Offshore-Foundation-Drilling®
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter: Dipl-Ing. M. Narten
Laufzeit: 2011-2013
Förderung durch: Herrenknecht AG und der Hochtief Solutions AG.
In der Offshore-Gründungstechnik werden verschiedene Gründungsformen verwendet. Fällt die Wahl auf einen Monopile, so wird dieser üblicherweise im Rammverfahren eingebracht. Die technische Möglichkeit einer solchen Konstruktion ist jedoch durch die technische Ausführbarkeit und die Geologie des Bodens begrenzt. Hinzu kommt, dass durch den Auf- und Ausbau von Offshore-Wind-Parks durch die Rammarbeiten eine höhere Belastung der Meeresbewohner durch Schall auftreten wird/ würde.
Um diese Probleme zu umgehen, haben die HOCHTIEF AG und die HERRENKNECHT AG zusammen an einer technischen Lösung gearbeitet und entwickelten das Offshore Foundation Drilling (OFD®).
Als alternative Herstellungsmethode zu einer herkömmlichen Pfahlgründung ist das Offshore Foundation Drilling nun genauer zu untersuchen. Für die Gründung eines Monopiles entsteht durch die Nutzung der Vertikalbohrtechnik ein Ringspalt von ca. 5 cm. Dieser ist durch einen Überschnitt am Pfahlfuß gegenüber dem Außendurchmesser bedingt und dient der Reduzierung der Mantelreibung während des Vortriebs. Unmittelbar oberhalb der Pfahlfußaufweitung wird der Ringspalt während des Vortriebs kontinuierlich durch Verpressmaterial gestützt, welches durch eine spätere Aushärtung zu einem Verbund zwischen Boden und Pfahl führt. Um eine Umläufigkeit zu vermeiden, eilt das Stahlrohr dem Bohrer um ein definiertes Maß vor und der Wasserstand innerhalb des Rohres wird über dem Niveau des Außenwasserstandes gehalten.
In Labor- und maßstäblichen Feldversuchen sollte das Boden-Pfahl-System untersucht werden. Dabei wurde vorwiegend den Fragen nach dem Kraftschluss zwischen Boden und Pfahl bzw. nach der Bettung des Pfahls und der Tragwirkung des Verpressmaterials im Zusammenspiel mit einer eventuell durch den Bohrvorgang aufgelockerten Bodenzone und dem anstehenden Boden nachgegangen. In Kleinversuchen sollte außerdem der Einfluss der Auflockerung quantifiziert werden.
Um das generelle Verhalten des Pfahl-Verpressmaterial-Erdstoff-Systems zu untersuchen, wurden zuerst Laborversuche am IGtH durchgeführt. Dabei wurden verschieden variierte Systeme in einem geschlossenen Druckbehälter untersucht. In eine Druckzelle (Durchmesser etwa 20 cm, Höhe etwa 25 cm) wurde zuerst der Boden mit einer definierten Dichte bzw. Lagerungsdichte bis zu einer Höhe von 20cm, geteilt in lockere und dichte Zone, eingebaut. Daraufhin wurde unter einem festgelegten Druck (bis etwa 6 bar) das Verpressmaterial in den im Druckzylinder ausgesparten oberen Bereich (ca. 5 cm) gepresst (Bild und Prinzipskizze siehe Abbildung 1).
Bei der Durchführung dieser Versuche wurden die folgenden Parameter untersucht: Druck, Auflockerungszone, Aushärtezeit, Bodenmaterial und Mörtelmaterial.
Nach einer definierten Aushärtezeit des Verpressmaterials wurden die Last-Verformungs-Linien für die einzelnen Probekörper aufgezeichnet sowie die Eindringtiefe des Verpressmaterials visuell festgestellt.
Mit den Ergebnissen aus den Laborversuchen wurden daraufhin in enger Abstimmung mit der Firma HERRENKNECHT AG die Parameter für die Feldversuche festgelegt und großmaßstäbliche Versuche mit dem OFD®-Verfahren und dem herkömmlichen Rammvorgang durchgeführt (siehe Abbildung 2). Zusätzlich wird nun ein Finite-Elemente-Modell erstellt, welches der Übertragung der Ergebnisse der Feldversuche auf einen maßstäblichen Pfahl dient. Dabei können die Randbedingungen des Feldversuchs sowie die Maßstabseffekte berücksichtigt werden.
