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ventus efficiens - Verbundforschung zur Steigerung der Effizienz von Windenergieanlagen im Energiesystem

ventus efficiens - Verbundforschung zur Steigerung der Effizienz von Windenergieanlagen im Energiesystem

Gegenüberstellung zwischen Gründungskonzepten: Flachgründung (links) und Pfeilergründung (rechts)
Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Team:  M. Sc. Mauricio Terceros, Dr.-Ing. Klaus Thieken
Jahr:  2020
Förderung:  Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK)
Laufzeit:  01.12.2014 - 30.06.2020

Beschreibung:

Als innovatives Gründungskonzept für Onshore-Windenergieanlagen wird die Pfeilergründung (P&H-Gründung) durch eine systematische Analyse der technischen Durchführbarkeit untersucht. Zu diesem Zwecke werden dreidimensionale numerische Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode erforderlich, um eine tatsächliche Modellierung des Bodenverhaltens zu erreichen. Hierbei wird eine Vergleichsstudie des Tragverhaltens zwischen den Pfeiler- und Flachgründungen durchgeführt.

Die Sekante-Drehsteifigkeit wird als Referenzparameter berücksichtigt, um einen Überblick der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit zu erhalten, wodurch ebenfalls eine Gegenüberstellung zwischen beiden Gründungskonzepten ermöglicht wird. Zusätzlich wird das Tragverhalten des Pfeiler-Boden-Systems bei Ent- und Wiederbelastung anhand eines Referenzsystems mit seinen traditionellen Abmessungen untersucht, um korrekte Prognosen des dynamischen Verhaltens machen zu können. Dies ist für die Eigenfrequenz der gesamten Struktur der Onshore-Windenergieanlage maßgeblich.

Zum anderen wird der Kenntnisstand zum Tragverhalten pfahlgegründeter Strukturen im Bereich Offshore-Windenergieanlagen um die nachfolgend kurz erläuterten Einzelthemen erweitert.

  • Für die Analyse des Tragverhaltens von horizontal belasteter Gründungspfähle werden die am meisten verwendeten p-y-Ansätze für nicht-bindige Böden in das Programm IGtHPile implementiert, um eine komparative Studie anhand von numerischen Simulationen zu erzielen. Eine umfangreiche Parameterstudie im Hinblick auf die Eignung der bereits eingeführten p-y-Ansätze wurde mittels mehrerer geschichteter Bodenprofile durchgeführt.

  • Die Gültigkeit der in den Offshore-Richtlinien empfohlenen p-y-Methoden wurde mittels umfangreicher numerischer Vergleichsstudien untersucht. Hierzu sind sechs statische p-y-Methoden für weichen Ton in das Pfahlbemessungsprogramm IGtHPile implementiert worden. Die untersuchten p-y-Methoden erscheinen sämtlich als ungeeignet, das numerisch ermittelte Tragverhalten von Pfählen mit beliebigen Abmessungen und bei beliebigen Bodenbedingungen zutreffend abzubilden.

  • Die Gründungsreaktionen wurden in Form von lastabhängigen Steifigkeitsmatrizen abgebildet, die in gesamtdynamischen Simulationen wegen des nichtlinearen Bodenverhaltens eine genauere Prognose ermöglichen. Dieses Vorgehen zur Bestimmung der Gründungsteifigkeit wurde für alle gängigen p-y-Ansätze in das Programm IGtHPile eingebettet.

  • Das zyklische Verformungsverhalten für horizontal belastete Pfähle wird mittels der am Institut für Geotechnik entwickelten Stiffness Degradation Method (SDM) untersucht, um die Verformungsakkumulation zu prognostizieren. Zur Bewältigung dieser Aufgabe werden dreidimensionale numerische Simulationen eingesetzt.

  • Für die Bemessung von Monopile-Gründungen kommen mehrere Pfahllängenkriterien zur Anwendung, da die aktuellen Offshore-Richtlinien kein eindeutiges Vorgehen spezifizieren. Aus diesem Grund wird eine Vergleichsstudie zu vier häufig verwendeten Kriterien durchgeführt, um die erforderliche Einbindelänge der Monopile-Gründung in homogenem Sand zu erfassen.