Gründung von Offshore Windenergieanlagen aus filigranen Betonstrukturen Kurzfassung

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1 Studiengang Bauingenieurwesen Gründung von Offshore Windenergieanlagen aus filigranen Betonstrukturen Kurzfassung Bachelor-Thesis zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Engineering Vorgelegt von Martin Wachinger Matrikel Nr.: Bei Prof. Dipl.-Ing. Frank-Ulrich Drexler Zweitgutachter Dr. Ing. Hubert Bachmann Eingereicht am

2 Aufgabenstellung Aufgabenstellung Thema: Optimierung der Gründungsstruktur einer Offshore Windenergieanlage Allgemeine Beschreibung: Die Ed. Züblin AG ist mit der Entwicklung eines Betonfundaments für eine Offshore- Windenergieanlage befasst. Dabei handelt es sich um die Entwicklung einer Schwergewichtsgründung. Die hochdynamischen Beanspruchungen aus der Windund Wellenlast erfordern eine komplexe Nachweisführung, unter anderem auch den Nachweis gegenüber dem Ermüdungsversagen von Beton. Weitere Randbedingungen für die Dimensionierung der Struktur sind baubetrieblicher Natur, wie maritime Logistikanforderungen, geometrische Randbedingungen des Transports und die Herstellungsmethode. Als nächster Entwicklungsschritt ist der Entwurf einer filigranen Betonstruktur in Bearbeitung.

3 Aufgabenstellung Aufgabenstellung: Zur Optimierung der Fundamentstruktur ist ein Strebenfachwerk zu entwickeln, welches die Beanspruchungen im Wesentlichen durch Druck- und Zugstreben abtragen kann. Kriterien des Optimierungsverfahrens sind die Reduktion des Strukturgewichts unter besonderer Beachtung der Vorspannung der Struktur (Rissefreiheit der Struktur) sowie der Nachweise gegen Ermüdung des Betons. Zunächst sollen die Bemessungskriterien der Schwergewichtsgründung einer Beurteilung unterzogen werden um damit die maßgebenden Kriterien zu separieren. Dies ist Ausgangspunkt für die Entwicklung der filigranen Struktur. Die Nachweise der notwendigen Vorspannung sowie der ausreichenden Sicherheit gegen Ermüdung sind für das Strebenfachwerk zu führen und schließlich ein Vergleich beider Gründungsvarianten anzustellen. Der Entwurf einzelner Knotenpunkte zum Lastabtrag in den Baugrund rundet die Arbeit ab. Eine Beurteilung der gewonnenen Ergebnisse schließt die Arbeit. Tag der Ausgabe: Tag der Abgabe: gez. Dr.-Ing. Hubert Bachmann Ed. Züblin AG

4 Vorgehensweise Vorgehensweise Die Nachweisverfahren des Technischen Büros (TBK) der Ed. Züblin AG basieren sowohl auf selbst erstellten Excel Programmen, die dem Nachweisverfahren der DIN zu Grunde liegen, als auch auf softwaregestützter Nachweisführung. Die Einarbeitung in die Vorlagen und Programme bilden den Anfang der Thesis. Um eine sinnvolle Vorgehensweise festlegen zu können, folgt als Grundlage für die zu führenden Berechnungen das Einlesen in die entsprechenden Normen und Richtlinien. Es folgt der Start der Parameterstudie über die geführten Nachweise. Die Parameterstudie ist notwendig, da sich im Laufe des Vorentwurfes die Betongüte von C50/60 auf C80/95 erhöht hat. Diese zeigt den Einfluss und das Optimierungspotenzial der geführten Berechnungen. Mit den Erkenntnissen der Parameterstudie wird dann eine verbesserte Struktur entwickelt. Für den Entwurf des optimierten Fundaments wird ein Fachwerkmodell erstellt, das den Lastabtrag durch Zug - und Druckstreben darstellt. Nach dem Entwurf gilt es das Konzept der Fundamentvariante so auszuarbeiten, dass die Nachweisführung erbracht werden kann. Den Abschluss der Arbeit wird eine Gegenüberstellung und Bewertung der Fundamentvarianten bilden, um die Wirtschaftlichkeit zu prüfen.

5 Einfluss der Nachweise auf die Struktur des Bauwerks Einfluss der Nachweise auf die Struktur des Bauwerks Aus der Parameterstudie geht hervor, dass eine Optimierung möglich ist, diese jedoch mehrere Nachweise gleichzeitig beeinflussen kann. Eine Erhöhung der Struktursteifigkeit zum Beispiel wirkt sich auf den Nachweis der Dekompression positiv aus, schädigt jedoch das Ermüdungsverhalten und die Eigenfrequenz. Im folgenden Diagramm wird der Einfluss der Nachweise auf den entsprechenden Bauwerksschnitt dargestellt. Die Grafik zeigt, dass die vorhandene Struktur in allen Schnitten gut ausgenutzt und damit wirtschaftlich entworfen worden ist.

6 Entwurf der filigranen Betonstruktur Entwurf der filigranen Betonstruktur Entwurfskriterien Bei einer Anwendung der Fundamente in Großserien, wie sie im Windpark Global Tech I mit 80 WEA geplant sind, stellt die Logistik der Gründungsstruktur einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Der Grund dafür ist das relativ hohe Gewicht des Werkstoffs Beton. Im folgenden Kapitel soll eine Gründungsstruktur entwickelt werden, die durch ihre filigranen Bauteile eine Gewichtsreduzierung bewirken soll und der Beanspruchung durch Wind und Wellen standhält. Der Grundgedanke des Entwurfs basiert auf einem Strebenmodell, das die Lasteinleitung durch Zug - und Druckstreben in die Fußplatten umsetzen soll. Ob die Erkenntnisse aus der Parameterstudie in diesem Entwurf vollständig umgesetzt werden können gilt es noch zu untersuchen, da sich das Konzept doch von der ursprünglichen Form sehr stark unterscheidet. Dennoch sollen, um eine Vergleichbarkeit der Fundamente zu erreichen die Vorgaben für den Entwurf an den alten Entwurf angelehnt werden. Die Entwurfskriterien setzen sich wie folgt zusammen: max. Außenabmessung = 40 m, bestimmt durch die maximale Breite des Ladebereichs des Transportschiffes. Größe der Fußplatten ca. 100 m² pro Platte, bestimmt durch die geotechnischen Nachweise, die in den Entwurf übernommen werden sollen. Höhe des Fundaments = 65 m Gesamthöhe, um die Einwirkungen auf das Fundament von dem alten Entwurf übernehmen zu können.

7 Entwurf der filigranen Betonstruktur In der Parameterstudie hat sich herausgestellt, dass die Wandstärke im Schaft auf 40 cm verringert werden kann. Dies soll in allen drei Entwürfen auch so umgesetzt werden. Nach den Erkenntnissen wurde folgende Struktur gewählt: Schaft: Das größte Moment ergibt sich auf Höhe des Anschlussknoten des Schaftes mit den geneigten Streben. Die Voruntersuchung der Entwürfe hat belegt, dass eine Aufweitung des Schaftes eine Reduzierung der Spannungen im Querschnitt ergibt und somit einen geringeren Vorspanngrad zulässt. Durch diese Erkenntnisse wurde der Schaft mit einem konischen Verlauf von LAT mit einem Durchmesser von 5,8 m bis zum Anschlussknoten mit einem Durchmesser von 7,5 m bestimmt. Der Bereich vom Schaftkopf bis auf Höhe von LAT wurde in einem zylindrischen Querschnitt geplant um einen geringen Widerstand aus der Wellen - und Strömungsbeanspruchung zu erreichen. Unter dem Anschlussknoten wird der Schaft der Momentenlinie angepasst und somit wieder verjüngt bis zu einem Durchmesser von 2,0 m am Fußpunkt. Der Bereich des Anschlussknotens wird als Vollquerschnitt geplant, um die Verankerung der Spannglieder aus den Streben herstellen zu können. Geneigte Strebe Die Streben, die die Lasteinleitung in die Fußplatten übernehmen, werden wegen des geringeren Widerstands gegen die Strömung als Kreisring mit einem Durchmesser von 1,5 m ausgeführt. Durch die nötige Spreizung der Fußplatten ergibt sich eine Länge von 26,34 m. Streben im Fußkreuz Die Streben im Fußkreuz erfahren hauptsächlich eine geringe Normalkraftbeanspruchung und können somit sehr filigran ausgebildet werden. Durch die Wiederverfüllung der Baugrube und die damit verbundene Überdeckung der Streben erfahren diese keine Beanspruchung aus der Strömung. Die Streben im Fußkreuz sowie die Diagonalstreben werden mit einem quadratischen Querschnitt von 80 x 80 cm ausgeführt.

8 Entwurf der filigranen Betonstruktur Fußplatten Die Variante mit dem Sechseck könnte zwar von der benötigten Fläche für die Auflast sehr filigran ausgebildet werden, doch die Aussteifung und Aktivierung der einzelnen Lastflügel würde eine komplizierte Detaillösung erfordern. Für die Einleitung der Lasten in den Meeresboden wurde somit die Variante der vier Fußplatten gewählt. Jede der einzelnen Lastplatten soll ungefähr 100 m² groß sein. Die Form der Lastplatten wird aus dem alten Entwurf übernommen, da diese schon an die optimale Abmessung der Laderampe des Schiffes angepasst wurde. Die genaue Dicke der Fußplatte wird noch bestimmt. Somit ergibt sich folgende Struktur:

9 Vergleich der Lösungen Vergleich der Lösungen Der Vergleich der zwei Fundamentvarianten wurde auf Grund der unterschiedlichen Strukturen auf einzelne Punkte beschränkt. Das Ziel dieses Entwurfs ist es, das Gewicht der Betonstruktur zu reduzieren, aber auch ein Modell zu entwickeln, das der Belastung aus Wind und Welle standhält. Bei den Untersuchungen des Strebenmodells sind die gleichen Grenzparameter definiert worden wie bei der Untersuchung des Hohlkastenmodells. Die Entwurfskriterien waren, dass ein Fundament entwickelt wird das von der Gesamtmasse, sprich Beton und Ballastierung, dem alten Fundament gleichzusetzen ist und somit keine größeren Sohlspannungen im Meeresboden erzeugt. Sohlspannungen: Fundament mit Hohlkästen Fundament mit Streben min. [kn/m²] max. [kn/m²] min. [kn/m²] max. [kn/m²] SLS +46, ,58 +71, ,13 ULS -76, ,08-42, ,59 Tabelle 1: Vergleich der Sohlspannungen Das Klaffen der Fuge bis hinter die Fußplatte im Lastfall ULS konnte bei beiden Fundamenttypen vermieden werden. Im Lastfall SLS treten keine Zugspannungen unter den Fußplatten auf. Der Grad der Vorspannung im Schaft ist nahezu gleich geblieben, mit 36 Spanngliedern im Schaft des Hohlkastenfundaments und mit 34 Spanngliedern im Schaft des Strebenfundaments. Im Fußbereich der Fundamente konnten durch die veränderte Struktur Einsparungen erzielt werden. In der Bodenplatte der Hohlkästen wurden m Spannglieder

10 Vergleich der Lösungen vorgesehen. Dagegen sind im Fußkreuz und in den geneigten Rundstützen des Strebenmodells nur 736 m Spannglieder vorgesehen. Die Kubatur und Tonnage beider Fundamente ergibt sich im aktuellen Bearbeitungsstand wie folgt: Fundament mit Hohlkästen Fundament mit Streben Beton im Schaft 629 m³ 547 m³ Beton Gründung m³ 731 m³ Fundament Gesamt m³ m³ Für das Gewicht der Fundamente unter Auftrieb wurde der Teil des Schaftes über LAT mit einem g von 26 kn/m³ ermittelt. Für alle Bauteile der Fundamente unterhalb von LAT wurde ein g von 16 kn/m³ angesetzt.

11 Vergleich der Lösungen Somit ergeben sich folgende Tonnagen der Fundamente unter Auftrieb: Fundament mit Hohlkästen Fundament mit Streben = to = to Für die Ermittlung des zu transportierenden Gewichts der Fundamente wurde für alle Bauteile ein g von 26 kn/m³ angesetzt. Somit ergeben sich folgende Tonnagen für den Transport der Fundamente: Fundament mit Hohlkästen Fundament mit Streben = to = to Das Strebenmodell braucht im Vergleich zum Hohlkastenmodell überschlägig m³ weniger Beton. Das bedeutet eine Betoneinsparung von 45% pro Fundament.