Installation von Suction Buckets

Beschreibung:

Suction Buckets sind eine relativ neue Gründungsvariante im Bereich Offshore Windenergie, die als Mono- und Multipodgründung ausgeführt werden können.  Die Installation von Suction Buckets erfolgt zunächst durch Absetzen auf den Boden und Eindringung unter Eigengewicht. Anschließend wird ein Unterduck im Inneren des Buckets erzeugt, indem das im Bucket eingeschlossene Wasser abgepumpt wird. Als treibende Kräfte sind das Struktureigengewicht und die auf dem Bucketdeckel wirkende Druckdifferenz anzusetzen. Die Eindringwiderstände ergeben sich aus der äußeren und inneren Mantelreibung entlang der Schürze und dem Spitzendruck unter dem Fuß des Buckets.

In einem nichtbindigen Baugrund führt der Unterduck zu einer aufwärtsgerichteten Wasserströmung in den Bucket hinein, wodurch die innere Mantelreibung und der Spitzendruck unter dem Fuß signifikant verringert werden. In diesem Fall hat der Unterdruck also doppelten Nutzen: Erhöhung der treibenden Kräfte und Verringerung der Eindringwiderstände.

Allerdings kann und darf kein beliebig großer Unterdruck erzeugt werden, seine Höhe ist vorrangig durch die folgenden Aspekte begren

• Der Druck darf nicht so weit sinken, dass es zur Kavitation kommt. Praktisch ergibt sich der maximal mögliche Unterduck aus der Summe aus atmosphärischem und hydrostatischem Druck in der aktuellen Höhe des Bucketdeckels.
• Der Unterdruck darf nicht zum Beulen des Buckets führen. Der Beuldruck muss unter Berücksichtigung der aktuellen Einbindetiefe analysiert werden und kann durch konstruktive Maßnahmen wie Aussteifungen, größere Wanddicke oder Querschnittsoptimierungen erhöht werden. Dies kann sich auch wieder auf die Eindringwiderstände auswirken.
• Bei bindigem Boden kann ein zu hoher Unterdruck zum Herausbrechen von Bodenmaterial oder gar zum Ansaugen des gesamten Bodenpropfens führen. Bei nichtbindigem Boden kann er zur Bildung von Erosionskanälen und schließlich hydraulischem Grundbruch führen. Unkontrolliertes Eindringen und Schiefstellung sind dann die Folge. Unabhängig davon kommt es ohnehin zu einer Auflockerung und Hebung des nichtbindigen Bodens durch die aufwärtsgerichteten Strömungskräfte.

Der Unterdruck, dessen Überschreitung zum hydraulischen Grundbruch führt, wird als kritischer Unterdruck Δu_krit bezeichnet und lässt sich mithilfe von Strömungsnetzberechnungen bestimmen.

Dabei wird üblicherweise vereinfachend davon ausgegangen, dass aufgrund der vergleichsweise geringen Eindringgeschwindigkeit ein stationärer Strömungszustand vorherrscht. Zeitabhängige Effekte werden also vernachlässigt.

Um die oben genannten Probleme zu vermeiden, muss für jede Installation ein zulässiger Unterdruck Δu_zul in Abhängigkeit der Eindringtiefe definiert werden. Ob eine bestimmte Eindringtiefe erreicht werden kann, lässt sich durch den Vergleich von Δu_zul mit dem erforderlichen Unterdruck Δu_erf ermittlen. 

Δu_erf kann mithilfe von CPT-basierten Berechnungsmethoden oder Verfahren auf Grundlage der effektiven Spannungen berechnet werden. Diese analytischen Methoden funktionieren ähnlich wie Methoden zur Berechnung der Tragfähigkeit einer Pfahlgründung, berücksichtigen jedoch zusätzlich noch den Einfluss der Umströmung auf die Eindringwiderstände. Dabei wird vereinfachend angenommen, dass die Eindringwiderstände in linearer Abhängigkeit vom Verhältnis Δu/Δu_krit abgemindert werden können. Weiterhin wird angenommen, dass die Eindringgeschwindigkeit keinen Einfluss auf die erreichbare Eindringtiefe hat.

Ob die hier genannten Annahmen und Vereinfachungen ausreichend genau und realitätsnah für die Prognose des Eindringprozesses sind, soll mithilfe transienter, hydraulisch-mechanisch gekoppelter FEM-Berechnungen mit dem FE-Programm Abaqus überprüft werden.