VIPile: Einfluss der Vibrationsparameter auf die Installation und das Tragverhalten von Monopiles

Auf einen Blick

• Derzeit kommen bei der Errichtung von Monopiles als Gründungsstruktur von Offshore-Windenergieanlagen Schlagrammverfahren zum Einsatz.
• Schlagrammverfahren verursachen Schallemissionen, die nur mit Hilfe von teuren Reduktionsmaßnahmen die vorgeschriebenen Grenzwerte einhalten.
• Der Einsatz von Vibrationsverfahren könnte dieses Problem lösen. Es fehlt aber an Berechnungsmodellen, um die Auswirkungen auf das Tragverhalten der Monopiles zu bewerten.
• Im Forschungsprojekt VIPile entwickeln die Projektpartner daher anhand großmaßstäblicher Versuche und numerischer Simulationen validierte Berechnungsmodelle für die Installation und für die Bettungssteifigkeit vibrierter Monopiles.

Herausforderung

Für Offshore-Windenergieanlagen ist der Monopile derzeit die kostengünstigste Gründungsvariante. Bei der Installation ist dafür der zügige Baufortschritt von großer Bedeutung: Einerseits stehen für die Arbeiten auf See nur begrenzte Wetterfenster zur Verfügung, zum anderem sind die Tagesraten der Installationsgeräte entscheidende Kostenfaktoren.

Gleichzeitig müssen bei der Installation Schallgrenzwerte zum Schutz der marinen Tierwelt eingehalten werden. Schlagrammung, die üblicherweise eingesetzt wird, unterschreitet die Werte nur, wenn gleichzeitig teure Reduktionsmaßnahmen, wie Blasenschleier oder Hydroschalldämpfer zum Einsatz kommen.

Lösung

Bei der alternativ möglichen Vibrationsrammung wird der Pfahl mit Hilfe von Maschinen in den Boden eingebracht, die durch eine spezielle Anordnung von sich drehenden Unwuchten schwingende vertikale Kräfte – also Vibrationen – in den Pfahl einleiten. Durch eine gezielte Steuerung können diese Schwingungen den Widerstand des Bodens so weit reduzieren, dass der Pfahl unter seinem Eigengewicht und der statischen Auflast  in den Boden eindringt.

Die grundsätzliche Eignung dieser Installationsart konnte in (Pilot-)Projekten nachgewiesen werden. Um sie allerdings in der Offshore-Windbranche zu etablieren, ist - neben der erforderlichen Maschinentechnik - die zuverlässige Bewertung des Installationsverfahrens eine wesentliche Voraussetzung.

Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens VIPile ist daher, anhand großmaßstäblicher Versuche und numerischer Simulationen validierte Berechnungsmodelle für die Installation und für die Bettungssteifigkeit vibrierter Monopiles als Gründungsvariante von Offshore-Windenergieanlagen zur Verfügung zu stellen. Sie ermöglichen die technische Bewertung des Vibrationsrammvorgangs und dessen Auswirkungen auf das Tragverhalten der Gründung.

Mehrwert

In einem Teilprojekt wird das projektkoordinierende Fraunhofer IWES auf Erkenntnissen eines vorangegangenen Forschungsprojektes (TANDEM) aufbauen und die dort erworbenen Erkenntnisse über den Einfluss des Rammverfahrens auf das Trageverhalten des Monopiles um das Vibrationsverfahren erweitern. So sollen unter anderem die Designs der Versuchskampagnen auf Basis von Modellgesetzen und Erfahrungen aus dem TANDEM Projekt entwickelt werden. Am Ende steht die Entwicklung eines Modellansatzes zur Abbildung des Tragverhaltens von vibrierten Pfählen, die eine Weiterentwicklung des virtuellen Teststands des Fraunhofer IWES für vibrationsgerammte Pfähle ermöglichen.