Offshore-Baugrunderkundung Planung und Vorgaben für die Durchführung

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1 68. Deutsche Brunnenbauertage BAW-Baugrundkolloquium 6. bis 8. April 017 Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Offshore-Baugrunderkundung Planung und Vorgaben für die Durchführung Prof. Dr.-Ing. Kerstin Lesny HafenCity Universität Hamburg Überseeallee 16, 0457 Hamburg Seite 1

2 Überblick Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Planung von Offshore-Baugrunderkundungen Baugrundverhältnisse in Nord- und Ostsee Mindestanforderungen an die Durchführung der Baugrunderkundungen Fazit Seite

3 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Planungsstand Offshore-Windenergie (teilw.) am Netz: 15 Windparks genehmigt/im Bau: 8 Windparks (Quelle: Stiftung Offshore-Windenergie, Stand 01/017) (Karte: BSH) Seite 3

4 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Planungsstand Offshore-Windenergie am Netz: Windparks genehmigt/im Bau: Windparks (Quelle: Stiftung Offshore-Windenergie, Stand 01/017) (Karte: BSH) Seite 4

5 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Standortbedingte Anforderungen große Entfernungen zum Ausgangshafen, große Wassertiefen (0-40 m) Rotorlasten komplexes Lastszenario aus Wind, Seegang und Eis (Ostsee), hoher Anteil an transienten Lasten Wind relevant für Planung, Bemessung und Herstellung Wellen und Strömung Eigengewicht Kolk Wassertiefe h Porenwasserdruck Seite 5

6 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Standortbedingte Anforderungen Wetterrisiko: eng begrenztes Wetterfenster Gefahr hoher Ausfallzeiten bei laufenden Kosten (nach Fugro-McClelland, 1993) Arbeiten abzustimmen auf aktuelle Vorhersagen (DWD, BSH) Seite 6

7 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Standortbedingte Anforderungen komplexe Planungs- und Herstellungsprozesse Logistik: Serienfertigung (Foto: Spiegel.de) Seite 7

8 Herausforderungen beim Bau von Offshore-Bauwerken Standortbedingte Anforderungen Entfernungen, Wassertiefen Wind, Seegang & Eis Wetterrisiko, Ausfallzeiten Logistik hohe Kosten Qualitätssicherung durch: einen gestuften, begleiteten und geregelten Zulassungs- und Planungsprozess umfassende Baugrunderkundungen und untersuchungen als maßgebender Bestandteil der Bemessungsgrundlagen (Design Basis) einen iterativen Bemessungsprozess für die Gründungsstrukturen Seite 8

9 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Planfeststellungsverfahren Zuständigkeiten: Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie in Hamburg (BSH) für Bauwerke in der Ausschließlichen Wirtschaftszone Deutschlands (AWZ) Anrainerländer für Bauwerke innerhalb der 1-sm Zone; länderspezifische Gesetzgebung maßgebend Rechtsgrundlage für das Bauen in der AWZ: Seeanlagenverordnung basierend auf dem Seeaufgabengesetz und dem Seerechtsübereinkommen der Vereinten Nationen regelt Zulassung von Offshore-Bauwerken in der AWZ Planfeststellungsverfahren erforderlich BSH ist Anhörungs- und Planfeststellungsbehörde Seite 9

10 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Neuregelung nach EEG und WindSeeG Regulierung des Ausbaus der Offshore-Windenergie durch gezielte Fachplanung ab dem Jahr 01 auf 15 Gigawatt bis zum Jahr 030 Ziel: bessere Abstimmung mit Netzanbindung und Netzausbau an Land Folgen: Deckelung der jährlichen Ausbauleistung auf MW, bisher nicht reguliert Ausschreibeverfahren zur Ermittlung der Marktprämie statt fester Einspeisevergütung Zukünftiges Verfahren: Flächenentwicklungsplan durch BSH im Auftrag der Bundesnetzagentur zu erstellen Ausweisung von Flächen, für die zu festen Ausschreibungsterminen Gebote zur Ermittlung der Marktprämie abgegeben werden können Nur wer den Zuschlag erhält, kann ein Planfeststellungsverfahren beantragen Voruntersuchung der Flächen durch BSH im Auftrag der Bundesnetzagentur, u.a. auch Vorerkundung des Baugrunds, als Planungsgrundlage Seite 10

11 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Maßgebende Regelwerke BSH-eigene Standards als Bestandteil der Zulassung Für die Gründungsplanung relevant: Standard Konstruktion (015): 1. Fortschreibung Festlegung eines gestuften Freigabesystems für die Zulassung; externe Zertifizierung/Prüfung aller vorzulegenden Unterlagen Plausibilitätsprüfung durch BSH unter fachlicher Beratung durch BAM und BAW Standard Baugrunderkundung (014): Erkundungsprogramm an das Freigabesystem angepasst. Fortschreibung Seite 11

12 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Maßgebende Regelwerke Gestuftes Freigabesystem nach Standard Konstruktion Projektphasen nach BSH-Standard Konstruktion Freigaben Entwicklung u.a. Festlegung der Entwurfsgrundlagen, Vorentwurf 1. Freigabe Konstruktion weiterführende Festlegung der Entwurfsgrundlagen, Basic Design Ausführungsplanung (Errichtung, Betrieb und Rückbau). Freigabe 3. Freigabe Ausführung Fertigung, Transport, Errichtung, Installation, Inbetriebnahme Betriebsfreigabe Betrieb Betrieb, Unterhaltung, Überwachung Rückbau Rückbauplanung und -durchführung Überprüfung der Betriebsfreigabe Seite 1 Rückbaugenehmigung

13 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Maßgebende Regelwerke DIN-Normen etc. in der AWZ nicht unmittelbar anwendbar über Standard Konstruktion verbindlich eingeführt: DIN EN : (Eurocode 7, Teil 1) + DIN EN /NA:010-1 DIN 1054:010-1 (Ergänzende Regelungen zu EC7, Teil 1) Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle,. Auflage (01) Empfehlungen des Arbeitskreises Baugrunddynamik (00) über Standard Baugrunderkundung verbindlich eingeführt: DIN EN 1997-: (Eurocode 7, Teil ) + DIN EN 1997-/NA:010-1 DIN 400:010-1 (Ergänzende Regelungen zu EC7, Teil ) Seite 13

14 Rechtliche Rahmenbedingungen unter Berücksichtigung des neuen EEG Maßgebende Regelwerke DIN-Normen etc. in der AWZ nicht unmittelbar anwendbar Anwendung offshore- bzw. windenergiespezifischer Regelwerke möglich, bedarf der Zustimmung des BSH in Vorbereitung: DIN 18088: Tragstrukturen für Windenergieanlagen und Plattformen Berücksichtigung der spezifischen Belange von On- und Offshore- Windenergieanlagen (einschließlich der Offshore-Plattformen) Seite 14

15 Planung von Offshore-Baugrunderkundungen Erkundungsstufen und Berichte nach Standard Baugrunderkundung (015) Phase nach Standard Konstruktion Entwicklung (1. Freigabe) Konstruktion (. Freigabe) Stufe Geologische Erkundung Geotechnische Erkundung Bericht 1 Desk Study Geologischer Vorbericht Geophysikalische Untersuchungen Geophysikalische Nachinterpretation Geotechnische Vorerkundung Geotechnische Haupterkundung Baugrundvoruntersuchungsbericht; Baugrund- und Gründungsgutachtens (Entwicklungsphase) Geologischer Bericht Baugrundhauptuntersuchungsbericht; Baugrund- und Gründungsgutachten (Konstruktionsphase) Seite 15

16 Planung von Offshore-Baugrunderkundungen Erkundungsstufen und Berichte nach Standard Baugrunderkundung (015) Phase nach Standard Konstruktion Entwicklung (1. Freigabe) Konstruktion (. Freigabe) Stufe Geologische Erkundung Geotechnische Erkundung Bericht 1 Desk Study Geologischer Vorbericht Geophysikalische Untersuchungen Geophysikalische Nachinterpretation Geotechnische Vorerkundung Geotechnische Haupterkundung Baugrundvoruntersuchungsbericht; Baugrund- und Gründungsgutachtens (Entwicklungsphase) Geologischer Bericht Baugrundhauptuntersuchungsbericht; Baugrund- und Gründungsgutachten (Konstruktionsphase) Seite 16

17 Planung von Offshore-Baugrunderkundungen Geotechnischer Sachverständiger nach Standard Baugrunderkundung (015) Offshore-Bauwerke = Bauwerke der Geotechnischen Kategorie 3 nach DIN 1054 Geotechnischer Sachverständiger mit vertieften Kenntnissen und Erfahrungen auf diesem Gebiet einzusetzen: Qualifikations- und Erfahrungsnachweis nach Standard Konstruktion verantwortlich gegenüber Zertifizierer/Prüfsachverständigen für die Baugrunderkundung und untersuchung fachlich weisungsbefugt und wirtschaftlich unabhängig gegenüber Bohrunternehmer durch gesonderten Auftrag durch Bauherrn/Antragsteller UND fachliche und wirtschaftliche Unabhängigkeit vom Bauherrn bzw. Antragsteller (Eigenverantwortlichkeit, kein Angestelltenverhältnis) Abgrenzung der Zuständigkeiten gegenüber Entwurfsverfasser bzw. dessen Fachplaner für Geotechnik Seite 17

18 Baugrundverhältnisse in Nord- und Ostsee Baugrund in der südlichen Nordsee Südliche Nordsee Sand, teilweise schluffig locker bis mitteldicht E s kn / m 80 MN/ m 35 Fein- bis Mittelsand mitteldicht bis dicht E s kn/m 10 MN/ m 37.5 pleistozäne Fein- bis Mittelsande, teils kiesig, schluffige oder tonige Zwischenlagen möglich dichte bis sehr dichte Lagerung sandige Oberflächensedimente locker bis mitteldicht gelagert, potentiell kolkgefährdet eingelagerte Findlinge möglich sprunghafte Änderung der Tragfähigkeit am Übergang zu pleistozänen Rinnensystemen Mittelsand, kiesig dicht bis sehr dicht E s kn/m 00 MN/ m 40 überwiegend homogen überwiegend nichtbindige Böden Baugrunderkundungen eher unproblematisch Seite 18

19 Baugrundverhältnisse in Nord- und Ostsee Baugrund in der Ostsee Ostsee Mecklenburger Bucht Schlick, organisch breiig bis weich E c s kN / m 1.5 MN/ m Geschiebemergel steif bis halbfest E c s u kn / m 50 MN/ m 60 kn / m Ton (teilw. verfestigt) steif bis halbfest, teilw. fest E c u s u kn / m 3 11kN / m 50 MN/ m 100 kn / m Arkonabecken Feinsand locker bis mitteldicht E Geschiebemergel steif bis halbfest E c Kreide (Flintsteineinlagerungen) steif bis halbfest, teilw. fest E q s s u s u kN / m 80 MN/ m kn / m 50 MN/ m 60 kn / m 3 13kN / m 500 MN/ m 3000 kn / m Baugrund regional sehr unterschiedlich, lokal sehr heterogen weiträumige Schlickfelder, lockere Lagerung/sehr geringe Konsistenz stark überkonsolidierter Geschiebemergel eingelagerte Findlinge Kreide mit eingelagerten Flintsteinen bzw. Flintsteinbänken, verfestigt oder unverfestigt, Eigenschaften stark variierend bodenmechanische Beurteilung der Kreide problematisch Seite 19

20 Baugrundverhältnisse in Nord- und Ostsee Baugrund in der Ostsee Bohrkerne aus der Kreide Bereich Arkonabecken Südost verfestigt unverfestigt Seite 0

21 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geologische Erkundung Anwendung geophysikalischer Verfahren, hier: Grundprinzip seismischer Messungen aus: Jones, E.J.J. (1999): Marine Geophysics Seite 1

22 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geologische Erkundung Teil B des Standards Baugrunderkundung - Umfang flächendeckende Erkundung der lithologischen und tektonischen Strukturen und der allgemeinen Lagerungsverhältnisse im Planungsgebiet sowie für parkexterne Plattformen Ortung von Wracks, Seekabeln etc. Überwachung der Kolkbildung oder des Kolkschutzes an den Bauwerken sowie der Mindestabdeckung bzw. des Freilegens von Kabeltrassen im Betrieb Anforderungen u.a. an: Untersuchungsumfang und raster, Messgenauigkeit bzw. Auflösung der eingesetzten Geräte Wichtig: Interpretation der Ergebnisse solcher Messungen erfordert hohes Maß an Erfahrung Nachinterpretation anhand von Bohrungen aus der geotechnischen Vorerkundung Seite

23 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geologische Erkundung Teil B des Standards Baugrunderkundung - Verfahren Erkundung der Bathymetrie: Fächerecholot (Multibeam Echosounder) Erkundung der Topographie: Seitensichtsonar (Sidescan Sonar) Erkundung des Baugrundschichtung (seismische Verfahren): Subbottom Profiler, Boomer, Auffinden von Metall (Munition, Kabel etc.): Magnetometer aus Atzler, R. (011): Geologische und geophysikalische Baugrunderkundungen Seite 3

24 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geologische Erkundung Teil B des Standards Baugrunderkundung Nachinterpretation der Ergebnisse Wahl seismischer Verfahren abhängig von erforderlicher Erkundungstiefe und der damit verbundenen Auflösung Beeinträchtigung der Ergebnisse durch Gase im Sediment aus Atzler, R. (011): wie vor Seite 4

25 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geotechnische Erkundung Teil C des Standards Baugrunderkundung Verfahren direkte Aufschlüsse: Bohrverfahren der Kategorie A nach DIN EN ISO bzw. offshore-spezifische Bohrtechnik indirekte Aufschlüsse: in der Regel als Drucksondierung nach DIN EN ISO (kontinuierlich ab Meeresbodenoberfläche oder diskontinuierlich im Bohrloch) alternativ auch Bohrlochrammsondierung nach DIN oder Standard Penetration Test nach DIN EN ISO Gerätetechnik abhängig von der Trägereinheit: Hubinsel oder Bohrschiff geodätische Vermessung sämtlicher Aufschlüsse nach den Vorgaben der International Hydrographic Organization (IHO, 008) für sog. Order 1 Surveys Seite 5

26 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geotechnische Erkundung Teil C des Standards Baugrunderkundung Geotechnische Vorerkundung Ein Aufschluss an mindestens 10% der geplanten Windenergieanlagenstandorte Lage der Aufschlüsse repräsentativ für das Windparkareal auf Grundlage der geologischen Erkundung festzulegen Festlegung von Art des Aufschlussverfahrens (Bohrung und/oder Drucksondierung) und erforderlicher Aufschlusstiefe in Abhängigkeit von den im Einzelfall zu erwartenden Baugrundverhältnissen sowie der geplanten Gründungsvariante Bohrungen und Drucksondierungen paarweise oder als Kombination aus Bohrung und Drucksondierung (Sondierung im Bohrloch) bei sandigem Baugrund (Nordsee) Drucksondierungen an allen Standorten ausreichend, Gewinnung einer repräsentativen Anzahl von Bodenproben in der Ostsee in der Regel Bohrungen an allen Standorten erforderlich, Drucksondierungen nur wenn sinnvoll Seite 6

27 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geotechnische Erkundung Teil C des Standards Baugrunderkundung Geotechnische Haupterkundung an jedem Anlagenstandort mindestens ein Baugrundaufschluss d.h. bei inhomogenen Baugrundverhältnissen sowie bei großflächigen (z.b. Schwergewichtsgründung) oder aufgelösten Gründungsstrukturen (z.b. Jacket) in der Regel mehr Sachverständiger für Geotechnik legt Aufschlussverfahren, Anzahl und Anordnung, Aufschlusstiefe, Art und Häufigkeit der Probenentnahme fest Für parkinterne und externe Offshore-Stationen gilt: mind. vier Baugrundaufschlüsse in den Eckbereichen der Gründungsstruktur oder an jedem Standort der Gründungselemente (Pfähle) Abstand der Aufschlüsse maximal 30 m, ansonsten zusätzliche Aufschlüsse formale Zusammenfassung von Vor- und Haupterkundung; Vorlage der Berichte spätestens zur. Freigabe Seite 7

28 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geotechnische Erkundung Teil C des Standards Baugrunderkundung Probenentnahme nach DIN EN ISO 475-1:007-1 ist explizit die Entnahme von Ramm- oder Druckkernen aus der Bohrlochsohle zulässig wie bei offshore-spezifischer Bohrtechnik üblich bindige Böden: Proben der Güteklasse 1, mind. aber Güteklasse nichtbindige Böden: Proben mind. der Güteklasse 4, Güteklasse 3 anzustreben Festgestein: Bohrkerne mind. der Güteklasse 5-jährige Aufbewahrungspflicht für Rückstellproben Erforderliche Probenabmessungen: Bohrkerne aus Locker- oder Festgestein: d = 100 mm, L = 1000 mm bei offshore-spezifischen Entnahmeverfahren: d = 67 mm (46 mm) Sonderproben aus der Bohrlochsohle: d = 114 mm, L 50 mm Seite 8

29 Mindestanforderungen an die Durchführung von Baugrunderkundungen Geotechnische Erkundung Teil C des Standards Baugrunderkundung Laborversuche Standardversuche zur Klassifizierung und Zustandsbeschreibung, Formänderungsund Festigkeitsverhalten der anstehenden Böden Durchführung der Versuche richtet sich nach den jeweiligen DIN-Normen zuständig ist der Sachverständige für Geotechnik Untersuchungen zum Thema Zyklik: zyklische Laborversuche nicht standardisiert; Auswahl der Versuche richtet sich daher nach Gründungstyp und gewähltem Bemessungsverfahren Labors müssen belegbare Erfahrungen auf diesem Gebiet nachweisen eigentliche Untersuchung in der Konstruktionsphase durch Entwurfsverfasser bzw. dessen Fachplaner für Geotechnik Sachverständiger für Geotechnik begleitet die Untersuchungen und bewertet die Ergebnisse gesonderter Bericht zur Zyklik als Ergänzung zum geotechnischen Entwurfsbericht Seite 9

30 Fazit Die Durchführung aussagefähiger Baugrunderkundungen ist unerlässlich für eine zuverlässige und wirtschaftliche Gründungsbemessung, aber auch für die Planung der Herstellungs- und Installationsprozesse eines Offshore-Windparks. Das Regelwerk der Eurocodes in Verbindung mit den zugehörigen nationalen Normen bildet dafür den normativen Rahmen, der durch die BSH-Standards Konstruktion und Baugrunderkundung im Rahmen der Zulassung als verbindlich festgeschrieben wird. Verantwortlich für Planung, Überwachung sowie Aus- und Bewertung der geotechnischen Baugrunderkundungen im Auftrage des Bauherrn ist der Sachverständige für Geotechnik, dessen fachliche und wirtschaftliche Unabhängigkeit durch den Standard Baugrunderkundung vorgeschrieben wird. Die geologische Erkundung einschließlich der geotechnischen Vorerkundung wird zukünftig durch das BSH im Rahmen der Erstellung des Flächenentwicklungsplans vorgenommen. Die im Standard Baugrunderkundung definierten Mindestanforderungen berücksichtigen sämtliche Bauwerke eines Offshore-Windparks einschließlich der Seekabel und tragen den spezifischen Baugrundverhältnissen in Nord- und Ostsee Rechnung. Seite 30