Diplomarbeit - - Catalogus Professorum Rostochiensiumdigibib.hs-nb.de/file/dbhsnb_derivate_0000000070/Diplomarbeit... · Abb. 55: p-y-Kurve für einen Pfahl in weichem, bindigen Boden

Diplomarbeit G r n d u n g e n v o n Wi n d k r a f t a n l a g e n

S y s t e m e u n d d e re n B e m e s s u n g

von

Frank Caselowsky

Eingereicht am 09.07.2008

Studiengang Bauingenieurwesen

Hochschule Neubrandenburg

1. Prfer: Prof. Dr.-Ing. K. Mallwitz

2. Prfer: Prof. Dr.-Ing. O. Beilke

urn:nbn:de:gbv:519-thesis2008-0116-3

i

Prfungsrechtliche Erklrung

Ich versichere, dass ich die Arbeit selbstndig verfasst, nicht anderweitig fr Prfungs-

zwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben sowie wrtliche

und sinngeme Zitate als solche gekennzeichnet habe.

Plagiarism Declaration in Accordance with Examination Rules

I herewith declare that I worked on this thesis independently. Furthermore, it was not

submitted to any other examining committee. All sources and aids used in this thesis,

including literal and analogous citations, have been identified.

Unterschrift / Signature

iii

Inhaltsverzeichnis

Seite 1 Einleitung.....................................................................................................................1

2 Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrem Standort.........................................3

3 Komponenten einer Windkraftanlage ......................................................................4 3.1 Rotor................................................................................................................. 4 3.2 Gondel .............................................................................................................. 4 3.3 Turm................................................................................................................. 5 3.4 Fundament ........................................................................................................ 5

4 Grndungsvarianten von Windkraftanlagen...........................................................6 4.1 Onshore-Windkraftanlagen................................................................................ 6

4.1.1 Schwergewichtsgrndung ........................................................................ 6 4.1.2 Pfahlgrndung (Monopile)....................................................................... 74.1.3 Pfahlgruppen ........................................................................................... 7 4.1.4 Kombinierte Pfahl- Plattengrndung........................................................ 8 4.1.5 Bohrrammsule ....................................................................................... 9

4.2 Offshore-Windkraftanlagen ............................................................................. 10 4.2.1 Monopile ............................................................................................... 11 4.2.2 Tripod.................................................................................................... 12 4.2.3 Jacket .................................................................................................... 13 4.2.4 Saugpfahl (Suction-Bucket-Grndung) .................................................. 14 4.2.5 Schwergewichtsgrndung ...................................................................... 16 4.2.6 Schwimmende Fundamente ................................................................... 17

4.2.6.1 Arcadis-Konzept ...................................................................... 18 4.2.6.2 Hywind-Konzept ...................................................................... 18 4.2.6.3 Henderson-Konzept.................................................................. 19 4.2.6.4 Sway-Konzept .......................................................................... 19 4.2.6.5 Ritec-Industries-Konzept.......................................................... 20 4.2.6.6 Kusan-Konzept......................................................................... 20

5 Einwirkungen auf eine Windkraftanlage und deren Bemessung.........................22 5.1 Eigengewicht .................................................................................................. 23 5.2 Windbelastung ................................................................................................ 23

5.2.1.1 Normalwindprofilmodell (NWP) .............................................. 29 5.2.1.2 Normalwindturbulentmodell (NTM)......................................... 30 5.2.1.3 Extremes Windgeschwindigkeitsmodell (EWM)....................... 30 5.2.1.4 Extreme Betriebsb (EOG)....................................................... 30 5.2.1.5 Extreme Windrichtungsnderung (EDC)................................... 31

INHALTSVERZEICHNIS

iv

5.2.1.6 Extreme kohrente B (ECG)................................................... 32 5.2.1.7 Extreme kohrente B mit Richtungsnderung (ECD).............. 32 5.2.1.8 Extremer Windgradient (EWS)................................................. 33

5.3 Temperatur...................................................................................................... 34 5.4 Eislast ............................................................................................................. 35 5.5 Erdbeben......................................................................................................... 37 5.6 Wellen und Strmungen .................................................................................. 38 5.7 Kolkung.......................................................................................................... 41 5.8 Verflssigung .................................................................................................. 43 5.9 Eisgang ........................................................................................................... 44 5.10 Schiffskollision ............................................................................................... 49 5.11 Gesamtdynamische Berechnung...................................................................... 51

6 Bemessungsanstze der Grndung .........................................................................55 6.1 Flachgrndung (Schwergewichtsgrndung)..................................................... 55

6.1.1 Kippen................................................................................................... 55 6.1.2 Grundbruch ........................................................................................... 56 6.1.3 Gleiten................................................................................................... 61 6.1.4 Auftrieb................................................................................................. 62 6.1.5 Setzungen.............................................................................................. 63

6.2 Pfahlgrndungen ............................................................................................. 65 6.2.1 Inneres Tragverhalten ............................................................................ 65 6.2.2 ueres Tragverhalten........................................................................... 65

6.2.2.1 Axiale Pfahlwiderstnde........................................................... 66 6.2.2.2 Horizontal belastete Pfhle ....................................................... 73 6.2.2.3 Maximale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden.............. 74 6.2.2.4 Maximale Bettungsspannung in weichem, bindigen Boden....... 78 6.2.2.5 Maximale Bettungsspannung in steifem, bindigen Boden ......... 80 6.2.2.6 Bettungsspannung in Abhngigkeit von der Horizontalen

Pfahlverformung ...................................................................... 80 6.3 Pfahlgruppen................................................................................................... 83 6.4 Saugrohrgrndung........................................................................................... 88

7 Erfahrungen mit Windkraftanlagen .......................................................................91

8 Bemessungsbeispiel...................................................................................................94

9 Schlussfolgerung und Zusammenfassung...............................................................96

Quellenverzeichnis.........................................................................................................97

v

Abbildungsverzeichnis

Seite Abb. 1: Primrenergieverbrauch 2006, davon aus erneuerbarer Energie [1] ................... 1

Abb. 2: Komponenten einer WKA [2] ........................................................................... 4

Abb. 3: Lastabtragungsprinzip [4] ................................................................................. 6

Abb. 4: Beispiel einer Schwergewichtsgrndung [5] ..................................................... 6

Abb. 5: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] ................................................................... 7

Abb. 6: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] ................................................................... 7

Abb. 7: Lastabtragungsprinzip [4] ................................................................................. 8

Abb. 8: Kombinierte Pfahl-Plattengrndung als geotechnische Verbundkonstruktion mit den das Tragverhalten prgenden Interaktionseinflssen [7] .................................. 9

Abb. 9: Schnitt durch eine Grndung im Windpark Katzenberg [8] ............................. 10

Abb. 10: Grndungsvarianten von Offshore-Windkraftanlagen [9].............................. 10

Abb. 11: Monopile-Grndung [10].............................................................................. 11

Abb. 12: Monopile-Grndung mit Abspannseilen [10] ................................................ 11

Abb. 13: bergang Grndung/Turm [11] .................................................................... 12

Abb. 14: Beispiel einer Tripod-Grndung [10] ............................................................ 13

Abb. 15: Beispiel einer Jacket- Grndung [10]............................................................ 14

Abb. 16: Installation einer Saugrohrgrndung [13]...................................................... 15

Abb. 17: Saugrohrgrndungsvarianten [12]................................................................. 15

Abb. 18: Beispiel Schwergewichtsgrndung [10] ........................................................ 16

Abb. 19: einzelne Teile eines Elementes OBS [13]..................................................... 17

Abb. 20: zusammengefgtes Gesamtsystem OBS [13] ............................................... 17

Abb. 21: Arcadis-Konzept [14] ................................................................................... 18

Abb. 22: Hywind-Konzept [15]................................................................................... 19

Abb. 23 Henderson-Konzept Variante 1 [16] ............................................................... 19

Abb. 24: Henderson-Konzept Variante 2 [16].............................................................. 19

Abb. 25: Sway-Konzept [17]....................................................................................... 20

Abb. 26: Ritec-Industries-Konzept [18]....................................................................... 20

Abb. 27: Kusan- Konzept [19] .................................................................................... 21

Abb. 28: Einwirkungen auf eine Offshore- Windkraftanlage [20] ................................ 22

Abb. 29: Schematische Darstellung der Belastung mit turbulenten Windfeld [24] ...... 24

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

vi

Abb. 30: Summenhufigkeitsverteilung der Rayleigh Verteilung fr die mittleren Windgeschwindigkeiten der WEA-Klassen [24] .................................................. 29

Abb. 31: DC -Werte von Pfahlquerschnitten mit stabilen Ablsepunkten[28].............. 40

Abb. 32: Angaben fr eine Pfahlgruppe [28] ............................................................... 41

Abb. 33: Strmungsbild und Kolke an einem zylindrischen Pfahl[34] ......................... 41

Abb. 34: Kolke an einem Monopile [35] ..................................................................... 42

Abb. 35: Kolksicherung an einem Monopile [36] ........................................................ 42

Abb. 36: Auflockerungszonen durch Bodenverflssigung bei verschiedenen Pfahllngen [20].................................................................................................. 43

Abb. 37: Schubbruch [39] ........................................................................................... 46

Abb. 38: horizontaler Spaltbruch [39] ......................................................................... 47

Abb. 39: Kollisionsmodell: Bercksichtigte Randbedingungen und Ausgaben [41] ..... 50

Abb. 40: Bewertung der Kollisionssimulation [41]...................................................... 51

Abb. 41: Anregende Krfte und Schwingungsfreiheitsgrade einer WKA [42] .............. 52

Abb. 42: Beispiel eines Campbell-Diagrammes [24] ................................................... 53

Abb. 43: Beispiel fr den Einfluss der Bodendrehfeder auf die Eigenfrequenz des Turmes [24]......................................................................................................... 53

Abb. 44: Schematische Darstellung des Vorgehens bei der gesamtdynamischen Berechnung a)und bei dem vereinfachten Verfahren b) [24]................................. 54

Abb. 45: Grundriss rechteckiges Fundament; Bezeichnungen zweiachsiger Ausmittigkeit [22] ............................................................................................... 56

Abb. 46: Faktor zur Berechnung der Pfahlmantelreibung in Abhngigkeit des Verhltnisses [2] ............................................................................................. 69

Abb. 47: Aktivierte Pfahlmantelreibung nach API [47]................................................ 72

Abb. 48: Bettungsmodulverfahren, Lngsschnitt (links), Querschnitt (rechts) [2] ........ 73

Abb. 49: Spannungsverteilung auf den Pfahl [2] ......................................................... 74

Abb. 50: Faktoren C in Abhngigkeit vom Reibungswinkel , [2] ............................... 75

Abb. 51: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]................................................................................................... 76

Abb. 52: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]................................................................................................... 77

Abb. 53: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]............................................................................................................................ 79

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

vii

Abb. 54: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]............................................................................................................................ 79

Abb. 55: p-y-Kurve fr einen Pfahl in weichem, bindigen Boden bei statischer Horizontalbelastung [47] ..................................................................................... 81

Abb. 56: Anfangsmodul der Untergrundreaktion k als Funktion des Reibungswinkels [37] ....................................................................................... 83

Abb. 57: Nomogramme zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe [51] ..................................................................................................................... 84

Abb. 58: Nomogramme zur Bercksichtigung des Einflusses der Gruppengre zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe fr 36,0/ =da [51] .......... 85

Abb. 59: Nomogramme zur Bestimmung der Verdrehung infolge Momenteneinwirkung [51] ..................................................................................................................... 85

Abb. 60: Nomogramme zur Bercksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen [51] ........................................................................................ 87

Abb. 61: Nomogramme ber den Einfluss der Gruppengre auf die Gruppenwirkung [51] ..................................................................................................................... 87

Abb. 62: Tragverhalten im Endzustand [12] ................................................................ 88

Abb. 63: Saugrohrgrndung mit Hexafix Strebenstruktur [12]..................................... 89

Abb. 64: Bemessung der Saugrohrgrndung fr das Hexafix als Schwergewichtsfundament (Saugnapf-links, oder als Pfahl rechts[12]................. 90

Abb. 65: Altersverteilung der im WMEP beobachteten WKA [52] .............................. 91

Abb. 66: technische Verfgbarkeit der WKA im WMEP [52] ...................................... 91

Abb. 67: Anteile der betroffenen Hauptkomponenten an der Gesamtzahl der Schden [52] ..................................................................................................................... 92

viii

Tabellenverzeichnis

Seite Tabelle 1: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054-4 [22] ................ 23

Tabelle 2:Einteilung in Windzonen [22] ...................................................................... 24

Tabelle 3: Gelndekategorien nach DIN 1055-4 [21]................................................... 25

Tabelle 4: Kombination von Lastfllen und Temperatur [25] ....................................... 28

Tabelle 5: Kombination von Lastfllen und Temperatur .............................................. 35

Tabelle 6: Lineare Wellentheorie. Physikalische Beziehungen[27] .............................. 39

Tabelle 7: Anstze zur Abschtzung der Kolktiefe an Pfhlen, gleichmige Strmung fr h 30m, D 6m, Uc 0,5m/s, Ucr 1,0m/s [33]................................................. 42

Tabelle 8: Eisdruckwerte fr verschiedene Querschnittformen [27] ............................. 47

Tabelle 9: Faktor fr die Berechnung der Risslnge [36] .......................................... 48

Tabelle 10: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054-4 [22])............. 57

Tabelle 11: Formbeiwerte nach DIN 4017[43]............................................................. 59

Tabelle 12: Gelndeneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [43], Gelndeneigung.......... 60

Tabelle 13: Sohlneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [43], Sohlneigungswinkel ......... 60

Tabelle 14: Streuungsfaktor zur Bercksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen [22] ........................................................ 67

Tabelle 15: Tragfhigkeitsbeiwert und Wandreibungswinkel nach API(2000) [46] ...... 70

Tabelle 16: Beispiele von Messstationen ..................................................................... 93

Tabelle 17: Zusammenstellung der erforderlichen Bodenkennwerte ............................ 94

ix

Symbolverzeichnis

A fr Kraftbertragung magebende Sohlflche

bA Pfahlfuflche

kA Auftriebskraft

sA eingebettete Pfahlmantelflche

isA , Pfahlmantelflche in der Schicht i

lokalA Flche ber die der lokale Eisdruck aufgebracht wird

PfahlA Pfahlquerschnittsflche

refA Bezugsflche fr den Kraftbeiwert

vA Zusatzlast

C Skalierungsparameter der Weibull-Funktion

321 ,, CCC Beiwerte in Abhngigkeit von,

DC Widerstandsbeiwert des Strmungsdrucks

MC Widerstandsbeiwert der Strmungsbeschleunigung

D Rotordurchmesser

E Elastizittsmodul des Pfahlmaterials

mE mittlerer Zusammendrckungsmodul fr die magebende Schicht

kE kinetische Energie

dpE , Bemessungswert des Erdwiderstandes parallel zur Sohlflche an der

Stirnseite des Fundaments

F Querschnittsflche des umstrmten Pfahles im betrachteten Bereich in

Strmungsrichtung

wF statische Ersatzlast fr die Gesamtwindkraft

G Benreaktionsfaktor

sstkG , Eigengewicht des Fundamentes

SYMBOLVERZEICHNIS

x

)( effv zI Turbulenzintensitt

J empirischer Korrekturwert aus Feldversuchen

K Erddruckbeiwert

0K Erdruhedruckbeiwert

aK aktiver Erdruckbeiwert nach Rankine

RiL Risslnge des Eises

M generalisierte Masse

N Anzahl der Pfhle

dN Bemessungswert der Beanspruchung senkrecht zur Fundamentsohle

qN Tragfhigkeitsbeiwert

0P Eislast

)( nnP Wellenlast eines Einzelpfahls n unter Bercksichtigung des Phasenwin-

kels txk n =

Q mobilisierter Pfahlfuwiderstand

0Q quasi- statischer Anteil (Bengrundanteil) der Benreaktion

kQ ungnstig wirkende Kraft

pQ maximaler Pfahlfuwiderstand

R Rotorradius

min,1mR kleinster Einzelwert der Pfahlprobebelastung

kbR , charakteristischer Pfahlfuwiderstand

kR charakteristischer Pfahlwiderstand

dnR , Bemessungswert des Grundbruchwiderstandes

ksR , charakteristischer Pfahlmantelwiderstand

dtR , Bemessungswert des Gleitwiderstandes

SYMBOLVERZEICHNIS

xi

xR Resonanzanteil der Antwort infolge der Benreaktion

S Kolktiefe

T Dauer der extremen Windrichtungsnderung

dT Bemessungswert der Beanspruchung parallel zur Fundamentsohlflche

cU mittlere Strmungsgeschwindigkeit

crU kritische Strmungsgeschwindigkeit

)( zV Windgeschwindigkeit in der Hhe z

aveV Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in Nabenhhe

cgV Extremwert der Windgeschwindigkeitsamplitude des kohrenten Ben-

verlaufs ber die gesamte vom Rotor berstrichene Flche

gustNV Maximalwert der Windgeschwindigkeit der extremen Betriebsb, mit

einem zu erwartenden Wiederkehrzeitraum von N Jahren

hubV 10-mim-Mittelwert der Windgeschwindigkeit in Nabenhhe

inV Einschaltgeschwindigkeit

outV Abschaltgeschwindigkeit

refV Bezugsgeschwindigkeit

X Tiefe unter Bodenoberflche

RX bertragungstiefe

,a rechnerische Fundamentlnge

b Breite des Fundamentes

,b rechnerische Fundamentbreite

c Kontaktbeiwert

c Kohsion des Bodens

fc aerodynamischer Kraftbeiwert

SYMBOLVERZEICHNIS

xii

,kc charakteristischer Wert der Kohsion des Bodens in der Bruchflche

durch den Boden

maxc maximale Blatttiefe

minc linear aus der Blattkontur extrapolierte Blatttiefe an der Blattspitze

)(zcu undrnierte Scherfestigkeit des Bodens in der Tiefe z

uc undrnierte Scherfestigkeit am Pfahlfu

uc ber die Einbindelnge gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit

kuc , charakteristischer Wert der Scherfestigkeit des undrnierten Bodens

d Breite des Bauwerkes

d Grndungstiefe

f Setzungsbeiwert

1,0f erste Eigenfrequenz des Turmes

Eisf Frequenz der Eisbelastung

nf Eigenfrequenz der Konstruktion

Rf max. Drehfrequenz des Rotors im Betrieb

mRf , Durchgangsfrequenz der m Rotorbltter

g Spitzenfaktor

g Erdbeschleunigung

h Dicke des Eises

ch charakteristische Dicke des Eises

bi fr den Einfluss der Breite

di fr den Einfluss der Tiefe

ci fr den Einfluss der Kohsion

k Formparameter der Weibull-Funktion

k )/3,0exp(3,000675,0 1RR+

SYMBOLVERZEICHNIS

xiii

k Kontaktbeiwert

sk Anfangswert des Bettungsmoduls

m Formbeiwert

Schiffm Masse des Schiffes

Wasserm Masse des umgebenen Wassers

p Luftdichte

Dp Strmungsdruckkraft infolge des Strmungswiderstandes je Lngenein-

heit des Pfahles

Mp Trgheitskraft infolge der instationren Wellenbewegung je Lngenein-

heit des Pfahles

)(zpu maximale Bettungsspannung

up Maximalwert der Bettungsspannung bei statischer Belastung in der

Tiefe z

bq Pfahlspitzenwiderstand

kbq , charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstandes

)( em zq mittlerer Geschwindigkeitsdruck in Hhe ez ber Gelnde

sq ber die Einbindelnge gemittelte Pfahlmantelreibung

iksq ,, charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i

max,sq Maximalwert der Pfahlmantelreibung sq

s Gesamtsetzung der Eck-oder Randpunkte

ms Setzungsanteil infolge mittiger Belastung

xs Setzungsanteil aus dem Moment xy eVM =

ys Setzungsanteil aus dem Moment yx eVM =

u horizontale Komponente der Geschwindigkeit der Wasserteilchen am

betrachteten Pfahlort

SYMBOLVERZEICHNIS

xiv

Eisv Geschwindigkeit des Eises

mv mittlere Windgeschwindigkeit

nx Abstand des Pfahls n von der y-z Ebene

y horizontale Pfahlverschiebung in der Tiefe z

z Axialverschiebung

z Hhe ber Gelndeoberflche

z zur Aktivierung von max,sq erforderliche Verschiebung zwischen Pfahl und

Baugrund

ez effektive Hhe

hubz Nabenhhe ber Grund

1 Turbulenzlngenparameter

Hhenexponent

Ausbreitungswinkel des rumlichen passiven Erdkeils

Beiwert

wirksame Wichte

1 Wichte des Bodens oberhalb der Grndungssohle

2 Wichte des Bodens unterhalb der Grndungssohle

dstG , Teilsicherheitsbeiwert

sstG , Teilsicherheitsbeiwert

dstQ , Teilsicherheitsbeiwert

w Wichte des Wassers

log. Dmpfungsdekrement

Wandreibungswinkel

kS , charakteristischer Wert des Sohlreibungswinkels

:c Dehnung bei der Hlfte der maximalen Spannung in einem undrnierten

SYMBOLVERZEICHNIS

xv

M Faktor fr die Hhe der Momenteneinwirkung

maxmin/1year extreme Temperatur mit 1 Jahr Wiederkehrperiode

eN extreme Windrichtungsnderung mit einem Wiederkehrzeitraum von N

Jahren

yearmean , mittlere Temperatur am Standort

operationmax,min/ extreme Temperatur fr den Betrieb der Anlage

Beiwert

b fr den Einfluss der Breite

d fr den Einfluss der Tiefe

c fr den Einfluss der Kohsion

E Massenbelegung auf der Vorderkante des Rotorblattes bei halbem Radius




Streuungsfaktor




E Dichte des Eises 700 kg/m

tu

horizontale Komponente der Beschleunigung der Wasserteilchen am

betrachteten Pfahlort

a Gleitflche fr aktiven Erddruck

1 Standardabweichung

0 mittlerer Sohldruck unter dem Fundament

SYMBOLVERZEICHNIS

xvi

c,0 charakteristische Druckfestigkeit des Eises

lokalc ,,0 charakteristische lokale Eisdruckfestigkeit

c Druckfestigkeit der Eisdecke

,c Vorbelastung des Bodens

f Biegefestigkeit des Eises

,v wirksame Vertikalspannung

v ber die Einbindelnge gemittelte, wirksame Vertikalspannung

)(, zv wirksame Vertikalspannung in der Tiefe z

,z vorhandene wirksame Vertikalspannung

,k charakteristischer Wert des Reibungswinkels des Bodens in der Bruchfl-

che durch den Boden

xvii

Anlageverzeichnis

Anlage 1 Baugrunddaten, Geotechnische Bemessung einer Grndung

Anlage 2 Geotechnische Bemessung einer Grndung

1

1 Einleitung

Seit einigen Jahren setzt die Bundesregierung zur Energiegewinnung immer mehr auf

erneuerbare Energien und dieser Trend wird in Zukunft weiter anhalten. Grnde sind

zum einen der Klimaschutz, mit Reduzierung der CO2- Emissionen und zum anderen

werden in naher Zukunft die fossilen Brennstoffe zur Neige gehen und stehen dann der

Energiegewinnung nicht mehr zur Verfgung. Zustzlich wird der Energiebedarf durch

das Bevlkerungswachstum weltweit weiter stark ansteigen. Energiegewinnung durch

nukleare Brennstoffe hat den Nachteil, dass es momentan noch keine bekannte Techno-

logie gibt, um sie in kologisch unbedenklicher Form umzuwandeln. Es besteht immer

ein hohes Betriebsrisiko von Kernkraftwerken und Atommllendlagern durch Freiset-

zung von radioaktiver Strahlung (z.B. Tschernobyl). Als Alternative mssen deshalb die

erneuerbaren Energien noch weiter und besser genutzt werden. 2006 hatten die erneuer-

baren Energien in der Bundesrepublik Deutschland einen Anteil von 5,9% des Primr-

energieverbrauches (Abb.1). Bis 2020 will die Bundesregierung diesen Anteil auf 14%

erhhen.

Abb. 1: Primrenergieverbrauch 2006,davon aus erneuerbarer Energie [1]

Ein wichtiger Faktor bei der Energiegewinnung ist dabei die Windenergie. Es werden

immer leistungsfhigere Windkraftanlagen hergestellt. Die Standorte sind im Binnen-

land allerdings begrenzt. Nicht berall sind die Windverhltnisse so, dass sich die

Energiegewinnung durch Windkraftanlagen wirtschaftlich rentiert, zudem grenzen

gesetzliche Regelungen die Standorte ein (z.B. Naturschutz, sthetische Beeintrchti-

EINLEITUNG

2

gung des Landschaftsbildes, Gerusche, Schattenwurf usw.). Neue Standorte wurden

deshalb auf dem Wasser errichtet. Die so genannten Offshore-Windkraftanlagen finden

immer grere Bedeutung fr die Energiegewinnung und somit auch fr den Klima-

schutz.

3

2 Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrem

Standort

Windkraftanlagen knnen sich von ihrem Standort unterscheiden. Auf dem Land wird

schon seit langer Zeit der Wind zur Energiegewinnung genutzt. Seit einigen Jahren

werden auch die Meere dafr mit einbezogen. Durch die Unterschiede der Umweltbe-

dingungen der Standorte werden die Windkraftanlagen in drei Kategorien eingeteilt.

Onshore-WKA: sind Windkraftanlagen auf dem Binnenland

Offshore-WKA: sind Windkraftwerke die auf oder im Wasser errichtet wer-

den (Kstenfern)

Nearshore-WKA: zhlen zu den Offshore- WKA (Kstennah)

Windkraftanlagen

(WKA)

Onshore-WKA Nearshore-WKA Offshore-WKA

4

3 Komponenten einer Windkraftanlage

Windkraftanlagen bestehen aus vier Hauptkomponenten die in Abb.2 schematisch

dargestellt sind.

Abb. 2: Komponenten einer WKA [2]

3.1 Rotor

Der Rotor besteht aus den Rotorblttern und der Rotornabe. Es kommen heute fast

ausschlielich 3 Rotorbltter, die rechtsdrehend sind, zum Einsatz. Die Rotorbltter

fangen den Wind und leiten aus dessen Bewegungsenergie die Leistung auf die Rotor-

nabe weiter. Die Rotorbltter bestehen in der Regel aus glasfaserverstrktem Polyester

[3].

3.2 Gondel

In der Gondel wird die gesamte Technik einer Windkraftanlage untergebracht, wie

Antriebswelle, Hauptlager, Getriebe, Generator, Windrichtungsnachfhrung, Steue-

rungs- und Sicherheitssysteme. Um sich dem stndigen Richtungswechsel des Windes

anzupassen, ist die Gondel in der Regel drehbar [3].

KOMPONENTEN EINER WINDKRAFTANLAGE

5

3.3 Turm

Windkraftanlagen bestehen in der Regel aus Stahltrmen, die aus mehreren zylindri-

schen Segmenten bestehen oder die als Fachwerkkonstruktion (Gittermast) ausgefhrt

werden. Durch die hohen Stahlpreise kommen immer fter Betontrme zum Einsatz, die

in Kletter-Bauweise hergestellt werden. Die Aufgabe des Turmes ist es, smtliche

Reaktionskrfte der Maschine und der Einwirkungen aufzunehmen und weiterzuleiten

[3].

3.4 Fundament

Das Fundament trgt das gesamte Gewicht der Windkraftanlage und muss zustzlich

Lasten aufnehmen (z.B. Windlast). Die Aufgabe des Fundamentes ist es, diese Lasten in

den Boden abzuleiten. Je nach Grndungsart werden sie blicherweise aus Stahlbeton

oder Stahl hergestellt [3].

6

4 Grndungsvarianten von Windkraftanlagen

4.1 Onshore-Windkraftanlagen

Windkraftanlagen auf dem Binnenland werden in der Regel als Schwergewichtsgrn-

dung oder Pfahlgrndung ausgefhrt. Bei ungnstigen Bodenverhltnissen kann auch

eine Kombination von beiden zum Einsatz kommen.

4.1.1 Schwergewichtsgrndung

Bei Schwergewichtsgrndungen werden die Lasten ber Normalspannungen und

Schubspannungen in der Sohlflche in den Baugrund abgeleitet (Abb.3). Da der lastab-

tragende Bereich dem ein- bis zweifachen Fundamentdurchmesser entspricht, erfordert

dies oberflchennah einen ausreichend tragfhigen Baugrund.

Abb. 3: Lastabtragungsprinzip [4]

Abb. 4: Beispiel einer Schwergewichtsgrndung [5]

GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN

7

4.1.2 Pfahlgrndung (Monopile)

Der Lastabtrag bei der Pfahlgrndung erfolgt vertikal ber die Mantelreibung und den

Spitzendruck, die horizontale Lastabtragung ber die seitliche Bettung.

Abb. 5: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] Abb. 6: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6]

4.1.3 Pfahlgruppen

Bei Pfahlgruppen wird eine Lastverteilung auf die einzelnen Grndungselemente

erreicht und damit eine Reduzierung der Lasten auf ein Grndungselement. Das Trag-

verhalten wird im Wesentlichen durch die Druck- Zug Wechselbelastung charakterisiert.

Ein Grund dafr ist die Windbelastung, die aus verschiedenen Richtungen einwirken

kann. Die Wechselwirkung zwischen Druck und Zug beeintrchtigt die Steifigkeit des

Bodens und damit auch die Tragfhigkeit des Bodens. Die Lastabtragung in den Bau-

grund erfolgt bei Druckpfhlen ber die Mantelreibung und den Spitzendruck, bei

Zugpfhlen nur ber die Mantelreibung. Die Horizontallasten werden entweder durch

Schrgstellung der Pfhle oder ber die seitliche Bettung in den Baugrund abgeleitet

(Abb.7).


8

Abb. 7: Lastabtragungsprinzip [4]

4.1.4 Kombinierte Pfahl- Plattengrndung

Die Kombinierte Pfahl- Plattengrndung (KPP) ist eine geotechnische Verbundkon-

struktion, die unter Inanspruchnahme von Interaktionseinflssen die gemeinsame

Tragwirkung der Grndungselemente Fundamentplatte und Pfhle bei der Einleitung

von Bauwerkslasten erfasst. Die Einwirkungen werden bei Pfhlen durch die Mantelrei-

bung und Spitzendruck sowie ber die Sohlflche der Fundamentplatte in den Baugrund

abgeleitet. Durch den zustzlichen Lastabtrag ber die Pfhle wird die Gebrauchstaug-

lichkeit bzw. Tragfhigkeit der Flachgrndung erhht. Zu den Interaktionseinflssen

zhlen die [7]:

Pfahl- Boden- Interaktion

Pfahl- Pfahl- Interaktion

Platten- Boden- Interaktion

Pfahl-Platten- Interaktion


9

Abb. 8: Kombinierte Pfahl Plattengrndung als geotechnische Verbundkonstruktionmit den das Tragverhalten prgenden Interaktionseinflssen [7]

4.1.5 Bohrrammsule

Sind die Bodenverhltnisse so ungnstig, dass Pfhle unwirtschaftlich sind und bei

Flachgrndungen mit greren Setzungen zu rechnen ist, knnen Baugrundverbesse-

rungen vorgenommen werden. Bohr-Rammsulen stellen dafr eine Alternative da.

Dabei werden Schottersulen mit hoher Dichte im Boden hergestellt. Durch die Erh-

hung der Tragfhigkeit des Bodens knnen dann Flachgrndungen realisiert werden. Im

Windpark Katzenberg (bei Erfurt) wurde diese Variante der Baugrundverbesserung

durchgefhrt (Abb.9) [8].


10

Abb. 9: Schnitt durch eine Grndung im Windpark Katzenberg [8]

4.2 Offshore-Windkraftanlagen

Die Grndungen von Offshore-Windkraftanlagen sind im Gegensatz zu Onshore-

Windkraftanlagen zustzlichen Einwirkungen wie z.B. Wellenbelastung, Kolkung,

Eisgang ausgesetzt. Die Wassertiefe spielt bei der Wahl der Grndungsvariante eine

wichtige Rolle.

Abb. 10: Grndungsvarianten von Offshore Windkraftanlagen [9]


11

4.2.1 Monopile

Die Grndungsstruktur besteht aus einem Grorohrpfahl (Abb.11). Der Lastabtrag

erfolgt vertikal ber die Mantelreibung und den Spitzendruck, die horizontale Lastab-

tragung ber die seitliche Bettung. Um Schiefstellungen zu verhindern knnen Monopi-

lestrukturen durch Seile abgespannt werden (Abb.12). Die Seile knnen allerdings ein

Hindernis fr die Schifffahrt sein und die Zugnglichkeit zur Anlage erschweren (z.B.

fr Wartungsarbeiten). In Gebieten mit Eislasten sind Seile nicht zu empfehlen [10].

Abb. 11: Monopile Grndung [10] Abb. 12: Monopile Grndung mit Abspannseilen [10]

Vorteile:

einfache und schnelle Installation

keine groe Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich

Kolksicherung einfach ausfhrbar

Nachteile:

- schweres Rammgert erforderlich

- Pfahldurchmesser sind ausfhrungstechnisch begrenzt

- nicht geeignet bei Steinhindernissen

- Einsatz begrenzt bis Wassertiefe 20m


12

Die Schnittstelle zwischen Turm und Grndung wird ber eine spezielle Verbindung

realisiert, bei dem zwei ineinander gestellte Rohrstcke mit hochfestem Mrtel ver-

presst werden (Abb.13). Schiefstellungen des gerammten Pfahlteils knnen dabei

ausgeglichen werden.

Abb. 13: bergang Grndung/Turm [11]

4.2.2 Tripod

Der Turmschaft ist durch eine dreibeinige Abstrebung und horizontal liegenden Ausstei-

fungen gesttzt (Abb.14). Die Verbindung mit dem Baugrund erfolgt mit Pfhlen, die in

Hlsen am Ende der Tripodbeine gefhrt und durch Verpressen kraftschlssig mit

diesen verbunden werden [10].


13

Abb. 14: Beispiel einer Tripod Grndung [10]

Vorteile:

Pfahldurchmesser liegen im bisherigen Erfahrungsbereich

keine groe Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich

in greren Wassertiefen einsetzbar (bis 80m)


Nachteile:

nicht geeignet fr Steinhindernisse

hherer Stahlverbrauch

4.2.3 Jacket

Die Grndungsstruktur besteht aus einem aus Stahlrohren gebildeten rumlichen Fach-

werk, an dessen unteren Eckpunkten Hlsen angeordnet sind, durch die die Pfhle

gerammt werden (Abb.15). Jacket-Gndungen werden bereits seit vielen Jahren fr

Offshore-Plattformen eingesetzt [10].


14

Abb. 15: Beispiel einer Jacket Grndung [10]

Vorteile:

Erfahrungen durch Offshore-Plattformen vorhanden

in groen Wassertiefen einsetzbar


Nachteile:

nicht geeignet fr Steinhindernisse

hoher Stahlverbrauch

4.2.4 Saugpfahl (Suction-Bucket-Grndung)

Das Fundament besteht aus einem nach unten geffneten Stahlzylinder. Dieser Stahlzy-

linder wird auf dem Meeresboden abgesetzt und leergepumpt. Durch das Leerpumpen

wird ein Unterdruck im Fundament erzeugt, wobei sich das Fundament in den Meeres-

boden eindrckt. Das Bodenmaterial im Inneren dient als Verankerung und sttzt das

Fundament (Abb.16) [12].


15

Abb. 16: Installation einer Saugrohrgrndung [13]

Saugrohr-Grndungen knnen in zwei Varianten ausgefhrt werden:

einzelne Saugrohrgrndung (Monopod) (Abb.17)

aufgelste Struktur, die auf mehrere Saugrohren gegrndet wird (Abb.17)

Abb. 17: Saugrohrgrndungsvarianten [12]


16

Vorteile:

schnelle und einfache Ausfhrbarkeit

keine schwere Rammung erforderlich

leichter Rckbau (durch Einpumpen von Luft hebt sich das Fundament wie-

der)

Nachteile:

eignet sich nur fr homogene Bden

4.2.5 Schwergewichtsgrndung

Ein Schwimmkasten aus Stahl oder Beton wird vor Ort durch Ballastierung auf den

Meeresboden abgesenkt, der dafr vorbereitet werden muss (Abb.18). Fr den Kolk-

schutz werden an den ueren Fundamentrndern Spundwandschrzen angebracht, die

beim Absenken in den Meeresboden eindringen. Auf Schrzen darf verzichtet werden,

wenn unter der Sohlplatte nur Druckspannungen auftreten. Die Fuge zwischen Meeres-

boden und Sohlplatte wird verpresst [10].

Abb. 18: Beispiel Schwergewichtsgrndung [10]

Vorteile:

tiefer liegende Hindernisse sind unproblematisch


17

geringer maschineller Aufwand notwendig (z.B. keine Rammgerte not-

wendig)

Nachteile:

nur in geringen Wassertiefen einsetzbar

Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich

aufwendige Unterpressarbeiten erforderlich

hoher Materialbedarf

Eine neue Variante der Schwergewichtsgrndung ist das Ozean-Brick-System (OBS).

Morphologisch ergibt sich das OBS-System aus der dichtesten Lagerung von Kugeln,

wenn der zwischen den Kugeln verbleibende Raum ausgefllt wird. Jedes Element des

Ozean-Brick-System besteht aus vier gleichen Teilen, die aus Beton hergestellt und zu

einem symmetrischen Ganzen zusammengefgt werden (Abb.19). Die Elemente knnen

dann durch Verbindungselemente beliebig kombiniert und zusammengefgt werden

(Abb.20) [13].

Abb. 19: einzelne Teile eines Elementes OBS [13]

Abb. 20: zusammengefgtes Gesamtsystem OBS [13]

Durch die Hohlrume kann eine Materialeinsparung von bis zu 95% erreicht werden

und die Grndung ist weniger anfllig gegen Kolkung [13].

4.2.6 Schwimmende Fundamente

Ab einer Tiefe von >25m werden vorherige Grndungsvarianten aufgrund hoher Mate-

rial- und Einbaukosten, zunehmend unwirtschaftlicher. Eine WKA mit schwimmendem


18

Fundament knnte die Windenergie an besonders windreichen Standorten in bisher

nicht nutzbaren tieferen Gewssern nutzen, deshalb wurden dafr in den vergangenen

Jahren verschiedene Konzepte entwickelt.

Vorteile:

keine schwere Rammung notwendig

einfacher Standortwechsel mglich

Bodenbeschaffenheit spielt kaum eine Rolle

Anlagen knnen komplett im Hafen vormontiert werden

zur Reparatur und Wartung in den Hafen zurckschleppbar

Nachteile:

keine Erfahrungswerte vorhanden

lange Versorgungsleitung notwendig (Seekabel)

4.2.6.1 Arcadis-Konzept

Die WKA wird nach dem Prinzip des Halbtauchers mit Schwergewichts- Fundamente

am Meeresboden verankert. Die Schwergewichtsfundamente sind mit Stahlseile an die

WKA verbunden und werden am Standort kontrolliert abgesenkt. Eine Pilotanlage

wurde in der Lbecker Bucht errichtet [14].

Abb. 21: Arcadis Konzept [14]

4.2.6.2 Hywind-Konzept

Ein massiver zylinderfrmiger Schwimmkrper wird unter Wasser durch drei Stahlseile

gehalten und mit Betonblcken auf dem Meeresboden verankert, die kontrolliert abge-

senkt werden. 2008 soll vor der Kste Karmoy ein Pilotprojekt in Betrieb gehen [15].


19

Abb. 22: Hywind Konzept [15]

4.2.6.3 Henderson-Konzept

Bojenfrmige Auftriebskrper dienen als Fundament und werden im Meeresboden

verankert. Hierbei sind verschiedene Varianten mglich, wonach das Verankerungssys-

tem gewhlt wird (punktfrmig, kompakt). Entweder richtet sich das gesamte System

nach den Windverhltnissen selbststndig aus (Abb.23) oder nur die Gondeln ndern

ihre Position und passen sich den Windverhltnissen an (Abb.24). Einzelanlagen sind

auch mglich [16].

Abb. 23 Henderson Konzept Variante 1 [16] Abb. 24: Henderson Konzept Variante 2 [16]

4.2.6.4 Sway-Konzept

Der Schwimmkrper, in Form einer verlngerten Stange, wird nach dem TLP-Prinzip

im Meeresboden fest verankert. Die Stange kann sich hin- und her bewegen, wie ein

Teleskop [17].


20

Abb. 25: Sway Konzept [17]

4.2.6.5 Ritec-Industries-Konzept

Plattform ist nach dem Halbtaucher-Prinzip konzipiert. An der tiefsten Stelle der Platt-

form befindet sich ein Ausgleichsgewicht, welches der gesamten Anlage einen tieferen

Schwerpunkt verleiht. Die Plattform verhlt sich dadurch bei hohen Wellen und starkem

Wind wie ein Stehaufmnnchen [18].

Abb. 26: Ritec Industries Konzept [18]

4.2.6.6 Kusan-Konzept

Beim Kusan-Konzept ist die Windkraftanlage halbschwimmend ausgefhrt. Lediglich

ein Fundament wird fr 6 Windturbinen bentigt (Abb.27). Der halbschwimmende

Windpark dreht sich um eine fest im Meeresboden montierte Halterung. Das Konzept

kann in Wassertiefen von 10-60m eingesetzt werden [19].


21

Abb. 27: Kusan Konzept [19]

22

5 Einwirkungen auf eine Windkraftanlage und

deren Bemessung

Die Einwirkungen auf eine Windkraftanlage (WKA) sind komplexer Natur. Neben den

stndigen Einwirkungen aus Eigengewicht der Anlage sind besonders die dynamischen

und zyklischen Einwirkungen von Bedeutung (Abb.28). Die WKA muss in der Lage

sein, die whrend der Betriebsdauer einwirkenden Windlasten sowie die Betriebslasten

aufzunehmen, ohne ihre Gebrauchstauglichkeit zu verlieren. Bei Offshore-

Windkraftanlagen mssen zustzlich Wellenlasten aufgenommen werden. Auerdem

muss die WKA Extremereignissen standhalten (z.B. 50 Jahresbe, 50 Jahreswelle), wie

sie in der Lebensdauer nur einmal zu erwarten sind.

Abb. 28: Einwirkungen auf eine Offshore Windkraftanlage [20]

Windkraftanlagen sind fr eine Einsatzzeit von 20 Jahren ausgelegt. In dieser Zeit ist

die WKA hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, mit Lastwechselzahlen von

ber 910 . Die hohen Lastwechselzahlen knnen bei unzureichender Dimensionierung zu

Ermdungserscheinungen der WKA oder deren Grndung fhren [5].

EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG

23

5.1 Eigengewicht

Das Eigengewicht der WKA (Gondel, Rotor, Turm usw.) wird entweder vom Hersteller

angegeben, oder ist mit den Rechenwerten nach DIN 1055-1 zu ermitteln. Die charakte-

ristischen Werte werden je nach Einwirkung und Lastfall mit einen Teilsicherheitsbei-

wert G nach DIN 1054-4 [22] multipliziert. Die Teilsicherheitsbeiwerte knnen der

Tabelle 1 entnommen werden [23].

Tabelle 1: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054 4 [22]

Das Eigengewicht ergibt sich damit:

GkGdG EE = ,, Gl.5-1

5.2 Windbelastung

Durch Wind bzw. Windgeschwindigkeiten werden WKA zustzlichen Einwirkungen

ausgesetzt. Die Windgeschwindigkeit nimmt dabei, durch die erhhte Rauhigkeit in der

Nhe der Erdoberflche, mit zunehmender Hhe zu.

=

refref z

zzvzv )()( Gl.5-2

Die Bundesrepublik Deutschland wird nach DIN 1055-4 [21] in vier Windzonen unter-

teilt (Tab. 2).


24

Windzone 1 2 3 4

refv [m/s] 22,5 25,0 27,5 30,0

refq [KN/m] 0,32 0,39 0,47 0,56

Tabelle 2:Einteilung in Windzonen [22]

Die Windgeschwindigkeit refv ist dabei der 10- min- Mittelwert der Windgeschwindig-

keit in 10m Hhe ber Gelndeoberflche mit einer berschreitungswahrscheinlichkeit

von 0,02 pro Jahr. Die mittlere Windgeschwindigkeit wird fr kurze Zeitabschnitte als

konstant angenommen. Durch Ben oder Turbulenzen wird die mittlere Windgeschwin-

digkeit berlagert (Abb.29). Als Turbulenz bezeichnet man die zufllige Schwankung

der Windgeschwindigkeit vom Mittelwert. Die Turbulenz lsst sich dabei als Standard-

abweichung der Windgeschwindigkeit beschreiben.

Abb. 29: Schematische Darstellung der Belastung mit turbulenten Windfeld [24]

Der Hhenexponent aus Gl.5-2 ist von der Beschaffenheit der Umgebung des Standor-

tes abhngig. Zur Bestimmung des Hhenexponenten werden die Standorte Gelnde-kategorien zugeordnet (Tab.3) [22].


25

GK Beschreibung

I Offene See; Seen mit mindestens 5km freier Flche in Windrichtung;

glattes, flaches Land ohne Hindernisse

II Gelnde mit Hecken, einzelnen Gehften, Husern oder Bumen, z.B.

landwirtschaftliches Gebiet

III Vorstdte, Industrie- oder Gewerbegebiete; Wlder

IV Stadtgebiete, bei denen mindestens 15% der Flche mit Gebuden bebaut

sind, deren mittlere Hhe 15m berschreitet

Tabelle 3: Gelndekategorien nach DIN 1055 4 [21]

Die statische Ersatzlast fr die Gesamtwindkraft wF kann nach DIN 1055-4[21] mit der

Gl.5-3 ermittelt werden.

refemfw AzqcGF = )( Gl.5-3

G Benreaktionsfaktor

fc aerodynamischer Kraftbeiwert

)( em zq mittlerer Geschwindigkeitsdruck in Hhe ez ber Gelnde

ez effektive Hhe

refA Bezugsflche fr den Kraftbeiwert

Zur genaueren Berechnung der statischen Ersatzlast werden in der Regel die WKA in

Teilabschnitte unterteilt, so dass sich dann die statische Ersatzlast nach Gl.5-4 errechnet.

jjmfjwj AzqcGF = )( Gl.5-4

jz mittlere Hhe des Abschnittes j ber Gelnde

fjc aerodynamischer Kraftbeiwert fr den Abschnitt j

jA Bezugsflche des Abschnittes j


26

Der mittlere Geschwindigkeitsdruck ergibt sich aus der mittleren Windgeschwindig-

keit mv zu:

2

21

mm vpq =Gl.5-5

mv mittlere Windgeschwindigkeit

p Luftdichte

Infolge der Turbulenz des Windes tritt bei schwingungsanflligen Konstruktionen wie

der WKA eine Beanspruchungserhhung gegenber der Berechnung mit der statischen

Windlast auf. Der BenreaktionsfaktorG bercksichtigt diese Beanspruchungserhhung

und wird nach Gl.5-6 bestimmt. Darin sind sowohl die Turbulenz des Windes berck-

sichtigt als auch die dynamische Bauwerksreaktionen, die in Form von Schwingungen

in Windrichtung auftreten [24].

220)(21 xeffv RQzIgG ++= Gl.5-6

g Spitzenfaktor

)( effv zI Turbulenzintensitt

0Q quasi- statischer Anteil (Bengrundanteil) der Benreaktion

xR Resonanzanteil der Antwort infolge der Benreaktion

Neben den Schwingungen in Windrichtung sind die wirbelerregenden Querschwingun-

gen zu beachten. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten erfolgt die Umstrmung eines

Turmes laminar. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit bilden sich Wirbel aus, die

sich ab einer bestimmten Geschwindigkeit ablsen und so eine Anregung des Turms

quer zur Windrichtung zur Folge haben. Die Wirbelablsefrequenz steht in Zusammen-

hang mit der Windgeschwindigkeit und dem Durchmesser und kann ber die Strouhal-

Zahl St bestimmt werden [24].

DvStf =

Gl.5-7


27

Die Strouhal- Zahl kann der DIN 1055-4 [21] entnommen werden. Fr Stahlrohrtrme

entspricht die Strouhal- Zahl 18,0=St . Wenn die Wirbelablsefrequenz mit einer

Eigenfrequenz des Systems zusammentrifft, kommt es zu Resonanzerscheinungen, die

zum Versagen fhren knnen. Um dies zu verhindern, muss eine maximale Windge-

schwindigkeit definiert werden. Die so genannte kritische Windgeschwindig-

keit critv wird durch Gleichsetzen der Ablsefrequenz und der Eigenfrequenz ermittelt

[24].

StfDvcrit 0

=

Gl.5-8

Die sich ergebenden Schwingungsamplituden bei kritischer Windgeschwindigkeit

werden durch die im System vorhandene Strukturdmpfung sowie Massendmpfung,

die sich nach der Scruton- Zahl berechnet, bestimmt [24].

2

2DMSc=

Gl.5-9

M generalisierte Masse

log. Dmpfungsdekrement

Luftdichte

Die wirbelerregten Querschwingungen sind besonders whrend der Montage bedeut-

sam, da hier durch die nichtvorhandene Kopfmasse der Gondel nur eine relativ geringe

Massendmpfung vorhanden ist. Die Schwingungsamplituden vergrern sich dadurch

und damit auch die Massenkrfte bei hoher Schwingungsspielzahl. Die Folge knnte

Ermdungsversagen sein. Ein Nachweisverfahren ist in der DIN 1055-4 (Anhang D)

[21] angegeben [24].

WKA sind blicherweise typenzertifiziert und knnen dadurch in Typenklassen einge-

teilt werden, die von der Windgeschwindigkeit abhngig sind. Die Einteilung kann der

IEC 61400-1 [25] entnommen werden. Im Gegensatz zu den Windzonen der DIN 1055-

4 [21] bezieht sich die Windgeschwindigkeit refV auf Nabenhhe, mit dem 10- min-

Mittelwert (Tabelle 4).


28

WKA-

Klassen

I II II S

refV [m/s] 50 42,5 37,5

A refI [-] 0,16 0,16 0,16

B refI [-] 0,14 0,14 0,14

C refI [-] 0,12 0,12 0,12

Werte sind

vom

Hersteller

anzugeben

Tabelle 4: Kombination von Lastfllen und Temperatur [25]

Fr die Auslegung einer WKA ist die Windgeschwindigkeitsverteilung von Bedeutung

Sie bestimmt die Hufigkeit des Auftretens einzelner Lastanteile. Die Hufigkeitsvertei-

lung der Windgeschwindigkeit liefert die Information, mit welcher zeitlichen Hufigkeit

die einzelnen Geschwindigkeiten des Gesamtspektrums statistisch gesehen zu erwarten

sind. Die Rayleigh Verteilung kann hierfr verwendet werden (Gl.5-10) [26].

( )[ ]22/exp1)( avehubhubR VVVP = Gl.5-10

mit

+

=

=

kC

kwennCVave

11

2,2

Gl5-11

)( hubR VP Rayleigh Wahrscheinlichkeitsfunktion: kumulative Wahrscheinlichkeitsfunkti-

on, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass hubVV c

Drnierte Bedingungen

> 0( und )0c

Gelndeneigungsbeiwert

fr den Einfluss der Breite

6)tan5,01( =b


fr den Einfluss der Tiefe

9,1)tan1( =d


fr den Einfluss der

Kohsion

tan4,01=c1

1

0

tan0349,00

=

d

dc N

N

Tabelle 12: Gelndeneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [44], =Gelndeneigung

Sohlneigungsbeiwerte:

fr den Einfluss der Breite b

fr den Einfluss der Tiefe d

fr den Einfluss der Kohsion c

Undrnierte Bedingungen

= 0( und )0>c

Drnierte Bedingungen

> 0( und )0c

Sohlneigungsbeiwert fr

den Einfluss der Breite

tan045,0= eb


den Einfluss der Tiefe

1=d tan045,0= ed


den Einfluss der Kohsi-

on

0068,01=c tan045,0= ec

Tabelle 13: Sohlneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [44], =Sohlneigungswinkel

BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG

61

6.1.3 Gleiten

Greifen an einem Fundament horizontale Krfte an, so kann es zum Gleiten des Funda-

mentes kommen. Daher muss ein Nachweis gefhrt werden, der das Gleiten ausschliet.

Die Horizontalkrfte aktivieren zum einen die Reibung zwischen Fundamentsohle und

Baugrund, anderseits wird an der Fundamentstirnseite Erdwiderstand aktiviert.

Zur Einhaltung einer ausreichenden Sicherheit gegen Gleiten ist nach DIN 1054-4

nachzuweisen, dass fr den Grenzzustand GZ 1B die Bedingung

dpdtd ERT ,, + Gl.6-7

erfllt ist [22].

dT Bemessungswert der Beanspruchung parallel zur Fundamentsohlfl-

che

dtR , Bemessungswert des Gleitwiderstandes

dpE , Bemessungswert des Erdwiderstandes parallel zur Sohlflche an der

Stirnseite des Fundaments

Der Bemessungswert dT setzt sich zusammen aus dem stndigen Anteil kGT , der charak-

teristischen Beanspruchung, multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert G nach

Tabelle 10 fr den Grenzzustand GZ 1B und dem vernderlichen Anteil kQT , der charak-

teristischen Beanspruchung, multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert Q nach Tabelle

10 fr den Grenzzustand GZ 1B [22].

QkQGkGd TTT += ,, Gl.6-8

Der zulssige Bemessungswert dpE , setzt sich zusammen aus dem charakteristischen

Erdwiderstand kpE , durch Division mit dem Teilsicherheitsbeiwert Ep fr den Grenzzu-

stand GZ 1B nach Tabelle 10 [22].

Epkpdp EE /,, = Gl.6-9


62

Der Bemessungswert des Gleitwiderstandes dtR , ergibt sich aus dem charakteristischen

Gleitwiderstand ktR , durch Division mit dem Teilsicherheitsbeiwert 1G im Grenzzustand

GZ 1B.

1,, / Gktdt RR = Gl.6-10

Der charakteristische Gleitwiderstand ktR , ermittelt sich nach DIN 1054-4 [22] wie folgt:

bei rascher Beanspruchung eines wassergesttigten Bodens (Anfangszustand)

kukt cAR ,, = Gl.6-11

bei vollstndiger Konsolidation des Bodens (Endzustand)

kSkkt NR ,, tan= Gl.6-12

bei vollstndiger Konsolidierung des Bodens, wenn die Bruchflche durch den

Boden verluft, z.B. bei Anordnung eines Fundamentspornes

,,, tan kkkkt cANR += Gl.6-13

A fr Kraftbertragung magebende Sohlflche

kuc , charakteristischer Wert der Scherfestigkeit des undrnierten Bodens

kS , charakteristischer Wert des Sohlreibungswinkels

,k charakteristischer Wert des Reibungswinkels des Bodens in der

Bruchflche durch den Boden

,kc charakteristischer Wert der Kohsion des Bodens in der Bruchflche

durch den Boden

6.1.4 Auftrieb

Eine ausreichende Sicherheit gegen Auftrieb muss eingehalten werden, wenn am Fun-

dament Sohlwasserdrcke angreifen. Im Regelfall handelt es sich beim betrachteten

Grenzzustand um einen Verlust der Lagesicherheit im Grenzzustand GZ 1A. Die Be-

messungswerte der ungnstigen Einwirkungen werden dabei mit den gnstigen Einwir-


63

kungen verglichen. Eine Sicherheit gegen Auftrieb gilt als gewhrleistet, wenn die

Bedingung nach Gleichung 6-14 erfllt ist [22].

stbGstbkdstQkdstGk GQA ,,,, + Gl.6-14

kA Auftriebskraft

dstG , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10

kQ ungnstig wirkende Kraft

dstQ , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10

stbkG , Eigengewicht des Fundamentes

stbG , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10

6.1.5 Setzungen

Die Setzungen von WKA knnen nach DIN 4019 [45] ermittelt werden. Es werden nur

die tatschlich setzungserzeugenden Einwirkungen angesetzt. Whrend die stndigen

Einwirkungen unabhngig von der Bodenart setzungserzeugend sind, werden die nicht-

stndigen Einwirkungen beurteilt, ob sie lange genug einwirken, um Konsolidation und

damit Setzungen hervorrufen. Durch horizontale Einwirkungen (z.B. Wind) sind die

Setzungen an den Fundamentrndern verschieden, was zu einer Schiefstellung fhrt.

Die dynamischen und zyklischen Lasten werden bei der Setzungsberechnung als stati-

sche Ersatzlasten bercksichtigt. Setzungen und Schiefstellungen sind nur begrenzt

zulssig. Die Grenzwerte werden aus dem Betrieb oder anderweitig vorgegeben. Fr

WKA wird nach DIN 1054-4 [22] zustzlich die Beobachtungsmethode empfohlen.

Nach DIN 4019-1[45] kann die Setzung lotrecht, mittiger Belastung mit der Gl.6-15

bestimmt werden.

mEfb

s

= 0

Gl.6-15

0 mittlerer Sohldruck unter dem Fundament

b Breite des Fundamentes


64

f Setzungsbeiwert

mE mittlerer Zusammendrckungsmodul fr die magebende Schicht

Nach DIN 4019-2[45] kann die Setzung schrger und/oder auermittige Belastung mit

der Gl.6-16 bestimmt werden.

yxm ssss ++= Gl.6-16

s Gesamtsetzung der Eck- oder Randpunkte

ms Setzungsanteil infolge mittiger Belastung nach Gl.6-15

xs Setzungsanteil aus dem Moment xy eVM = um die y-Achse

ys Setzungsanteil aus dem Moment yx eVM = um die x-Achse

xm

yyx fEb

Maas

== 32tan

2 Gl.6-17

ym

xyy fEb

Mbbs

== 32tan

2 Gl.6-18

a Lnge der Grundflche

b Bezugslnge der Grundflche

yx ff , Einflusswerte fr die Schiefstellung

Die Schiefstellung eines starren Grndungsstreifens bei homogenem Boden ergibt sich

unter der Voraussetzung 4/be nach Gl.6-19.

mx Eb

M

= 212tan

Gl.6-19

Die Schiefstellung eines starren Kreisfundamentes ergibt sich unter der Voraussetzung

3/re nach Gl.6-20.

mErM

= 3169tan Gl.6-20


65

6.2 Pfahlgrndungen

6.2.1 Inneres Tragverhalten

Das innere Tragverhalten von Pfhlen wird durch ihre konstruktive Gestaltung be-

stimmt. Die innere Tragfhigkeit muss ausreichen, um die anstehenden Belastungen

sicher in den Boden abzuleiten. Beim Einbringen des Pfahles in den Boden (z.B. beim

Rammen) darf es nicht zu Schden kommen, deshalb mssen die Abmessungen und

Baustoffeigenschaften dementsprechend gewhlt werden.

6.2.2 ueres Tragverhalten

Das uere Tragverhalten wird durch die Abhngigkeit zwischen dem Pfahlwiderstand

und der Pfahlkopfverschiebung bzw. auch der Pfahlkopfverdrehung beschrieben. Das

uere Tragverhalten ist dabei abhngig von:

den Eigenschaften des Bodens in Pfahlumgebung

der Einbindetiefe in die tragfhigen Schichten

der Mchtigkeit der tragfhigen Schichten

der Pfahlform und des Pfahlquerschnittes

den Grundwasserverhltnissen

dem Pfahlbaustoff

der Beschaffenheit der Pfahlmantelflche und der Ausbildung des Pfahlfu-

es

Bei Pfhlen werden die Pfahlwiderstnde unterschieden

in Richtung der Pfahlachse (axial) und

quer zur Pfahlachse (lateral).

Die Widerstandsgren knnen dabei ermittelt werden aus

Ergebnissen statischer Pfahlprobebelastungen

Ergebnissen dynamischer Pfahlprobebelastungen und

aus Erfahrungswerten.


66

6.2.2.1 Axiale Pfahlwiderstnde

Fr den Nachweis der Tragfhigkeit GZ 1B gilt fr axiale Pfahlwiderstnde [22]:

dd RE ,1,1 Gl.6-21

bzw.

1,1

,1 =d

d

RE

Gl.6-22

dE ,1 Bemessungswert der Beanspruchung

dR ,1 Widerstandes des Pfahles

Steht der Pfahl teilweise frei oder im weichen Boden mit der charakteristischen Scher-

festigkeit /15, mKNc ku , ist zustzlich ein Knicksicherheitsnachweis durchzufhren

[22].

Der Pfahlwiderstand in axialer Richtung ist abhngig von der axialen Pfahlkopfver-

schiebung s, dabei ist die Pfahlkopfverschiebung s bei Druck eine Pfahlkopfsenkung

und bei Zug eine Pfahlkopfhebung. Im Grenzzustand der Tragfhigkeit tritt bei der

Pfahlkopfverschiebung 1s ein Versagen bei Widerstnden )1(1 sRR = durch den Tragf-

higkeitsverlustes des Bodens in Pfahlumgebung ein. In Ausnahmefllen ist auch ein

Tragfhigkeitsverlust des Pfahlmaterials mglich und es kommt zum Bauteilversagen.

Axiale Widerstnde werden nach DIN 1054-4 mit Widerstandssetzungslinien (bei

Druck) bzw. Widerstandshebungslinien (bei Zug) beschrieben. Die Ergebnisse dieser

Linien sttzen sich aus statischen Probebelastungen. Der Boden wird dabei solange in

Belastungsstufen belastet, bis die zu erwartende Grenzlast erreicht ist. In Abhngigkeit

der axialen Pfahlkopfverschiebung kann der Pfahlwiderstand ermittelt werden. Zur

Bercksichtigung der mglichen Vernderung des Baugrundes und der mglichen

Unregelmigkeiten bei der Herstellung wird nach DIN 1054-4 ein

Streuungsfaktor bercksichtigt. Der charakteristische Pfahlwiderstand kR ,1 wird dann

bestimmt mit [22]:

/min,1,1 mk RR = Gl.6-23


67

min,1mR kleinster Einzelwert der Pfahlprobebelastung

Streuungsfaktor nach Tabelle 14, Spalte 4

Tabelle 14: Streuungsfaktor zur Bercksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen [22]

In der Regel werden die axialen Pfahlwiderstnde ber Erfahrungswerte nach DIN

1054-4 bestimmt. Der Widerstand wird von den unabhngig voneinander ermittelbaren

Anteilen aus Pfahlfuwiderstand und dem Pfahlmantelwiderstand bestimmt.

=

+=+=n

iisiksbkbkskbk AqAqRRR

1,,,,,, Gl.6-24

bA Pfahlfuflche

isA , Pfahlmantelflche in der Schicht i

kbq , charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstandes

iksq ,, charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i

kbR , charakteristischer Pfahlfuwiderstand

ksR , charakteristischer Pfahlmantelwiderstand

kR charakteristischer Pfahlwiderstand


68

Die Werte fr den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstandes bzw. der charakteristi-

schen Pfahlmantelreibung knnen aus Tabellen der DIN 1054-4 entnommen werden.

Beim axialen Zugwiderstand entfllt der charakteristische Pfahlfuwiderstand.

Die Mchtigkeit der tragfhigen Schicht unterhalb der Pfahlfuflche darf nicht weniger

als drei Pfahlfudurchmesser mindestens aber 1,50m betragen. Werden diese Werte

nicht eingehalten, muss ein Nachweis gegen Durchstanzen gefhrt werden [22].

Zur Ermittlung der axialen Tragfhigkeit von Offshore-Windkraftanlagen werden auf

Anstze in DNV [37] bzw. API [47] zurckgegriffen, die auf Erfahrungen fr konventi-

onelle Offshore-Bauwerke beruhen. Anwendung finden folgende Methoden[2]:

- Methode

- Methode

- Methode

Die - Methode wird zur Bestimmung der Mantelreibung fr bindige Bden auf Basis der totalen Spannungen eingesetzt. Der Faktor bercksichtigt dabei das

Verhltnis zwischen der undrnierten Scherfestigkeit des Bodens )(zcu und der

wirksamen Vertikalspannungen )(, zv in der Tiefe z [2].

)(zcq us = Gl.6-25

5,05,0 = fr 0,1 1

0255,0 = fr 0,1> 1

)(/)( , zzc vu =

)(zcu undrnierte Scherfestigkeit des Bodens in der Tiefe z



69

Abb. 46: Faktor zur Berechnung der Pfahlmantelreibung in Abhngigkeit des Verhltnisses [2]

Der Pfahlspitzenwiderstand wird nach Gleichung 6-26 angesetzt,

ub cq = 9 Gl.6-26

bq Pfahlspitzenwiderstand

uc undrnierte Scherfestigkeit am Pfahlfu

Die - Methode wird zur Bestimmung der Mantelreibung auf Basis der wirksamen

Spannung eingesetzt. Fr nichtbindige Bden ergibt sich die Pfahlmantelreibung nach

Gleichung 6-27 [2].

)(tan)( ,, zKzq vvs == Gl.6-27


K Erddruckbeiwert

8,0=K offene Pfhle

0,1=K geschlossene Pfhle

Wandreibungswinkel (Tabelle 15)


70

Tabelle 15: Tragfhigkeitsbeiwert und Wandreibungswinkel nach API [47]

Fr bindige Bden ergibt sich die Pfahlmantelreibung nach Gleichung 6-28.

,, tan vvs Kq == Gl.6-28


K Erddruckbeiwert

Wandreibungswinkel

Der Erdruhedruckbeiwert ergibt sich fr normal konsolidierte Bden aus:

,0 sin1 =K Gl.6-29

und fr berkonsolidierte Bden aus:

mzcc KK )/(,,

00 = Gl.6-30

m 0,4 fr leichte und 0,5 fr ausgeprgt plastische Tone

,c Vorbelastung des Bodens

,z vorhandene wirksame Vertikalspannung

Der Pfahlspitzenwiderstand bq ergibt sich aus:

,vqb Nq = Gl.6-31


71

qN Tragfhigkeitsbeiwert (Tabelle 15)


Die - Methode wird zur Bestimmung der Pfahlmantelreibung in bindigen Bden auf Basis der totalen und wirksamen Spannungen angewandt. Der Pfahlmantelwiderstand

ergibt sich aus [2]:

)2(,

uvs cq += Gl.6-32

Beiwert

v ber die Einbindelnge gemittelte, wirksame Vertikalspannung

uc ber die Einbindelnge gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit

sq ber die Einbindelnge gemittelte Pfahlmantelreibung

Eine zutreffende Nherung des Beiwertes ist im McClelland und Reibel(1986) [48] angegeben.

)()(

ln016,0178,0 max,zEALqA

Pfahl

ss

= Gl.6-33

sA eingebettete Pfahlmantelflche

max,sq Maximalwert der Pfahlmantelreibung sq , Annahme us cq max,

PfahlA Pfahlquerschnittsflche

E Elastizittsmodul des Pfahlmaterials

z zur Aktivierung von max,sq erforderliche Verschiebung zwischen Pfahl

und Baugrund

Die Mantelreibung und der Spitzendruck sind abhngig von der axialen Pfahlverfor-

mung. In Abhngigkeit von der auf den Pfahldurchmesser D bezogene Axialverschie-

bung z des Pfahls kann die mobilisierte Pfahlmantelreibung t in die so genannte t-z


72

Kurve dargestellt werden. Die maximal mgliche Pfahlmantelreibung maxt kann nach

den Methoden ermittelt werden. Dabei gilt sqt =max [2].

Bei bindigen Bden wird die Mantelreibung bei

%101,0 ==Dz

Gl.6-34

voll mobilisiert und fllt bei greren Verschiebungen ab [2]

Abb. 47: Aktivierte Pfahlmantelreibung nach API [47]

In der so genannten Q-z Kurve wird die Beziehung zwischen mobilisierten Pfahlfu-

widerstand und Axialwiderstand beschrieben und gilt fr bindige und nichtbindige

Bden. Der volle mobilisierte Pfahlfuwiderstand wird bei einer Verschiebung von 10%

des Pfahldurchmessers erreicht [2].

3)/(101

pQQDz = Gl.6-35

fr 10,0z

Q mobilisierter Pfahlfuwiderstand

pQ maximaler Pfahlfuwiderstand, mit bbp AqQ =

bA Pfahlfuflche

z Axialverschiebung

D Pfahldurchmesser


73

6.2.2.2 Horizontal belastete Pfhle

Zur Berechnung der Lastabtragung horizontal gebetteter Pfhle, insbesondere fr die

Schnittgrenberechnung, wird hufig das Bettungsmodulverfahren angewandt. Der

Boden wird durch einzelne Feder, deren Bewegungen voneinander unabhngig sind,

diskret modelliert (Abb.48) [2].

Abb. 48: Bettungsmodulverfahren, Lngsschnitt (links), Querschnitt (rechts) [2]

Die Bettungsspannung p ist das Produkt aus Bettungsmodul sk und Horizontalverschie-

bung y .

ykp s = Gl.6-36

Zwischen den einzelnen Federn werden keine Krfte bertragen. Es findet keine Last-

ausbreitung quer zur Pfahlachse statt und die Verformung des Bodens ist unstetig. Wird

der Boden hingegen als Kontinuum aufgefasst und die Verschiebungen eines Balkens

mit Hilfe der Elastizittstheorie berechnet, dann ergibt sich nach Terzaghi (1955) die

Proportionalitt DEyp s /)( bzw. sEDpy /)( . Daraus folgt fr den Bettungsmo-

dul in Gl.6-37 die Beziehung [2]:

DEK ss

Gl.6-37

Fr die Berechnung der Pfahlverformung ist jedoch der Ansatz eines spannungsunab-

hngigen Bettungsmoduls nicht ausreichend, da sich die Gre des Bettungsmoduls auf


74

die Verformungsberechnung wesentlich strker auswirkt, als auf die Schnittgrener-

mittlung zur Pfahlbemessung. Zur genaueren Abschtzung der Pfahlverformungen wird

nach DIN 1054-4 empfohlen, die nichtlineare Beziehung zwischen Bettungsspannung

und Verformung durch Probebelastungen zu ermitteln und fr die Verformungsberech-

nung mit spannungsabhngigen Sekantenmoduln zu arbeiten [2].

Nach DIN 1054-4 wird der Pfahldurchmesser zur Berechnung des Bettungsmoduls

rechnerisch mit maximal 1m bercksichtigt. Zustzlich ist die Horizontalverschiebung

auf hchstens 3% des Pfahldurchmessers oder 2cm beschrnkt. Die Folge wre, dass bei

greren Pfahldurchmessern der Bettungsmodul stets unabhngig vom Pfahldurchmes-

ser ist. Dies ist nicht unbedingt realistisch, da der klassische Bettungsmodul kein reiner

Bodenkennwert ist, sondern von den Eigenschaften des Pfahls und der Art der Pfahlein-

bringung abhngt [2].

In einschlgigen Normen fr Offshore-Bauwerke (DNV, API) werden Verfahren zur

Bestimmung der Beziehung zwischen Bettungsspannung und Pfahlverschiebung vorge-

geben, die vom Federmodell ausgehen, jedoch direkt eine ber die Verschiebung vern-

derliche Bettung bercksichtigen, also nicht mehr von einem konstanten Bettungsmodul

ausgehen. Die Beziehung zwischen der horizontalen Pfahlkopfverschiebung y und der

Bettungsspannung p wird durch nichtlineare p-y-Kurven beschrieben, die aus den

Ergebnissen von Probebelastungen entwickelt wurden und den Pfahldurchmesser

bercksichtigen [2].

6.2.2.3 Maximale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden

Die maximale horizontale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden wird nach Gl.6-

38 und Gl.6-39 ermittelt. Der kleinere Wert ist dabei magebend. Die Spannungsvertei-

lung wird ber den Pfahldurchmesser als konstant angenommen (Abb.49) [2].

Abb. 49: Spannungsverteilung auf den Pfahl [2]


75

zCDzCzpu += )()( 21 Gl.6-38

zCzpu = 3)( Gl.6-39

)(zpu maximale Bettungsspannung

321 ,, CCC Beiwerte in Abhngigkeit von, (Abb.50)

wirksame Wichte

z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrundes

D mittlerer Pfahldurchmesser zwischen Oberflche des Baugrundes und der Tiefe z

Abb. 50: Faktoren C in Abhngigkeit vom Reibungswinkel , [2]

Die Beiwerte 321, CundCC wurde (1974) [49] abgeleitet, wobei im oberen Bereich des

Pfahls ein ber die Tiefe z keilfrmiger Bruchkrper mit ebenen Gleitflchen angesetzt

wurden (Abb. 51).


76

Abb. 51: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]

Der maximale Widerstand des Pfahles wird aus der Differenz des passiven Erddrucks

und des aktiven Erddrucks berechnet (Gl.6-40). Dabei wird der passive Erddruck pE in

Anlehnung an die Coulombsche Erddrucktheorie fr einen starren, aber rumlichen

Erddruckkeil mit ebenen Gleitflchen berechnet. Der aktive Erddruck aE wird nach

Theorie von Rankine berechnet, die einen vollstndig plastifizierten Boden voraussetzt.

Bei Annahme einer konstanten Wichte ber die Tiefe ergibt sich [2]:

+

+

+=

DKzK

zDzKzzp

aaa

aa

a

a

a

u

)tansin(tantan

)tantan()tan(

tancos)tan(

sintan)(

0

0

Gl.6-40

)(zpu maximaler horizontaler Pfahlwiderstand je Einheitslnge des Pfahles

D Pfahldurchmesser

Wichte des Bodens

z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrundes

a 2/45 + Gleitflche fr aktiven Erddruck

aK )2/45(tan2 aktiver Erdruckbeiwert nach Rankine


77

0K Erdruhedruckbeiwert

Ausbreitungswinkel des rumlichen passiven Erdkeils

Diese Gleichung kann nach [47] in folgende Gleichung gebracht werden:

zDCzCzpu += )()( 21 Gl.6-41

mit

)tansin(tantan)tan(

tantan)tan(

sintan0

2

01

+

+

= aaa

a

a

a KKC Gl.6-42

aa

a KC

=)tan(

tan2

Gl.6-43

Der Winkel wurde durch Probebelastungen an Pfhlen mit einem Durchmesser von rd.

0,60m und einer Einbindetiefe von rd. 21m zu 2/3/ = fr lockeren Sand und

= fr dichten Sand bestimmt [2].

In tieferen Bodenschichten wird der Boden in der Pfahlumgebung durch kubische

Elemente idealisiert, deren Seitenlnge dem Pfahldurchmesser entspricht (Abb.52).

Vertikalverschiebungen der Elemente sind ausgeschlossen [2].

Abb. 52: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]

Mit diesem Modell wird der maximale Horizontalwiderstand unter Anwendung der

Mohr-Coulombschen Theorie berechnet zu:

aaau zDKzDKzp4

08 tantan)1(tan)( += Gl.6-44

Diese Gleichung kann mit


78

aaa KKC 4

08

3 tantan)1(tan += Gl.6-45

in die Form von Gl.6-39 berfhrt werden.

Der bergang zwischen den Modellen der Abb.51 und der Abb.52 ergibt sich durch

Gleichsetzen der Gl.6-38 und Gl.6-44.

6.2.2.4 Maximale Bettungsspannung in weichem, bindigen Boden

Fr die maximale Bettungsspannung up in der Tiefe z ist der kleinere der folgenden

Werte magebend [2]:

Dczzczp uuu

++= 83,22)( Gl.6-46

fr Rzz


79

Abb. 53: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]

Fr grere tiefen wird nach [50] ein Modell vorgeschlagen, das den Pfahl und den

umgebenden Baugrund durch kubische Elemente idealisiert, deren Seitenlnge dem

Pfahldurchmesser entspricht (Abb.54). Unter der Annahme, dass die Elemente nur

Horizontalverschiebungen erfahren, berechnete Reese fr den Bruchzustand eine

theoretische Bettungsspannung von uc12 . Aus dem Vergleich von Ergebnissen aus

Pfahlprobebelastungen und Triaxialversuchen wurde nach [50] eine maximale Bettungs-

spannung von uc11 ermittelt [2].

Abb. 54: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]


80

6.2.2.5 Maximale Bettungsspannung in steifem, bindigen Boden

Fr die maximale Bettungsspannung up in der Tiefe z ist der kleinere der folgenden

Werte magebend [2]:

DczJzczp uuu ++= 3)( fr Rzz

+= Gl.6-51

uc ber die Einbindetiefe z gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit

)(zcu undrnierte Scherfestigkeit in der Tiefe z

wirksame Wichte des Bodens

z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrunds

D Pfahldurchmesser

J empirischer Korrekturwert aus Feldversuchen

6.2.2.6 Bettungsspannung in Abhngigkeit von der Horizontalen

Pfahlverformung

Fr die Berechnung der Bettungsspannung in Abhngigkeit von der horizontalen Pfahl-

verformung in weichem, bindigen Boden unter statischer Belastung wird nach [37]

folgende, nichtlineare Beziehung angegeben (Abb.55).


81

Abb. 55: p y Kurve fr einen Pfahl in weichem, bindigen Boden bei statischer Horizontalbelastung [47]

321)(

cu yy

pyp = Gl.6-52

)(yp Bettungsspannung in der Tiefe z

up Maximalwert der Bettungsspannung bei statischer Belastung in der

Tiefe z

y horizontale Pfahlverschiebung in der Tiefe z

cy Dc5,2

:c Dehnung bei der Hlfte der maximalen Spannung in einem undrnier-

ten Triaxialversuch, Erfahrungswert aus [50]

Fr steife, bindige Bden sind in [37] Anstze zur Aufstellung von p-y-Kurven enthal-

ten.

Bei statischer Belastung knnen die p-y-Kurven wie folgt erzeugt werden:

3/1

2

=

c

u

yypp fr cyy 8 Gl.6-53

upp = fr cyy 8> Gl.6-54

Bei zyklischer Belastung und RXX > , kann die p-y-Kurve nach wie folgt bestimmt

werden.


82

3/1

2

=

c

u


upp 72,0= fr cyy 3> Gl.6-56

Bei zyklischer Belastung und RXX , kann die p-y-Kurve wie folgt bestimmt werden.

3/1

2

=

c

u


=

c

c

Ru y

yyXXpp

123

1172,0 fr cc yyy 153 < Gl.6-58

Ru X

Xpp 72,0= fr cyy 15> Gl.6-59

mit:

Dy cc = 5,2

X Tiefe unter Bodenoberflche

RX bertragungstiefe

c Stauchung, die bei 50% der Maximalspannung von ungestrten Bo-

denproben in undrnierten Kompressionsversuchen auftritt

D Pfahldurchmesser

Fr nichtbindigen Boden wird nach [37] die Gl. 6-60 empfohlen.

= ypAzk

pAypu

su tanh)( Gl.6-60

)( yp Pfahlwiderstand in der Tiefe z

up maximaler Pfahlwiderstand in der Tiefe z

sk Anfangswert des Bettungsmoduls

A Beiwert, fr zyklische Belastung 9,0=A


83

fr statische Belastung 9,08,03

=

DzA

z Tiefe ab Oberflche des Baugrunds

y Horizontalverschiebung des Pfahls in der betrachteten Tiefe z

Abb. 56: Anfangsmodul der Untergrundreaktion k als Funktion des Reibungswinkels [37]

6.3 Pfahlgruppen

Die Tragfhigkeit einer Pfahlgruppe unterscheidet sich von der Summe der Tragfhig-

keit einer gleichen Anzahl von Einzelpfhlen. Damit gibt es auch Unterschiede bei den

Setzungen bei gleicher Last. Die Pfhle einer Pfahlgruppe weisen ein unterschiedliches

Widerstands- Setzungsverhalten auf. Die Ursache dafr ist die Beeinflussung eines

Pfahles durch umliegende Pfhle (Gruppenwirkung). Zur Bercksichtigung der Grup-

penwirkung kann ein vereinfachtes Nomogrammverfahren angewandt werden [51].

Die mittlere Setzung Gs einer Pfahlgruppe entspricht der mit dem Gruppenfaktor sG be-

legten Setzung eines Einzelpfahles infolge der mittleren Einwirkung GG nF / auf die

Gruppenpfhle.

sEG Gss = Gl.6-61


84

Gs mittlere Setzung einer Pfahlgruppe

Es Setzung eines vergleichbaren Einzelpfahles

sG setzungsbezogener Gruppenfaktor fr die mittlere Setzung einer

Pfahlgruppe

Der setzungsbezogene Gruppenfaktor sG ergibt sich mit:

321 SSSGs = Gl.6-62

1S Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahlachsabstand a ,

Pfahleinbindetiefe in den tragfhigen Boden d (Abb. 57)

2S Einflussfaktor Gruppengre (Abb. 58)

3S Einflussfaktor Pfahlart

Abb. 57: Nomogramme zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe [51]


85

Abb. 58: Nomogramme zur Bercksichtigung des Einflusses der Gruppengre zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe fr 36,0/ =da [51]

Momenteneinwirkungen bewirken im Wesentlichen eine Verdrehung der Pfahlgrn-

dung, die zu zustzlichen Setzungen fhren. ber die Verdrehung tan knnen die zustzlichen Setzungen fr alle Gruppenpfhle ermittelt werden (Abb. 59).

Abb. 59: Nomogramme zur Bestimmung der Verdrehung infolge Momenteneinwirkung [51]

Der Faktor M dabei ein Ma fr die Hhe der Momentennwirkung im Verhltnis zur

Vertikaleinwirkung und bercksichtigt gleichzeitig die Gruppengeometrie ber die

Pfahlanzahl und Pfahlabstand (Gl. 6-63).


86

anFnM

G

GM

=

Gl.6-63

M Faktor fr die Hhe der Momenteneinwirkung

M Momenteneinwirkung

Gn Anzahl der Pfhle in der Gruppe

GF vertikale Gesamteinwirkung

n Anzahl der Pfhle in der Pfahlreihe

a Pfahlabstand

Bei der Ermittlung der Pfahlwiderstnde wird ebenfalls die Gruppenwirkung berck-

sichtigt.

Der Pfahlwiderstand eines Pfahles in der Gruppe ergibt sich mit:

iREiG GRR ,, = Gl.6-64

iGR , Gruppenpfahlwiderstand i- ter Pfahl

ER Pfahlwiderstand eines vergleichbaren Einzelpfahles

iRG , widerstandsbezogener Gruppenfaktor fr den i- ten Pfahl einer Gruppe

Der widerstandsbezogene Gruppenfaktor iRG , ergibt sich mit:

321, =iRG Gl.6-65

1 Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahlachsabstand a ,

Pfahleinbindetiefe in den tragfhigen Boden d (Abb.60)

2 Einflussfaktor Gruppengre (Abb.61)

3 Einflussfaktor Pfahlart


87

Abb. 60: Nomogramme zur Bercksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen [51]

Abb. 61: Nomogramme ber den Einfluss der Gruppengre auf die Gruppenwirkung [51]

Bei Pfahlgruppen mit 5 oder mehr Pfhlen je Seite kann der Einflussfaktor mit 0,12 =

angenommen werden.


88

6.4 Saugrohrgrndung

Je nach Art der Lastabtragung und der geometrischen Abmessungen entspricht die

Saugrohr-Grndung einem Flachfundament, einem Pfahl oder einem Anker (Abb. 62).

Die besondere Installationsweise unterscheidet sich lediglich von den klassischen

Grndungskonzepten.

Abb. 62: Tragverhalten im Endzustand [12]

Ein Saugpfahl trgt die Belastung ber Spitzendruck und Mantelreibung ab, ein Saug-

anker ber Mantelreibung und Eigengewicht. Bei horizontalen Lasten oder Momenten

erfolgt die Lastabtragung ber die seitliche Bettung. Eine Flachgrndung trgt die

Belastung auf den Baugrund berwiegend ber Normal- und Schubspannungen in der

Grndungssohle ab. Durch die Schrzen werden die Grndungsebenen in tiefere Zone

verlagert. Die Einbindezone wird ebenfalls zur Lastabtragung herangezogen und erhht

die Sicherheit gegen Grundbruch und Gleiten [12].

Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde das Tragverhalten von Saugrohrgrndungen

analysiert und am Beispiel der von der Firma Oevermann GmbH & Co KG (Mnster)

entwickelten Hexafix-Strebenstruktur (Abb. 63) eine Saugrohrgrndung bemessen

(Abb. 64).


89

Abb. 63: Saugrohrgrndung mit Hexafix Strebenstruktur [12]

Die Bemessung des auf Druck beanspruchten Saugrohres als Flachgrndung kann nach

den klassischen Bemessungsverfahren erfolgen. Die zulssigen Abmessungen resultie-

ren aus dem Nachweis der zulssigen Ausmitte, der Hhe des Saugrohres und damit des

maximal aufnehmbare Biegemoment. Die Bemessung unter kombinierter Zugbelastung

ist mit den klassischen Nachweisverfahren nicht mehr mglich, da eine Zugfestigkeit

unbercksichtigt bleibt. Das konsistente Versagensmodell nach Lesny (2001) bietet

dafr eine Lsung an. Das Versagensmodell beruht auf so genannte Interaktionsanstze,

die die Interaktion der Lastkomponenten direkt abbildet (Abb. 64)[12].

Die Bemessung des Saugrohres als Pfahlgrndung erfolgt ber die klassischen Nach-

weisverfahren getrennt fr Horizontal- und Momentenbelastung und fr die vertikale

Zug- bzw. Druckbelastung. Durch einen Vergleich der Ergebnisse knnen die mage-

benden Abmessungen ermittelt werden. Fr verschiedene Durchmesser sind in Abb.64

magebende Einbindelngen dargestellt [12].


90

Abb. 64: Bemessung der Saugrohrgrndung fr das Hexafix als Schwergewichtsfundament (Saugnapf links, oder als Pfahl rechts[12]

Fr Saugrohrgrndungen sind Nachweise in Analogie zu den Nachweisen fr Pfahl- und

Schwergewichtsgrndungen in Abstimmung mit dem BSH zu fhren [12].

91

7 Erfahrungen mit Windkraftanlagen

Seit 1989 wurden Windkraftanlagen (WKA) in einem Wissenschaftlichen Mess- und

Evaluierungsprogramm (WMEP) aufgenommen. Inzwischen liegen fr ber 1500

Anlagen Erfahrungen ber mehrere Betriebsjahre vor (Abb. 65) [52]

Abb. 65: Altersverteilung der im WMEP beobachteten WKA [52]

In den letzten 20 Jahren fand bei der WKA eine

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Diplomarbeit - - Catalogus Professorum Rostochiensiumdigibib.hs-nb.de/file/dbhsnb_derivate_0000000070/Diplomarbeit... · Abb. 55: p-y-Kurve für einen Pfahl in weichem, bindigen Boden