Bemessung von Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen. Dr.-Ing. Kerstin Lesny Prof. Dr.-Ing. Werner Richwien Dipl.-Ing.

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1 Bemessung von Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen Dr.-Ing. Kerstin Lesny Prof. Dr.-Ing. Werner Richwien Dipl.-Ing. Peter Hinz Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Universitätsstr. 15 Fon: Fax: Internet:

2 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 2 1 Einleitung Die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen stellt noch immer eine Herausforderung für Planung, Bemessung und Ausführung dar. Nach wie vor fehlen belastbare Erfahrungen darüber, welche Gründungsart jeweils in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht optimal ist und wie die Gründungen zu bemessen sind. Demzufolge waren unsere Forschungsarbeiten im Rahmen der Projekte Gigawind und Gigawind plus vorrangig darauf gerichtet, die Eignung verschiedener Gründungsarten für Offshore-Windenergieanlagen zu bewerten und aufzuzeigen, wie die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit der Gründungen nachgewiesen werden kann. Der vorliegende Beitrag stellt die Ergebnisse unserer Forschungsarbeiten vor und zeigt die derzeit noch offenen Fragestellungen auf. 2 Gründungskonzepte und Auswahlkriterien Nach den bisherigen Erfahrungen sind für Offshore-Windenergieanlagen in erster Linie konventionelle Gründungsvarianten geeignet, wie sie zum Teil auch im klassischen Offshore-Ingenieurwesen eingesetzt werden (vgl. Abb. 1). Monopile Tripod Jacket Schwergewichtsfundament Saugrohrgründung Abb. 1: Gründungsvarianten für Offshore-Windenergieanlagen Im Zuge der weiteren Planungen ist davon auszugehen, dass auch die Gründungskonzepte weiterentwickelt bzw. neue Varianten vorgeschlagen werden. Beispiele für solche Weiterentwicklungen zeigt Abb. 2.

3 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 3 Abb. 2: Weiterentwicklungen von Gründungen (links: abgespannte Struktur - Thales Geo Solutions Ltd., rechts: schwimmende Gründung - Arcadis) Die Gründung einer Offshore-Windenergieanlage unterscheidet sich jedoch in einigen Punkten maßgebend von der Gründung einer Offshore-Plattform. So sind bei einer Offshore-Windenergieanlage die resultierenden Vertikallasten am Turmfuß im Gegensatz zu den übrigen Lastkomponenten so gering, dass die resultierende Horizontalbelastung zwischen 50 und 150% der Vertikallast betragen kann. Die Horizontallasten aus Wind und Wellen greifen weit oberhalb der Gründungsebene an und verursachen extrem große Kippmomente, obwohl die Wassertiefen in den Eignungsgebieten der Nord- und Ostsee im Vergleich zu den Standorten der Erdöl- bzw. Erdgasplattformen eher moderat sind. Die Beanspruchung des Gründungselements geht damit weit über das Maß hinaus, das durch die konventionellen Ansätze zur Bemessung einer Gründung abgedeckt ist. Hinzu kommt, dass eine Offshore-Plattform stets ein Prototyp ist, während die hohen Stückzahlen der pro Offshore-Windpark geplanten Anlagen einen möglichst hohen Grad serieller Vorfertigung erfordern. Inwieweit dies überhaupt möglich ist, hängt besonders von den Baugrundbedingungen an den geplanten Standorten ab, aber auch von der verfügbaren Bauverfahrens- und Baugerätetechnik. Die maßgebenden Auswahlkriterien für die Gründung sind damit einerseits standortbezogen, wie die Wassertiefe und der Baugrund, und andererseits herstellungsbezogen, wie die Randbedingungen für Fertigung, Transport und Installation (Wiemann et al., 2002; Lesny et al., 2002; Richwien et al., 2002; Lesny, 2007). Für die Bemessung einer Gründung ist ihr Tragverhalten entscheidend, das durch die Art der Belastung und die Baugrundbedingungen beeinflusst wird. Bei Schwergewichtsgründungen wird die Belastung über Sohlnormal- und Sohlschubspannungen von der Meeresbodenoberfläche aus in den Baugrund bis in eine Tiefe des ein- bis zweifachen Fundamentdurchmessers eingeleitet. Sohlzugspannungen sind in der Regel nicht zulässig, um ein Unterspülen der Sohl-

4 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 4 fläche und damit eine Erosion zu vermeiden. Im Gegensatz dazu wird bei Saugrohrgründungen, die durch Aufbringen eines Unterdrucks im Innern des Saugrohrs in den Boden eingetrieben werden, die Gründungsebene in tiefere Zonen verlagert. Ein Monopile wird überwiegend horizontal und auf Biegung beansprucht. Diese Lasten werden über seitliche Bettung in den Baugrund abgetragen, wobei die größten Bettungsspannungen bis zu einer Tiefe von etwa dem zweifachen Pfahldurchmesser aktiviert werden. Für das Tragverhalten von Schwergewichtsgründungen und Monopiles ist damit die Tragfähigkeit der oberflächennahen Schichten des Baugrunds von entscheidender Bedeutung. Die aufgelöste Struktur bei Jackets oder Tripods bewirkt eine Lastverteilung, so dass die einzelnen Gründungselemente überwiegend axial beansprucht werden. Kritisch dabei ist der stetige Wechsel zwischen Druck und Zug, der über die Zeit zu einem Steifigkeitsverlust des Bodens führt. Es empfiehlt sich daher, Zuglasten zu überdrücken. Die Gründung dieser Strukturen auf Pfählen ermöglicht die Lasteinleitung in größere Tiefen. Generell ist aber auch die Gründung auf kleineren Schergewichtsfundamenten oder Saugrohren möglich. Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeiten (Richwien et al., 2002; Wiemann et al., 2002; Haase, 2002) haben gezeigt, dass in der südlichen Nordsee in der Regel ein tragfähiger Baugrund in erreichbarer Tiefe ansteht, der grundsätzlich für jede Gründungsart geeignet ist. Diese eiszeitlich vorbelasteten Böden (Fein- bis Mittelsande, kiesige Sande, örtlich Geschiebelehm oder mergel) haben eine dichte bis sehr dichte Lagerung bzw. eine hohe Konsistenz. Die hohe Lagerungsdichte bzw. Festigkeit sowie eingelagerte Findlinge können die Baugrunderkundungen sowie die Installation von Pfählen oder die Einbringung der Schürzen von Saugrohr- oder Schwergewichtsgründungen erschweren. Im Bereich pleistozäner Rinnensysteme muss zudem mit einer sprunghaften Änderung der Tragfähigkeit gerechnet werden, da die Rinnen häufig mit wenig tragfähigen Sedimenten verfüllt sind. Zudem bestehen die Oberflächensedimente in der südlichen Nordsee überwiegend aus locker bis mitteldicht gelagerten, enggestuften Fein- bis Mittelsanden (Schlick), die ausgesprochen kolkgefährdet sind. Im Gegensatz dazu sind die Baugrundverhältnisse in der Ostsee gebietsweise sehr unterschiedlich und stellen hohe Anforderungen an die Gründung. Ein markantes Merkmal sind z. B. weiträumige Schlickfelder von gebietsweise großer Mächtigkeit, die eine lockere Lagerung bzw. sehr geringe Konsistenz aufweisen. Der tragfähige Baugrund besteht überwiegend aus stark überkonsolidiertem, hochfestem Geschiebemergel mit zahlreichen Geschieben. Im Bereich des Arkona-Beckens steht zudem in größeren Tiefen unverfestigte, stellenweise verfestigte Kreide mit eingelagerten Flintsteinen oder Flintsteinbändern an, deren Konsistenz stark variiert (Lesny und Richwien, 2006). Wegen der äußerst geringen Tragfähigkeit der Schlickschichten kommen Schwergewichtsgründungen oder Monopiles in diesen Bereichen eher nicht in Betracht. In den

5 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 5 tragfähigen festen Böden können hingegen Pfahlgründungen oft nicht wirtschaftlich hergestellt werden. Auch Baugrunderkundungen stoßen hier an ihre Grenzen, wie in einem korrespondierenden Beitrag zu diesem Symposium (Richwien et al., 2007) dargestellt ist. Welche Gründungsvarianten letztendlich geeignet sind, muss im Einzelfall geprüft werden. Als maßgebendes Entscheidungskriterium für eine Gründung wird außerdem häufig die Wassertiefe herangezogen. So ist nach allgemeiner Auffassung der Einsatz von Schwergewichtsgründungen auf geringe Wassertiefen bis ca. 10 m begrenzt, der Einsatz von Monopiles auf bis zu ca. 20 m. Für größere Wassertiefen werden aufgelöste Strukturen wie Jackets oder Tripods oder aber abgespannte Strukturen empfohlen. Aufgrund der vielfältigen Verflechtung der Entwurfskriterien ist diese Aussage jedoch nicht verallgemeinerbar, sondern muss im konkreten Fall geprüft werden. So haben die Verfasser basierend auf einer Untersuchung verschiedener Gründungsvarianten für eine 2 MW-Anlage an einem fiktiven Nordseestandort in 30 m Wassertiefe den in Abb. 3 dargestellten Massenvergleich erstellt (Richwien et al., 2003). Dieser zeigt, dass zwar ein Schwergewichtsfundament die größte Betonkubatur benötigt, der Stahlanteil eines Tripods jedoch deutlich größer ist, was angesichts der in der letzten Zeit stark gestiegenen Stahlpreise wirtschaftlich relevant werden kann. D = 20 m H = 6 m 3 Pfähle mit D = 2,5 m L = 25 m D = 7,5 m L = 30 m Abb. 3: Massenvergleich verschiedener Gründungsvarianten

6 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 6 3 Bemessung der Gründung 3.1 Bemessungskonzept Die Gründung einer Offshore-Windenergieanlage ist so zu bemessen, dass unter dem Einfluss der äußeren Belastung ihre Standsicherheit über die Betriebsdauer gewährleistet ist und die dabei auftretenden Verformungen die Gebrauchstauglichkeit der Anlage nicht einschränken. Die maßgebende Belastung resultiert nicht nur aus punktuell auftretenden Extremereignissen, wie einem Sturm, sondern auch aus dem Betrieb der Anlage. Dieser generiert zwar eine weitaus geringere Belastung, die dafür aber viele Millionen mal auftritt. Um diese Einflüsse im Rahmen der Bemessung angemessen berücksichtigen zu können, wurde ein zweistufiges Bemessungskonzept entwickelt, dass in Abb. 4 dargestellt ist (Hinz et al., 2004). Die beiden Komponenten des Bemessungskonzepts sind: 1. Schritt: Bemessung für das Extremereignis - Grenzzustand der Tragfähigkeit - Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 2. Schritt: Überprüfung des Betriebsverhaltens - Überprüfung auf Akkumulation und Dissipation von Porenwasserüberdruck - Bestimmung des kritischen zyklischen Lastverhältnisses - Berechnung der Akkumulation plastischer Dehnungen Die Dimensionierung der Gründung im ersten Schritt basiert auf dem Ansatz des maßgebenden Extremereignisses als quasi-statische Belastung. Es müssen die Nachweise für die Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit geführt werden. Im Rahmen der Untersuchung des Betriebsverhaltens im zweiten Schritt wird zunächst geprüft inwieweit die zyklische Belastung aus dem Anlagenbetrieb und etwaiger Sturmereignisse eine Akkumulation von Porenwasserüberdruck bewirkt. Es ist sicherzustellen, dass der akkumulierte Porenwasserüberdruck die Tragfähigkeit bzw. Gebrauchstauglichkeit der Gründung nicht entscheidend beeinträchtigt. Ein ggf. entstehender Porenwasserüberdruck ist in den weiteren Berechnungen zu berücksichtigen.

7 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 7 Wahl der Gründungsabmessungen Messungen am Prototyp/Pilotprojekt Nachweise im GZ 1 und GZ 2 Extremereignis als quasistatische Ersatzlast für maßgebende Lastkombination ja nein Versagenszustand Neubemessung der Gründung Akkumulation von Porenwasserüberdruck während: a) des Betriebszustands b) des Extremereignisses Versagenszustand nein ja Verflüssigung? ja CLR CLR crit? unter Betriebslasten und Extremereignissen ja Ansatz des Porenwasserüberdrucks nein nein Versagenszustand res. Verschiebung zul. Verschiebung? aus Betriebslasten und Extremereignissen am Ende der Betriebszeit ja nein unzulässige Schiefstellung Bemessung abgeschlossen Abb. 4: Zweistufiges Konzept zur Bemessung der Gründung einer Offshore-Windenergieanlage Im Rahmen des Nachweises der Tragfähigkeit unter zyklischer Belastung muss ein schrittweises Versagen der Gründung unter Betriebsbedingungen ausgeschlossen werden. Zu diesem Zweck wird ein kritisches zyklisches Lastverhältnis CLR crit definiert, bis zu dem eine Stabilisierung der Verformungen eintritt. Damit ist nachzuweisen, dass das vorhandene zyklische Lastverhältnis im System infolge der Betriebslasten (einschließlich dem Extremereignis) den kritischen Wert nicht überschreitet. Andernfalls muss die Gründung neu dimensioniert werden. Die zyklische Tragfähigkeit selbst ist als Verformungskriterium definiert. So ist nachzuweisen, dass am Ende der Betriebszeit die akkumulierten Verformungen aus den Betriebslasten (einschließlich Extremereignis) einen definierten Grenzwert nicht überschreiten, der durch die Gebrauchstauglichkeit der Anlage vorgegeben ist. Wird dieses Kriterium nicht eingehalten, so ist ebenfalls eine Neudimensionierung der Gründung erforderlich.

8 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz Bemessung der Gründung für ein Extremereignis Die für die Bemessung der gewählten Gründung im ersten Bemessungsschritt nach Abb. 4 zu führenden Nachweise sind in Wiemann et al. (2002), Richwien et al. (2002) und Lesny (2007) dargestellt. Aufgrund der besonderen Randbedingungen einer Offshore-Windenergieanlage, insbesondere ihrer komplexen Belastung muss jedoch geprüft werden, inwieweit die konventionellen Bemessungsverfahren überhaupt übertragbar sind. Hinsichtlich dieser Fragestellung haben wir uns schwerpunktmäßig mit Monopile- und Saugrohrgründungen befasst. Die wichtigsten Ergebnisse werden nachfolgend erläutert. Die Anwendbarkeit von Bemessungsverfahren für axial belastete Pfähle und Pfahlgruppen sowie Schwergewichtsgründungen wird in Lesny (2007) diskutiert Bemessung von Monopiles Das gängige Bemessungsverfahren für horizontal belastete Pfähle ist das so genannte p-y Verfahren, das auf dem Modell des elastisch gebetteten Balkens beruht. Das nichtlineare Bodenverhalten wird, anders als beim konventionellen Bettungsmodulverfahren mit konstantem Bettungsmodul, über nichtlineare Federkennlinien, den p-y Kurven beschrieben. Abb. 5 zeigt dieses Modell und die von Reese et al. (1974) für Sand definierten p-y Kurven. P-y Kurven wurden für verschiedene Bodenarten im Regelfall aus Feldversuchen an Pfählen mit weniger als 1 m Durchmesser hergeleitet. Durch Erfahrungen ist ihre Anwendbarkeit für Pfähle bis ca. 2,5 m Durchmesser belegt. Die Belastungsrandbedingungen einer Offshore- Windenergieanlage erfordern jedoch Monopiledurchmesser von D = 6 m oder gar mehr. Im Rahmen einer umfangreichen Finite-Element Analyse wurde untersucht, ob das p-y Verfahren unter diesen Bedingungen noch anwendbar ist (z. B. Richwien et al., 2003; Richwien et al., 2004; Lesny und Wiemann, 2005; Wiemann, 2007). Abb. 5: Modell des elastisch gebetteten Balkens und p-y Kurven für Sand nach Reese et al. (1974) Die Ergebnisse dieser Analyse bestätigen die prinzipielle Anwendbarkeit des p-y Verfahrens. Allerdings werden durch die in diesem Verfahren getroffene Annahme einer linear mit der Tiefe zunehmenden Bodensteifigkeit die realen Steifigkeitsverhältnisse in der Nähe des Pfahlfußes

9 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 9 erheblich überschätzt. Dies führt dazu, dass bei Monopiles mit entsprechend großem Durchmesser mit dem p-y Verfahren eine unzureichende Pfahllänge ermittelt wird, die nach den FE- Ergebnissen für eine volle Pfahleinspannung nicht ausreicht (Abb. 6). Abb. 6: Vergleich der Biegelinien im Einspannbereich nach dem p-y Verfahren und nach FE-Berechnungen (Wiemann, 2007) Durch Annahme eines parabolischen Verlaufs der Steifigkeit wird hingegen eine volle Einspannung erreicht. Dies kann im p-y Verfahren durch Modifizierung der Anfangssteigung k der p-y Kurve berücksichtigt werden: k * ( D) ( 1 a ) 4 D 4 a ref + = kref (Gl. 1) D Wiemann (2007) hat den Exponenten a für mitteldichten Essener Sand zu 0,7 und für dichten Essener Sand zu 0,65 ermittelt. Der Referenzpfahl (mit den Parametern D ref und k ref ) ist ein Pfahl, für den die Anwendbarkeit des p-y Verfahrens belegt ist, wie z. B. der in den Versuchen von Reese et al. (1974) verwendete Pfahl mit einem Durchmesser von D ref 0,61m. Aufgrund der reduzierten Bodensteifigkeit im Einspannbereich erfordert die Modifikation des p-y Verfahrens größere Einbindelängen der Pfähle für eine volle Einspannung: L krit 1 1 a kref = Lref * (Gl. 2) k Die Untersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass durch die Modifikation nach Gl. 1 und 2 das Systemverhalten nicht entscheidend verbessert wird, da wegen der hohen Biegesteifigkeit der Pfähle das Tragverhalten im oberflächennahen Bereich kaum beeinflusst wird. Zudem lieferten die FE-Berechnungen trotz der Modifizierung noch erheblich größere Pfahlkopfverschiebungen als das p-y Verfahren. Aufgrund dieser Unsicherheiten sollte beim

10 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 10 Bau von monopilegegründeten Anlagen die Beobachtungsmethode nach DIN 1054 (2005) angewendet werden. Es empfiehlt sich zudem eine vorsichtige Abschätzung des Gebrauchstauglichkeitskriteriums für die Nachweisführung Bemessung von Saugrohrgründungen Im Endzustand, d. h. nach Abschluss der Installation, entspricht das Tragverhalten einer Saugrohrgründung je nach Art der Belastung und dem Verhältnis Höhe/Durchmesser (H/D) des Saugrohrs entweder einem Pfahl, einem Anker oder einer Schwergewichtsgründung. Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten wurde das Tragverhalten von Saugrohrgründungen analysiert und am Beispiel der von der Fa. Oevermann GmbH & Co. KG (Münster) entwickelten Hexafix- Strebenstruktur (Abb. 7) eine Saugrohrgründung für einen typischen Nordseestandort bemessen (Jakubiec, 2004; Lesny et al., 2005). Die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Bemessungstechnisch problematisch ist bei dieser Gründungsart die Belastung aus wechselnden Druck- bzw. Zuglasten bei gleichzeitig wirkender kombinierter Horizontal- und Momentenbelastung. Die Bemessung des auf Druck beanspruchten Saugrohrs als Flachgründung kann nach den klassischen Bemessungsverfahren erfolgen und liefert die kleinsten Abmessungen (Abb. 8 links). Der Grundbruchwiderstand ist in diesem Fall maßgebend. Die Obergrenze der zulässigen Abmessungen resultiert allerdings aus dem Nachweis der zulässigen Ausmitte, der die Höhe des Saugrohrs und damit das maximal aufnehmbare Biegemoment begrenzt. Abb. 7: Ansicht Hexafix - Strebenfachwerk aus hochfestem Beton ( Fa. Oevermann, Münster) Die Bemessung einer Flachgründung unter kombinierter Zugbelastung ist mit den klassischen Nachweisverfahren jedoch nicht möglich, da eine Zugfestigkeit unberücksichtigt bleibt. Zur Lösung dieses Problems wurde hier das konsistente Versagensmodell nach Lesny (2001)

11 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 11 angewendet, das für diesen Lastfall erweitert werden kann. Das Versagensmodell beruht auf so genannten Interaktionsansätzen, die die Interaktion der Lastkomponenten direkt abbilden. Nach Abb. 8 (links) wird dieser Lastfall maßgebend. Die Bemessung des Saugrohrs als Pfahlgründung macht die inkonsistente Struktur der klassischen Nachweisverfahren deutlich. Danach muss zwischen lateraler Belastung einerseits und axialer Belastung andererseits unterschieden werden, erst ein Vergleich der Ergebnisse liefert die maßgebenden Abmessungen. In Abb. 8 (rechts) sind die maßgebenden Einbindelängen für verschiedene Durchmessers dargestellt. Allerdings sind rechnerisch ermittelte Abmessungen von H/D < 2 nicht aussagefähig, da das tatsächliche Tragverhalten in diesem Bereich wieder dem einer Flachgründung entspricht. H [m] L [m] 10 8 Saugnapf Zug Saugnapf Druck - min Saugnapf Druck - max Einbindelänge 10 8 H/D = Saugpfahl vertikal (Druck maßg.) Saugpfahl horizontal D [m] D [m] Abb. 8: Bemessung der Saugrohrgründung für das Hexafix als Schwergewichtsfundament (Saugnapf links) oder als Pfahl (rechts) 3.3 Betriebsverhalten unter zyklischer Belastung Die Untersuchung des Betriebsverhaltens der Gründung unter zyklischer Belastung im zweiten Schritt des Bemessungskonzepts nach Abb. 4 basiert auf einer Kombination von zyklischen Elementversuchen mit geeigneten Bemessungsverfahren und ist insbesondere für die ingenieurpraktische Anwendung geeignet. Diese Vorgehensweise wurde für eine Monopile- Gründung entwickelt, kann grundsätzlich aber auch auf andere Gründungsarten übertragen werden. Einzelheiten sind in Richwien et al. (2006), Lesny und Hinz (2006) und Hinz et al. (2006) erläutert. Für die Untersuchung des Bodenverhaltens unter zyklischer Belastung sind triaxiale Mehrstufenversuche in besonderem Maße geeignet, da auf diese Weise verschiedene Belastungs-

12 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 12 stufen während eines Sturms untersucht werden können. Abb. 9 (links) zeigt das Ergebnis eines Mehrstufenversuchs für einen Modellierton. Danach trat in den ersten vier Laststufen eine Stabilisierung der Verformungen ein, die auf eine Verfestigung des Bodens zurückzuführen ist. Erst in der letzten Laststufe kam es zu einem progressiven Versagen. Anhand dieser Ergebnisse kann zunächst das in Kap. 3.1 eingeführte kritische Lastverhältnis werden. CLR crit bestimmt Werden in einem weiteren Schritt die plastischen Dehnungen nach Gl. 3 normiert, so zeigt sich bei diesem Materialverhalten stets der gleiche Verlauf über die Zyklenzahl, d. h. die Akkumulationsrate ist unabhängig vom Lastniveau. ε1,pl(n) ε1,pl(ni 1) ε 1,pl * (N) = Gl. (3) ε (N ) ε (N ) 1,pl i 1,pl i 1 mit: ε 1,pl *(N) normierte plastische Dehnung bei bestimmter Zyklenzahl ε 1,pl (N) ε 1,pl (N i-1 ) ε 1,pl (N i ) plastische Dehnung bei bestimmter Zyklenzahl plastische Dehnung am Ende der vorangegangenen Laststufe plastische Dehnung am Ende der betrachteten Laststufe Abb. 9: Ergebnisse eines zyklischen triaxialen Mehrstufenversuchs (links) und Akkumulation der normierten plastischen Dehnungen über die Zyklenzahl (rechts) Die Akkumulation der plastischen Dehnungen nach Abb. 9 (rechts) wird durch einen Potenzansatz nach Gl. 4 beschrieben, der auf das Degradationsmodell von Idriss et al. (1978) zurückgeht. Die Ergebnisse der einzelnen Laststufen werden zum Schluss nach dem Verfahren von Miner überlagert.

13 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 13 ε cn = ε c1 N α Gl. (4) mit: ε N pl plastische Dehnung bei bestimmter Zyklenzahl ε 1 pl α N plastische Dehnung nach erstem Zyklus Steigung der Akkumulationskurve im logarithmischen Maßstab Zyklenzahl Zur Analyse des Systemverhaltens eines Monopiles wird das Strain-Wedge-Model vorgeschlagen (z. B. Norris, 1986; Ashour et al., 1998). Die Anwendbarkeit dieses Modells wurde von Klumpjan (2007) eingehend untersucht und bestätigt. Das Strain-Wedge-Model beruht ebenso wie die p-y Methode auf dem eindimensionalen Modell des elastisch gebetteten Balkens. Die Pfahl-Boden-Interaktion im System wird durch einen in Abhängigkeit von der äußeren Belastung mobilisierten Erddruckkeil beschrieben. Das dreidimensionale Spannungs-Dehnungsverhalten im Erddruckkeil wird aus dem Bodenverhalten im triaxialen Elementversuch abgeleitet. Maßgebende Eingangsgröße für die Berechnung ist eine Referenzdehnung im Erddruckkeil, die zur Berücksichtigung der zyklischen Belastung analog zu Gl. 4 angepasst wird. Die Steigung α wird dabei aus dem Elementversuch übernommen. So ist es möglich, die Verformungen des Pfahls nach beliebigen Zyklenzahlen zu berechnen. Die Überlagerung verschiedener Lastniveaus kann analog zum Elementversuch erfolgen. Als Beispiel sind in Abb. 10 für einen Monopile von 5 m Durchmesser in mitteldichtem Sand die lastabhängigen Pfahlkopfverschiebungen und ihre Akkumulation über die Zyklenzahl dargestellt y 0,pl [m] 0.01 P0=10 MN P0=5 MN P0=1 MN E+000 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004 1E+005 1E+006 1E+007 1E+008 N[-] Abb. 10: Pfahlkopfverschiebungen in Abhängigkeit von der äußeren Belastung für verschiedene Zyklenzahlen (links) und Akkumulation der Pfahlkopfverschiebung über die Zyklenzahl (rechts) Die Ergebnisse der zyklischen Elementversuche können darüber hinaus im Rahmen einer Finite-Element Berechung verwendet werden, um somit das Gründungsverhalten unter zyklischer Belastung auch ohne Verwendung komplexer Stoffgesetze näherungsweise zu

14 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 14 berücksichtigen. Diesbezüglich wird auf den korrespondierenden Beitrag von Hinz et al. (2007) zu diesem Symposium verwiesen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Gigawind plus wurde der Messmast Amrumbank-West messtechnisch begleitet. Zur Validierung des Bemessungskonzepts nach Abb. 4 anhand der Messdaten der Monopile-Gründung des Messmastes wurde ein Konzept zur Aufbereitung und Auswertung der Rohdaten aus Windgeschwindigkeit, Wasserdruck, horizontaler Pfahlbeschleunigung und axialer Pfahldehnung entwickelt (Dau, 2006; Richwien et al., 2006). Eingeschränkt wurde die Auswertung dadurch, dass bereits bei Installation, aber auch später einige der Messgeber ausfielen. Im Ergebnis stellte sich heraus, dass die Messdaten aus den Dehnungs- und Beschleunigungsaufnehmern nicht exakt in Einklang gebracht werden konnten, so dass eine uneingeschränkte Verwendung zu untypischen Biegelinien führt. Problematisch war dabei, dass generell nur sehr kleine Dehnungen und Beschleunigungen gemessen wurden, die im Toleranzbereich der Aufnehmer lagen. Nach allem konnte über den bisherigen Messzeitraum keine veränderte Pfahlbettung festgestellt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Baugrund annähernd im elastischen Bereich beansprucht wird. Dies wird auf die struktur- und umweltbedingt geringe Beanspruchung zurückgeführt, da ein Messpfahl viel geringere Belastungen als eine Offshore-Windenergieanlage erfährt. Aufgrund der genannten Einschränkungen ermöglicht die Messkampagne jedoch gegenwärtig keine Validierung des Bemessungskonzepts. Hierfür sind Messungen an Prototypen erforderlich. 4 Offene Fragestellungen und Forschungsbedarf Das zuvor dargestellte Konzept erlaubt eine in sich geschlossene Bemessung der Gründung, die die besonderen Randbedingungen einer Offshore-Windenergieanlage berücksichtigt. Dennoch bleiben einige Fragestellungen im Zusammenhang mit der Gründungsbemessung offen, für die wir noch Forschungsbedarf sehen. So spielt bei der Planung von Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen die Frage der Kolkbildung eine entscheidende Rolle. Bisher wird entweder die maximal zu erwartende Kolktiefe bei der Dimensionierung der Gründung berücksichtigt oder es werden von vornherein Kolkschutzmaßnahmen angeordnet. Die erste Lösung setzt eine sichere Prognose der Kolktiefe voraus, die zweite Lösung ist mit einem entsprechenden Unterhaltungsaufwand verbunden. Darüber hinaus ist bei beiden Varianten eine laufende Überwachung der Gründungen zwingend erforderlich. Die damit verbundenen Kosten können erheblich sein und die Wirtschaftlichkeit der Windparks zumindest beeinträchtigen. Richwien und Lesny (2004) haben gezeigt, dass mit den gegenwärtig verfügbaren Ansätzen die Kolkbildung im Gründungsbereich von Offshore-Windenergieanlagen nicht zuverlässig vorhergesagt werden kann. Eine zuverlässige

15 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 15 Kolkprognose ist nur auf Basis numerischer Modellierungen möglich, wenn auch die Wechselwirkungen zwischen Wasser, Boden und Struktur im Nahfeld der Struktur bodenmechanisch zutreffend erfasst werden. Dies setzt jedoch voraus, dass der Boden im Bereich der Struktur diskret modelliert wird, um Erosionsvorgänge zu erfassen. Die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Gründung einer Offshore-Windenergieanlage wird nach dem so genannten Teilsicherheitskonzept nachgewiesen. So werden die Bemessungswerte der Einwirkungen z. B. nach GL Wind (2005), die Bemessungswerte der geotechnischen Widerstände z. B. nach DIN 1054 (2005) ermittelt. Dem Teilsicherheitskonzept liegt zwar die grundlegende Vorstellung zugrunde, dass die statistische Streubreite der Einwirkungen und der Widerstände berücksichtigt wird und ein Versagen mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen ist. Tatsächlich aber bleiben Nachweise nach dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte ihrem Wesen nach deterministische Nachweise. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Teilsicherheitsbeiwerte, wie nach DIN 1054 (2005), aus den bisherigen globalen Sicherheitsbeiwerten abgeleitet wurden, die ihrerseits auf langjährigen Erfahrungen und nicht auf statistischen Untersuchungen beruhen. Die langjährigen Erfahrungen beziehen sich aber vorwiegend auf Bauwerke an Land unter ganz anderen Randbedingungen und damit auch anderen Sicherheitsanforderungen. Die bloße Übertragung auf Offshore-Windenergieanlagen führt zu einem Sicherheitsniveau, dessen Größenordnung letztendlich unbekannt ist. Eine zuverlässige und noch dazu wirtschaftliche Bemessung oder gar Optimierung der Gründung ist damit nicht möglich. Wie Richwien und Lesny (2003) skizziert haben, sind probabilistische Sicherheitskonzepte wesentlich besser geeignet, die stochastischen Einwirkungen, die Streubreite der Baugrundeigenschaften sowie standortspezifische Besonderheiten angemessen zu berücksichtigen und vor allem zu quantifizieren. Sie bilden zudem die Grundlage für eine Optimierung der Gründung und stellen somit Entscheidungshilfen für eine rationale Beurteilung verschiedener Planungsvarianten dar. Literatur: Ashour, M.; Norris, G.; Pilling, P. (1998): Lateral Loading of a Pile in Layered Soil Using the Strain Wedge Model; Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 124, No. 4, pp Dau, H. (2006): Auswertung der Messdaten Amrumbank West; Diplomarbeit Nr. 108 am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen (unveröffentlicht) DIN 1054 (2005): Baugrund- Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. Normenausschuss Bauwesen in Deutschen Institut für Normung e.v., Berlin GL Wind (2005): Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines; Germanischer Lloyd Windenergie, Hamburg

16 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 16 Haase, T. (2002): Baugrundsituation in der deutschen Ostsee und ihr Einfluss auf den Entwurf von Gründungen für Offshore-Windenergieanlagen; Diplomarbeit Nr. 85 am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen (unveröffentlicht) Hinz, P.; Lesny, K.; Richwien, W. (2005): Validierung bautechnischer Bemessungsmethoden für Offshore-Windenergieanlagen anhand der Messdaten der Messplattformen FINO 1 und FINO 2 - Gigawind plus Jahresbericht 2004, Kap. 3: Tragstruktur - Gründung, S Hinz, P.; Lesny, K.; Richwien, W. (2006): Prediction Of Monopile Deformation Under High Cyclic Lateral Loading. In: Proceedings of the 8th German Wind Energy Conference, DEWEK, Bremen Hinz, P.; Lesny, K.; Richwien, W. (2007): Vorgehensweise bei der FE-Analyse von Monopiles unter hohen Zyklenzahlen, 5. Gigawind Symposium - Offshore-Windenergie, Bau- und umwelttechnische Aspekte, , Hannover Idriss, I. M.; Dobry, R.: Singh, R. D. (1978): Nonlinear Behaviour of Soft Clays During Cyclic Loading; Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 104, Nr. GT12, pp Jakubiec, K. (2004): Dimensionierung und konstruktive Auslegung einer Saugpfahlgründung für Offshore- Windenergieanlagen; Diplomarbeit Nr. 97 am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen (unveröffentlicht) Klumpjan, P. (2007): Anwendung des Strain-Wedge-Modells auf Monopile-Gründungen; Diplomarbeit Nr. 110 am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen (unveröffentlicht) Lesny, K. (2001): Entwicklung eines konsistenten Versagensmodells zum Nachweis der Standsicherheit flachgegründeter Fundamente; Mitteilung aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen, Heft 27, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf GmbH, Essen Lesny, K. (2007): Gründung von Offshore-Windenergieanlagen Werkzeuge für Planung und Bemessung; Institut für Grundbau und Bodenmechanik, Universität Duisburg-Essen, Habilitationsschrift (in Vorbereitung) Lesny, K.; Richwien, W. (2004): Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung. In: Tagungsband Offshore Windenergie 2004 Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit, Technik, Germanischer Lloyd, , Hamburg Lesny, K.; Wiemann, J. (2005): Design Aspects of Monopiles in German Offshore Wind Farms; In: Proceedings of the International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics, S. Gouvernec & M. Cassidy (eds.), Perth, pp Lesny, K.; Hinz, P. (2006): A Concept for a Safe and Economic Design of Foundations for Offshore Windenergy Converters. In: New Approach to Harbour, Coastal Risk Management and Education Littoral 2006, M. Forkiewicz (ed.), Gdansk, pp Lesny, K.; Richwien, W. (2006): Baugrunderkundungen für Offshore-Windenergieanlagen Mindestanforderungen und praktische Umsetzung. In: Geotechnik (3), S Lesny, K.; Richwien, W.; Wiemann, J. (2002): Gründungstechnische Randbedingungen für den Bau von Offshore-Windenergieanlagen in der Deutschen Bucht. In: Bauingenieur 77 (2002), S Lesny, K.; Funke, G.; Jakubiec, K. (2005): Saugrohrgründungen für Offshore-Windenergieanlagen; HTG Kongress 2005, , Bremen Norris, G. (1986): Theoretically Based BEF Laterally Laded Pile Analysis; 3rd International Conference on Numerical Methods in Offshore Piling, Nantes, pp Richwien, W., Lesny, K. (2003): Risikobewertung als Schlüssel des Sicherheitskonzepts - Ein probabilistisches Nachweiskonzept für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen. In: Erneuerbare Energien 13 (2003), Heft 2, S

17 Dr.-Ing. K. Lesny, Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Hinz 17 Richwien, W.; Lesny, K. (2004): Kann man Kolke an Offshore-Windenergieanlagen berechnen? In: Beiträge zum BAW-Workshop "Boden- und Sohl-Stabilität - Betrachtungen an der Schnittstelle zwischen Geotechnik und Wasserbau", Karlsruhe, S Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2002): Bau- und umwelttechnische Aspekte von Off-shore Windenergieanlagen - Gigawind Jahresbericht 2001, Kap. 5: Baugrund, S ; Kap. 6: Tragstruktur Gründung, S Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2003): Bau- und umwelttechnische Aspekte von Off-shore Windenergieanlagen - Gigawind Jahresbericht 2002, Kap. 6: Tragstruktur Gründung, S Richwien, W.; Lesny, K.; Wiemann, J. (2004): Bau- und umwelttechnische Aspekte von Off-shore Windenergieanlagen - Gigawind Jahresbericht 2003, Kap. 5: Baugrund, S ; Kap. 6: Tragstruktur Gründung, S Richwien, W.; Lesny, K.; Hinz, P. (2006): Validierung bautechnischer Bemessungsmethoden für Offshore-Windenergieanlagen anhand der Messdaten der Messplattformen FINO 1 und FINO 2 - Gigawind plus Jahresbericht 2005, Kap. 3: Tragstruktur - Gründung, S Richwien, W.; Lesny, K.; Hinz, P. (2007): Standard Baugrunderkundung für die Planung von OWEA Erste Erfahrungen bei der praktischen Anwendung; 5. Gigawind Symposium - Offshore-Windenergie, Bau- und umwelttechnische Aspekte, , Hannover Wiemann, J. (2007): Bemessungsverfahren für horizontal belastete Pfähle Untersuchungen zur Anwendbarkeit der p-y Methode; Mitteilung aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen, Heft 33, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf GmbH, Essen Wiemann, J.; Lesny, K.; Richwien, W. (2002): Gründung von Offshore-Windenergieanlagen Gründungskonzepte und geotechnische Grundlagen; Mitteilung aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik der Universität Duisburg-Essen, Heft 29, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf GmbH, Essen