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Vibro CPTu

 
Laufzeit: 01.1.2015 - 31.07.2019

Vibro CPTu

BMWI - FKZ 0325906A -
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Vibro CPTu

Thema

Das Projekt Vibro-CPTU umschreibt die Entwicklung eines Erkundungsverfahren zur Vorhersage der lateralen und axialen Tragfähigkeit einvibrierter XL-Monopiles für die Offshore-Wind-Industrie

Teilvorhaben: Geräteentwicklung für Labor- und Feldversuche

Vorhabensbeschreibung

XL-Monopiles als Fundamentierung für 6+ Mega-Watt Offshore Windenergieanlagen (OWEA) sind eine ökonomische Lösung für eine wettbewerbsfähige Energiegewinnung auf See. Hinsichtlich der Installation von XL-Monopiles gibt es erheblichen ökonomischen und ökologischen Optimierungsbedarf. Die geltenden Designstandards sind für eingerammte Pfähle entwickelt, für einvibrierte Pfähle sind die Standards zumindest was die axiale Bemessung angeht nicht anwendbar. Bei aktuellen Offshore Projekten werden in Analogie zum Vorgehen im Hafenbau die großen Monopiles zunächst einvibriert bis sie alleine stehen, danach wird aufwändig das Werkzeug gewechselt und die Pfähle bis auf Endtiefe gerammt. Hierbei ist ein großer Aufwand zur Schallemissionsverminderung nötig. Demgegenüber bietet ein Einbringen der Pfähle mit Vibrationsverfahren folgende Vorteile:

  1. Beschleunigung der Installation durch die Vibrationsmethode.
  2. Die Vorschädigung der Pfähle durch den Rammhammer wird vermindert.
  3. Die für Meeressäuger schädlichen Schallemissionen werden deutlich reduziert.
  4. Der aufwändige Werkzeugwechsel entfällt.

Die laterale Bettung ist das entscheidende Entwurfs- und Tragfähigkeitskriterium für Monopilegründungen. Deswegen wurde kürzlich die laterale Bettung von eingerammten und einvibrierten Pfählen in Altenwalde bei Cuxhaven in zwei Projekten überprüft:

  1. Durch Zugversuche in dem „Vibro Projekt, Onshore-Monopiletests“, einem Projekt der deutschen Offshore Industrie, gefördert durch den englischen Carbon Trust.
  2. Mit dynamischen Vibrationsanalysen in dem Projekt „dynapile“, gefördert durch die Wirtschaftsförderung Bremen.

Ziel der Projekte ist die lateralen Tragfähigkeiten von einvibrierten und eingerammten Pfählen zu vergleichen, um so die Unsicherheit in der Bemessung auszuräumen.

Laterale Zugtests und axiale dynamische Pfahlprobebelastungen können zwar die grundsätzliche Machbarkeit demonstrieren, aber aus Sicht einer gezielten Projektentwicklung sind es keine Prognoseinstrumente für die Auslegung vibrierter XL-Monopiles. Hier knüpft das hier vorgeschlagene Projekt mit der Entwicklung eines geeigneten Erkundungsinstruments an.

Durch die Arbeiten im Projekt “Erkundungstechnologie für Offshore‐ Schwergewichtsfundamente“ FKZ 0325407 wurden in Altenwalde nordseeähnliche Bodenbedingungen nachgewiesen, was wesentlich dazu beitrug, die dortige Sandgrube als Teststandort im „Vibro Pfahl Projekt“ zu ermöglichen. Mit dem Abschluss der Arbeiten in FKZ 0325407 steht außerdem eine CPT- Kalibrationskammer zur Verfügung, die im vorliegenden Projekt zur Entwicklung von Vibro-CPTu zu einer Erkundungsmethode für einvibrierte Pfähle verwendet werden soll.

Die Ziele des Projektes können nur im Verbund mit mehreren Projektpartnern unterschiedlichster Ausrichtung erreicht werden. Partner aus der Grundlagenforschung, Methodenentwicklung, Gerätebau, Geländeerprobungen und Offshore Projektentwickler sind gleichermaßen wichtig.

Projektziele

Ziele des Gesamtprojektes

Ziel des Projektes ist es aus dem Vergleich von statischen DIN CPTu und einer im Projekt entwickelten Vibro-CPTu die Tragfähigkeitsdegradation des Bodens durch Rammen / Vibrieren von Pfählen oder zyklisch belastete Fundamente schon bei der Erkundung zu erfassen und eine verlässlichere Rammprognose für die Vibrationsmethode zu entwickeln. Hierbei dient das Industrieforschungsprojekt Vibro Pile in Altenwalde mit seinen Pfahl- und Bodendaten als Szenario und Feldlabor.

Dieses innovative und neuartige Erkundungsverfahren wird speziell für die vibrierte Pfahlein-bringung entwickelt und wird eine verbesserte Einbringungsanalyse für das Vibrationsverfahren ermöglichen, die Steuerung der Vibration optimieren und verbesserte Prognosen z.B. der lateralen Tragfähigkeit von einvibrierten Pfählen ermöglichen.

Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden folgende Ziele des Forschungsantrags formuliert:

  1. Entwicklung einer Vibro-CPTu- Einheit (Gelände / Testkammer)
  2. Die Interpretation von Vibro-CPTu Daten zur Bewertung der Auswirkungen von Einbringungsmethoden wie Impuls - oder Vibrations-Rammung auf die Bodentragfähigkeit im Pfahl-nahbereich.
  3. Die Verwendung von Vibro-CPTu Daten zur standortgerechten Konzeption von konkreten Vibrationsrammvorgängen hinsichtlich zu verwendender Frequenzen und Kraft-Amplituden.
  4. Die Verwendung von Vibro-CPTu Daten in der Bemessung von Tiefgründungen für statische und zyklische Lasten in axialer sowie lateraler Richtung.

 

Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele

Technisches Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung, der Bau und die Geländeerprobung eines Erkundungsverfahrens für die Offshore-Wind-Industrie. Es wird eine Vibro-CPTu entwickelt, eine vibrierende Drucksondierung die eine direkte Vergleichbarkeit mit Standard-, also quasi statischen DIN/ISO CPTus erlaubt und letztlich direkte Vorhersagen des zyklischen Bodenverhaltens und der axialen und lateralen Pfahltragfähigkeit während der Ein-bringung erlauben soll.

Flankiert und geotechnisch abgesichert wird das in situ Programm durch Versuche in dem BMWi/BMU finanzierten CPT-Kalibrierstand (FKZ: 032540), der für Vibro-Versuche umgerüstet wird und ein umfangreiches zyklisch/dynamisches Versuchsprogramm an für die Nordsee relevanten Bodenproben.

Aus den Daten des Vibro Pile Projekts und den im Projekt gewonnen CPTu, Vibro CPTu, und den Labor Versuchen wird eine Bemessungs- und Einbringungsprognose in Zusammenarbeit mit den Industrie und Wissenschaftspartnern entwickelt.

Wissenschaftlich entsteht durch das Projekt ein besseres Verständnis des Verflüssigungs-verhaltens von granularem Boden und Wissen darüber wie sich die bemessungsrelvanten Bodenkennwerte eines Bodens sich nach der Verflüssigung ändern. Beides hängt sehr wahrscheinlich vom Bodentyp ab. In diesem Projekt liegt der Focus auf dicht gelagerten Nordsee Sanden.

Die Bemessungs- und Einbringungsprognose aus den in situ und Labor Projektergebnissen wird in Zusammenarbeit mit den Industrie und Wissenschaftspartnern entwickelt. Der Informationsfluss im Projekt ist in Abb. 1 dargestellt.

Abbildung 1

Antrags-Partner des Projekts sind die RWE-Innogy GmbH (RWE-I), das Vibro Pile Industrie-konsortium (VPC), das MARUM ‐ Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, Fraunhofer IWES und Geo-Engineering.org GmbH (Geo-Eng). Wichtige ausgelagerte Aufgaben sollen von den Projektpartnern als Datenschnitt-stelle Forschung-Industriekonsortium (Subkontrakt MARUM/Uni-Bremen) und NGI Norwegen Beratung Labor-versuche (Subkontrakt IWES) übernommen werden. RWE-I ist ein Errichter und Betreiber von Offshore Windparks und Koordinator von „Vibro Pile“. Das MARUM Forschungszentrum ist eine universitäre Forschungseinrichtung mit Schwerpunkt Meeresgeologie. Fraunhofer IWES bündelt die Offshore-Windenergie-Forschungen der Fraunhofer-Gesellschaft. Das Norwegian Geotechnical Institute (NGI) ist eine der weltweit führenden Institute im Bereich Geotechnik, insbesondere auch im Offshore Bereich. Geo-Eng ist ein deutscher Ingenieur-dienstleister und ein Betreiber und Entwickler von Onshore- und Offshore Geräten, gegründet wurde Geo-Eng aus dem MARUM Forschungszentrum heraus.

Die in den technischen Entwicklungszielen beschriebenen Innovationen sind nachfolgend graphisch skizziert (Abb. 2-4).

Abbildung 2
Abbildung 3
Abbildung 4

Verbundprojekt - Partner

Projektkoordination

MARUM, Universität Bremen (MARUM)
Projektleitung: Stefan Kreiter
Adresse: Raum 2230, Leobener Str. MARUM, 28359 Bremen
Telefon: 0421- 218 65845
E-Mail: [Bitte aktivieren Sie Javascript]

Verbundpartner

Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Nordwest (IWES)
Projektleitung: Jan Hebig
Adresse: Am Fallturm 5, 28359 Bremen
Telefon: 0421- 218 65804
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RWE Innogy GmbH (RWE-I)
Projektleitung: Ben Matlock / Dr. Volker Herwig
Adresse: Überseering 34, 22297 Hamburg
Telefon: +49 (0) 4020 9493 3056
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Vibro-Pile Konsortium (VPC)
Lead: RWE Innogy GmbH

Geo-Engineering.org GmbH (Geo-Eng)
Projektleitung: Benjamin Ossig
Adresse: Am Fallturm 5/1, 28359 Bremen, Germany
Telefon: 0421 69697780
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