A4 – Modellbildung und Simulation von Fluid-Struktur-Boden-Interaktion für Offshore-Megastrukturen

Die zuverlässige Vorhersage der Kolkentwicklung ist ein wesentliches Element im Rahmen der Planung von Gründungsstrukturen und spielt eine wichtige Rolle für den Ausbau der Offshore-Windenergie. Unter Kolk versteht man im Allgemeinen die örtlich begrenzte Abtragung von Bodenmaterial in der Umgebung von Bauwerken, die in Fluss- und Meeresgebieten errichtet wurden. Kolkbildung kann zu erheblichen Stabilitätsproblemen und schließlich zum Versagen der Struktur führen. Obwohl in den letzten Jahrzehnten umfangreiche Forschungsarbeiten zu diesem Thema durchgeführt wurden, wurde das Auftreten, die Ursachen und die Auswirkungen von Kolk meist für schlanke Strukturen wie Monopiles mit kleinem Durchmesser untersucht. Die Kolkbildung um größere und komplexere Gründungsstrukturen wie Tripods, Jacket-Strukturen oder Monopiles mit großem Durchmesser wurde dagegen bisher weniger gründlich untersucht, obwohl der notwendige Ausbau der Offshore-Windenergie in tiefere Gewässer auf genau diese Strukturen angewiesen ist.

Als Teil des Sonderforschungsbereichs "SFB 1463 Offshore Megastrukturen" sind die Hauptziele des TP A04:

• Vorhersage der Kolkbildung für Offshore-Megastrukturen und deren Abschätzung unter verschiedenen metozeanischen Bedingungen durch Laborexperimente und numerische Methoden
• Untersuchung der Übertragbarkeit von Modellparametern und Vorhersageansätzen zwischen verschiedenen Längenskalen (von klein bis groß) und der Komplexität von Strukturen (von Monopiles bis zu Tripods oder Jacket-Typ-Gründungen)
• Modellierung zur besseren Auslegung von Kolkschutzsystemen

Ein numerisches Modell für die Kolkentwicklung wird kalibriert und validiert, indem die Experimente, die zusammen mit SP A03 durchgeführt werden sollen, mit den verfügbaren Felddaten und numerischen Simulationen aus der Literatur ergänzt werden. Es werden Experimente mit unterschiedlichen Längenskalen, unterschiedlichen Strömungsbedingungen (Wellen und Strömung) und unterschiedlicher struktureller Komplexität wie Tripod- oder Jacket-Gründungen durchgeführt.

Die Innovation des TP A04 liegt in einer systematischen Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen numerischer Modelle zur Vorhersage der Kolkinitialisierung. Insbesondere soll die Übertragbarkeit von Modellparametern untersucht werden. Darüber hinaus sollen Prognosen über die Entwicklung von Kolk aufgrund wechselnder hydrodynamischer Einflüsse über den Lebenszyklus einer Offshore-Struktur erarbeitet werden. Zum anderen liefert das TP A04 belastbare Untersuchungen von Szenarien zur Notwendigkeit, Eignung und Dauerhaftigkeit sowie Empfehlungen für die praktische Gestaltung von Kolkschutzmaßnahmen für meerestechnische Bauwerke. Es steht in enger Wechselwirkung mit den TP A03, A06 und B04 und zielt darauf ab, zuverlässige Vorhersagen für die Initialisierung und die zeitliche Entwicklung von Kolk im Nahfeld von Offshore-Megastrukturen zu erarbeiten.

[1] Welzel, Mario & Schendel, Alexander & Hildebrandt, Arndt & Schlurmann, Torsten. (2019). Scour development around a jacket structure in combined waves and current conditions compared to monopile foundations. Coastal Engineering. 152. 103515. 10.1016/j.coastaleng.2019.103515.