Zugtragverhalten von Suction-Buckets in nichtbindigen Böden

Beschreibung:

Suction Bucket-Gründungen stellen eine aussichtsreiche Alternative zu gerammten Stahlrohrpfählen für die Gründung von Offshore Windenergieanlagen (OWEA) dar. In Abhängigkeit von der Anzahl der Suction Bucket-Gründungen für eine OWEA wird die Konstruktion als Monopod oder Multipod bezeichnet. Während Monopods hauptsächlich durch Horizontalkräfte (H) und Drehmomente (M) belastet werden, sind die Vertikalkräfte (V) bei Multipods vorherrschend (siehe Bild). In diesem Projekt wird die Variante der Suction Bucket-Gründungen als Multipod untersucht, wobei für diese Konstruktion der Fall der Zugbelastung maßgebend ist.

Der Widerstand eines Suction Buckets gegenüber einer Zugbelastung resultiert aus dessen Eigengewicht, der Mantelreibung und gegebenenfalls einem Unterdruck unterhalb des Deckels. Neben der Geometrie des Suction Buckets und der Durchlässigkeit des Bodens ist die Entstehung des Unterdrucks stark abhängig von der Dauer der Belastung, sowie der Geschwindigkeit mit der die Belastung aufgebracht wird (Belastungsrate). Im Fall einer sehr geringen Belastungsrate stellt sich ein dränierter Zustand ein, bei dem eine stetige Strömung in den Bucket hinein einen Unterdruck verhindert und sich ein wassergefüllter Spalt unterhalb des Bucketdeckels ausbildet. Bei sehr hohen Belastungsraten (undränierter Zustand) entsteht unterhalb des Bucketdeckels ein Unterdruck, der die Entwicklung eines Spalts unterbindet, sodass der Boden innerhalb des Buckets angehoben wird (siehe Bild 2). Es ist zu erwarten, dass sich bei Belastung einer Suction Bucket-Gründung ein teilweise dränierter Zustand einstellt, dessen Versagensmechanismus und resultierende Hebung aus der Verknüpfung des dränierten und undränierten Zustands ergeben.  

Die Abschätzung des Widerstandes, der auf Grund des Unterdrucks entsteht, unterliegt noch sehr großen Unsicherheiten und wird in aktuellen Bemessungsverfahren nicht berücksichtigt. Weiterhin gibt es bislang keine Grundlage zur Bestimmung der Verformungsakkumulation infolge zyklischer Belastung, insbesondere wenn diese die dränierte Tragfähigkeit übersteigt. Die Vernachlässigung des entstehenden Unterdrucks unterschlägt ökonomische und ökologische Vorteile einer Suction Bucket-Gründung, ebenso wie die Ungewissheit hinsichtlich der Verformungsakkumulation eine sehr konservative Bemessung bedingt.

Zum besseren Verständnis des Verhaltens einer Suction Bucket-Gründung unter Zugbelastung werden in diesem Projekt Modellversuche durchgeführt. Die Modellversuche sind geplant mit a) konstanter Hebungsgeschwindigkeit, b) konstanter Last und c) zyklischer Belastung. Die Ergebnisse der Modellversuche dienen als Ausgangspunkt für weitergehende numerische Untersuchungen (Validierung und Extrapolation). Die Modellversuche und numerischen Modellierungen sollen die Grundlage zur Herleitung eines analytischen Berechnungsansatzes bilden, welcher die vielseitigen Mechanismen eines Suction Buckets unter Zugbelastung für beliebige Randbedingungen beschreibt.

Versuche:

Bilder von der Versuchseinrichtung finden Sie unter diesem LINK.  

Projektbericht:

Report (27,6 MB)