Gründung von Windenergieanlagen mit Frankipfählen Europaweit sicher und wirtschaftlich gründen
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- Helmuth Amsel
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1 Gründung von Windenergieanlagen mit Frankipfählen Europaweit sicher und wirtschaftlich gründen Dipl.-Ing. Thomas Garbers, Dipl.-Ing. Torsten Hauser Überreicht durch Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg Seevetal Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)
2 Gründung von Windenergieanlagen mit Frankipfählen Europaweit sicher und wirtschaftlich gründen Dipl.-Ing. Thomas Garbers, Dipl.-Ing. Torsten Hauser 1. Allgemeines Im Zuge der Energiewende nimmt die Bedeutung der Windenergie nicht nur off shore, sondern auch an Land deutlich zu. Neben dem Neubau von Windparks erfolgt mit dem sogenannten Repowering eine Leistungssteigerung der vorhandenen Windparks. Durch die immer größeren und leistungsfähigeren Windenergieanlagen steigen auch die Anforderungen an die Gründung. So sind in Bereichen Pfahlgündungen erforderlich, in denen normalerweise flach gegründet werden könnte. Im europäischen Ausland stehen die Windenergieanlagen nicht nur wie in Deutschland auf der grünen Wiese. Hier werden die Anlagen teilweise unmittelbar neben vorhandenen Gebäuden errichtet. Im Vortrag wird anhand ausgeführter Gründungen gezeigt wie der Frankipfahl, angepasst an die Bauaufgabe, eine sichere Herstellung der Pfähle, aber auch eine hohe Tragfähigkeit und somit eine wirtschaftliche Gründung ermöglicht. Abschließend wird ein Ausblick auf die zukünftig vielleicht wichtiger werdende Nachhaltigkeit bei der Bearbeitung von Grundbauprojekten gegeben. Im Beitrag wird über folgende Projekte berichtet: Windpark Dieksanderkoog, Deutschland Absetzen der Pfähle in holozänen Wattsanden mit einer Erhöhung der geplanten Pfahllasten, somit einer Reduzierung der Pfahlanzahl bei gleichzeitiger Reduzierung der Pfahllänge Windpark Westereems, Niederlande Herstellung der Pfähle in unmittelbarer Nähe zu einer Kaianlage und bestehenden Gebäuden mit einer Reduzierung der Pfahllänge Windpark Menen, Belgien Herstellung der erschütterungsarmen Pfähle in unmittelbarer Nähe zu bestehenden Gebäuden und einer Reduzierung der Pfahllänge Windpark Potzneusiedl, Österreich Absetzen der Pfähle in Ton mit einer Reduzierung der Pfahllänge Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 1
3 2. Vorstellung der Projekte 2.1 Windpark Dieksanderkoog Im Windpark Dieksanderkoog wurden 13 ENERCON-Anlagen E-70 mit Nabenhöhen von 63 und 84 m tief gegründet. Nach der bauseitigen Planung waren Fertigrammpfähle 40/40 cm mit Pfahllängen zwischen 26 und 32 m geplant, um die charakteristischen Einwirkungen von N k = 1008/-301 kn abzutragen. Auf Basis des alternativen Angebotes wurden Frankipfähle mit Kiesvorverdichtung mit deutlichen kürzeren Pfahllängen und höheren Pfahllasten ausgeführt. Bild 1: Lageplan Windpark Dieksanderkoog Im Bereich der Standorte stehen bis in große Tiefen holozäne Sand-Kleigemische (Wattsande) mit einer lockeren Lagerungsdichte an. Aus diesem Grund wurde durch den Baugrundgutachter empfohlen die Pfähle in die unterlagernden pleistozänen, dicht bis sehr dicht gelagerten Sande abzusetzen. Bei der Herstellung der Frankipfähle konnten die holozänen Sande durch eine Kiesvorverdichtung in die Lage versetzt werden, Einwirkungen bis zu N k = 1800 kn aufzunehmen. Die Bemessung der Pfahlfüße erfolgte Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 2
4 auf der Grundlage des Bildes 5.6 der EA-Pfähle mit den unteren Erfahrungswerten. Somit konnten nicht nur die Pfahllängen, sondern auch die Anzahl der erforderlichen Pfähle je Fundament erheblich reduziert werden. Zur Überprüfung der Tragfähigkeiten wurden an Bauwerkspfählen dynamische Probebelastungen ausgeführt. Es konnten charakteristische Widerstände zwischen R k = 4500 und 5200 kn (Mantelreibung im Bereich der Kiesvorverdichtung und Fußwiderstand) nachgewiesen werden. Bild 2: Drucksondierung mit Ergebnis der dynamischen Probebelastung WEA 1 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 3
5 Somit konnte der geforderte Sicherheitsbeiwert von 2,2 gegenüber der charakteristischen Einwirkung deutlich überschritten werden. WEA Fertigpfähle Frankipfähle L = 31,5 32,0 m L = 29,5 30,0 m L = 29,5 30,0 m L = 26,5 27,5 m L = 26,5 27,5 m L = 26,0 27,0 m L = 27,0 29,0 m L = 26,0 27,0 m L = 27,0 29,0 m L = 28,5 29,0 m L = 30,0 32,0 m L = 27,5 29,0 m L = 27,5 29,5 m Tabelle 1: Gegenüberstellung der Pfahlsysteme d = 56 cm, L = 12,5 m d = 56 cm, L = 14,0 m d = 56 cm, L = 14,0 m d = 56 cm, L = 14,0 m d = 56 cm, L = 11,0 m d = 56 cm, L = 11,5 m d = 56 cm, L = 13,0 m d = 56 cm, L = 15,0 m d = 56 cm, L = 14,0 m N k = 1008/-287 kn, 24 Pfähle d = 51 cm, L = 14,5 m d = 56 cm, L = 14,0 m d = 56 cm, L = 13,0 m d = 56 cm, L = 12,5 m Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 4
6 Bild 3: Durchführung der dynamischen Probebelastung 2.2 Windenergieanlagen Westereems, Eemshaven (Niederlande) Im Hafen von Eemshaven wurden zwei REpower Windenergieanlagen 6M errichtet. Hierfür wurde zwar eine bestehende Lagerhalle abgerissen, aber zu den umliegenden Hallen und der angrenzenden Kaimauer gibt es nur geringe Entfernungen, besonders wenn man deutsche Verhältnisse zu Grunde legt (Bild 4). Die bauseitige Planung sah eine Gründung der Anlagen auf Vollverdrängungspfählen System Atlas vor. Zur Ausführung sollte der Durchmesser 46/56 cm mit einer Absetztiefe von -22,5 mnap kommen. Auf der Grundlage eines Sondervorschlages wurde eine Gründung mit 63 Frankipfählen d = 51 cm und einer Absetztiefe von -9,0 mnap ausgeführt. Die charakteristischen Pfahllasten betrugen N k 2400/-550 kn. In den Niederlanden wird der Nachweis der äußeren Tragfähigkeit rechnerisch auf der Grundlage von Drucksondierergebnissen geführt. In den entsprechenden Ontwerpregels voor trekpalen (CUR ) und den Berekeningsmethode voor funderingen op palen Drukpalen (NEN ) sind Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 5
7 entsprechende Berechnungsansätze und Faktoren für die einzelnen Pfahlsysteme angegeben. Da diese Werke aber die Herstellung und Bemessung eines Frankipfahls auf der Grundlage der EA-Pfähle nicht kennen, konnte der rechnerische Nachweis der äußeren Tragfähigkeit nicht erbracht werden. Insbesondere bei dem Nachweis der Zuglasten konnte der geführte Nachweis der Lastübertragung der Lasten über Erdwiderstand in den aktivierbaren Erdkegel nicht akzeptiert werden (Bild 5). Beim Frankipfahl wird die Zuglast nicht ausschließlich über Mantelreibung in den Baugrund eingetragen sondern über Erdwiderstand in den Ringraum oberhalb des Pfahlfußes. Um den Pfahlfuß bei der Zugbelastung zu aktivieren, ist es erforderlich die Bewehrung ausreichend weit in den Pfahlfuß einzubauen. In der Regel wird eine Einbindung von 50 cm ausgeführt. Da der Nachweis über eine statische Probebelastung aufgrund der engen Terminsituation nicht erfolgen konnte, wurde die Lagerungsdichte im Bereich der Pfähle nach der Herstellung erkundet (Bild 5+6). Mit den somit nachgewiesenen, erhöhten Lagerungsdichten konnten die anzusetzenden Faktoren soweit angehoben werden, dass die rechnerischen Nachweise gemäß niederländischem Standard erbracht werden konnten. Bild 4: Lage der Windenergieanlagen Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 6
8 Bild 5: Übertragung der Zuglasten bei Frankipfählen Bild 6: Pfahlanordnung, Lage ursprüngliche und nachträgliche Drucksondierungen Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 7
9 Bild 7: Gegenüberstellung der Sondierspitzendrücke Bild 8: Pfahlgruppe vor den Kapparbeiten Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 8
10 2.3 Windenergieanlagen Menen (Belgien) Im Industriegebiet der Stadt Menen (Westflandern) sind zwei Windenergeianlagen Enercon E-82 in unmittelbarer Nähe zu bestehenden Gebäuden errichtet worden. Die bauseitige Planung sah für die Gründung der Anlagen erschütterungsfrei herzustellende Teil- oder Vollverdrängungspfähle vor. Bild 9: Lageplan mit umliegenden Gebäuden Als tragfähiger Baugrund steht eine 2-4 m mächtige locker bis mitteldicht gelagerte Sandschicht an, die bis in großer Tiefe von einem steifen, annähernd halbfesten Ton unterlagert wird. Da die bauseitig geplanten Pfahlsysteme in dem Ton abgesetzt werden mussten, ergaben sich aufgrund der geringeren Tragfähigkeiten dieser Schicht Pfahllängen von ca. 27,5 m. Die Frankipfähle wurden zwar ebenfalls im Ton unterhalb der Sandschicht abgesetzt, die geforderten Tragfähigkeiten konnten durch die Ausführung einer Kiesvorverdichtung aber schon mit kurzen Einbindelängen in dem Ton erreicht Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 9
11 werden. Die Pfähle wurden mit Längen von ca. 12,5 bis 14,5 m ausgeführt. Trotz des großen wirtschaftlichen Vorteils dieser Gründung bestanden Bedenken hinsichtlich der Erschütterungen und deren Auswirkungen auf die umliegenden Gebäude. Aus diesem Grund wurden am Beginn der Rammarbeiten Erschütterungsmessungen ausgeführt, die die Einhaltung der zulässigen Beschleunigungen bestätigten. Für die Bauzeit wurden dauerhafte Messstellen eingerichtet, um den Mitarbeitern auf der Baustelle anzuzeigen wenn die vereinbarten Warnwerte überschritten wurden. Je nach Abstand der einzelnen Pfähle zu den angrenzenden Gebäuden, wurde die Rammenergie durch die Reduzierung der Fallhöhe des Freifallbäres angepasst. Die Pfahlherstellung konnte ohne Unterbrechung der Rammarbeiten und ohne Beeinträchtigung der Gebäude bzw. der Maschinen in diesen Gebäuden abgeschlossen werden. Wie die Aufzeichnungen der Messwerte (Bild 12) zeigen, wurden die Grenzwerte der DIN 4150 für gewerblich genutzte Gebäude nur durch einzelne Ereignisse, die nicht auf die Rammung zurückzuführen sind, überschritten. Dies zeigt, dass Rammarbeiten neben bestehenden Gebäuden möglich sind, wenn die Pfahlherstellung auf die örtlichen Anforderungen angepasst werden kann. Bild 10: Baustellensituation WEA 1 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 10
12 Bild 11: Baustellensituation WEA 3 mit Messstation Bild 12: Ergebnisse der Dauermessungen WEA 3 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 11
13 2.4 Windpark Potzneusiedl (Österreich) In Niederösterreich, östlich von Wien, wurde 2010 der Windpark Potzneusiedl um zwei Windenergieanlagen Enercon E-126 erweitert Die Anlagen wurden auf Frankipfählen tief gegründet. Die Baugrundsituation an den Standorten stellt sich wie folgt dar (Bild 13). Unter dem Mutterboden folgen sehr dicht gelagerte Kiese bis in eine Tiefe von ca. 3,3 m. Bild 13: Baugrundaufbau am Probebelastungsstandort P1 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 12
14 Unterlagert werden diese Kiese bis in große Tiefen von stark plastischen Tonen, die in steifer mit zunehmender Tiefe halbfester bis fester Konsistenz anstehen. Vom Baugrundgutachter wurden Großbohrpfähle d = 90 cm empfohlen, die in einer Tiefe von ca. 145 müa abgesetzt werden sollten, um die charakteristische Einwirkung von N k = 2662 kn abzutragen. Aufgrund der Wirtschaftlichkeit entschied sich der Anlagenbauer für eine Gründung mit Frankipfählen. Die Frankipfähle wurden mit einem Schaftdurchmesser von d = 61 cm ausgeführt und in einer Tiefe von ca. 160 müa in dem halbfesten bis festen Ton abgesetzt (WEA 1). Um den Ton im Bereich des Pfahlfußes zu verbessern, wurde auf 2,0 m eine Kiesvorverdichtung ausgeführt. Da in Österreich bisher keine Erfahrungen mit der Herstellung und Bemessung von Frankipfählen nach EA-Pfähle vorlagen, wurde vom Bauherrn die Überprüfung der Tragfähigkeit anhand von drei statischen Probebelastungen gefordert. Die Belastungen wurden durch die Ingenieurgesellschaft Baugrund Wien auf Grundlage des Eurocode 7 und den österreichischen Anwendungsdokumenten durchgeführt. Der nachzuweisende Widerstand von 6300 kn wurde mit Setzungen zwischen 13,5 und 15,2 mm sicher erreicht (Bild 15). Bild 14: Aufbau der Probebelastung P1 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 13
15 Bild 15: Ergebnis der Probebelastung P1 Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 14
16 3. Nachhaltigkeit Es gibt mittlerweile diverse Zertifikate mit denen Gebäude ausgezeichnet werden, wenn sie mit nachhaltigen Methoden und umweltschonenden Produkten errichtet und betrieben werden. Auf dem Gebiet des Grundbaus ist diese Betrachtungsweise noch nicht etabliert. In der Masterarbeit Vergleich unterschiedlicher Pfahlsysteme hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit durch gezielte Erstellung einer CO 2 -Bilanz wird dieser Ansatz aufgegriffen. Für Fertigramm-, Bohr- und Frankipfähle wurden alle anfallenden Arbeiten von der Produktion der Baustoffe über die Transporte zur Baustelle bis zu den eigentlichen Gründungsarbeiten betrachtet und gegenübergestellt. Die aufnehmbare, charakteristische Einwirkung wurde mit N k = 2300 kn angesetzt und die Abmessungen der Pfähle mit d = 61 cm und 100 cm sowie 45/45 cm berücksichtigt. Wie die Arbeit zeigt kann der Frankipfahl auch auf diesem Gebiet, aufgrund seiner hohen Tragfähigkeit bei kurzen Einbindelängen im tragfähigen Baugrund, punkten (Bild ). Bild 16: Gegenüberstellung erforderlicher Absetztiefen für unterschiedliche Systeme Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 15
17 Bild 17: Gegenüberstellung erforderlicher Emissionen (kg CO 2 ) je Pfahl 4. Zusammenfassung Wie die Vorstellung der Bauvorhaben gezeigt hat, gibt es auch im Bereich der Gründung von Windenergieanlagen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für den Frankipfahl. Die Herstellung des Pfahles bietet diverse Möglichkeiten sich an die örtlichen Anforderungen anzupassen. Unter anderem sind dies: Hohe Tragfähigkeit (Druck + Zug) schon bei geringen Einbindelängen im tragfähigen Baugrund Sehr gutes Widerstandssetzungsverhalten Erschütterungsarme Einrammung, Steuerungsmöglichkeit der Rammenergie Gezielte Verbesserung des anstehenden Baugrunds im Bereich der Absetztiefe Gute CO 2 -Bilanz Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 16
18 Literatur: G. Brauer; Baugrundgutachten WP Dieksanderkoog, Grundbauingenieure Schnoor + Brauer, 2012 A. Weigl; Messbericht über dynamische Probebelastungen WP Dieksanderkoog, DMT Gründungstechniken GmbH, 2012 H. Bijma; Baugrundgutachten WP Westereems, Fugro Ingenieursbureau B.V, 2011 G. Jessen; Results of ground servey, Recommendations for the foundation WP Grensland, Inpijn-Bloekpoel Ingenieurbureau, 2012 R. Schulze; Messbericht über Erschütterungsmessungen WP Grensland, DMT Gründungstechniken GmbH, 2012 H. Wick; Baugrundgutachten WP Potzneusiedl, Geo Test GmbH, 2009 Dr. F. Aschenbauer; Prüfberichte statische Probebelastungen WP Potzneusiedl, Baugrund Wien GmbH, 2011 K. Kaup; Vergleich unterschiedlicher Pfahlsysteme hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit durch gezielte Erstellung einer CO 2 -Bilanz, Masterarbeit HAWK Hildesheim, 2011 Autoren Dipl.-Ing. Thomas Garbers tgarbers@isg-seevetal.de Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg 24, Seevetal Tel.: Dipl.-Ing. Torsten Hauser thauser@franki.de Franki Grundbau GmbH & Co. KG Hittfelder Kirchweg 24-28, Seevetal Tel.: Pfahlsymposium 2013, TU Braunschweig Seite 17
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