Zur Dimensionierung der Monopile-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen

On the monopile foundations design of offshore wind energy converters

  • Eine geeignete Gründungsvariante für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind die Monopiles. Dabei handelt es sich um Einzelpfähle aus unten offenen Stahlrohren, die in den wassergesättigten, vorwiegend sandigen Meeresgrund eingerammt werden. Bei Monopile-Gründungen von OWEA stellt die Prognose der akkumulierten Verschiebungen infolge zyklisch horizontaler Belastungen aus Wind und Wellengang eine besondere Herausforderung dar. Eine zuverlässige Prognose erfordert gesicherte Erkenntnisse über das Eine geeignete Gründungsvariante für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind die Monopiles. Dabei handelt es sich um Einzelpfähle aus unten offenen Stahlrohren, die in den wassergesättigten, vorwiegend sandigen Meeresgrund eingerammt werden. Bei Monopile-Gründungen von OWEA stellt die Prognose der akkumulierten Verschiebungen infolge zyklisch horizontaler Belastungen aus Wind und Wellengang eine besondere Herausforderung dar. Eine zuverlässige Prognose erfordert gesicherte Erkenntnisse über das Verhalten von Boden-Monopile-Systemen unter zyklischen Belastungen. Hierzu erfolgte in der geotechnischen Versuchsgrube der TU Berlin eine Versuchsreihe zur Untersuchung des Tragverhaltens von kurzen, mittellangen und langen Monopiles. Dabei wurden die Monopiles nach der Instrumentierung in wassergesättigten Sand eingepresst und anschließend durch zyklische Horizontalkräfte mit variierenden Belastungsamplituden und gleichzeitig wirkender statischer Vertikallast beansprucht. Neben der Erfassung der maximalen Kräfte während des Pfahleinpressvorganges, die zum Einpressen der Versuchspfähle bis zur Solltiefe erforderlich waren, wurde die Pfropfenbildung im Pfahlinneren ermittelt. Die weiteren Messungen, die während der Versuche durchgeführt wurden, umfassen die horizontalen und vertikalen Pfahlverschiebungen an den Lasteinwirkungsstellen, Pfahlbiegedehnungen, horizontalen Bodenverschiebungen neben dem Pfahl, Porenwasserdrücke im Boden, die Ausbreitung der Setzungsmulde an der Bodenoberfläche sowie die statischen Grenzhorizontalkräfte der Versuchspfähle. Eine ausführliche Darstellung der Konzeption, Vorbereitung und Durchführung dieser Pfahlversuche, die Ergebnisse sowie eine Zusammenstellung der aus den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse werden in der vorliegenden Arbeit präsentiert. Zum Abtrag der Lasten aus Offshore-Bedingungen in den Boden werden Monopiles mit Durchmessern bis zu 8 Metern vorgesehen. Ein großer Durchmesser kann unter ungünstigen Entwässerungs- und Verformungsbedingungen sowie Einwirkungseigenschaften zur Porenwasserdruckakkumulation führen, die das Tragverhalten von Monopiles erheblich beeinträchtigen kann. Mittels numerischer Berechnungen wird dieses Tragverhalten mit Fokussierung auf die Porenwasserdruckentwicklung für das Bemessungsszenario „Extrembedingungen“ untersucht. In den FE-Berechnungen kommt ein Zwei-Phasen-Modell in Verbindung mit einem hypoplastischen Stoffgesetz für den wassergesättigten Sandboden zum Einsatz. Die Ergebnispräsentation von Parameterstudien umfasst Variationen von Belastungsamplitude, -frequenz, -zyklenanzahl und -typ, Lagerungsdichte und Durchlässigkeitsbeiwert des Sandes sowie Durchmesser des Monopiles. Ergänzend folgt eine Gegenüberstellung der eigenen Ergebnisse zu den in der Literatur vorhandenen Berechnungsansätzen zur Abschätzung des Verhaltens von zyklisch horizontal belasteten Monopiles. Es wird ein Kriterium für Boden-Monopile-Systeme unter extremen Beanspruchungen vorgestellt, mit dessen Hilfe allein auf der Grundlage des Porenwasserdruckverlaufs innerhalb des ersten Lastzyklus die Möglichkeit des Auftretens von Porenwasserdruckakkumulation in den darauffolgenden Zyklen prognostiziert werden kann. Unter Zugrundelegung des präsentierten Kriteriums werden die Ergebnisse der weiteren Parameterstudien zusammengeführt und die Möglichkeit der Porenwasserdruckakkumulation bei Boden-Monopile-Systemen beurteilt. Die Akkumulation der Bodenverformungen und gleichzeitig auch der bleibenden Pfahlverschiebungen können derzeit mit einem praxistauglichen Verfahren nicht zuverlässig quantifiziert werden. Zu diesem Zweck wird ein anwendungsorientiertes Bemessungsmodell vorgeführt, das unter Verwendung von statischen und zyklischen Triaxialversuchen eine Prognose der Verschiebungen von Monopiles unter zyklischen Horizontallasten mit variierenden Belastungsamplituden erlaubt. Die selbst durchgeführten Versuche mit Monopiles verifizieren dieses vorgestellte Modell. Abschließend wird anhand einer Beispielrechnung die Anwendbarkeit des Modells zur Ermittlung der über die Nutzungsdauer einer OWEA zu erwartenden Verschiebungen des Monopiles aufgezeigt.show moreshow less
  • Monopiles are a suitable foundation type for offshore wind energy converters. They are single open-ended steel pipe piles, which are driven in the prevailing sandy saturated soil of the seabed. The monopiles are often subjected to high lateral loads due to the harsh conditions of the offshore enviroment, especially arising from the action of wind and water waves. The prognosis of accumulated deformations due to cyclic horizontal loading with monopile foundations is a real challenge. Adequate preMonopiles are a suitable foundation type for offshore wind energy converters. They are single open-ended steel pipe piles, which are driven in the prevailing sandy saturated soil of the seabed. The monopiles are often subjected to high lateral loads due to the harsh conditions of the offshore enviroment, especially arising from the action of wind and water waves. The prognosis of accumulated deformations due to cyclic horizontal loading with monopile foundations is a real challenge. Adequate predictions require profound knowledge about the soil-monopile interaction behaviour. In the frame of the present doctoral work, a number of monopile tests have been carried out in the geotechnical testing pit of TU Berlin in order to investigate that interaction behaviour in more detail. Short, intermediate and long open ended steel pipe piles have been jacked into water saturated sand after instrumentation and subsequently subjected to cyclic horizontal loading with varying load amplitude and a simultaneously acting static vertical load. Final vertical jacking pressure and sand plugging inside the pile were measured during pile installation. Not only the pile head displacements, but also the pile deformations, horizontal soil displacements close to the pile shaft, pore pressures, settlement of the soil surface as well as the ultimate lateral load capacity of the piles were measured during the tests. The conception, preparation and execution of the pile tests is presented here, and subsequently the main findings are discussed. Due to the high cyclic lateral loads, in general a monopile diameter of up to 8 m will be necessary to maintain serviceability of the wind energy converter over several years. However a huge monopile diameter under unfavorable drainage, deformational behaviour and loading conditions can lead to a pore water pressure accumulation which can affect considerably the behaviour of monopiles. The interaction behaviour of monopile-soil-systems subjected to extreme loading is here analyzed using a finite element model. A fully coupled two-phase model and a hypoplastic constitutive model for the sandy soil are used in the numerical analyses. Results from the parametrical studies are presented, including the variation of loading amplitude, frequency, number of cycles and loading type, as well as the diameter of the monopile and the initial density and permeability of the sand. The obtained numerical results are then compared with several design approaches for cyclic horizontally loaded piles from the literatur. A new criterion for soil-monopile systems is proposed here. It permits a prediction of the possibilities for pore water pressure accumulation during the whole cycling loading based alone on the pore water pressure development of the first loading cycle. Taking the presented criteria as a basis, the results of the parameter studies are discussed and the possibilities for pore water pressure accumulation of soil-monopile-systems are evaluated. These investigations demonstrate the importance and relevance of the consideration of pore water pressure accumulation for the analysis of soil-monopile-systems subjected to offshore loading conditions. The accumulation of soil deformations and pile displacements due to cyclic lateral loads cannot be reliably calculated based on the current design methods. This thesis presents a practical design approach for the prediction of monopile displacements due to irregular cyclic horizontal loads which can be suitably calibrated by means of static and cyclic triaxial test results. The design approach has been validated with results from monopile load tests in the laboratory. The practical application of the proposed method demonstrates its usefulness for the prediction of monopile displacements over the service lifetime of an offshore wind power turbine.show moreshow less

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Metadaten
Author: H. Ercan Tasan
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-30110
Advisor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stavros Savidis
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/03/31
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2011/02/11
Release Date:2011/03/31
Tag:Bemessung; Gründung; Monopile; Offshore; Windenergieanlage
desgin; foundation; monopile; offshore; wind
Institutes:Institut für Bauingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)