Tragstrukturen und Gründung

Im Testzentrum Tragstrukturen in Hannover können Trag- und Gründungskonstruktionen (XL Monopiles, Suction Buckets oder Jackets mit Pfahlgründungen) sowie deren Komponenten im Maßstab 1:10 - 1:3,5 experimentell getestet, Designs und Bauverfahrenstechniken (schlagende oder Vibrationsrammungen) validiert und optimiert werden. Dafür stehen eine Grundbauversuchsgrube und ein Spannfeld mit Testfeld für Grouted Joints sowie Widerlagerwänden bereit.

Außerdem ist die beschleunigte Lebensdauerprüfung von Komponenten wie Schrauben, Schweißverbindungen oder Lagern möglich. Ergänzend können vor Ort Speziallabore für Materialprüfungen an Stahl, Beton und Faserverbundwerkstoffen sowie geotechnische Untersuchungen eingebunden werden.

Klar definierte Testbedingungen bis zur Extremlast gewährleisten reproduzierbare Ergebnisse, die Antworten auf komplexe Fragestellungen liefern. Im Zusammenspiel von Strukturmodellen, numerischen Berechnungen und großmaßstäblichen Experimenten können On- und Offshore-Windenergieanlagen im Hinblick auf höhere Anlagenverfügbarkeit und Kosteneffizienz weiterentwickelt und Simulationsmodelle validiert werden.

Das dynamische Verhalten sowie Ermüdungsverhalten von Strukturen unter den Dauerbeanspruchungen von Wellen, Wind und Anlagenbetrieb wird im „Zeitraffer“ untersucht – nach drei bis vier Monaten liegen belastbare Ergebnisse vor. Optimierungsansätze und Systemreserven können somit zeiteffizient identifiziert und erschlossen werden. Auch umweltverträgliche Bauverfahrenstechniken lassen sich dort systematisch untersuchen.

Geotechnische Beratungsleistungen zu Onshore- und Offshore-Bauwerken sind für die Herstellung von Gründungen essentiell – sowohl für die Entwicklung von Designs, als auch für die Auswahl eines Installationsverfahrens für den jeweiligen Standort. Numerische Berechnungen bzw. Simulationen stellen die Basis für die experimentelle Versuchsplanung dar und sichern darüber hinaus Untersuchungen der Struktur-Boden-Interaktion von Tragstrukturen und Gründungen ab.

Das Testzentrum ist eine Einrichtung der Leibniz Universität Hannover und ForWind. Das Fraunhofer IWES Nordwest ist Hauptnutzer dieser Einrichtung.

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Werfen Sie einen Blick ins Testzentrum Tragstrukturen!

Optimierung von Designs und Bauverfahrenstechniken

Die Grundbauversuchsgrube (GBVG) ist mit einer Abmessung von 14 m Länge, 9 m Breite, 10 m Tiefe die weltweit größte Versuchseinrichtung dieser Art. Hier werden realitätsnahe Belastungsversuche mit zyklischer und statischer Lasteinleitung für die Prüfung des Verhaltens von großmaßstäblichen Strukturmodellen (bis 1:5) durchgeführt. Die Widerlagerwand an der Grubenlängsseite sowie variabel anzuordnende Stahlrahmen und Aufspannwinkel ermöglichen verschiedenste Belastungsszenarios: So kann die Struktur mittels Hydraulikzylinder sowohl ein- als auch mehraxial beansprucht werden. Eine Analyse des Strukturverhaltens während des Versuchs erlaubt Rückschlüsse auf die Wechselwirkung des Baugrundes mit der Trag- bzw. Gründungsstruktur.

Darüber hinaus ermöglicht die GBVG auch die Untersuchung und Bewertung verschiedenster Installationsmethoden, wie z.B. schlagendes oder vibrierendes Rammen. Variabel einstellbare Wasserspiegel und Sandeinbauniveaus erlauben reproduzierbare realitätsnahe homogene Bodenverhältnisse während der Versuchskampagnen.

Im Zusammenspiel von Strukturmodellen, numerischen Berechnungen und großmaßstäblichen Experimenten können so neue und bestehende Gründungssysteme, Installationsmethoden und Simulationsmodelle untersucht und validiert werden.

Mögliche Testanwendungen in der GBVG:

  • Messwerte zur Entwicklung neuer, technisch sicherer und wirtschaftlicher Tragstrukturdesigns
  • Verlässliche Aussagen zur Standsicherheit und zum dynamischen Verhalten der Tragstruktur
  • Untersuchung umweltverträglicher (z.B. schalloptimierte) Bauverfahrenstechniken
  • Daten zum Baugrundverhalten bei zyklischer Beanspruchung der Tragstruktur durch Wellen, Wind und Anlagenbetrieb
  • Einfluss von Belastung und Installation auf Boden-Bauwerkinteraktion
  • Ableitung und Validierung von Modellen für die Tragstruktur und Gesamtstruktur, z.B. von numerischen Modellen

 

 

 

© Foto Jan Meier

 

Leistungsfähigkeit und auch Abmessungen der verfügbaren Offshore-Windenergieanlagen haben bisher nie dagewesen Dimensionen erreicht – Tendenz weiter steigend. Auch die Bemessungsgrundlagen bewegen sich damit im Grenzbereich dessen, was durch die technischen Regeln und Normen abgedeckt ist. Großmaßstäbliche Versuche sind ein wesentliches Element, um die Zuverlässigkeit von Komponenten zu bestätigen. Wachsende Bauteil-Dimensionen und komplexere Beanspruchungssituationen im Betrieb erfordern, dass auch Prüfumgebungen größer und anspruchsvoller werden.

Mit dem Spannfeld (L 8,5 m x B 9,5 m) und den daran biegesteif angeschlossenen Winkelwänden (L 9,5 m x B 10 m x H 8,0 m) steht im Testzentrum Tragstrukturen Hannover eine in der Größe und Variabilität einmalige Versuchsumgebung zur Verfügung. Komponenten können hier hinsichtlich ihres Trag- und Ermüdungsverhaltens untersuchtwerden. Zusätzlich zum massiven Widerlagerwinkel können geschweißte Winkelkonstruktionen bzw. Portalrahmen für die die multiaxiale Prüfung beliebiger Prüfkörper beliebig auf dem Spannfeld versetzt werden. Mit einer Auswahl von insgesamt 14 Prüfzylindern mit Maximallasten von 250 kN bis 2 MN können Belastungsszenarien realitätsnah nachgebildet werden.

Für die Dimensionierung einer Tragstruktur stehen häufig die Übergänge und Verbindungen zwischen einzelnen Konstruktionsbereichen und –elementen im Fokus der Betrachtung. Hierzu zählen beispielsweise Grout-Verbindungen, die als hybride Verbundstruktur aus Stahl und Beton einen Übergang vom Gründungspfahl zur aufgehenden Struktur herstellen. Die Verbindungen können auf dem Spannfeld großmaßstäblich unter Biegung oder axialem Zug bzw. Druck untersucht werden. Unter wechselnder Beanspruchung sind ist eine Untersuchung des Ermüdungsverhaltens sowie die Bewertung des aktuellen Schädigungsstatus möglich.

Bei der sogenannten Jacket-Gründung gehören die Knotenpunkte des Rohrfachwerks zu den ermüdungskritischen Details. Diese Knotenpunkte werden in der Regel als geschweißte Hohlprofilverbindung ausgeführt. Beispielhaft ist die Schwingprüfung eines typischen Hohlprofilknotens in der Doppel-K-Konfiguration auf dem Spannfeld des TTH dargestellt. Für den Versuch wurde die Verbindung etwa im Maßstab 1:2,5 skaliert und einem Schwingversuch unterzogen. Neben dem Strukturverhalten sollte an diesem Demonstrator auch die Widerstandsfähigkeit eines neuartigen Beschichtungssystems gegen mechanische Beanspruchung betrachtet werden.

Für Windenergieanlagen an Land wird die Nabenhöhe für die Wirtschaftlichkeit eines Standortes zu einem bestimmenden Element. Um auch an Standorten mit geringerem Windangebot Anlagen kosteneffizient zu betreiben, ist die Nabenhöhe zu steigern. Alternative Turmkonzepte sind gefragt. Bei der Dimensionierung von Stahlrohrtürmen wird für die Tragsicherheit in der Regel ein Versagen durch Schalenbeulen maßgebend. Neuartige Aussteifungskonzepte sollen dies verhindern. Um diese zu optimieren, wird das Beulverhalten von Turmsegmenten an klein- und großmaßstäblichen Probekörpern unter statischer Axial- und Biegebeanspruchung auf dem Spannfeld untersucht.

Da großmaßstäbliche Versuche nur mit begrenzter Anzahl durchgeführt werden können, ist eine umfangreiche messtechnische Begleitung der Versuche wichtig. Nur dann sind eine modellhafte Beschreibung des Versuchs beispielsweise mit Hilfe der FEM und weiterführende Untersuchungen möglich. Erfahrungen in Mess- und DMS-Applikationstechnik sind daher essentiell. Hierzu gehören Spannungs- und Dehnungsmessung sowohl über elektrische als auch optische DMS, Messung von Kräften, Momenten, Wegen, Neigungen, Beschleunigungen und Temperaturen. Das Erstellen eines Prüfprogramms sowie die anschließende Aufbereitung und Auswertung der Messsignale gehören ebenfalls zum Leistungsumfang.

 

Axial beanspruchte Tragstrukturen

Trotz aller Vorteile stoßen die bereits angesprochenen Monopiles unter bestimmten (geotechnischen oder wirtschaftlichen) Bedingungen an ihre Grenzen. In sehr hohen Wassertiefen kommen daher alternative Gründungen wie z. B. Jackets zum Einsatz. Diese können mittels Einzelpfählen oder wie bei Offshore-Plattformen üblich auch mit pfahlgruppenbasierten Systemen gegründet werden. Den genannten Strukturen gemeinsam ist, dass horizontale Lasten über einen Hebel in vertikale Lasten umgesetzt werden - der entscheidende Bemessungsparameter für die Pfähle ist also deren axiale Tragfähigkeit. Diese Zug- und Drucktragfähigkeiten sind nicht nur vom Pile selbst, d.h. dessen Geometrie und Konstruktion, abhängig, sondern auch (neben den Eigenschaften des Bodens) in hohem Maße von der Art und Weise, wie der Pfahl in den Meeresboden eingebracht wird. Die Pfähle axial beanspruchter Tragstrukturen haben üblicherweise einen deutlich geringeren Durchmesser als Monopiles; dadurch stehen neben dem Rammen noch eine Reihe weiterer Installationsverfahren zurAuswahl, beispielsweise das gleichmäßige Eindrücken mit geringer Vorschubgeschwindigkeit.

Die Untersuchung von alternativen Gründungsvarianten zum bisher gängigen schlagenden Rammen ist ein wichtiges Thema in der Offshore-Industrie. Bei der Gründungsherstellung spielen neben den reinen Materialkosten auch Faktoren wie Zeitaufwand oder Installationseinflüsse auf die Pfahltragfähigkeit eine entscheidende Rolle.

Aus diesem Grund wird auch auf dem Gebiet der Installation intensiv Forschung betrieben. Hierzu gehört beispielsweise das Pfahlvibrieren; dieses bietet eine mögliche Alternative zur gängigen schlagenden Pfahlrammung, da Schallemission und Zeitaufwand im Vergleich deutlich geringer sind. Gegenwärtig ist jedoch ist der Installationseinfluss auf die Pfahltragfähigkeit sowohl bei lateral als auch vertikal beanspruchten Pfählen nicht vollständig bekannt, weshalb einvibrierte Pfähle aktuell nachgerammt werden. Vergleiche von vibrierten und gerammten Modellpfählen hinsichtlich ihrer globalen axialen und lateralen Tragfähigkeit sollen neue Erkenntnisse hervorbringen.

Eine weitere neue Installationsmethode, die das IWES zusammen mit einem Industriepartner untersucht, ist das kontinuierliche, impact-freie Eindrücken von Pfählen. Dieses Verfahren zeigt deutlich höhere axiale Tragfähigkeiten im Vergleich zu gerammten Pfählen, und könnte daher zum Beispiel für Jackets eingesetzt werden.

Lateral beanspruchte Pfahlgründungen

 

Nach Erhebungen von WindEurope waren über 80 Prozent aller bis Ende 2016 in Europa verbauten WEA-Gründungen gerammt installierte Monopiles*. Damit stellen diese heute und auch in absehbarer Zukunft die dominierende Gründungsart in sandigem Meeresboden dar, da sie gegenüber alternativen Systemen eine Reihe von Vorteilen bieten: Die Installation ist ein gut beherrschtes und vergleichsweise kostengünstiges Verfahren, es gibt eine umfangreiche Datenbasis zu Tragfähigkeiten und Lebensdauern, und es sind wenig bis keine Vorarbeiten am Grund notwendig. Technisch herausfordernd ist jedoch der Einbau in größeren Wassertiefen: Da ein Monopile aus Stabilitätsgründen nicht beliebig schlank werden kann, werden für steigende Tiefen immer größere Rohrdurchmesser verlangt. Große Durchmesser (Ende 2016 bereits bis zu 8 m) stellen wiederum hohe Anforderungen an die Rammtechnik, und vor allem sind die gegenwärtig vorhandenen analytischen und semi-empirischen Bemessungsmodelle (z.B. das p-y-Verfahren) größtenteils nicht mehr direkt auf diese extremen Maße anwendbar.

Das Fraunhofer IWES forscht in Kooperation mit der Industrie intensiv auf dem Gebiet der Bemessung und Validierung von Monopiles. Hierzu werden Pfähle anhand von Modellgesetzmäßigkeiten auf einen Maßstab von 1:5 bis 1:13 herunterskaliert. Anschließend werden diese in den offshore-ähnlichen Baugrund installiert und statisch oder zyklisch lateral beansprucht. Während der Belastung wird das Tragverhalten mittels Sensorik am Pfahl (z.B. DMS, Inklinometer, Distanzmesser) und im Boden (z.B. Erddruck- und Porenwasserdruckgeber) erfasst. Hierüber können später die Pfahlbiegelinien und Lastverschiebungskurven rekonstruiert, analysiert und verglichen werden. Dies dient der Weiterentwicklung und Validierung von Modellansätzen, wie z.B. dem p-y-Verfahren.

 

* The European offshore wind industry / Key trends and statistics 2016, p.23. Report by WindEurope asbl/vzw, available at: https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-wind/statistics/WindEurope-Annual-Offshore-Statistics-2016.pdf

 

Die Zuverlässigkeit von Offshore-Windenergieanlagen wird im Betrieb fortwährend überwacht. Dazu werden Messdaten analysiert, Veränderungen erkannt und bewertet. Sensoren werden an ausgewählten Stellen der Tragstruktur angebracht und ihre Funktionalität sichergestellt, um ein kontinuierliches und gleichbleibendes Messergebnis zu gewährleisten.

Durch Umwelteinflüsse und unterschiedliche Betriebssituationen hervorgerufene gutartige Veränderungen müssen von Änderungen, die langfristig zu Schäden führen könnten, unterschieden und in ihrer Ausprägung bewertet und lokalisiert werden. Die Systeme, die dies leisten können, werden als Structural-Health-Monitoring (SHM)-Systeme bezeichnet. Sie sollten automatisiert arbeiten können, da die Zugänglichkeit erschwert ist. Ihre Analysemethoden müssen dabei auf die zu erwartenden Schäden abgestimmt sein und sich befähigen lassen, gutartige Veränderungen im späteren Betrieb identifizieren zu können.

Insbesondere die dauerhafte Funktionstüchtigkeit der Messtechnik und die Eindeutigkeit der Auswertemethodik bei verschiedenen Schadensbildern und Umweltbedingungen können mit Hilfe der Tragstrukturmodelle in der Grundbauversuchsgrube bewertet und optimiert werden. Die Herbeiführung einer definierten Schädigung einzelner Tragstrukturkomponenten im Spannfeld ermöglicht darüber hinaus eine objektive und zielgerichtete Validierung des Monitoring-Systems.

 

 

 

© Foto Dr. Andreas Willecke, Abteilungsleiter, Ramboll Wind+Towers - Offshore Wind

"Für Ramboll ist die stete Weiterentwicklung und Verbesserung von Bemessungsmethoden von großer Bedeutung, um die Entstehungs-kosten für erneuerbare Energien zu reduzieren. Die Großversuche am TTH, die im Rahmen des TANDEM Projektes durchgeführt werden, sind ein wichtiger Baustein zur Absicherung neuer geotechnischer Ansätze für Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen."

© Foto Dr. Elmar Wisotzki, Asset Manager Platforms - TenneT Offshore GmbH

„Zur Verifizierung von Berechnungsansätzen sind realitätsnahe Tests unumgänglich. Hierfür war TenneT auf der Suche nach optimalen Randbedingungen, die beim Fraunhofer IWES vorgefunden werden konnten. Die Ergebnisse der großmaßstäblichen Versuche haben uns Planungssicherheit für unsere Offshore-Gründungen gegeben.“

© Foto Andreas Lammers, Senior Projekt Manager Vallourec

"Die Möglichkeit großmaßstäbliche Versuche zum Tragverhalten von Gründungspfählen im Testzentrum für Tragstrukturen durchzuführen, wird uns bei der Entwicklung von PREON®marine viel Zeit und Kosten sparen. Für das Verständnis vom Tragverhalten der mit einem innovativen Installationsprozess eingebrachten Pfähle werden die geplanten Versuche unter Offshore Bedingungen samt entsprechenden Lasteneinwirkungen auch weiterhin wertvolle Informationen liefern. Die partnerschaftliche Zusammenarbeit tut Ihr übriges für den erfolgreichen Abschluss der ersten Testphase."

© Foto Dr. Herbert Friedmann, Leiter Forschung und Entwicklung Wölfel Engineering GmbH + Co. KG

„In der Grundbauversuchsgrube wurde untersucht, ob Schäden an der Grout-Verbindung des Monopiles erkannt und von gutartigen Veränderungen der Umgebung, von denen ähnliche Signale ausgehen, unterschieden werden können. Signalverarbeitungsroutinen werteten dazu Messdaten der am Turm applizierten Sensorik aus. Diese Routinen können auf Basis dieser Ergebnisse weiter-entwickelt und das System automatisiert werden.“

© Foto Prof. Peter Schaumann, Leiter Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover

„Sicherheit und Zuverlässigkeit sind Leitsätze der Tragwerksauslegung. Gerade Offshore bewegen wir uns bei der Bemessung häufig im Grenzbereich der technischen Regelwerke. Daher tragen Erkenntnisse aus realitätsnahen, großmaßstäblichen Versuchen dazu bei, Tragstrukturen sicher und effizient zu gestalten.“