.

13 Das ZÜBLIN-Fundament 13 Bild 14: Schwerlast-Modultransporter (Goldhofer AG ) 5.2 Installationsschiff Die Windenergieanlagen sollen am Produktionsstandort onshore vollständig montiert werden. Das bedeutet, dass ein 130 m hohes Bauwerk mit einem Gesamtgewicht von über t vom Hafen der Produktionsstätte bis zum endgültigen Standort in der Nordsee transportiert und dort abgesetzt werden müsste. Dies sollte zur Verringerung des Wetterrisikos auch noch bei großem Seegang erfolgen können. Strikte Vorgaben werden dabei hinsichtlich der zulässigen Horizontalbeschleunigungen der Turbine gemacht. Da es solch ein Multitalent-Baugerät für den Transport und die Installation weltweit noch nicht gibt, ist die komplette Neuentwicklung eines Installationsschiffes erforderlich. Das Installationsschiff wird auf der sogenannten Halbtauchertechnologie basieren. Dabei befindet sich ein Großteil des Schiffes unterhalb der Wasseroberfläche. Durch den tiefen Schwerpunkt werden so die Schiffsbewegungen wesentlich reduziert. Bild 15: Einsatzbedingungen ZÜBLIN-Installationsschiff

14 14 Hartwig, Pöllath 5.3 Baugrundvorbereitung Anhand des bereits gezeigten, für viele Standorte in der Nordsee repräsentativen Bohrprofils wird erkennbar, dass es an vielen Standorten häufig nicht möglich sein wird, das Fundament direkt auf dem Meeresgrund abzusetzen. In diesen Fällen muss vorlaufend der locker gelagerte Bereich ausgehoben werden. Wird eine Baugrubentiefe von 3 m angenommen, ergibt sich bei einer erzielbaren Böschungsneigung von 1:5 eine Aushubkubatur von ca m 3. Der Aushub erfolgt beispielsweise durch einen Hopperbagger, mit dem mittels eines Saugrüssels der Boden gelöst und aufgenommen werden kann. Bild 16 : Baugrubenaushub mittels Hopperbagger 5.4 Kolkschutz Die Planung des Kolkschutzes erfolgt auf der Basis numerischer Strömungsberechnungen sowie auf der Basis von Versuchen im Wellenkanal. Da das Fundament die Strömung am Meeresgrund umlenkt, erhöhen sich lokal die Strömungsgeschwindigkeiten. Dies kann u.u. dort zu Bodentransportvorgängen führen, was durch das Aufbringen eines an die Fundamentgeometrie angepassten Kolkschutzes verhindert werden soll. Der Kolkschutz wird nach dem Absetzen des Fundamentes aufgebracht. Durch die Verwendung von z.b. geotextilen Sandcontainern an Stelle der üblichen Steinschüttungen wäre es möglich, den ausgehobenen Sand zu verwenden und so einen umwelttechnisch und wirtschaftlich vorteilhaften geschlossenen Kreislauf für den Sand zu erzielen.

15 Das ZÜBLIN-Fundament 15 Bild 17 : Entwurf Kolkschutz mit geotextilen Sandcontainern Das Verfüllen der restlichen Baugrube mit dem verbliebenen Sand erfolgt gezielt mittels eines Fallpipe-Systems, d.h. eines Fallrohres, dessen Kopf durch entsprechende Antriebe gesteuert werden kann. Das nachfolgende Bild zeigt dazu zwei übliche Beispiele. Bild 18 : Fallpipe-Systeme

16 16 Hartwig, Pöllath Literatur Aqua Tech Geophysik [2008]: Geophysikalische Untersuchungen und Nachinterpretation, Offshore- Windpark Global Tech I. (unveröffentlicht). Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie [2007]: Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen. Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie [2008]: Standard Baugrunderkundung für Offshore- Windenergieparks. Dr.-Ing. Klaus Weber, Dr.-Ing. Udo Hartwig [2008]. Der Bau von Offshore-Windkraftwerken und geotechnische Sicherheitsaspekte, in Tiefbau 6/2008, S Dr.-Ing. Udo Hartwig, Dr.-Ing. Markus Dobrowolsky [2008]. Anforderungen an die Messtechnik bei der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen, in Messen in der Geotechnik 2008, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft Nr. 87, S Goldscheider, M. und Gudehus, G. [1976]. Einige bodenmechanische Probleme bei Küsten- und Offshore-Bauwerken, in Vorträge der Baugrundtagung 1976 Nürnberg, DGEG. S IGB Ingenieurgesellschaft mbh [2008]: Nordsee, Deutsche Bucht, OWP GLOBALTECH I, Baugrundvoruntersuchungsbericht. (unveröffentlicht). Universität Karlsruhe (TH), Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik [2006]: Geotechnische Robustheit und Selbstheilung bei der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen, Projektantrag für BMU. Kennzeichen 41V4937. (unveröffentlicht).