Fatigue behaviour of submerged axially loaded grouted connections

verfasst von

Alexander Raba

betreut von

Peter Schaumann

Abstract

Die Umgestaltung der deutschen Energieversorgung zu vorwiegender Nutzung erneuerbarer Energiequellen erhöht den Bedarf an Offshore Wind Parks. Zur Installation von Windenergieanlagen in der deutschen Nordsee können aufgelöste Gründungsstrukturen verwendet werden. Diese Strukturen werden üblicherweise über Grout-Verbindungen mit ihren Gründungspfählen verbunden. Die Verbindung besteht dabei aus zwei ineinandergesteckten Rohren. Die Stahloberflächen im resultierenden Spalt werden mit Schubrippen ausgestattet und der Spalt wird mit Mörtel (Grout) gefüllt. Die Verbindung befindet sich auf Höhe des Meeresbodens und wird ohne Abdichtung gegen Wasser ausgeführt. Aufgrund des Tragverhaltens der Gründungsstruktur übertragen diese Verbindungen vorwiegend axiale Lasten. Alle derzeit verfügbaren Bemessungsverfahren für den Grenzzustand der Ermüdung dieser Ver-bindungen basieren auf in trockener Umgebung durchgeführten Versuchen. Unter Wasser ausgeführte Versuche zum Ermüdungsverhalten von Betonproben zeigen einen deutlich reduzierten Ermüdungswiderstand aufgrund zusätzlicher vom Wasser erzeugter Degradationsphänomene. Ähnliche Schadensmechanismen wurden ebenfalls an den Fundamenten von Onshore Windenergieanlagen festgestellt. Im Rahmen dieser Dissertation wird der Einfluss von Wasser auf das Ermüdungsverhalten von axial beanspruchten Grout-Verbindungen untersucht und ein Numerik basiertes Bemessungsverfahren für Ermüdungsbeanspruchung unter Wasser erarbeitet. Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm für kleinskalige Verbindungen in trockener und nasser Umgebung umgesetzt. Zusätzlich wurde der Einfluss von Spaltdicke, Grout-Material, Lastniveau und verschiedenen Belastungsfrequenzen untersucht. Insgesamt wurden 78 Ver-suchskörper ausgewertet. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Reduktion des Ermüdungswiderstands, bedingt durch Wechselwirkungen zwischen Verbindung und umgebendem Wasser. Im zweiten Schritt wurden großskalige Ermüdungsversuche in nasser Umgebung realisiert. Es wurden Ergebnisse an 4 Versuchskörpern mit unterschiedlichen Spaltdicken und zwei Grout-Materialien sowie unter alternierenden und Druckschwelllasten erzielt und ausgewertet. Die Gegenüberstellung dieser Ergebnisse mit vergleichbaren publizierten Versuchen in trockener Umgebung bestätigte den zuvor beobachteten Wassereinfluss für großskalige Verbindungen. In einem dritten Schritt wurden die Versuche durch numerische Simulationen ergänzt. Ein detaillierter Modellierungsansatz mit diskreten Schubrippen wurde beschrieben. Dabei kam ein nichtlineares Materialgesetz mit Zugentfestigung für die Grout-Schicht zum Einsatz. Darüber hinaus wurde ein Bemessungsverfahren für den Grenzzustand der Ermüdung unter Verwendung existierender Ermüdungskurven für Beton vorgestellt. Die Simulationen zeigten gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Zusammengefasst konnte eine signifikante Reduktion des Ermüdungswiderstands von axial beanspruchten Grout-Verbindungen aufgrund von Wechselwirkungen mit Wasser nachgewiesen und die maßgebenden Einflussparameter bestimmt werden. Zusätzlich wurde ein numerisches Verfahren zur Bemessung von Grout-Verbindungen für den Einsatz unter Wasser vorgestellt.

Organisationseinheit(en)

Institut für Stahlbau

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

248

Publikationsdatum

2018

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/3668 (Zugang: Offen)