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CPT Teststand

Background

Der Ausbau von Offshore-Windkraftanlagen in der Nordsee erfordert detaillierte Untersuchungen des Meeresbodens bis in eine Tiefe von 100 Metern. Hierbei gilt es zu ermitteln, an welchen Standorten sich der Meeresboden als Baugrund für Windkraftanlagen eignet, um dann angepasst an die jeweilige Bodenbeschaffenheit die passende Fundamentkonstruktion auswählen zu können. Zeitintensive Laboruntersuchungen an Bodenmaterial kommen jedoch nicht für alle Standorte in Frage. Hier werden Tests benötigt, die sich schnell durchführen lassen.
 

CPT Teststand (MARCC - MARUM CALIBRATION TEST CHAMBER)

Der hier am MARUM entwickelte CPT Teststand ist ein gängiges und kostengünstiges Verfahren zur Untersuchung der Beschaffenheit des Untergrunds unter Laborbedingungen. Benötigt wird nur eine kleine Probenmenge um Rückschlüsse auf Beschaffenheit des Bodens zu ziehen.
Hierbei wird eine Sondierspitze mit 2 cm pro Sekunde in die Probe gedrückt. Währenddessen messen Sensoren innerhalb der Messspitze den Eindringwiderstand. Diese Messdaten (Probendurchmesser, Drücke, Eindringwiderstand, etc.) liefern Hinweise auf Bodeneigenschaften und Sedimentfestigkeit, was unabdingbar für die Beurteilung der Tragfähigkeit bei Bauvorhaben ist. Die Messdaten können vor Ort mit speziellen Kalibrierungstabellen ausgewertet werden können.

Komponenten

  1. Kalibrierkammer
  2. Teststand
  3. Hochpräzise Spindelpumpen
  4. Echtzeitcomputer ADwin

Leistungsmerkmale

  • Berührungslose Umfangsmessung der Probe mit Lasersensoren
  • Simulation von Tiefen bis zu 500 Metern
  • Hochpräzise und Echtzeitfähige Messdatenerfassung
  • Echtzeitsteuerung der Drücke und des Vorschubs
  • Vorrichtung zum Einbau der Probe mit unterschiedlichen Einbaudichten

Messparameter

  • Axial-, Seiten- und Porendruck
  • Umfang der Sedimentprobe
  • Stellung des Hydraulikylinders / Messspitze
  • Volumenkontrolle

Kontakt

Bei Interesse:
Sollten Sie Interesse haben eigene Proben in unserem Prüfstand zu testen - freuen wir uns von Ihnen zu hören. Wir sind immer an Zusammenarbeit und Kooperationen mit anderen Universitäten und Unternehmen interessiert.

Sekretariat Prof. Dr. Tobias Mörz

Weitere Informationen zum CPT Projekt

CPT-Verbundprojekt
Zusammenfassung
Im deutschen und EU Offshore Wind Markt werden zurzeit tausende Anlagen projektiert. Allein im Bereich der Gründungen erwächst ein mittelfristiges Marktpotential in zweistelliger Milliardenhöhe. Die STRABAG AG mit Ihren Töchtern Ed. Züblin AG und STRABAG Offshore Wind GmbH stellen sich dem Marktsegment mit einer eigenen Stahl‐Beton‐ Gründung. Das Montagekonzept für Schwerkraftfundamente erfordert Seeebodenuntersuchungen im Vorfeld sowie während der Errichtung. Zeitintensive Laboruntersuchungen an Bodenmaterial kommen dafür nicht für alle Standorte in Frage;
benötigt werden rasch einsetzbare in‐situ‐Test und robuste Korrelationsmethoden um Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der OWEA sicherzustellen. Offshore CPTu (Drucksondierungen) sind gängige, kostengünstige in situ Bodenerkundungsverfahren. CPT‐ Daten der Nordsee zeigen hohe Eindringwiderstände und können nicht mit existierenden Korrelationen (z.B. nach DIN) ausgewertet werden. Vorhabensziel ist die Entwicklung von Verfahren zur CPT‐ Interpretation, die auf Nordsee‐Verhältnisse angepasst sind. Anhand von Versuchen in neu zu entwickelnden Kalibriergeräten werden Korrelationen an offshore entnommenem Nordseesand ermittelt. Diese Beziehungen werden durch geophysikalische in‐situ und Laborverfahren wie Radiometrie zur Dichtebestimmung und akustisches PS‐Logging zur Bestimmung des small‐strain Schubmoduls abgesichert. Die neu entwickelte Methodik wird noch im Projektverlauf im Zusammenspiel mit der STRABAG‐Errichtungstechnologie on‐ und offshore getestet. Im Ergebnis wird der Einsatz schlanker Gründungen möglich, der zu Kostensenkungen und ressourcenschonendem Materialeinsatz beim Bau führt. Die Aushubtiefe kann reduziert und notwendige Sedimentumlagerungen können minimiert werden. Bewertung der Setzungsempfindlichkeit gegenüber zyklischer Last ist zur Sicherung von Gebrauchstauglichkeit und Versorgungssicherheit in der Betriebsdauer nötig, um Investitionssicherheit zu gewährleisten.
Thema und Ziel
Thema des Forschungsprojektes ist die Weiterentwicklung der marinen Baugrunderkundung für Offshore Windenergie Anlagen (OWEA). Durch die Entwicklung auf dem Gebiet der offshore‐ Windenergie wird der Anteil regenerativ erzeugter Energie erheblich gesteigert. 1.000 OWEA in der AWZ sind genehmigt, weitere 1.000 Anlagen beantragt. Sichere Fundamentkonstruktionen sind dabei nicht nur für die Tragsicherheit wesentlich, sondern ebenso für die Gebrauchstauglichkeit und Lebensdauer der Anlagen, über die Versorgungssicherheit gewährleistet wird. Vorbehalte gegenüber regenerativ erzeugter Energie werden durch Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Bereitstellung abgebaut; Pannen und Ausfälle sind zu vermeiden. Eine detaillierte Kenntnis des Baugrundverhältnisse in der Tiefe ist damit zur Projektierung und Errichtung der OWEA unabdingbar. Da Gründungen außerdem offshore 25–50 Prozent der gesamten Investitionskosten einer Anlage ausmachen, liegt in der Erschließung von Tragreserven des Untergrundes und in der Anwendung neuer, schlanker Fundamente erhebliches Kosteneinsparpotential. Im Gegensatz zum offshore Öl und Gas Geschäft werden bedingt durch die großen Stückzahlen Serienfertigungen wirtschaftlich. Damit wird dieses Marktsegment auch für große Tiefbauunternehmen attraktiv. Die STRABAG SE mit Ihren Töchtern Ed. Züblin AG und STRABAG Offshore Wind GmbH stellt sich diesem Marktsegment mit einer eigenen Stahl‐Beton‐ Gründungskonstruktion. Diese so genannten Offshore Schwergewichtsfundamente stellen besondere Ansprüche an die geotechnische Meeresbodencharakterisierung. Das technische Design von Offshore‐Anlagen und Gründungen basiert auf Boden‐Parametern, wie Scherfestigkeit oder Kompressionsmodul des Bodens. Diese Werte können meist nicht direkt in‐ situ erkundet werden. Es ist notwendig diese Parameter aus den Ergebnisse indirekter Meeresbodenuntersuchungen werden abzuleiten. Bemessungsreserven ergeben sich dabei aus bisher ungenügenden Korrelationen zwischen Index‐und Design‐Parametern, die wirtschaftliche Offshore‐Erkundung (z.B. mittels Drucksondierungen) und technisches Design verbinden. Das Montagekonzept des Aufstellers STRABAG Offshore Wind GmbH (STRABAG) für Schwerkraftfundamente erfordert Meeresbodenuntersuchungen im Vorfeld sowie während der Errichtung. Zeitintensive Laboruntersuchungen an Bodenmaterial kommen dafür nicht für alle Standorte in Frage; benötigt werden vielmehr rasch einsetzbare in‐situ‐Untersuchungen und robuste Korrelationsmethoden. Nachzuweisen ist, dass die Änderung der Baugrundeigenschaften durch den Sedimentaushub während der Errichtung begrenzt ist, so dass die Hauptuntersuchungs‐ Erkundungsdaten der Bemessung weiterhin zugrunde gelegt werden können. CPT (Drucksondierung) ist ein gängiges und kostengünstiges Verfahren zur Erfassung des in‐situ Eindringwiderstands des Bodens in der Tiefe. Der Einsatz im marinen Bereich ist etabliert, befindet sich aber in der Weiterentwicklung. Ein Projektpartner ist in der Entwicklung eines Gerätes für Meeresboden‐CPT (GOST Geotechnical Offshore Seabed Tool) aktiv. Daten aus der Drucksondierung erlauben Rückschlüsse auf Partikeleigenschaften und Bodenkennwerte, die für Entwurf und Projektierung benötigt werden. CPT‐ Daten des Untergrunds der Nordsee zeigen höhere Spitzenwiderstände als üblich, insbesondere weit außerhalb der in der DIN vorgeschlagenen Korrelationen. Daher ist die Zuverlässigkeit der existierenden Interpretationsverfahren nicht abgesichert. Ein Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung von Verfahren zur Ableitung von Designparametern aus CPT‐ Daten, die auf die Verhältnisse in der südlichen Nordsee angepasst sind. Ein geplanter Weg besteht in der Korrelation von CPT‐Messgrößen und bodenmechanischen Zustandsgrößen in Standard‐ Laborversuchen an Nordseesanden. Anhand von Versuchen, die in Kalibriergeräten unter kontrollierten Anfangs‐ und Randbedingungen durchgeführt werden, lässt sich eine Beziehung zwischen Drucksondierwiderstand und dem in‐situ Spannungszustand und einem Dichteindex ermitteln. Im Forschungsprojekt soll eine neue Kalibrierzelle zur Beprobung kleiner Bodenproben entwickelt werden. Tests an offshore entnommenem Material werden somit unmittelbar
möglich.
Ein weiterer Weg besteht in der Erfassung zusätzlicher Bodenparameter durch ergänzende geophysikalische Messmethoden. Diese Messungen erhöhen die Zuverlässigkeit der empirischen Beziehung und erlauben die direkte Messung von relevanten Bodenkennwerten. So können mit Hilfe radiometrischer Messungen die Dichte des Untergrundes direkt und durch Messung der Scherwellengeschwindigkeit mittels PS‐Logging das small‐strain Schubmodul des Bodens bestimmt werden. Beide Größen sind wesentlich in der Bemessung und zur Evaluierung von CPT‐Daten. Im Projekt werden Möglichkeiten zur Integration von Messungen mittels innovativer Einstichsonde (Magnetresonanz / Kernspinn) in CPT‐Kampagnen entwickelt. Außerdem sollen Kalibrationsversuche an Triaxialzellen zur Ermittlung des Zusammenhanges zwischen Scherwellengeschwindigkeit und Dichte durchgeführt werden. Ziel ist es, durch die Kombination von CPT mit Schnelltests im Labor und geophysikalischen Erkundungsverfahren zu detaillierten Aussagen über den Zustand des Baugrundes zu kommen.
Mini-CPT
CPT Teststand