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TU Berlin

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Aktuell laufende Forschungsprojekte

VERBATIM - Verifikation des Beulnachweises und -verhaltens großer Monopiles

Experimentelle und numerische Untersuchungen in VERBATIM
Lupe

Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Partner(innen): Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Jörss-Blunck-Ordemann (JBO), EnBW, Equinor, Ørsted, RWE, Scottish Power Renewables, Shell, Vattenfall​

Kontakt: Dr.-Ing. Daniel Aubram

Kurzbeschreibung: Das Gesamtvorhaben und das Teilvorhaben der TU Berlin leisten einen wichtigen Beitrag zum Ausbau der Offshore-Windenergie. Die Mehrzahl der aktuell laufenden Windparkprojekte in deutschen Gewässern wird mit Monopile-Gründungen realisiert. Die Installation leistungsstärkerer Turbinen und die tendenziell größeren Wassertiefen führen zu größeren Umwelt- und Turbinenlasten und damit zu größeren Pfahldurchmessern. Dies erfordert ein optimiertes Querschnittsdesign des Monopiles. Offene Fragen mit großem Kostenoptimierungspotential betreffen sowohl den Nachweis des Pfahlbeulens am Pfahlfuß während der Installation als auch das Beulen des gebetteten Pfahls im Bereich der Bodenoberkante. Da für diese Probleme keine abgesicherten Rechenmethoden bereitstehen, werden Pfähle bisher sehr konservativ ausgelegt. Fortschritte bei verifizierten Berechnungsmodellen und ingenieurpraktischen Nachweismethoden eröffnen der Offshore-Windindustrie die Möglichkeit, kostenoptimierte Monopile-Designs zu entwickeln. In diesem Zusammenhang verfolgt das geplante Teilvorhaben schwerpunktmäßig die folgenden Zielsetzungen:

  • Entwicklung eines numerischen Simulationsmodells für die Pfahlinstallation und für den gebetteten Pfahl unter Berücksichtigung großer Verformungen im Stahlquerschnitt und im Boden.
  • Ableitung einer praxistauglichen Nachweismethode.
  • Verifizierung des Simulationsmodells und der Nachweismethode mit Versuchen unterschiedlicher Skalierung und an großmaßstäblichen Bauwerkspfählen.

Durch die Einbindung aller an Planung, Zertifizierung und Genehmigung beteiligten Parteien sowie die Nutzung der vorhandenen Strukturen der vom Carbon Trust geführten Offshore Wind Accelerator Initiative ist die Umsetzung eines anwendungsreifen Nachweiskonzepts für die Offshore-Praxis gewährleistet.

VISSKA - Messung, Modellierung und Bewertung der Vibrationsrammung in Bezug auf Installation, Schallemissionen und Auswirkungen auf Schweinswale im Offshore-Windpark KASKASI II

Schaubild zum Forschungsprojekt VISSKA
Lupe

Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Partner(innen): RWE Renewables, itap GmbH, BioConsult SH GmbH & Co. KG, Universität Stuttgart (Institut für Geotechnik)

Kontakt: M.Sc. Lisa Berki

Kurzbeschreibung: Der Offshore-Windparks wird der erste Offshore-Windpark weltweit sein, der diese neuartige Installationsmethode, das sogenannten „Vibro Pile Driving“ anwendet, um die Fundamente für die Windturbinen bis zur endgültigen Tiefe in den Meeresgrund einzubringen. Die innovative Vibrationsrammtechnik ermöglicht eine deutlich schnellere und für die Gründungsstruktur schonendere Einbringung bei deutlich reduzierter Schallentwicklung. Bislang werden Fundamente für Offshore-Windturbinen mittels eines Hydraulikhammers mit einzelnen Schlägen in den Meeresgrund gerammt. Das neue, Verfahren hingegen nutzt senkrecht gerichtete Schwingungen, um die Fundamente in den Boden einzubringen. Gemeinsam mit den Projektpartnern sollen Prognosemodelle zur Einbringung der Monopile-Fundamente mittels Vibrationsrammung und zu der dabei entstehenden Schallentwicklung erstellen und durch Messungen unter Offshore-Bedingungen validiert werden. Dafür bearbeiten das Team der Universität Stuttgart und der TU Berlin unter anderem folgende Punkte:

  • Modellierung der dynamischen Pfahlinstallation und der daraus resultierenden Unterwasserschallausbreitung
  • Validierung der numerischen Modelle via Back-Analysis mithilfe der Messdaten
  • Sensitivitätsanalyse der Modell- und Herstellparameter

Zusammen mit den vier Projektpartnern knüpft dieses Vorhaben an jahrelange Forschung im Bereich der Vibrationsrammung im Labor und in Feldversuchen an. Langfristig soll die neuartige Gründungsmethode als eine schallärmere und naturverträglichere Alternative zum bisher genutzten Impulsrammverfahren etabliert werden.

Experimentelle Untersuchung und Entwicklung eines theoretischen Modells der Vibrofluidisierung trockener granularer Materialien

Schaubild zum Forschungsprojekt Vibrofluidisierung
Lupe

Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kontakt: M.Sc. Moritz Wotzlaw

Kurzbeschreibung: Bei vielen Verfahren des Spezialtiefbaus, wie der Bodenverdichtung mit Tiefenrüttlern oder der Vibrationsrammung von Pfählen, aber auch durch Erdbeben, werden neben zyklischen Scherdehnungen auch zyklische Beschleunigungen in den Boden eingetragen. Die von diesen Beschleunigungen erzeugten Trägheitskräfte verursachen in Sandböden eine beständige Umlagerung des Korngerüsts, wodurch der Boden einerseits verdichtet wird, andererseits jedoch für die Dauer der Einwirkung einen Teil seiner Scherfestigkeit verliert. Da in einem Sandboden unter großen Vibrationsbeschleunigungen konvektionsartige Fließbewegungen auftreten können, wird in diesem Zusammenhang auch von „Vibrofluidisierung“ gesprochen.

Obwohl der Einfluss dieses Phänomens auf das Bodenverhalten als groß eingeschätzt werden muss, gibt es bislang kein Modell, mit dem es sinnvoll, etwa in numerischen Simulationen, berücksichtigt werden kann. Die Entwicklung eines solchen Modells ist das erklärte Ziel dieses Forschungsvorhabens. Dafür sind zunächst umfangreiche Laborversuche unter der Einwirkung von Vibrationen durchzuführen, deren Ergebnisse dann in ein theoretisches Modell überführt werden soll. Dieses ist schließlich in ein numerisches Simulationsprogramm zu implementieren und anhand der Nachrechnung von Modellversuchen zu verifizieren.

Untersuchung der Rütteldruckverdichtung in Sandböden zur Optimierung der Entwurfs- und Herstellungsqualität hinsichtlich Effektivität, Prognose und Kontrolle der erzielten Bodenverdichtung

Schaubild zum Forschungsvorhaben Rütteldruckverdichtung
Lupe

Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Partner(innen): Professor Dr.-Ing. Theodoros Triantafyllidis (Ruhr-Universität Bochum), Keller Grundbau GmbH

Kontakt: M.Sc. Moritz Wotzlaw

Kurzbeschreibung: Die Rütteldruckverdichtung ist ein in den 30er Jahren in Deutschland entwickeltes und heute weltweit angewandtes Verfahren zur Verdichtung locker gelagerter Sandböden. Dabei wird der an einem Kran hängende Rüttler, unterstützt von einer Wasserspülung, in den Boden eingerüttelt, wo seine hochfrequente Rotationsbewegung eine Verdichtung des Bodens durch zyklische Scherung und Beschleunigung bewirkt. Obwohl das Verfahren schon lange erfolgreich angewandt wird, sind viele Zusammenhänge hinsichtlich des Verdichtungsmechanismus noch ungeklärt. Dies liegt einerseits an der Schwierigkeit, die üblicherweise in Tiefen von 10-20 m stattfindenden Vorgänge direkt zu beobachten und andererseits daran, dass die Simulation der Rütteldruckverdichtung mit herkömmlichen numerischen Methoden nur bedingt möglich ist. Ziel des Kooperationsprojekts ist deshalb neben der Weiterentwicklung eines Stoffgesetzes zur Abbildung des Bodenverhaltens unter hochfrequenter zyklischer Scherung mit großen Amplituden auch die Entwicklung eines fortgeschrittenen numerischen Modells unter Anwendung der sogenannten MMALE-Methode, die Konzepte der Strömungsmechanik nutzt, um die großen Verformungen des Bodens in unmittelbarer Nähe des Rüttlers behandeln zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen schließlich in ein Ingenieurmodell überführt werden, mit dem eine fundierte Bemessung von Verdichtungsmaßnahmen möglich ist.

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