Tensile-loaded suction bucket foundations for offshore structures in sand

verfasst von

Patrick Sven Gütz

betreut von

Martin Achmus

Abstract

Der aktuell große Bedarf an regenerativen Energien wird sich in Zukunft erwartungsgemäß weiter steigern. Offshore Windenergieanlagen (OWEAs) produzieren bereits jetzt einen großen Anteil der benötigten regenerativen Energie und es wird von einem fortschreitenden Ausbau ausgegangen. An die Gründungen von OWEAs werden hohe Anforderungen gestellt, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb bei gleichzeitig geringen Kosten gewährleisten zu können. Die Gründung einer OWEA auf mehrere Suction Buckets stellt hierbei ein vielversprechendes Konzept dar, dessen Umsetzbarkeit bereits in Form von Prototypen in mehreren kommerziellen Windparks nachgewiesen wurde. Die OWEA erfährt hauptsächlich horizontale Belastungen, welche durch die Unterstruktur in axiale Belastungen auf die gegenüberliegenden Gründungen übertragen werden. Das Eigengewicht einer OWEA bedingt eine mittlere Drucklast, sodass diese zusätzlichen Belastungen eine Variation der axialen Last hervorrufen. Sofern die Gründungen nicht besonders weit voneinander entfernt angeordnet sind oder die OWEA ein übermäßiges Eigengewicht aufweist, werden zeitweilig Zugkräfte auf die Gründungen einwirken. Das Tragverhalten von Suction Buckets unter Zugbelastung ist bislang nicht vollständig bekannt, weshalb die ökonomischen und ökologischen Vorteile dieser Gründung eingeschränkt sind. In der Vergangenheit befassten sich unterschiedliche Studien mit dem axialen Tragverhalten von Suction Buckets, jedoch konnte das Verhalten unter Zugbelastung bislang nicht ganzheitlich bewertet werden. Unter sehr langsamen Belastungsraten und in durchlässigem Boden verhält sich das Suction Bucket dräniert, sodass dessen Widerstand aus der Mantelreibung resultiert. Hingegen bestehen Unsicherheiten hinsichtlich des Verhaltens unter zyklischer Belastung und höheren Belastungsraten, bei denen die Entwicklung eines Unterdrucks hinzukommt, der als zusätzlicher Widerstand unter dem Deckel des Suction Buckets der einwirkenden Kraft entgegenwirkt. Weder die Größe der daraus resultierenden Unterdruckkraft noch die Verschiebung des Suction Buckets zur Mobilisierung des Unterdrucks können bislang zuverlässig bestimmt werden. Darüber hinaus können zyklisch wiederkehrende Zugkräfte zu einer Akkumulation der Verschiebungen führen, welche ebenfalls noch nicht prognostiziert werden können. Aus diesen Gründen wird das Auftreten von Zugkräften im Rahmen einer konservativen Bemessung von OWEAs konstruktiv verhindert. In dieser Dissertation werden die Ergebnisse von umfassenden Untersuchungen vorgestellt, welche auf die Ermittlung des Zugtragverhaltens im partiell drainierten Zustand und die Bewertung der Anwendbarkeit zum Auftreten von Zuglasten ausgerichtet waren. Hierzu wurde der aktuelle Stand der Wissenschaft ausführlich dargestellt und daraus die zielgerichtete Analyse mit Hilfe von physikalischen Modellversuchen und numerischen Simulationen abgeleitet und durchgeführt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse in die Verbesserung eines bestehenden analytischen Modells übertragen. Die physikalischen Modellversuche ergaben höhere Zugwiderstände bei geringerer Drainage, jedoch erforderte deren Mobilisierung größere Verschiebungen. Kraftgesteuerte Versuche ermöglichten die Ermittlung der Verschiebungsakkumulation. In Abhängigkeit der hierbei aufgebrachten Belastungen widerstand das Suction Bucket einer gewissen Anzahl von Zyklen bis schließlich größere Verschiebungen hervorgerufen wurden. Bei Belastungen, die die dränierte Tragfähigkeit um ein Vielfaches überschritten, trat dies bereits nach wenigen Zyklen auf, jedoch wäre das Eintreten einzelner Lastereignisse unter Berücksichtigung tolerierbarer Verschiebungen zulässig. Aus den Beobachtungen der Modellversuche wurden die essentiellen Merkmale abgeleitet, welche in dem numerischen Modell implementiert wurden. Außerdem lieferten die gemessenen Ergebnisse die Basis für die Validierung des numerischen Modells, dessen Ergebnisse mit denen der Modellversuche grundlegend übereinstimmten. Eine weitreichende Parameterstudie wurde mit Hilfe von numerischen Simulationen im Prototypmaßstab durchgeführt, um die Bandbreite der in den Modellversuchen untersuchten Randbedingungen zu erweitern. Hierin wurden die Einflüsse der Drainagebedingung und der Abmessung des Suction Buckets auf dessen Steifigkeit und Zugwiderstand ausgewertet. Darüber hinaus wurden die Verschiebungen und Verschiebungsraten in Folge unterschiedlicher statischer und zyklischer Belastungen in Abhängigkeit der Größe des Suction Buckets untersucht. Abschließend wurde ein Ansatz formuliert und erfolgreich demonstriert, der die Abschätzung der zyklischen Verschiebungsakkumulation durch eine äquivalente Last approximiert. Die gewonnen Erkenntnisse aus den Modellversuchen und Simulationen wurden in der Weiterentwicklung und Kalibrierung eines analytischen Modells berücksichtigt, welches trotz gewisser Einschränkungen adäquate Abschätzungen liefert. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen auf, dass die Einwirkung einiger Zuglasten zulässig sein könnte, sofern gewährleistet ist, dass die Belastung gewisse Größen nicht überschreitet und solche Lasten nicht wiederholt in zu kurzem Abstand auftreten, um eine zwischenzeitliche Dissipation des Porendrucks zu ermöglichen. Ein anwendungsorientierter Ansatz wurde vorgeschlagen, der die zyklische Verschiebungsakkumulation durch eine vereinfachte Belastung abschätzt. Außerdem wurde die Anwendbarkeit eines analytischen Modells aufgezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Untersuchungen ausschließlich Zugkräfte berücksichtigten, diese jedoch üblicherweise mit Drucklasten interagieren, welche abwärtsgerichtete Verschiebungen und unterschiedliche Steifigkeiten hervorrufen.

Organisationseinheit(en)

Institut für Geotechnik

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

273

Publikationsdatum

2020

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/10152 (Zugang: Offen)