Teilprojekt B4 – Sonderforschungsbereich 1463 – Leibniz Universität Hannover

Auf dem offenen Meer geht es oft stürmisch zu. Wo ein starker Wind weht, sind hohe Wellen nicht weit entfernt. Offshore Strukturen wie Windenergieanlagen müssen jedem Wetter dauerhaft trotzen. Belastungen durch Wind und Wellen werden auch als zyklische Einwirkungen bezeichnet, also Einwirkungen die wiederkehrend auftreten und so langsam ablaufen, dass Trägheitskräfte vernachlässigt werden können.

Bei einer Windenergieanlage werden die Lasten aus Eigengewicht, Wind und Wellen über den Turm in die Gründungselemente und dann in den Boden eingeleitet. Der Meeresboden besteht z.B. in der deutschen Nordsee überwiegend aus Sand unterschiedlicher Korngrößen. Der Sand weist neben den Körnern auch kleine Poren auf, die mit Wasser gefüllt sind. Der Meeresboden ist also mit Wasser vollständig gesättigt.

Obwohl eine Windenergieanlage stabil ist, schwankt diese trotzdem bei Wind und Wellen ein wenig hin und her. Diese Verformungen ergeben sich auch im umliegenden Boden. Das Sturmereignis kann deshalb einen großen Einfluss auf die gesamte Struktur haben. Es kann einerseits zu einer Akkumulation von Verformungen, also eine bleibende Schiefstellung, kommen. Andererseits können sich auch Änderungen der Spannungsverhältnisse ergeben. Zusätzlich kann sich auch eine Akkumulation von Porenwasserüberdrücken ergeben, woraus wiederum Festigkeits- bzw. Tragfähigkeitsreduktionen resultieren. Für Offshore-Strukturen gelten hinsichtlich einer bleibenden Verformung relativ enge Toleranzen, sodass während der Planung eine möglichst genaue Verformungsprognose gemacht werden sollte. Beim Gründungsentwurf muss daher ein starker Fokus auf der Erfassung der Effekte aus zyklischen Einwirkungen liegen.

Für die im Rahmen der Bemessung erforderlichen statischen und geotechnischen Nachweise existieren aber weder validierte Berechnungsverfahren noch eine einheitliche Vorgehensweise. Um das Verhalten des anstehenden Bodens unter zyklischen Lasten, also während eines Sturmereignisses, zu untersuchen, werden in der Praxis unterschiedliche Laborversuche durchgeführt (z. B. zyklische Einfachscherversuche in Abbildung 1 oder zyklische Triaxialversuche, dräniert oder undräniert, mit konstanter Last oder konstantem Volumen). Es gibt allenfalls vage Konzepte, aber keine validierten Methoden, um das im Elementversuch bestimmte Bodenverhalten auf das Verhalten des Systems, d. h. der Gründungselemente, zu übertragen. Es fehlt an Grundlagenwissen, welche zyklischen Versuche sinnvollerweise durchzuführen und wie die Ergebnisse dieser Versuche in der Bemessung zu berücksichtigen sind.

Abb. 1: Schematische Darstellung des zyklischen Einfachschergeräts

Ziel des Teilprojekts ist die Schaffung des dafür erforderlichen Grundlagenwissens, um darauf aufbauend das Tragverhalten einer zyklisch beanspruchten Gründung und dessen Veränderung über die Betriebszeit realistisch beschreiben zu können. Dies ist für die im SFB geplante Realisierung eines Digitalen Zwillings einer Megastruktur zwingend erforderlich, da anderenfalls weder das Verhalten in der Betriebsphase beschrieben noch die Effekte geänderter Betriebskonzepte untersucht werden können. Um das Verhalten des Bodens unter zyklischen Lasten zu untersuchen sowie beschreiben zu können, wurde vom IGtH ein neuer Modellstand für experimentelle Untersuchungen geplant (Abbildung 2). Die Untersuchungen werden an einem Modell eines Schwergewichtsfundaments unter dränierten sowie teildränierten Bedingungen durchgeführt. In möglichen späteren Förderperioden sollen aber auch andere Gründungsvarianten betrachtet werden.

Abb. 2: Video einer zyklisch belasteten Schwergewichtsgründung.

Gegenstand des Teilprojekts B04 sind zyklische Elementversuche, experimentelle Systemversuche sowie numerische Simulationen (Abbildung 3). Fernziel ist die Entwicklung einer generischen Methodik zur Prognose des Trag- bzw. Betriebsverhaltens intensiv zyklisch beanspruchter Gründungen unter Verwendung hoch-qualitativer zyklischer Laborversuche.