Baugrunduntersuchungen für Offshore Windenergieparks nach dem neuen Standard Baugrunderkundung des BSH

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1 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 1/14 Baugrunduntersuchungen für Offshore Windenergieparks nach dem neuen Standard Baugrunderkundung des BSH PD Dr.-Ing. K. Lesny, Universität Duisburg-Essen, Essen Dr. rer. nat. R. Balthes, Fugro Consult GmbH, Markkleeberg Prof. Dr.-Ing. H. Harder, Institut für Geotechnik, Hochschule Bremen Dr. rer. nat. G. Overbeck, IGB Ingenieurgesellschaft mbh, Kiel Dr.-Ing. S. Weihrauch, Grundbauingenieure Steinfeld und Partner GbR, Hamburg Dr. rer. nat. M. Zeiler, Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Hamburg Die Mehrzahl der in Deutschland geplanten Offshore-Windenergieparks befindet sich in der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) der Bundesrepublik Deutschland. Die AWZ grenzt an das Küstenmeer und entspricht dem Bereich jenseits der 12 Seemeilen-Grenze bis zu Entfernungen von maximal 200 Seemeilen, der im Wesentlichen mit dem deutschen Festlandsockel identisch ist. Während Anlagen im Bereich des Küstenmeeres in den Zuständigkeitsbereich des angrenzenden Bundeslandes und damit unter das jeweilige Bauordnungsrecht fallen, werden Offshore-Windenergieparks in der AWZ vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) in Hamburg nach der Seeanlagenverordnung genehmigt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind 17 Windparks in der AWZ der Nordsee und drei Windparks in der AWZ der Ostsee genehmigt. Dabei handelt es sich überwiegend um Vorhaben mit jeweils rund 80 Anlagen mit bis zu 5 MW Nennleistung. Weitere 55 Projekte mit zum Teil mehr als 80 Anlagen pro Park sind beantragt. Bei derart komplexen Bauvorhaben im Offshore-Bereich, die mit einem hohen Investitionsaufwand verbunden sind, ist die Durchführung aussagefähiger Baugrunduntersuchungen unabdingbare Grundlage für die Planung technisch zuverlässiger und gleichzeitig wirtschaftlicher Gründungen für alle baulichen Anlagen eines Offshore- Windparks. Zwar sind Hinweise und Empfehlungen zur Durchführung von Baugrunderkundungen in verschiedenen einschlägigen Regelwerken enthalten (z. B. DIN 4020: in Verbindung mit DIN 1054: ; API, 2000 oder DNV, 2004), jedoch sind diese Regelwerke an sich für Bauwerke in der AWZ nicht verbindlich und zum Teil nicht auf die besonderen Belange von Offshore-Bauvorhaben abgestimmt. Da die Offshore- Baugrunderkundung zudem zeitaufwändig, extrem wetterabhängig und sehr teuer ist, wurde in der Vergangenheit häufig auf eine hinreichende Baugrunderkundung als Planungsgrundlage verzichtet. Diesen Missstand nahm das BSH bereits 2003 zum Anlass, einen Standard Baugrunderkundung herauszugeben, in dem ein Mindestumfang geologischer und geotechnischer Baugrunderkundung definiert wurde (BSH, 2003). Die bisherigen Erfahrungen zeigten jedoch, dass dieser Standard in der praktischen Umsetzung in einigen Punkten nicht zweckmäßig war. Hauptkritikpunkte waren die vorgesehene Abfolge der Erkundungen und das damit verbundene Berichtswesen und der Mindestumfang geotechnischer Untersuchungen, der sich eher an den Erfahrungen mit dem überwiegend nichtbindigen Baugrund in der Nordsee orientierte. Insbesondere die Umsetzung dieser Anforderungen bei den inhomogenen Baugrundverhältnissen in der Ostsee war oftmals schwierig. In der Praxis problematisch gestaltete sich weiterhin die Kalibrierung geophysikalischer Messungen bei fehlenden Standortaufschlüssen und die geforderte Durchführung und Auswertung zyklischer Laborversuche. Auch die Unabhängigkeit des Sachverständigen für Geotechnik konnte nicht immer gewährleistet werden. Über den Standard Baugrunderkundung und die damit gesammelten Erfahrungen, die im Rahmen einer Umfrage unter den Anwendern ermittelt wurden, berichteten ausführlich LESNY/RICHWIEN (2006). Hinzu kam die Einführung des Standards Konstruktive Ausführung von Offshore- Windenergieanlagen (kurz: Standard Konstruktion) im Jahre 2007 (BSH, 2007), der als übergeordnetes Dokument zu verstehen ist. Mit dem Standard Konstruktion wurde für das

2 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 2/14 Genehmigungsverfahren ein neuer, nunmehr gestufter Prozess festgelegt, der sich auch auf die Phasen der Baugrunderkundung auswirkt. Vor diesem Hintergrund wurde 2007 die erste Fortschreibung des Standards Baugrunderkundung seitens des BSH initiiert. Wie bei der ersten Version waren an der Überarbeitung Fachvertreter aus Ingenieurbüros, Forschungseinrichtungen und Universitäten, Behörden und Zertifizierungsgesellschaften beteiligt. Die erste Fortschreibung erschien im April 2008 als Standard Baugrunderkundung für Offshore-Windenergieparks (BSH, 2008). Dieser Standard ist konzeptionell anders ausgelegt als sein Vorgänger, indem er über die eigene Festlegung von Mindestanforderungen hinaus insbesondere die Anwendung der etablierten geotechnischen Normen verbindlich vorschreibt. Konzept der Baugrunderkundung und Einbindung in das Genehmigungsverfahren Standard Konstruktive Ausführung von Offshore Windenergieanlagen Bedeutung und Funktion des überarbeiteten Standards Baugrunderkundung werden erst in Verbindung mit dem Standard Konstruktion des BSH deutlich, der die Realisierung eines Offshore Windenergieparks in die Phasen (1) Entwicklung (2) Konstruktion (3) Ausführung (4) Betrieb (5) Rückbau untergliedert und für das begleitende gestufte Genehmigungsverfahren vier formale Freigaben vorsieht: 1. Freigabe: design basis und Vorentwurf der Anlage(n) 2. Freigabe: Grundlegender Entwurf (basic design) 3. Freigabe: Ausführungsplanung 4. Freigabe: Betriebsfreigabe Anders als in der ersten Version des Standards Baugrunderkundung zunächst vorgesehen, wird die Baugenehmigung vom BSH nunmehr durch drei Freigaben stufenweise wirksam. Mit diesem Verfahren wird stufenweise Rechtssicherheit für den jeweils nächsten Realisierungschritt des Windparks geschaffen, was sich angesichts der langen Entwicklungsdauer und der hohen Investitionskosten für Offshore Windenergieparks in der Planungs- und Genehmigungspraxis als unabdingbar erwiesen hat. Aus dem Ansatz, dem Entwurf der Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage ein konsistentes technisches Vorschriftenwerk zu Grunde zu legen, resultiert die im Standard Konstruktion verankerte Verpflichtung zur Anwendung der geltenden deutschen Bauvorschriften. Für die Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise aller Elemente der Tragstruktur einschließlich der Gründungselemente sind dies die Vorschriften des EUROCODE-Systems mit den nationalen Anwendungsdokumenten, für den Baugrund die DIN EN ( Eurocode 7) und derzeit die DIN 1054: mit ihren normativen Verweisen, u. a. auf DIN 4020: Entsprechend der Entwicklung des EUROCODE fortgeschrieben, sind diese geotechnischen Bauvorschriften als grundlegender Standard für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen in deutschen Gewässern vor allem aus folgenden Gründen prädestiniert: Sie bilden die anerkannten Regeln der Technik für Gründungen in Deutschland im Rahmen der Europäischen Union und gelten ohne Ausnahme für alle Gründungen (und für alle geotechnischen Bauwerke). Sie betreffen die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken und Bauteilen im Erd- und Grundbau und gelten für deren Herstellung und Nutzung. Sie

3 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 3/14 definieren die vom Baugrund beeinflussten Grenzzustände der Bauwerke und enthalten Grundsätze und Regeln für die zugehörigen Nachweise. Sie enthalten die Anwendung des Teilsicherheitskonzepts als Teil des konsistenten deutschen Normenwerks für den konstruktiven Ingenieurbau. Dabei liegt es auf der Hand, dass die technischen Regeln in diesen Normen nicht ohne weiteres als standardisierte Sicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise von Offshore Windenergieanlagen angewendet oder in solche umgesetzt werden können. Der Standard Konstruktion enthält deshalb auch in Bezug auf die zugrunde zu legenden geotechnischen Regelwerke eine generelle Öffnungsklausel zur Berücksichtigung der besonderen Bedingungen der Offshore-WEA sowie eine spezielle Ergänzungsklausel für Fehlende Regelungen. Ablauf der Baugrunderkundung im Realisierungs- und Genehmigungsprozess Nach dem überarbeiteten Standard ist die Baugrunderkundung wie bisher in eine geologische und eine geotechnische Erkundung unterteilt, sie erstreckt sich über die Phasen (1) Entwicklung und (2) Konstruktion. Zu Phase 1 gehören die geologische Erkundung und die geotechnische Vorerkundung. Die geologische Erkundung wird als desk study und als geophysikalische Erkundung durchgeführt und in einem Geologischen Vorbericht ausgewertet. Die geotechnische Vorerkundung mündet in einen Baugrundvoruntersuchungsbericht sowie in eine Vorstufe eines Baugrund- und Gründungsgutachtens und ist Basis der geophysikalischen Nachinterpretation, die ihrerseits Bestandteil des Geologischen Berichts ist. Der Geologische Bericht bildet die sachverständige Grundlage für die Planung und Optimierung der geotechnischen Haupterkundung, auf welcher der Sachverständige für Geotechnik im Dialog mit dem geologischen Sachbearbeiter den Umfang für die Standorterkundung festlegt und erforderlichenfalls in Verbindung mit den Ergebnissen der geotechnischen Vorerkundung Abweichungen vom Standard begründet. Die Vorstufe des Baugrund- und Gründungsgutachtens beinhaltet im Wesentlichen eine Bewertung der Gründung anhand der bis dahin erzielten Untersuchungsergebnisse, die sich auf die in dieser Phase vorgesehene Gründungsmethode oder auf verschiedene Gründungsvarianten bezieht. Diese Ergebnisse gehören zur design basis und bilden die geotechnische Grundlage für den Vorentwurf der Bauwerke, für die das BSH die 1. Freigabe erteilt. Die grundlegende Entwurfsplanung (basic design) gehört bereits zur Konstruktionsphase (Phase 2), in der zunächst die 2. Freigabe für den grundlegenden Entwurf und sodann die 3. Freigabe für die Ausführungsplanung erteilt werden. In diese Phase fällt die geotechnische Haupterkundung, deren Ergebnisse für die 2. Freigabe in geprüfter Form vorzulegen und die bei wesentlichen neuen Erkenntnissen in die fortgeschriebene design basis einzuarbeiten sind. Die Ergebnisse der geotechnischen Haupterkundung werden zusammen mit dem ggf. überarbeiteten Geologischen Bericht in dem Baugrunduntersuchungsbericht dargestellt, auf den wiederum das Baugrund- und Gründungsgutachten für den grundlegenden Entwurf der Bauwerke aufbaut (nicht zu verwechseln mit dem geotechnischen Entwurfsbericht, der zum Entwurf gehört). Während die erste Version des Standards Baugrunderkundung mit Mindestanforderungen für Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen untertitelt wurde und dafür eigene Festlegungen traf, ist seine erste Forschreibung mit Baugrunderkundung für Offshore- Windenergieparks bezeichnet worden. Diese Änderung macht zum einen deutlich, dass nunmehr sowohl alle Elemente eines Windenergieparks (einschließlich Plattformen, Kabeltrassen und ggf. Messmasten) als auch der Windenergiepark als Gesamtsystem unter diese Regelung fallen. Zum anderen werden nicht mehr nur eigenständige Mindestanforderungen (des BSH), sondern verbindliche Anforderungen an die Baugrunderkundung nach bautechnischen Regeln im Rahmen des Entwurfskontextes gestellt. Folgerichtig basiert der Standard Baugrunderkundung nun auf DIN 4020: In

4 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 4/14 dieser Norm sind umfassende und sehr konkrete Festlegungen für Planung, Art und Umfang, Qualität, Durchführung, Dokumentation und Auswertung der Feld- und Laboruntersuchungen sowie für die Inhalte des geotechnischen Berichts getroffen worden, die durch den Standard ergänzt werden. Auf die in der ersten Fassung des Standards noch enthaltenen Konkretisierungen der Erkundungsmaßnahmen hinsichtlich Aufschlusstiefe etc. konnte damit verzichtet werden. Wie der Standard Konstruktion eröffnet auch der Standard Baugrunderkundung dem Sachverständigen für Geotechnik (und nur ihm) die Möglichkeit, für den Antragsteller einen Antrag auf Abweichung von den Vorgaben einzureichen, wenn sich im Projektverlauf zeigt, dass standortbedingt oder aus anderen Gründen Teile des Erkundungsprogramms unzureichend, entbehrlich oder aus nachvollziehbaren Gründen nicht in der vorgeschlagenen Weise oder nur unter Einsatz unverhältnismäßiger Mittel durchführbar sind. Außerdem sind Abweichungen von den genannten Regelwerken für die Durchführung zulässig, wenn diese für einen Sachverhalt keine Regelung enthalten oder im Einzelfall nicht anwendbar sind oder eine gleichwertige alternative Vorgehensweise plausibel und nachvollziehbar vorgeschlagen wird. Die Position des Sachverständigen für Geotechnik In DIN 4020: werden Offshore-Bauwerke explizit der Geotechnischen Kategorie GK 3 zugeordnet. DIN 1054: fasst darunter alle Baumaßnahmen mit einem hohen Schwierigkeitsgrad, die eine ingenieurmäßige Bearbeitung und einen rechnerischen Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit erfordern. Aufgrund dieser hohen Anforderungen ist für Bauvorhaben der Geotechnischen Kategorie GK 3 nach DIN 4020: zwingend ein Sachverständiger für Geotechnik einzuschalten, der über vertiefte Kenntnisse und Erfahrungen auf den entsprechenden Teilgebieten verfügt. Auch die erste Version des Standards Baugrunderkundung schrieb die Einschaltung eines Sachverständigen für Geotechnik zwingend vor, ohne jedoch seine Befugnisse klar zu definieren und seine Unabhängigkeit sicherzustellen. Dies hatte zur Folge, dass sein Aufgabenbereich und umfang und seine Kompetenzen in der Praxis bisher sehr unterschiedlich ausgelegt wurden. Besonders problematisch war dabei, dass die Ingenieurleistungen für die Überwachung der Baugrunderkundung häufig zusammen mit der gewerblichen Leistung für die Bohr- und Sondierarbeiten ausgeschrieben und vergeben wurden. Dadurch war die notwendige Unabhängigkeit des Sachverständigen insbesondere vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen Dominanz vieler Auftraggeber nicht immer gegeben. Bei Einhaltung der in DIN 4020: und DIN 1054: verankerten Prinzipien hätte mancher Auftrag eigentlich abgelehnt werden müssen, was sich in der Vergangenheit aber nicht jedes Ingenieurbüro hätte leisten können. Diese Problematik war Anlass, die Rolle des Sachverständigen für Geotechnik in der Fortschreibung des Standards Baugrunderkundung zu stärken und ihr im einführenden Teil A des Standards ein eigenes Kapitel zu widmen. Danach ist für die Baugrunderkundung frühzeitig ein hinreichend qualifizierter Sachverständiger für Geotechnik einzuschalten, der ausreichende Erfahrungen mit entsprechend schwierigen Baumaßnahmen nachweisen muss. Sein Aufgabenbereich wurde konkret definiert, dazu gehören die Planung, Überwachung, Auswertung und Beurteilung der Baugrunderkundung, die Beratung des Bauherrn bzw. dessen Entwurfsverfassers bei der Aufstellung von Berechnungsmodellen zur Beschreibung der Bauwerk-Boden Interaktion, die Beratung des Bauherrn bzw. dessen Entwurfsverfassers bei bau- oder betriebsbegleitenden Prüfungen bzw. bei Anwendung der Beobachtungsmethode nach DIN 1054: ,

5 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 5/14 die Abfassung des Baugrunduntersuchungsberichts sowie des Baugrund- und Gründungsgutachtens (entsprechend dem geotechnischen Untersuchungsbericht in DIN 4020: ), die eventuelle Durchführung geotechnischer Berechnungen oder Aufstellung geotechnischer Standsicherheitsnachweise zusammen mit dem Entwurfsverfasser und die Zusammenführung und Bewertung der Ergebnisse der geologischen und geotechnischen Untersuchungen in Zusammenarbeit mit dem verantwortlichen Geowissenschaftler. Der Sachverständige für Geotechnik ist nach dem Standard Konstruktion (BSH, 2007) außerdem gegenüber dem Zertifizierer bzw. Prüfsachverständigen für die Überprüfung der Baugrunderkundung verantwortlich. Unabhängigkeit und fachliche Weisungsbefugnis des Sachverständigen für Geotechnik gegenüber dem Erkundungsunternehmen wurden explizit im Standard Baugrunderkundung verankert. So ist der Sachverständige für Geotechnik vom Auftraggeber der Baugrunderkundung gesondert zu beauftragen. Die fachliche Weisungsbefugnis des Sachverständigen gegenüber den ausführenden Firmen (z. B. dem Bohrunternehmer) muss dabei sichergestellt werden. Eine gemeinsame Beauftragung von Bohrunternehmer und Sachverständigem ist damit nicht mehr möglich. Die Überwachung der Baugrunderkundung durch den Sachverständigen für Geotechnik bzw. eines geeigneten Vertreters ist dem BSH nachzuweisen. Geologisch-geophysikalische Untersuchungen Zweck der geologisch-geophysikalischen Untersuchungen ist die Erfassung des Meeresbodenaufbaus im Planungsgebiet eines Offshore-Windenergieparks einschließlich der geplanten Trassen für die parkinterne Verkabelung sowie entlang des stromabführenden Seekabels vom Umspannwerk zur Landanbindung. Während der Überwachung in der Betriebsphase eines Offshore-Windenergieparks werden geologisch-geophysikalische Untersuchungsmethoden herangezogen, um die Kolkbildung im Bereich der Gründungselemente von Windenergieanlagen und Plattformen, die Überdeckungshöhen von im Meeresboden verlegten Seekabeln sowie den Lagezustand von Kreuzungsbauwerken usw. zu inspizieren. Im Gegensatz zu den geotechnischen Untersuchungsmethoden gibt es für geologischgeophysikalische Untersuchungsmethoden im Offshore-Bereich keine Normen oder anerkannte internationale Standardvorgaben. Aus diesem Grund wurden im Standard Baugrunderkundung die methodischen Mindestanforderungen auf der Basis guter wissenschaftlicher Praxis und praktischer Erfahrungen auf See festgelegt. Die Verfahren umfassen Echolotmessungen zur Ermittlung der Wassertiefen, Seitensichtsonaraufnahmen zur flächenhaften Erfassung der Sedimentbeschaffenheit und Bodenformen auf dem Meeresboden, flachseismische Methoden zur Erfassung von Schichtgrenzen im Untergrund sowie Seemagnetik zur Detektierung metallischer Gegenstände (Schiffswracks, verlorenes Bohrgestänge u. ä.). Mit Ausnahme der Seemagnetik beruhen diese Verfahren auf dem hydroakustischen Prinzip, d. h. es wird mit einer künstlichen Unterwasserschallquelle ein Signal erzeugt, das in Abhängigkeit des verwendeten Geräts eine bestimmte Eindringtiefe und Auflösung der geologischen Strukturen aufweist. Dieses Signal wird an Schichtgrenzen, Störungen u. ä. reflektiert und von Empfängern (sog. Hydrophonen) registriert. Für diese Verfahren werden im Standard Baugrunderkundung Ziele, Untersuchungsumfang, Zeitrahmen, Methoden und die Art der Ergebnisdarstellung definiert.

6 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 6/14 Da es sich bei diesen Methoden um indirekte Verfahren handelt, wird eine Kalibrierung der Ergebnisse z. B. anhand der Bohrungen aus der geotechnischen Vorerkundung verbindlich vorgeschrieben. Erst durch die Zusammenführung von flachseismischen Ergebnissen mit den Schichtenverzeichnissen der Bohrungen ist es dem geologischen Bearbeiter möglich, den seismostratigraphischen Einheiten auf gesicherter Grundlage Bodenarten bzw. Bodenartengemenge zuzuordnen und ein dreidimensionales Bild des lithologischen Baugrundaufbaus im Planungsgebiet zu entwickeln. Bild 1 zeigt beispielhaft die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Auswertung geophysikalischer Untersuchungsergebnisse anhand eines Boomer-Seismogramms (alle Angaben sind rein hypothetisch). So ist im Geologischen Vorbericht u. a. eine erste, auf der Grundlage vorliegender Daten beruhende Auswertung der Seismogramme darzustellen, während im Geologischen Bericht insbesondere die Ergebnisse der Kalibrierung analysiert und bewertet werden. Der Geologische Bericht muss dabei auch Angaben zu den verwendeten Messsystemen, den Randbedingungen während der Messungen sowie Erläuterungen zur Datenprozessierung enthalten. Bild 1. Schematische Darstellung der Auswertung geophysikalischer Messergebnisse (hier: Boomer-Seismogramm) (Quelle BSH)

7 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 7/14 Geotechnische Untersuchungen Die Ausarbeitung eines hinreichend aussagekräftigen Baugrund- und Gründungsgutachtens nach den Anforderungen der Geotechnischen Kategorie GK 3 durch den Sachverständigen für Geotechnik erfordert die individuelle Baugrunderkundung und -untersuchung der Standorte. Dieses Gutachten ist die Grundlage für die ingenieurmäßige Bearbeitung des Gründungsentwurfs mit den erforderlichen zahlenmäßigen Nachweisen der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit durch den Entwurfsverfasser der Tragkonstruktion einschließlich der Gründungselemente. Mindestanforderungen an die Felduntersuchungen Der Sachverständige für Geotechnik wählt in Abstimmung mit dem Entwurfsverfasser die im Einzelfall geeigneten Aufschlussverfahren aus und legt ihre Anzahl und ihre Anordnung sowie die jeweils erforderliche Aufschlusstiefe fest. Während der Überwachung der Baugrunderkundung entscheidet er, ob zusätzliche oder andere Untersuchungen erforderlich sind, die dann nach seiner Anweisung durchgeführt werden. Im Zuge der Anpassung des Standards Baugrunderkundung an die Projektphasen des Standards Konstruktion werden nunmehr Mindestanforderungen an die geotechnische Vorerkundung in der Entwicklungsphase und an die geotechnische Haupterkundung in der Konstruktionsphase unterschieden. Im Rahmen der geotechnischen Vorerkundung wird wie bisher die Ausführung von jeweils einer Bohrung in den Ecken des Windparkareals und in seiner Mitte, zusätzlich aber auch jeweils eine Drucksondierung gefordert. Weiterhin sind Aufschlüsse an mindestens 10 % der Anlagenstandorte als Vorerkundungsumfang verbindlich und nicht mehr nur Richtwert wie in der ersten Version des Standards. Nach wie vor kann der Sachverständige für Geotechnik bei der Genehmigungsbehörde einen begründeten Vorschlag auf Zustimmung zu Abweichungen von diesen Mindestanforderungen einreichen. Im Rahmen der geotechnischen Haupterkundung muss an jedem Anlagenstandort mindestens ein Baugrundaufschluss ausgeführt werden. Der Standard Baugrunderkundung weist jedoch ausdrücklich darauf hin, dass bei inhomogenen oder anderweitig ungünstigen Baugrundverhältnissen sowie bei aufgelösten oder großflächigen Gründungsstrukturen in der Regel eine größere Anzahl von Baugrundaufschlüssen für die Ausführungsplanung erforderlich ist. Durch den Verzicht auf die detaillierte Festlegung von Mindestanforderungen bezüglich der Aufschlusstiefe und der Probenentnahme für verschiedene Gründungsarten, wie noch in der ersten Version des Standards, verfügt der Sachverständige für Geotechnik nunmehr in Zusammenarbeit mit dem Entwurfsverfasser über den Entscheidungsspielraum, das Erkundungskonzept nach fachlichen Kriterien an die planerischen Randbedingungen sowie an aktuelle Praxiserfahrungen anzupassen. Über diese Mindestanforderungen an die geotechnische Vor- und Haupterkundung hinaus können ergänzende geotechnische Untersuchungen erforderlich werden, z. B. Proberammungen oder Probebelastungen, die sich aus den Entwurfsarbeiten, aus der geotechnischen Prüfung des Gründungsentwurfs oder der Ausschreibung, insbesondere bei Sondervorschlägen, ergeben. Aufschlussverfahren Bei den Aufschlussverfahren unterscheidet der Standard Baugrunderkundung in üblicher Weise direkte und indirekte Aufschlussverfahren. Für die direkten Aufschlussverfahren mit Probennahme wird auf DIN EN ISO : verwiesen, die eine Übersicht über geeignete Bohrverfahren an Land gibt.

8 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 8/14 Diese können bei Einsatz von Hubinseln als stationäre Arbeitsplattform erfahrungsgemäß auch im nearshore-bereich bis zu Wassertiefen um 30 m bis 35 m angewendet werden. Neben der Wassertiefe sind jedoch weitere Faktoren wie die Entfernung zur Küste und die Eindingtiefe der Beine der Hubinsel in den Meeresboden zu berücksichtigen. Für größere Wassertiefen ab ca. 20 m stehen Bohrschiffe zur Verfügung. Die bei Einsatz von Bohrschiffen üblichen Bohrverfahren, im Wesentlichen Spülbohrungen mit Probenentnahme ab der Bohrlochsohle können z. B. MCCLELLAND/REIFEL (1986) entnommen werden. Angesichts der Notwendigkeit, Erkundungen auch an Windparkstandorten mit Wassertiefen um die 30 m bis zu 40 m durchzuführen, lässt die Revision des Standards neben den Verfahren der DIN EN ISO : jetzt explizit auch die im offshore Bereich eingeführten Bohrverfahren mit schwimmenden Trägergeräten zu. Die indirekten Verfahren beinhalten in erster Linie Drucksondierungen (Cone Penetration Test CPT). Bei Drucksondierungen werden der Sondierspitzendruck und die lokale Mantelreibung gemessen, spezielle Sonden können zusätzlich auch den Porenwasserdruck messen (CPTu). Eine Übersicht über weitere anwendungsreife Drucksondierverfahren (Flügelsonde, Pressiometersonde, Seismiksonde, Temperatursonde u. a.) liefern BALTHES et al. (2005). Drucksondierungen werden entweder als kontinuierliche Sondierungen ab Arbeitsplattform oder Gewässerboden (Ballast-Block, Wheeldrive, ROSON) oder als diskontinuierliche Sondierung ab Bohrlochsohle ausgeführt. Nach Art der Kraftübertragung werden Top-Drive und Wheeldrive-Verfahren unterschieden. Regelungen zur Durchführung und Auswertung von Drucksondierungen sind in DIN EN ISO : (Entwurf) enthalten. Der Einsatz konventioneller Sondierungen ab stationärer Arbeitsplattform erfordert eine Stützung des Sondiergestänges auf der freien Strecke zwischen Plattform und Gewässerboden durch entsprechend dimensionierte Stützverrohrung (vgl. Bild 2). Bild 2. Drucksondiersysteme für den Einsatz im Nearshore-Bereich: Ballastblock (links), ROSON (Mitte) und Wheeldrive Seacalf (rechts) (Quelle FUGRO CONSULT GmbH)

9 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 9/14 Die bisherigen Erfahrungen mit dem Baugrund in der deutschen Nordsee haben gezeigt, dass bei Einsatz konventioneller Sondierverfahren Eindringtiefen über 25 m bis 30 m ohne Überbohren in der Regel nicht erreichbar sind. Bei den in der deutschen Nordsee beobachteten hohen bis sehr hohen Lagerungsdichten in nichtbindigen Böden werden erfahrungsgemäß mittlere Tiefen von ca. 20 m erreicht. Damit gewinnt der Einsatz seilgebundener Down-hole Verfahren, mit denen die maximal geforderten Sondiertiefen um 70 m sicher erreichbar sind, an Bedeutung (Bild 3). Diesem Umstand trägt die Revision des Standards durch explizite Erwähnung der diskontinuierlichen Verfahren Rechnung. Bild 3. Auswertungsbeispiel für diskontinuierlich ausgeführte Drucksondierung mit dem Down-hole Verfahren WISON (Quelle FUGRO CONSULT GmbH) Eine Kombination von direkten und indirekten Aufschlüssen, also von Probenentnahme und Drucksondierung innerhalb eines kombinierten Bohrloches ist bei Anwendung der downhole Verfahren aus dem offshore-bereich möglich und wurde bei verschiedenen Erkundungsprojekten in der deutschen Bucht erfolgreich praktiziert. Die Bohrlochrammsondierung, auch als Standard Penetration Test bezeichnet, wurde in der Revision des Standards in der Ausführung nach ASTM D und nach DIN EN ISO : übernommen. Anforderungen an die Probenentnahme Die Häufigkeit der Probenentnahme in Abhängigkeit von der angetroffenen Baugrundschichtung wird durch den Sachverständigen für Geotechnik festlegt. Die Probenentnahme hat dabei nicht nur als eine rein statistische Verteilung der Entnahmestellen, sondern vor allem nach geotechnischen Gesichtspunkten zu erfolgen. Die in der ersten Version des Standards relativ strikt vorgegebene Anzahl der in Abhängigkeit von der Aufschlusstiefe zu entnehmenden Bodenproben ist entfallen. Die Bohrverfahren sind so auszuwählen, dass bei bindigen Böden Bodenproben mindestens der Güteklasse 2 nach DIN EN ISO : gewonnen werden können. Das heißt, die entnommenen Bodenproben müssen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, des Wassergehaltes, ihrer Dichte sowie ihrer Durchlässigkeit unverändert sein. Kann mit dem gewählten Bohrverfahren die Güteklasse 2 nicht gewonnen werden, ist dafür Sorge zu

10 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 10/14 tragen, dass aus der Bohrlochsohle Sonderproben entnommen werden. Bei nichtbindigen Böden müssen durch das Bohrverfahren mindestens Bodenproben der Güteklasse 4 gewonnen werden, wobei jedoch Bodenproben der Güteklasse 3 oder 2 anzustreben sind. Der Sachverständige für Geotechnik legt während der Erkundungsarbeiten fest, ob er - sofern möglich - an Bord bereits erste Laborversuche ausführt oder ob die Bodenproben versandfertig verpackt werden. Im Gegensatz zu der ersten Version des Standards Baugrunderkundung werden in der Fortschreibung die marktüblichen Probendurchmesser in Abhängigkeit von den verschiedenen Erkundungsverfahren genannt. Vor diesem Hintergrund entscheidet der Sachverständige für Geotechnik, welches Verfahren unter Berücksichtigung der zu erwartenden Baugrundschichtung am besten geeignet ist. Bei Einsatz von Hubinseln mit den an Land üblichen Bohrgeräten werden in der Regel durchgehend gekernte Bodenproben mit einem Durchmesser von d = 100 mm gewonnen. Ein entsprechendes Bohrkernentnahmegerät ist in Bild 4 dargestellt. Bild 4. Bodenprobenentnahmegerät BPE 200 (Quelle FINO III, F+E FH Kiel) Bei diesem Verfahren wird das Bodenentnahmegerät entsprechend DIN EN ISO : mit einem definierten Fallgewicht mit 100 mm Kerndurchmesser (in Bild 4 z. B. BPE 200) schlagend eingebracht. Der Ringraum wird überbohrt und das Entnahmegerät kann gezogen werden. Aus dem Entnahmegerät wird der nahezu vollständig gefüllte PVC- Liner herausgezogen, abgedeckt und zum Transport verpackt. Bei dem Einsatz von Bohrschiffen werden in der Regel Druck- oder Rammkernproben aus der Bohrlochsohle mit einem Durchmesser von d = 72 mm entnommen. Diese Entnahmeart ist in Bild 5 dargestellt.

11 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 11/14 Bild 5. Offshore Drilling and Sampling: Prinzipskizze zur Durchführung von Probenentnahme und Drucksondierung innerhalb einer Spülbohrung im Down-hole Verfahren (Quelle FUGRO CONSULT GmbH) Anforderungen an bodenmechanische Laboruntersuchungen Die in der ersten Version des Standards Baugrunderkundung definierten Anforderungen an die Laboruntersuchungen wurden im Wesentlichen beibehalten. Danach werden die Standardversuche zur Zustandsbeschreibung sowie zur Bestimmung der erforderlichen bodenmechanischen Rechenwerte für nichtbindige und bindige Böden zusammen mit den zugehörigen DIN-Normen und erforderlichen Probenqualitäten bzw. Güteklassen tabellarisch aufgeführt. Auf dieser Grundlage legt der Sachverständige für Geotechnik die durchzuführenden Versuche fest und definiert die Art der Versuchsdurchführung, die erforderliche Probenqualität sowie die zu bestimmenden bodenmechanischen Kenngrößen. Neben den Standardversuchen fordert der Standard Baugrunderkundung auch Untersuchungen zum Einfluss zyklischer Spannungsänderungen im Boden infolge der Beanspruchungen des Bauwerks durch Wellen, Strömung, Wind und ggf. Eis, die das Tragverhalten des Bodens und damit der gesamten Gründung maßgebend beeinflussen können. Der Standard schlägt dafür die Durchführung zyklischer Triaxialversuche, zyklischer Scherversuche oder zyklische Kompressionsversuche vor. Bild 6 zeigt einen Versuchsstand zur Durchführung zyklischer Triaxialversuche. Einzelheiten zu den Versuchsrandbedingungen sind z. B. in LESNY/RICHWIEN (2006) aufgeführt.

12 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 12/14 Mehr noch als in der ersten Version des Standards Baugrunderkundung wird in seiner Fortschreibung der Tatsache Rechnung getragen, dass die zyklischen Laborversuche und ihre Auswertung im Rahmen der Gründungsbemessung noch nicht Stand der Technik und dementsprechend nicht standardisiert sind. So müssen die Randbedingungen zur Versuchsdurchführung in Abhängigkeit von der geplanten Gründung vom Sachverständigen für Geotechnik in enger Abstimmung mit dem Entwurfsverfasser festgelegt werden. Wenn notwendig muss ein weiterer Sachverständiger mit entsprechenden Erfahrungen auf diesem Gebiet und entsprechender Laborausstattung hinzugezogen werden. Dies bezieht sich insbesondere auch auf die Auswertung der Versuchsergebnisse im Hinblick auf eine Prognose des Formänderungs- und Festigkeitsverhalten des Bodens in Abhängigkeit der gewählten Gründungsart. Bild 6. Versuchsstand für zyklische Triaxialversuche (Quelle Universität Duisburg-Essen) Weitere Anforderungen Der Standard Baugrunderkundung enthält detaillierte Anforderungen an den Inhalt der Baugrunduntersuchungsberichte und des Baugrund- und Gründungsgutachtens sowie an die Art der Ergebnisdarstellung und die Bewertung der Ergebnisse. Weiterhin werden Anforderungen an die baubegleitenden und betriebsbegleitenden Untersuchungen definiert. Zu den baubegleitenden Untersuchungen gehören die Überwachung und Abnahme der geotechnischen Elemente der Bauausführung. Die betriebsbegleitenden Untersuchungen beziehen sich im Wesentlichen auf die messtechnische Überwachung der baulichen Komponenten im Rahmen der Beobachtungsmethode nach DIN 1054: Fazit Der Standard Baugrunderkundung wurde vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie als Genehmigungsbehörde erstmalig im Jahre 2003 im Interesse einer verbesserten Rechts- und Investitionssicherheit in den Genehmigungsverfahren für Offshore- Windenergieparks herausgegeben. Er definiert einen verbindlichen Mindestumfang sowie konkrete Anforderungen an die Durchführung geologischer und geotechnischer Baugrunderkundungen, mit dem Ziel, eine umfassende und hinreichend aussagefähige Planungsgrundlage für die Gründungsbemessung zu schaffen. Mit der ersten Fortschreibung wurde der Standard Baugrunderkundung nunmehr anhand erster Erfahrungen und fortgeschriebener Realisierungs- und Genehmigungspraxis in

13 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 13/14 maßgebenden Punkten überarbeitet, um den Erfordernissen der praktischen Anwendung gerecht zu bleiben. Dazu zählt die Abstimmung auf den neu gestalteten Genehmigungsablauf, die Stärkung der Rolle des Sachverständigen für Geotechnik und die Anpassung von Ablauf und Mindestumfang geotechnischer Untersuchungen. Der Standard versteht sich trotz seiner Rechtsverbindlichkeit weiterhin nicht als starres, sondern als dynamisches Werk, in das Erfahrungen und neue Erkenntnisse bei Bedarf eingearbeitet werden. Abweichungen von den definierten Anforderungen sind bei entsprechender Begründung möglich, um die notwendige Flexibilität gegenüber neuen Entwicklungen und individuellen Bedürfnissen herzustellen. Dies ist nunmehr nach fünf Jahren erfolgt und wird auch in Zukunft notwendig oder zumindest zweckmäßig sein. Die Resonanz auf die erste Fortschreibung im Zuge der mehr als 30 laufenden Baugrunderkundungen in der AWZ bleibt abzuwarten. Quellennachweis API (2000): Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design. American Petroleum Institute Balthes, R.; Thiele, R.; Zwaag, G. v. d. (2005): Geotechnische Erkundungen im nearshoreund offshore-bereich zur Ermittlung von Bodenkennwerten für die Bemessung von Pfahlgründungen. TU Braunschweig, Pfahl-Symposium 2005 BSH (2003): Standard Baugrunderkundung Mindestanforderungen für Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen. Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Hamburg und Rostock, BSH Nr. 7004, BSH (2007): Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen. Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Hamburg und Rostock, BSH Nr. 7005, BSH (2008): Standard Baugrunderkundung für Offshore-Windenergieparks. 1. Fortschreibung, Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Hamburg und Rostock, BSH Nr. 7004, DIN 1054: : Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DIN 4020: : Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DIN EN : : Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Teil 1: Allgemeine Regeln. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DIN EN ISO : : Geotechnische Erkundung und Untersuchung Probeentnahmeverfahren und Grundwassermessungen Teil 1: Technische Grundlagen der Ausführung. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DIN EN ISO : (Entwurf): Geotechnische Erkundung und Untersuchung Felduntersuchungen, Teil 1: Drucksondierung mit elektrischen Messaufnehmern und Messeinrichtungen für den Porenwasserdruck. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DIN EN ISO : : Geotechnische Erkundung und Untersuchung Felduntersuchungen, Teil 3: Standard Penetration Test. Normenausschuss Bauwesen (NABau), Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin DNV (2004): Design of Offshore Wind Turbine Structures. Offshore Standard DNV-OS- J101, Det Norske Veritas Classification A/S LESNY, K.; RICHWIEN, W. (2006): Baugrunderkundungen für Offshore- Windenergieanlagen Mindestanforderungen und praktische Umsetzung. Geotechnik, Band 29, Nr. 3, S MCCLELLAND, B.; REIFEL, M. D. (1986): Planning and Design of Fixed Offshore Platforms. Van Norstrand Reinhold Company Inc., New York

14 Geotechnik 32 Heft 1 (2009) Seite 14/14 Kurzfassung Die Durchführung der geologischen und geotechnischen Baugrunderkundung für Offshore- Windenergieparks in der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) der Bundesrepublik Deutschland richtet sich nach den Anforderungen des Standards Baugrunderkundung des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH). Dieser Standard wurde in einer ersten Fassung 2003 herausgegeben. Mittlerweile wurde er auf Basis der ersten Baugrunderkundungskampagnen, die nach diesem Standard durchgeführt wurden, und den dabei gewonnenen Erfahrungen fortgeschrieben und zum Teil grundlegend überarbeitet. Im Vordergrund stand dabei die strukturelle Anpassung an den zwischenzeitlich vom BSH eingeführten Standard Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen und die damit verbundene Abstimmung auf das nunmehr gestufte Genehmigungsverfahren. Weiterhin wurde die Position des Sachverständigen für Geotechnik gestärkt, der Ablauf der geotechnischen Felduntersuchungen an das neue Verfahren angepasst und die daraus resultierenden Mindestanforderungen neu definiert. Site Investigations for Offshore Wind Energy Farms according to the new Geotechnical Site Investigation Standard of the BSH Abstract Geological and geotechnical site investigations for offshore wind energy farms in Germany s Exclusive Economic Zone have to be performed in accordance with the Geotechnical Site Investigation Standard of the Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH). This standard has been first issued in Meanwhile the standard has been updated and thoroughly revised in parts on the basis of the experiences gained during the first site investigations performed according to this standard. The revision was primarily focused on the structural adjustment to the Standard Design of Offshore Wind Turbines later issued by the BSH which includes a newly arranged, stepped approval process. Further on, the role of the geotechnical expert has been strengthened and the procedure of the geotechnical site investigations as well as the resulting minimum requirements have been modified.