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Diplomarbeit G r n d u n g e n v o n Wi n d k r a f t a n l a g e n
S y s t e m e u n d d e re n B e m e s s u n g
von
Frank Caselowsky
Eingereicht am 09.07.2008
Studiengang Bauingenieurwesen
Hochschule Neubrandenburg
1. Prfer: Prof. Dr.-Ing. K. Mallwitz
2. Prfer: Prof. Dr.-Ing. O. Beilke
urn:nbn:de:gbv:519-thesis2008-0116-3
i
Prfungsrechtliche Erklrung
Ich versichere, dass ich die Arbeit selbstndig verfasst, nicht anderweitig fr Prfungs-
zwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben sowie wrtliche
und sinngeme Zitate als solche gekennzeichnet habe.
Plagiarism Declaration in Accordance with Examination Rules
I herewith declare that I worked on this thesis independently. Furthermore, it was not
submitted to any other examining committee. All sources and aids used in this thesis,
including literal and analogous citations, have been identified.
Unterschrift / Signature
ii
iii
Inhaltsverzeichnis
Seite 1 Einleitung.....................................................................................................................1
2 Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrem Standort.........................................3
3 Komponenten einer Windkraftanlage ......................................................................4 3.1 Rotor................................................................................................................. 4 3.2 Gondel .............................................................................................................. 4 3.3 Turm................................................................................................................. 5 3.4 Fundament ........................................................................................................ 5
4 Grndungsvarianten von Windkraftanlagen...........................................................6 4.1 Onshore-Windkraftanlagen................................................................................ 6
4.1.1 Schwergewichtsgrndung ........................................................................ 6 4.1.2 Pfahlgrndung (Monopile)....................................................................... 74.1.3 Pfahlgruppen ........................................................................................... 7 4.1.4 Kombinierte Pfahl- Plattengrndung........................................................ 8 4.1.5 Bohrrammsule ....................................................................................... 9
4.2 Offshore-Windkraftanlagen ............................................................................. 10 4.2.1 Monopile ............................................................................................... 11 4.2.2 Tripod.................................................................................................... 12 4.2.3 Jacket .................................................................................................... 13 4.2.4 Saugpfahl (Suction-Bucket-Grndung) .................................................. 14 4.2.5 Schwergewichtsgrndung ...................................................................... 16 4.2.6 Schwimmende Fundamente ................................................................... 17
4.2.6.1 Arcadis-Konzept ...................................................................... 18 4.2.6.2 Hywind-Konzept ...................................................................... 18 4.2.6.3 Henderson-Konzept.................................................................. 19 4.2.6.4 Sway-Konzept .......................................................................... 19 4.2.6.5 Ritec-Industries-Konzept.......................................................... 20 4.2.6.6 Kusan-Konzept......................................................................... 20
5 Einwirkungen auf eine Windkraftanlage und deren Bemessung.........................22 5.1 Eigengewicht .................................................................................................. 23 5.2 Windbelastung ................................................................................................ 23
5.2.1.1 Normalwindprofilmodell (NWP) .............................................. 29 5.2.1.2 Normalwindturbulentmodell (NTM)......................................... 30 5.2.1.3 Extremes Windgeschwindigkeitsmodell (EWM)....................... 30 5.2.1.4 Extreme Betriebsb (EOG)....................................................... 30 5.2.1.5 Extreme Windrichtungsnderung (EDC)................................... 31
INHALTSVERZEICHNIS
iv
5.2.1.6 Extreme kohrente B (ECG)................................................... 32 5.2.1.7 Extreme kohrente B mit Richtungsnderung (ECD).............. 32 5.2.1.8 Extremer Windgradient (EWS)................................................. 33
5.3 Temperatur...................................................................................................... 34 5.4 Eislast ............................................................................................................. 35 5.5 Erdbeben......................................................................................................... 37 5.6 Wellen und Strmungen .................................................................................. 38 5.7 Kolkung.......................................................................................................... 41 5.8 Verflssigung .................................................................................................. 43 5.9 Eisgang ........................................................................................................... 44 5.10 Schiffskollision ............................................................................................... 49 5.11 Gesamtdynamische Berechnung...................................................................... 51
6 Bemessungsanstze der Grndung .........................................................................55 6.1 Flachgrndung (Schwergewichtsgrndung)..................................................... 55
6.1.1 Kippen................................................................................................... 55 6.1.2 Grundbruch ........................................................................................... 56 6.1.3 Gleiten................................................................................................... 61 6.1.4 Auftrieb................................................................................................. 62 6.1.5 Setzungen.............................................................................................. 63
6.2 Pfahlgrndungen ............................................................................................. 65 6.2.1 Inneres Tragverhalten ............................................................................ 65 6.2.2 ueres Tragverhalten........................................................................... 65
6.2.2.1 Axiale Pfahlwiderstnde........................................................... 66 6.2.2.2 Horizontal belastete Pfhle ....................................................... 73 6.2.2.3 Maximale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden.............. 74 6.2.2.4 Maximale Bettungsspannung in weichem, bindigen Boden....... 78 6.2.2.5 Maximale Bettungsspannung in steifem, bindigen Boden ......... 80 6.2.2.6 Bettungsspannung in Abhngigkeit von der Horizontalen
Pfahlverformung ...................................................................... 80 6.3 Pfahlgruppen................................................................................................... 83 6.4 Saugrohrgrndung........................................................................................... 88
7 Erfahrungen mit Windkraftanlagen .......................................................................91
8 Bemessungsbeispiel...................................................................................................94
9 Schlussfolgerung und Zusammenfassung...............................................................96
Quellenverzeichnis.........................................................................................................97
v
Abbildungsverzeichnis
Seite Abb. 1: Primrenergieverbrauch 2006, davon aus erneuerbarer Energie [1] ................... 1
Abb. 2: Komponenten einer WKA [2] ........................................................................... 4
Abb. 3: Lastabtragungsprinzip [4] ................................................................................. 6
Abb. 4: Beispiel einer Schwergewichtsgrndung [5] ..................................................... 6
Abb. 5: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] ................................................................... 7
Abb. 6: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] ................................................................... 7
Abb. 7: Lastabtragungsprinzip [4] ................................................................................. 8
Abb. 8: Kombinierte Pfahl-Plattengrndung als geotechnische Verbundkonstruktion mit den das Tragverhalten prgenden Interaktionseinflssen [7] .................................. 9
Abb. 9: Schnitt durch eine Grndung im Windpark Katzenberg [8] ............................. 10
Abb. 10: Grndungsvarianten von Offshore-Windkraftanlagen [9].............................. 10
Abb. 11: Monopile-Grndung [10].............................................................................. 11
Abb. 12: Monopile-Grndung mit Abspannseilen [10] ................................................ 11
Abb. 13: bergang Grndung/Turm [11] .................................................................... 12
Abb. 14: Beispiel einer Tripod-Grndung [10] ............................................................ 13
Abb. 15: Beispiel einer Jacket- Grndung [10]............................................................ 14
Abb. 16: Installation einer Saugrohrgrndung [13]...................................................... 15
Abb. 17: Saugrohrgrndungsvarianten [12]................................................................. 15
Abb. 18: Beispiel Schwergewichtsgrndung [10] ........................................................ 16
Abb. 19: einzelne Teile eines Elementes OBS [13]..................................................... 17
Abb. 20: zusammengefgtes Gesamtsystem OBS [13] ............................................... 17
Abb. 21: Arcadis-Konzept [14] ................................................................................... 18
Abb. 22: Hywind-Konzept [15]................................................................................... 19
Abb. 23 Henderson-Konzept Variante 1 [16] ............................................................... 19
Abb. 24: Henderson-Konzept Variante 2 [16].............................................................. 19
Abb. 25: Sway-Konzept [17]....................................................................................... 20
Abb. 26: Ritec-Industries-Konzept [18]....................................................................... 20
Abb. 27: Kusan- Konzept [19] .................................................................................... 21
Abb. 28: Einwirkungen auf eine Offshore- Windkraftanlage [20] ................................ 22
Abb. 29: Schematische Darstellung der Belastung mit turbulenten Windfeld [24] ...... 24
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
vi
Abb. 30: Summenhufigkeitsverteilung der Rayleigh Verteilung fr die mittleren Windgeschwindigkeiten der WEA-Klassen [24] .................................................. 29
Abb. 31: DC -Werte von Pfahlquerschnitten mit stabilen Ablsepunkten[28].............. 40
Abb. 32: Angaben fr eine Pfahlgruppe [28] ............................................................... 41
Abb. 33: Strmungsbild und Kolke an einem zylindrischen Pfahl[34] ......................... 41
Abb. 34: Kolke an einem Monopile [35] ..................................................................... 42
Abb. 35: Kolksicherung an einem Monopile [36] ........................................................ 42
Abb. 36: Auflockerungszonen durch Bodenverflssigung bei verschiedenen Pfahllngen [20].................................................................................................. 43
Abb. 37: Schubbruch [39] ........................................................................................... 46
Abb. 38: horizontaler Spaltbruch [39] ......................................................................... 47
Abb. 39: Kollisionsmodell: Bercksichtigte Randbedingungen und Ausgaben [41] ..... 50
Abb. 40: Bewertung der Kollisionssimulation [41]...................................................... 51
Abb. 41: Anregende Krfte und Schwingungsfreiheitsgrade einer WKA [42] .............. 52
Abb. 42: Beispiel eines Campbell-Diagrammes [24] ................................................... 53
Abb. 43: Beispiel fr den Einfluss der Bodendrehfeder auf die Eigenfrequenz des Turmes [24]......................................................................................................... 53
Abb. 44: Schematische Darstellung des Vorgehens bei der gesamtdynamischen Berechnung a)und bei dem vereinfachten Verfahren b) [24]................................. 54
Abb. 45: Grundriss rechteckiges Fundament; Bezeichnungen zweiachsiger Ausmittigkeit [22] ............................................................................................... 56
Abb. 46: Faktor zur Berechnung der Pfahlmantelreibung in Abhngigkeit des Verhltnisses [2] ............................................................................................. 69
Abb. 47: Aktivierte Pfahlmantelreibung nach API [47]................................................ 72
Abb. 48: Bettungsmodulverfahren, Lngsschnitt (links), Querschnitt (rechts) [2] ........ 73
Abb. 49: Spannungsverteilung auf den Pfahl [2] ......................................................... 74
Abb. 50: Faktoren C in Abhngigkeit vom Reibungswinkel , [2] ............................... 75
Abb. 51: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]................................................................................................... 76
Abb. 52: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]................................................................................................... 77
Abb. 53: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]............................................................................................................................ 79
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
vii
Abb. 54: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]............................................................................................................................ 79
Abb. 55: p-y-Kurve fr einen Pfahl in weichem, bindigen Boden bei statischer Horizontalbelastung [47] ..................................................................................... 81
Abb. 56: Anfangsmodul der Untergrundreaktion k als Funktion des Reibungswinkels [37] ....................................................................................... 83
Abb. 57: Nomogramme zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe [51] ..................................................................................................................... 84
Abb. 58: Nomogramme zur Bercksichtigung des Einflusses der Gruppengre zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe fr 36,0/ =da [51] .......... 85
Abb. 59: Nomogramme zur Bestimmung der Verdrehung infolge Momenteneinwirkung [51] ..................................................................................................................... 85
Abb. 60: Nomogramme zur Bercksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen [51] ........................................................................................ 87
Abb. 61: Nomogramme ber den Einfluss der Gruppengre auf die Gruppenwirkung [51] ..................................................................................................................... 87
Abb. 62: Tragverhalten im Endzustand [12] ................................................................ 88
Abb. 63: Saugrohrgrndung mit Hexafix Strebenstruktur [12]..................................... 89
Abb. 64: Bemessung der Saugrohrgrndung fr das Hexafix als Schwergewichtsfundament (Saugnapf-links, oder als Pfahl rechts[12]................. 90
Abb. 65: Altersverteilung der im WMEP beobachteten WKA [52] .............................. 91
Abb. 66: technische Verfgbarkeit der WKA im WMEP [52] ...................................... 91
Abb. 67: Anteile der betroffenen Hauptkomponenten an der Gesamtzahl der Schden [52] ..................................................................................................................... 92
viii
Tabellenverzeichnis
Seite Tabelle 1: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054-4 [22] ................ 23
Tabelle 2:Einteilung in Windzonen [22] ...................................................................... 24
Tabelle 3: Gelndekategorien nach DIN 1055-4 [21]................................................... 25
Tabelle 4: Kombination von Lastfllen und Temperatur [25] ....................................... 28
Tabelle 5: Kombination von Lastfllen und Temperatur .............................................. 35
Tabelle 6: Lineare Wellentheorie. Physikalische Beziehungen[27] .............................. 39
Tabelle 7: Anstze zur Abschtzung der Kolktiefe an Pfhlen, gleichmige Strmung fr h 30m, D 6m, Uc 0,5m/s, Ucr 1,0m/s [33]................................................. 42
Tabelle 8: Eisdruckwerte fr verschiedene Querschnittformen [27] ............................. 47
Tabelle 9: Faktor fr die Berechnung der Risslnge [36] .......................................... 48
Tabelle 10: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054-4 [22])............. 57
Tabelle 11: Formbeiwerte nach DIN 4017[43]............................................................. 59
Tabelle 12: Gelndeneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [43], Gelndeneigung.......... 60
Tabelle 13: Sohlneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [43], Sohlneigungswinkel ......... 60
Tabelle 14: Streuungsfaktor zur Bercksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen [22] ........................................................ 67
Tabelle 15: Tragfhigkeitsbeiwert und Wandreibungswinkel nach API(2000) [46] ...... 70
Tabelle 16: Beispiele von Messstationen ..................................................................... 93
Tabelle 17: Zusammenstellung der erforderlichen Bodenkennwerte ............................ 94
ix
Symbolverzeichnis
A fr Kraftbertragung magebende Sohlflche
bA Pfahlfuflche
kA Auftriebskraft
sA eingebettete Pfahlmantelflche
isA , Pfahlmantelflche in der Schicht i
lokalA Flche ber die der lokale Eisdruck aufgebracht wird
PfahlA Pfahlquerschnittsflche
refA Bezugsflche fr den Kraftbeiwert
vA Zusatzlast
C Skalierungsparameter der Weibull-Funktion
321 ,, CCC Beiwerte in Abhngigkeit von,
DC Widerstandsbeiwert des Strmungsdrucks
MC Widerstandsbeiwert der Strmungsbeschleunigung
D Rotordurchmesser
E Elastizittsmodul des Pfahlmaterials
mE mittlerer Zusammendrckungsmodul fr die magebende Schicht
kE kinetische Energie
dpE , Bemessungswert des Erdwiderstandes parallel zur Sohlflche an der
Stirnseite des Fundaments
F Querschnittsflche des umstrmten Pfahles im betrachteten Bereich in
Strmungsrichtung
wF statische Ersatzlast fr die Gesamtwindkraft
G Benreaktionsfaktor
sstkG , Eigengewicht des Fundamentes
SYMBOLVERZEICHNIS
x
)( effv zI Turbulenzintensitt
J empirischer Korrekturwert aus Feldversuchen
K Erddruckbeiwert
0K Erdruhedruckbeiwert
aK aktiver Erdruckbeiwert nach Rankine
RiL Risslnge des Eises
M generalisierte Masse
N Anzahl der Pfhle
dN Bemessungswert der Beanspruchung senkrecht zur Fundamentsohle
qN Tragfhigkeitsbeiwert
0P Eislast
)( nnP Wellenlast eines Einzelpfahls n unter Bercksichtigung des Phasenwin-
kels txk n =
Q mobilisierter Pfahlfuwiderstand
0Q quasi- statischer Anteil (Bengrundanteil) der Benreaktion
kQ ungnstig wirkende Kraft
pQ maximaler Pfahlfuwiderstand
R Rotorradius
min,1mR kleinster Einzelwert der Pfahlprobebelastung
kbR , charakteristischer Pfahlfuwiderstand
kR charakteristischer Pfahlwiderstand
dnR , Bemessungswert des Grundbruchwiderstandes
ksR , charakteristischer Pfahlmantelwiderstand
dtR , Bemessungswert des Gleitwiderstandes
SYMBOLVERZEICHNIS
xi
xR Resonanzanteil der Antwort infolge der Benreaktion
S Kolktiefe
T Dauer der extremen Windrichtungsnderung
dT Bemessungswert der Beanspruchung parallel zur Fundamentsohlflche
cU mittlere Strmungsgeschwindigkeit
crU kritische Strmungsgeschwindigkeit
)( zV Windgeschwindigkeit in der Hhe z
aveV Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in Nabenhhe
cgV Extremwert der Windgeschwindigkeitsamplitude des kohrenten Ben-
verlaufs ber die gesamte vom Rotor berstrichene Flche
gustNV Maximalwert der Windgeschwindigkeit der extremen Betriebsb, mit
einem zu erwartenden Wiederkehrzeitraum von N Jahren
hubV 10-mim-Mittelwert der Windgeschwindigkeit in Nabenhhe
inV Einschaltgeschwindigkeit
outV Abschaltgeschwindigkeit
refV Bezugsgeschwindigkeit
X Tiefe unter Bodenoberflche
RX bertragungstiefe
,a rechnerische Fundamentlnge
b Breite des Fundamentes
,b rechnerische Fundamentbreite
c Kontaktbeiwert
c Kohsion des Bodens
fc aerodynamischer Kraftbeiwert
SYMBOLVERZEICHNIS
xii
,kc charakteristischer Wert der Kohsion des Bodens in der Bruchflche
durch den Boden
maxc maximale Blatttiefe
minc linear aus der Blattkontur extrapolierte Blatttiefe an der Blattspitze
)(zcu undrnierte Scherfestigkeit des Bodens in der Tiefe z
uc undrnierte Scherfestigkeit am Pfahlfu
uc ber die Einbindelnge gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit
kuc , charakteristischer Wert der Scherfestigkeit des undrnierten Bodens
d Breite des Bauwerkes
d Grndungstiefe
f Setzungsbeiwert
1,0f erste Eigenfrequenz des Turmes
Eisf Frequenz der Eisbelastung
nf Eigenfrequenz der Konstruktion
Rf max. Drehfrequenz des Rotors im Betrieb
mRf , Durchgangsfrequenz der m Rotorbltter
g Spitzenfaktor
g Erdbeschleunigung
h Dicke des Eises
ch charakteristische Dicke des Eises
bi fr den Einfluss der Breite
di fr den Einfluss der Tiefe
ci fr den Einfluss der Kohsion
k Formparameter der Weibull-Funktion
k )/3,0exp(3,000675,0 1RR+
SYMBOLVERZEICHNIS
xiii
k Kontaktbeiwert
sk Anfangswert des Bettungsmoduls
m Formbeiwert
Schiffm Masse des Schiffes
Wasserm Masse des umgebenen Wassers
p Luftdichte
Dp Strmungsdruckkraft infolge des Strmungswiderstandes je Lngenein-
heit des Pfahles
Mp Trgheitskraft infolge der instationren Wellenbewegung je Lngenein-
heit des Pfahles
)(zpu maximale Bettungsspannung
up Maximalwert der Bettungsspannung bei statischer Belastung in der
Tiefe z
bq Pfahlspitzenwiderstand
kbq , charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstandes
)( em zq mittlerer Geschwindigkeitsdruck in Hhe ez ber Gelnde
sq ber die Einbindelnge gemittelte Pfahlmantelreibung
iksq ,, charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i
max,sq Maximalwert der Pfahlmantelreibung sq
s Gesamtsetzung der Eck-oder Randpunkte
ms Setzungsanteil infolge mittiger Belastung
xs Setzungsanteil aus dem Moment xy eVM =
ys Setzungsanteil aus dem Moment yx eVM =
u horizontale Komponente der Geschwindigkeit der Wasserteilchen am
betrachteten Pfahlort
SYMBOLVERZEICHNIS
xiv
Eisv Geschwindigkeit des Eises
mv mittlere Windgeschwindigkeit
nx Abstand des Pfahls n von der y-z Ebene
y horizontale Pfahlverschiebung in der Tiefe z
z Axialverschiebung
z Hhe ber Gelndeoberflche
z zur Aktivierung von max,sq erforderliche Verschiebung zwischen Pfahl und
Baugrund
ez effektive Hhe
hubz Nabenhhe ber Grund
1 Turbulenzlngenparameter
Hhenexponent
Ausbreitungswinkel des rumlichen passiven Erdkeils
Beiwert
wirksame Wichte
1 Wichte des Bodens oberhalb der Grndungssohle
2 Wichte des Bodens unterhalb der Grndungssohle
dstG , Teilsicherheitsbeiwert
sstG , Teilsicherheitsbeiwert
dstQ , Teilsicherheitsbeiwert
w Wichte des Wassers
log. Dmpfungsdekrement
Wandreibungswinkel
kS , charakteristischer Wert des Sohlreibungswinkels
:c Dehnung bei der Hlfte der maximalen Spannung in einem undrnierten
SYMBOLVERZEICHNIS
xv
M Faktor fr die Hhe der Momenteneinwirkung
maxmin/1year extreme Temperatur mit 1 Jahr Wiederkehrperiode
eN extreme Windrichtungsnderung mit einem Wiederkehrzeitraum von N
Jahren
yearmean , mittlere Temperatur am Standort
operationmax,min/ extreme Temperatur fr den Betrieb der Anlage
Beiwert
b fr den Einfluss der Breite
d fr den Einfluss der Tiefe
c fr den Einfluss der Kohsion
E Massenbelegung auf der Vorderkante des Rotorblattes bei halbem Radius
b fr den Einfluss der Breite
d fr den Einfluss der Tiefe
c fr den Einfluss der Kohsion
Streuungsfaktor
b fr den Einfluss der Breite
d fr den Einfluss der Tiefe
c fr den Einfluss der Kohsion
E Dichte des Eises 700 kg/m
tu
horizontale Komponente der Beschleunigung der Wasserteilchen am
betrachteten Pfahlort
a Gleitflche fr aktiven Erddruck
1 Standardabweichung
0 mittlerer Sohldruck unter dem Fundament
SYMBOLVERZEICHNIS
xvi
c,0 charakteristische Druckfestigkeit des Eises
lokalc ,,0 charakteristische lokale Eisdruckfestigkeit
c Druckfestigkeit der Eisdecke
,c Vorbelastung des Bodens
f Biegefestigkeit des Eises
,v wirksame Vertikalspannung
v ber die Einbindelnge gemittelte, wirksame Vertikalspannung
)(, zv wirksame Vertikalspannung in der Tiefe z
,z vorhandene wirksame Vertikalspannung
,k charakteristischer Wert des Reibungswinkels des Bodens in der Bruchfl-
che durch den Boden
xvii
Anlageverzeichnis
Anlage 1 Baugrunddaten, Geotechnische Bemessung einer Grndung
Anlage 2 Geotechnische Bemessung einer Grndung
1
1 Einleitung
Seit einigen Jahren setzt die Bundesregierung zur Energiegewinnung immer mehr auf
erneuerbare Energien und dieser Trend wird in Zukunft weiter anhalten. Grnde sind
zum einen der Klimaschutz, mit Reduzierung der CO2- Emissionen und zum anderen
werden in naher Zukunft die fossilen Brennstoffe zur Neige gehen und stehen dann der
Energiegewinnung nicht mehr zur Verfgung. Zustzlich wird der Energiebedarf durch
das Bevlkerungswachstum weltweit weiter stark ansteigen. Energiegewinnung durch
nukleare Brennstoffe hat den Nachteil, dass es momentan noch keine bekannte Techno-
logie gibt, um sie in kologisch unbedenklicher Form umzuwandeln. Es besteht immer
ein hohes Betriebsrisiko von Kernkraftwerken und Atommllendlagern durch Freiset-
zung von radioaktiver Strahlung (z.B. Tschernobyl). Als Alternative mssen deshalb die
erneuerbaren Energien noch weiter und besser genutzt werden. 2006 hatten die erneuer-
baren Energien in der Bundesrepublik Deutschland einen Anteil von 5,9% des Primr-
energieverbrauches (Abb.1). Bis 2020 will die Bundesregierung diesen Anteil auf 14%
erhhen.
Abb. 1: Primrenergieverbrauch 2006,davon aus erneuerbarer Energie [1]
Ein wichtiger Faktor bei der Energiegewinnung ist dabei die Windenergie. Es werden
immer leistungsfhigere Windkraftanlagen hergestellt. Die Standorte sind im Binnen-
land allerdings begrenzt. Nicht berall sind die Windverhltnisse so, dass sich die
Energiegewinnung durch Windkraftanlagen wirtschaftlich rentiert, zudem grenzen
gesetzliche Regelungen die Standorte ein (z.B. Naturschutz, sthetische Beeintrchti-
EINLEITUNG
2
gung des Landschaftsbildes, Gerusche, Schattenwurf usw.). Neue Standorte wurden
deshalb auf dem Wasser errichtet. Die so genannten Offshore-Windkraftanlagen finden
immer grere Bedeutung fr die Energiegewinnung und somit auch fr den Klima-
schutz.
3
2 Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrem
Standort
Windkraftanlagen knnen sich von ihrem Standort unterscheiden. Auf dem Land wird
schon seit langer Zeit der Wind zur Energiegewinnung genutzt. Seit einigen Jahren
werden auch die Meere dafr mit einbezogen. Durch die Unterschiede der Umweltbe-
dingungen der Standorte werden die Windkraftanlagen in drei Kategorien eingeteilt.
Onshore-WKA: sind Windkraftanlagen auf dem Binnenland
Offshore-WKA: sind Windkraftwerke die auf oder im Wasser errichtet wer-
den (Kstenfern)
Nearshore-WKA: zhlen zu den Offshore- WKA (Kstennah)
Windkraftanlagen
(WKA)
Onshore-WKA Nearshore-WKA Offshore-WKA
4
3 Komponenten einer Windkraftanlage
Windkraftanlagen bestehen aus vier Hauptkomponenten die in Abb.2 schematisch
dargestellt sind.
Abb. 2: Komponenten einer WKA [2]
3.1 Rotor
Der Rotor besteht aus den Rotorblttern und der Rotornabe. Es kommen heute fast
ausschlielich 3 Rotorbltter, die rechtsdrehend sind, zum Einsatz. Die Rotorbltter
fangen den Wind und leiten aus dessen Bewegungsenergie die Leistung auf die Rotor-
nabe weiter. Die Rotorbltter bestehen in der Regel aus glasfaserverstrktem Polyester
[3].
3.2 Gondel
In der Gondel wird die gesamte Technik einer Windkraftanlage untergebracht, wie
Antriebswelle, Hauptlager, Getriebe, Generator, Windrichtungsnachfhrung, Steue-
rungs- und Sicherheitssysteme. Um sich dem stndigen Richtungswechsel des Windes
anzupassen, ist die Gondel in der Regel drehbar [3].
KOMPONENTEN EINER WINDKRAFTANLAGE
5
3.3 Turm
Windkraftanlagen bestehen in der Regel aus Stahltrmen, die aus mehreren zylindri-
schen Segmenten bestehen oder die als Fachwerkkonstruktion (Gittermast) ausgefhrt
werden. Durch die hohen Stahlpreise kommen immer fter Betontrme zum Einsatz, die
in Kletter-Bauweise hergestellt werden. Die Aufgabe des Turmes ist es, smtliche
Reaktionskrfte der Maschine und der Einwirkungen aufzunehmen und weiterzuleiten
[3].
3.4 Fundament
Das Fundament trgt das gesamte Gewicht der Windkraftanlage und muss zustzlich
Lasten aufnehmen (z.B. Windlast). Die Aufgabe des Fundamentes ist es, diese Lasten in
den Boden abzuleiten. Je nach Grndungsart werden sie blicherweise aus Stahlbeton
oder Stahl hergestellt [3].
6
4 Grndungsvarianten von Windkraftanlagen
4.1 Onshore-Windkraftanlagen
Windkraftanlagen auf dem Binnenland werden in der Regel als Schwergewichtsgrn-
dung oder Pfahlgrndung ausgefhrt. Bei ungnstigen Bodenverhltnissen kann auch
eine Kombination von beiden zum Einsatz kommen.
4.1.1 Schwergewichtsgrndung
Bei Schwergewichtsgrndungen werden die Lasten ber Normalspannungen und
Schubspannungen in der Sohlflche in den Baugrund abgeleitet (Abb.3). Da der lastab-
tragende Bereich dem ein- bis zweifachen Fundamentdurchmesser entspricht, erfordert
dies oberflchennah einen ausreichend tragfhigen Baugrund.
Abb. 3: Lastabtragungsprinzip [4]
Abb. 4: Beispiel einer Schwergewichtsgrndung [5]
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
7
4.1.2 Pfahlgrndung (Monopile)
Der Lastabtrag bei der Pfahlgrndung erfolgt vertikal ber die Mantelreibung und den
Spitzendruck, die horizontale Lastabtragung ber die seitliche Bettung.
Abb. 5: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6] Abb. 6: Pfahlgrndung mit Frankipfahl [6]
4.1.3 Pfahlgruppen
Bei Pfahlgruppen wird eine Lastverteilung auf die einzelnen Grndungselemente
erreicht und damit eine Reduzierung der Lasten auf ein Grndungselement. Das Trag-
verhalten wird im Wesentlichen durch die Druck- Zug Wechselbelastung charakterisiert.
Ein Grund dafr ist die Windbelastung, die aus verschiedenen Richtungen einwirken
kann. Die Wechselwirkung zwischen Druck und Zug beeintrchtigt die Steifigkeit des
Bodens und damit auch die Tragfhigkeit des Bodens. Die Lastabtragung in den Bau-
grund erfolgt bei Druckpfhlen ber die Mantelreibung und den Spitzendruck, bei
Zugpfhlen nur ber die Mantelreibung. Die Horizontallasten werden entweder durch
Schrgstellung der Pfhle oder ber die seitliche Bettung in den Baugrund abgeleitet
(Abb.7).
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
8
Abb. 7: Lastabtragungsprinzip [4]
4.1.4 Kombinierte Pfahl- Plattengrndung
Die Kombinierte Pfahl- Plattengrndung (KPP) ist eine geotechnische Verbundkon-
struktion, die unter Inanspruchnahme von Interaktionseinflssen die gemeinsame
Tragwirkung der Grndungselemente Fundamentplatte und Pfhle bei der Einleitung
von Bauwerkslasten erfasst. Die Einwirkungen werden bei Pfhlen durch die Mantelrei-
bung und Spitzendruck sowie ber die Sohlflche der Fundamentplatte in den Baugrund
abgeleitet. Durch den zustzlichen Lastabtrag ber die Pfhle wird die Gebrauchstaug-
lichkeit bzw. Tragfhigkeit der Flachgrndung erhht. Zu den Interaktionseinflssen
zhlen die [7]:
Pfahl- Boden- Interaktion
Pfahl- Pfahl- Interaktion
Platten- Boden- Interaktion
Pfahl-Platten- Interaktion
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
9
Abb. 8: Kombinierte Pfahl Plattengrndung als geotechnische Verbundkonstruktionmit den das Tragverhalten prgenden Interaktionseinflssen [7]
4.1.5 Bohrrammsule
Sind die Bodenverhltnisse so ungnstig, dass Pfhle unwirtschaftlich sind und bei
Flachgrndungen mit greren Setzungen zu rechnen ist, knnen Baugrundverbesse-
rungen vorgenommen werden. Bohr-Rammsulen stellen dafr eine Alternative da.
Dabei werden Schottersulen mit hoher Dichte im Boden hergestellt. Durch die Erh-
hung der Tragfhigkeit des Bodens knnen dann Flachgrndungen realisiert werden. Im
Windpark Katzenberg (bei Erfurt) wurde diese Variante der Baugrundverbesserung
durchgefhrt (Abb.9) [8].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
10
Abb. 9: Schnitt durch eine Grndung im Windpark Katzenberg [8]
4.2 Offshore-Windkraftanlagen
Die Grndungen von Offshore-Windkraftanlagen sind im Gegensatz zu Onshore-
Windkraftanlagen zustzlichen Einwirkungen wie z.B. Wellenbelastung, Kolkung,
Eisgang ausgesetzt. Die Wassertiefe spielt bei der Wahl der Grndungsvariante eine
wichtige Rolle.
Abb. 10: Grndungsvarianten von Offshore Windkraftanlagen [9]
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
11
4.2.1 Monopile
Die Grndungsstruktur besteht aus einem Grorohrpfahl (Abb.11). Der Lastabtrag
erfolgt vertikal ber die Mantelreibung und den Spitzendruck, die horizontale Lastab-
tragung ber die seitliche Bettung. Um Schiefstellungen zu verhindern knnen Monopi-
lestrukturen durch Seile abgespannt werden (Abb.12). Die Seile knnen allerdings ein
Hindernis fr die Schifffahrt sein und die Zugnglichkeit zur Anlage erschweren (z.B.
fr Wartungsarbeiten). In Gebieten mit Eislasten sind Seile nicht zu empfehlen [10].
Abb. 11: Monopile Grndung [10] Abb. 12: Monopile Grndung mit Abspannseilen [10]
Vorteile:
einfache und schnelle Installation
keine groe Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich
Kolksicherung einfach ausfhrbar
Nachteile:
- schweres Rammgert erforderlich
- Pfahldurchmesser sind ausfhrungstechnisch begrenzt
- nicht geeignet bei Steinhindernissen
- Einsatz begrenzt bis Wassertiefe 20m
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
12
Die Schnittstelle zwischen Turm und Grndung wird ber eine spezielle Verbindung
realisiert, bei dem zwei ineinander gestellte Rohrstcke mit hochfestem Mrtel ver-
presst werden (Abb.13). Schiefstellungen des gerammten Pfahlteils knnen dabei
ausgeglichen werden.
Abb. 13: bergang Grndung/Turm [11]
4.2.2 Tripod
Der Turmschaft ist durch eine dreibeinige Abstrebung und horizontal liegenden Ausstei-
fungen gesttzt (Abb.14). Die Verbindung mit dem Baugrund erfolgt mit Pfhlen, die in
Hlsen am Ende der Tripodbeine gefhrt und durch Verpressen kraftschlssig mit
diesen verbunden werden [10].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
13
Abb. 14: Beispiel einer Tripod Grndung [10]
Vorteile:
Pfahldurchmesser liegen im bisherigen Erfahrungsbereich
keine groe Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich
in greren Wassertiefen einsetzbar (bis 80m)
Kolksicherung einfach ausfhrbar
Nachteile:
nicht geeignet fr Steinhindernisse
hherer Stahlverbrauch
4.2.3 Jacket
Die Grndungsstruktur besteht aus einem aus Stahlrohren gebildeten rumlichen Fach-
werk, an dessen unteren Eckpunkten Hlsen angeordnet sind, durch die die Pfhle
gerammt werden (Abb.15). Jacket-Gndungen werden bereits seit vielen Jahren fr
Offshore-Plattformen eingesetzt [10].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
14
Abb. 15: Beispiel einer Jacket Grndung [10]
Vorteile:
Erfahrungen durch Offshore-Plattformen vorhanden
in groen Wassertiefen einsetzbar
Kolksicherung einfach ausfhrbar
Nachteile:
nicht geeignet fr Steinhindernisse
hoher Stahlverbrauch
4.2.4 Saugpfahl (Suction-Bucket-Grndung)
Das Fundament besteht aus einem nach unten geffneten Stahlzylinder. Dieser Stahlzy-
linder wird auf dem Meeresboden abgesetzt und leergepumpt. Durch das Leerpumpen
wird ein Unterdruck im Fundament erzeugt, wobei sich das Fundament in den Meeres-
boden eindrckt. Das Bodenmaterial im Inneren dient als Verankerung und sttzt das
Fundament (Abb.16) [12].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
15
Abb. 16: Installation einer Saugrohrgrndung [13]
Saugrohr-Grndungen knnen in zwei Varianten ausgefhrt werden:
einzelne Saugrohrgrndung (Monopod) (Abb.17)
aufgelste Struktur, die auf mehrere Saugrohren gegrndet wird (Abb.17)
Abb. 17: Saugrohrgrndungsvarianten [12]
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
16
Vorteile:
schnelle und einfache Ausfhrbarkeit
keine schwere Rammung erforderlich
leichter Rckbau (durch Einpumpen von Luft hebt sich das Fundament wie-
der)
Nachteile:
eignet sich nur fr homogene Bden
4.2.5 Schwergewichtsgrndung
Ein Schwimmkasten aus Stahl oder Beton wird vor Ort durch Ballastierung auf den
Meeresboden abgesenkt, der dafr vorbereitet werden muss (Abb.18). Fr den Kolk-
schutz werden an den ueren Fundamentrndern Spundwandschrzen angebracht, die
beim Absenken in den Meeresboden eindringen. Auf Schrzen darf verzichtet werden,
wenn unter der Sohlplatte nur Druckspannungen auftreten. Die Fuge zwischen Meeres-
boden und Sohlplatte wird verpresst [10].
Abb. 18: Beispiel Schwergewichtsgrndung [10]
Vorteile:
tiefer liegende Hindernisse sind unproblematisch
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
17
geringer maschineller Aufwand notwendig (z.B. keine Rammgerte not-
wendig)
Nachteile:
nur in geringen Wassertiefen einsetzbar
Vorbereitung des Meeresbodens erforderlich
aufwendige Unterpressarbeiten erforderlich
hoher Materialbedarf
Eine neue Variante der Schwergewichtsgrndung ist das Ozean-Brick-System (OBS).
Morphologisch ergibt sich das OBS-System aus der dichtesten Lagerung von Kugeln,
wenn der zwischen den Kugeln verbleibende Raum ausgefllt wird. Jedes Element des
Ozean-Brick-System besteht aus vier gleichen Teilen, die aus Beton hergestellt und zu
einem symmetrischen Ganzen zusammengefgt werden (Abb.19). Die Elemente knnen
dann durch Verbindungselemente beliebig kombiniert und zusammengefgt werden
(Abb.20) [13].
Abb. 19: einzelne Teile eines Elementes OBS [13]
Abb. 20: zusammengefgtes Gesamtsystem OBS [13]
Durch die Hohlrume kann eine Materialeinsparung von bis zu 95% erreicht werden
und die Grndung ist weniger anfllig gegen Kolkung [13].
4.2.6 Schwimmende Fundamente
Ab einer Tiefe von >25m werden vorherige Grndungsvarianten aufgrund hoher Mate-
rial- und Einbaukosten, zunehmend unwirtschaftlicher. Eine WKA mit schwimmendem
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
18
Fundament knnte die Windenergie an besonders windreichen Standorten in bisher
nicht nutzbaren tieferen Gewssern nutzen, deshalb wurden dafr in den vergangenen
Jahren verschiedene Konzepte entwickelt.
Vorteile:
keine schwere Rammung notwendig
einfacher Standortwechsel mglich
Bodenbeschaffenheit spielt kaum eine Rolle
Anlagen knnen komplett im Hafen vormontiert werden
zur Reparatur und Wartung in den Hafen zurckschleppbar
Nachteile:
keine Erfahrungswerte vorhanden
lange Versorgungsleitung notwendig (Seekabel)
4.2.6.1 Arcadis-Konzept
Die WKA wird nach dem Prinzip des Halbtauchers mit Schwergewichts- Fundamente
am Meeresboden verankert. Die Schwergewichtsfundamente sind mit Stahlseile an die
WKA verbunden und werden am Standort kontrolliert abgesenkt. Eine Pilotanlage
wurde in der Lbecker Bucht errichtet [14].
Abb. 21: Arcadis Konzept [14]
4.2.6.2 Hywind-Konzept
Ein massiver zylinderfrmiger Schwimmkrper wird unter Wasser durch drei Stahlseile
gehalten und mit Betonblcken auf dem Meeresboden verankert, die kontrolliert abge-
senkt werden. 2008 soll vor der Kste Karmoy ein Pilotprojekt in Betrieb gehen [15].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
19
Abb. 22: Hywind Konzept [15]
4.2.6.3 Henderson-Konzept
Bojenfrmige Auftriebskrper dienen als Fundament und werden im Meeresboden
verankert. Hierbei sind verschiedene Varianten mglich, wonach das Verankerungssys-
tem gewhlt wird (punktfrmig, kompakt). Entweder richtet sich das gesamte System
nach den Windverhltnissen selbststndig aus (Abb.23) oder nur die Gondeln ndern
ihre Position und passen sich den Windverhltnissen an (Abb.24). Einzelanlagen sind
auch mglich [16].
Abb. 23 Henderson Konzept Variante 1 [16] Abb. 24: Henderson Konzept Variante 2 [16]
4.2.6.4 Sway-Konzept
Der Schwimmkrper, in Form einer verlngerten Stange, wird nach dem TLP-Prinzip
im Meeresboden fest verankert. Die Stange kann sich hin- und her bewegen, wie ein
Teleskop [17].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
20
Abb. 25: Sway Konzept [17]
4.2.6.5 Ritec-Industries-Konzept
Plattform ist nach dem Halbtaucher-Prinzip konzipiert. An der tiefsten Stelle der Platt-
form befindet sich ein Ausgleichsgewicht, welches der gesamten Anlage einen tieferen
Schwerpunkt verleiht. Die Plattform verhlt sich dadurch bei hohen Wellen und starkem
Wind wie ein Stehaufmnnchen [18].
Abb. 26: Ritec Industries Konzept [18]
4.2.6.6 Kusan-Konzept
Beim Kusan-Konzept ist die Windkraftanlage halbschwimmend ausgefhrt. Lediglich
ein Fundament wird fr 6 Windturbinen bentigt (Abb.27). Der halbschwimmende
Windpark dreht sich um eine fest im Meeresboden montierte Halterung. Das Konzept
kann in Wassertiefen von 10-60m eingesetzt werden [19].
GRNDUNGSVARIANTEN VON WINDKRAFTANLAGEN
21
Abb. 27: Kusan Konzept [19]
22
5 Einwirkungen auf eine Windkraftanlage und
deren Bemessung
Die Einwirkungen auf eine Windkraftanlage (WKA) sind komplexer Natur. Neben den
stndigen Einwirkungen aus Eigengewicht der Anlage sind besonders die dynamischen
und zyklischen Einwirkungen von Bedeutung (Abb.28). Die WKA muss in der Lage
sein, die whrend der Betriebsdauer einwirkenden Windlasten sowie die Betriebslasten
aufzunehmen, ohne ihre Gebrauchstauglichkeit zu verlieren. Bei Offshore-
Windkraftanlagen mssen zustzlich Wellenlasten aufgenommen werden. Auerdem
muss die WKA Extremereignissen standhalten (z.B. 50 Jahresbe, 50 Jahreswelle), wie
sie in der Lebensdauer nur einmal zu erwarten sind.
Abb. 28: Einwirkungen auf eine Offshore Windkraftanlage [20]
Windkraftanlagen sind fr eine Einsatzzeit von 20 Jahren ausgelegt. In dieser Zeit ist
die WKA hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, mit Lastwechselzahlen von
ber 910 . Die hohen Lastwechselzahlen knnen bei unzureichender Dimensionierung zu
Ermdungserscheinungen der WKA oder deren Grndung fhren [5].
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
23
5.1 Eigengewicht
Das Eigengewicht der WKA (Gondel, Rotor, Turm usw.) wird entweder vom Hersteller
angegeben, oder ist mit den Rechenwerten nach DIN 1055-1 zu ermitteln. Die charakte-
ristischen Werte werden je nach Einwirkung und Lastfall mit einen Teilsicherheitsbei-
wert G nach DIN 1054-4 [22] multipliziert. Die Teilsicherheitsbeiwerte knnen der
Tabelle 1 entnommen werden [23].
Tabelle 1: Teilsicherheitsbeiwerte fr Einwirkungen nach DIN 1054 4 [22]
Das Eigengewicht ergibt sich damit:
GkGdG EE = ,, Gl.5-1
5.2 Windbelastung
Durch Wind bzw. Windgeschwindigkeiten werden WKA zustzlichen Einwirkungen
ausgesetzt. Die Windgeschwindigkeit nimmt dabei, durch die erhhte Rauhigkeit in der
Nhe der Erdoberflche, mit zunehmender Hhe zu.
=
refref z
zzvzv )()( Gl.5-2
Die Bundesrepublik Deutschland wird nach DIN 1055-4 [21] in vier Windzonen unter-
teilt (Tab. 2).
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
24
Windzone 1 2 3 4
refv [m/s] 22,5 25,0 27,5 30,0
refq [KN/m] 0,32 0,39 0,47 0,56
Tabelle 2:Einteilung in Windzonen [22]
Die Windgeschwindigkeit refv ist dabei der 10- min- Mittelwert der Windgeschwindig-
keit in 10m Hhe ber Gelndeoberflche mit einer berschreitungswahrscheinlichkeit
von 0,02 pro Jahr. Die mittlere Windgeschwindigkeit wird fr kurze Zeitabschnitte als
konstant angenommen. Durch Ben oder Turbulenzen wird die mittlere Windgeschwin-
digkeit berlagert (Abb.29). Als Turbulenz bezeichnet man die zufllige Schwankung
der Windgeschwindigkeit vom Mittelwert. Die Turbulenz lsst sich dabei als Standard-
abweichung der Windgeschwindigkeit beschreiben.
Abb. 29: Schematische Darstellung der Belastung mit turbulenten Windfeld [24]
Der Hhenexponent aus Gl.5-2 ist von der Beschaffenheit der Umgebung des Standor-
tes abhngig. Zur Bestimmung des Hhenexponenten werden die Standorte Gelnde-kategorien zugeordnet (Tab.3) [22].
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
25
GK Beschreibung
I Offene See; Seen mit mindestens 5km freier Flche in Windrichtung;
glattes, flaches Land ohne Hindernisse
II Gelnde mit Hecken, einzelnen Gehften, Husern oder Bumen, z.B.
landwirtschaftliches Gebiet
III Vorstdte, Industrie- oder Gewerbegebiete; Wlder
IV Stadtgebiete, bei denen mindestens 15% der Flche mit Gebuden bebaut
sind, deren mittlere Hhe 15m berschreitet
Tabelle 3: Gelndekategorien nach DIN 1055 4 [21]
Die statische Ersatzlast fr die Gesamtwindkraft wF kann nach DIN 1055-4[21] mit der
Gl.5-3 ermittelt werden.
refemfw AzqcGF = )( Gl.5-3
G Benreaktionsfaktor
fc aerodynamischer Kraftbeiwert
)( em zq mittlerer Geschwindigkeitsdruck in Hhe ez ber Gelnde
ez effektive Hhe
refA Bezugsflche fr den Kraftbeiwert
Zur genaueren Berechnung der statischen Ersatzlast werden in der Regel die WKA in
Teilabschnitte unterteilt, so dass sich dann die statische Ersatzlast nach Gl.5-4 errechnet.
jjmfjwj AzqcGF = )( Gl.5-4
jz mittlere Hhe des Abschnittes j ber Gelnde
fjc aerodynamischer Kraftbeiwert fr den Abschnitt j
jA Bezugsflche des Abschnittes j
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
26
Der mittlere Geschwindigkeitsdruck ergibt sich aus der mittleren Windgeschwindig-
keit mv zu:
2
21
mm vpq =Gl.5-5
mv mittlere Windgeschwindigkeit
p Luftdichte
Infolge der Turbulenz des Windes tritt bei schwingungsanflligen Konstruktionen wie
der WKA eine Beanspruchungserhhung gegenber der Berechnung mit der statischen
Windlast auf. Der BenreaktionsfaktorG bercksichtigt diese Beanspruchungserhhung
und wird nach Gl.5-6 bestimmt. Darin sind sowohl die Turbulenz des Windes berck-
sichtigt als auch die dynamische Bauwerksreaktionen, die in Form von Schwingungen
in Windrichtung auftreten [24].
220)(21 xeffv RQzIgG ++= Gl.5-6
g Spitzenfaktor
)( effv zI Turbulenzintensitt
0Q quasi- statischer Anteil (Bengrundanteil) der Benreaktion
xR Resonanzanteil der Antwort infolge der Benreaktion
Neben den Schwingungen in Windrichtung sind die wirbelerregenden Querschwingun-
gen zu beachten. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten erfolgt die Umstrmung eines
Turmes laminar. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit bilden sich Wirbel aus, die
sich ab einer bestimmten Geschwindigkeit ablsen und so eine Anregung des Turms
quer zur Windrichtung zur Folge haben. Die Wirbelablsefrequenz steht in Zusammen-
hang mit der Windgeschwindigkeit und dem Durchmesser und kann ber die Strouhal-
Zahl St bestimmt werden [24].
DvStf =
Gl.5-7
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
27
Die Strouhal- Zahl kann der DIN 1055-4 [21] entnommen werden. Fr Stahlrohrtrme
entspricht die Strouhal- Zahl 18,0=St . Wenn die Wirbelablsefrequenz mit einer
Eigenfrequenz des Systems zusammentrifft, kommt es zu Resonanzerscheinungen, die
zum Versagen fhren knnen. Um dies zu verhindern, muss eine maximale Windge-
schwindigkeit definiert werden. Die so genannte kritische Windgeschwindig-
keit critv wird durch Gleichsetzen der Ablsefrequenz und der Eigenfrequenz ermittelt
[24].
StfDvcrit 0
=
Gl.5-8
Die sich ergebenden Schwingungsamplituden bei kritischer Windgeschwindigkeit
werden durch die im System vorhandene Strukturdmpfung sowie Massendmpfung,
die sich nach der Scruton- Zahl berechnet, bestimmt [24].
2
2DMSc=
Gl.5-9
M generalisierte Masse
log. Dmpfungsdekrement
Luftdichte
Die wirbelerregten Querschwingungen sind besonders whrend der Montage bedeut-
sam, da hier durch die nichtvorhandene Kopfmasse der Gondel nur eine relativ geringe
Massendmpfung vorhanden ist. Die Schwingungsamplituden vergrern sich dadurch
und damit auch die Massenkrfte bei hoher Schwingungsspielzahl. Die Folge knnte
Ermdungsversagen sein. Ein Nachweisverfahren ist in der DIN 1055-4 (Anhang D)
[21] angegeben [24].
WKA sind blicherweise typenzertifiziert und knnen dadurch in Typenklassen einge-
teilt werden, die von der Windgeschwindigkeit abhngig sind. Die Einteilung kann der
IEC 61400-1 [25] entnommen werden. Im Gegensatz zu den Windzonen der DIN 1055-
4 [21] bezieht sich die Windgeschwindigkeit refV auf Nabenhhe, mit dem 10- min-
Mittelwert (Tabelle 4).
EINWIRKUNGEN AUF EINE WINDKRAFTANLAGE UND DEREN BEMESSUNG
28
WKA-
Klassen
I II II S
refV [m/s] 50 42,5 37,5
A refI [-] 0,16 0,16 0,16
B refI [-] 0,14 0,14 0,14
C refI [-] 0,12 0,12 0,12
Werte sind
vom
Hersteller
anzugeben
Tabelle 4: Kombination von Lastfllen und Temperatur [25]
Fr die Auslegung einer WKA ist die Windgeschwindigkeitsverteilung von Bedeutung
Sie bestimmt die Hufigkeit des Auftretens einzelner Lastanteile. Die Hufigkeitsvertei-
lung der Windgeschwindigkeit liefert die Information, mit welcher zeitlichen Hufigkeit
die einzelnen Geschwindigkeiten des Gesamtspektrums statistisch gesehen zu erwarten
sind. Die Rayleigh Verteilung kann hierfr verwendet werden (Gl.5-10) [26].
( )[ ]22/exp1)( avehubhubR VVVP = Gl.5-10
mit
+
=
=
kC
kwennCVave
11
2,2
Gl5-11
)( hubR VP Rayleigh Wahrscheinlichkeitsfunktion: kumulative Wahrscheinlichkeitsfunkti-
on, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass hubVV c
Drnierte Bedingungen
> 0( und )0c
Gelndeneigungsbeiwert
fr den Einfluss der Breite
6)tan5,01( =b
Gelndeneigungsbeiwert
fr den Einfluss der Tiefe
9,1)tan1( =d
Gelndeneigungsbeiwert
fr den Einfluss der
Kohsion
tan4,01=c1
1
0
tan0349,00
=
d
dc N
N
Tabelle 12: Gelndeneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [44], =Gelndeneigung
Sohlneigungsbeiwerte:
fr den Einfluss der Breite b
fr den Einfluss der Tiefe d
fr den Einfluss der Kohsion c
Undrnierte Bedingungen
= 0( und )0>c
Drnierte Bedingungen
> 0( und )0c
Sohlneigungsbeiwert fr
den Einfluss der Breite
tan045,0= eb
Sohlneigungsbeiwert fr
den Einfluss der Tiefe
1=d tan045,0= ed
Sohlneigungsbeiwert fr
den Einfluss der Kohsi-
on
0068,01=c tan045,0= ec
Tabelle 13: Sohlneigungsbeiwerte nach DIN 4017 [44], =Sohlneigungswinkel
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
61
6.1.3 Gleiten
Greifen an einem Fundament horizontale Krfte an, so kann es zum Gleiten des Funda-
mentes kommen. Daher muss ein Nachweis gefhrt werden, der das Gleiten ausschliet.
Die Horizontalkrfte aktivieren zum einen die Reibung zwischen Fundamentsohle und
Baugrund, anderseits wird an der Fundamentstirnseite Erdwiderstand aktiviert.
Zur Einhaltung einer ausreichenden Sicherheit gegen Gleiten ist nach DIN 1054-4
nachzuweisen, dass fr den Grenzzustand GZ 1B die Bedingung
dpdtd ERT ,, + Gl.6-7
erfllt ist [22].
dT Bemessungswert der Beanspruchung parallel zur Fundamentsohlfl-
che
dtR , Bemessungswert des Gleitwiderstandes
dpE , Bemessungswert des Erdwiderstandes parallel zur Sohlflche an der
Stirnseite des Fundaments
Der Bemessungswert dT setzt sich zusammen aus dem stndigen Anteil kGT , der charak-
teristischen Beanspruchung, multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert G nach
Tabelle 10 fr den Grenzzustand GZ 1B und dem vernderlichen Anteil kQT , der charak-
teristischen Beanspruchung, multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert Q nach Tabelle
10 fr den Grenzzustand GZ 1B [22].
QkQGkGd TTT += ,, Gl.6-8
Der zulssige Bemessungswert dpE , setzt sich zusammen aus dem charakteristischen
Erdwiderstand kpE , durch Division mit dem Teilsicherheitsbeiwert Ep fr den Grenzzu-
stand GZ 1B nach Tabelle 10 [22].
Epkpdp EE /,, = Gl.6-9
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
62
Der Bemessungswert des Gleitwiderstandes dtR , ergibt sich aus dem charakteristischen
Gleitwiderstand ktR , durch Division mit dem Teilsicherheitsbeiwert 1G im Grenzzustand
GZ 1B.
1,, / Gktdt RR = Gl.6-10
Der charakteristische Gleitwiderstand ktR , ermittelt sich nach DIN 1054-4 [22] wie folgt:
bei rascher Beanspruchung eines wassergesttigten Bodens (Anfangszustand)
kukt cAR ,, = Gl.6-11
bei vollstndiger Konsolidation des Bodens (Endzustand)
kSkkt NR ,, tan= Gl.6-12
bei vollstndiger Konsolidierung des Bodens, wenn die Bruchflche durch den
Boden verluft, z.B. bei Anordnung eines Fundamentspornes
,,, tan kkkkt cANR += Gl.6-13
A fr Kraftbertragung magebende Sohlflche
kuc , charakteristischer Wert der Scherfestigkeit des undrnierten Bodens
kS , charakteristischer Wert des Sohlreibungswinkels
,k charakteristischer Wert des Reibungswinkels des Bodens in der
Bruchflche durch den Boden
,kc charakteristischer Wert der Kohsion des Bodens in der Bruchflche
durch den Boden
6.1.4 Auftrieb
Eine ausreichende Sicherheit gegen Auftrieb muss eingehalten werden, wenn am Fun-
dament Sohlwasserdrcke angreifen. Im Regelfall handelt es sich beim betrachteten
Grenzzustand um einen Verlust der Lagesicherheit im Grenzzustand GZ 1A. Die Be-
messungswerte der ungnstigen Einwirkungen werden dabei mit den gnstigen Einwir-
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
63
kungen verglichen. Eine Sicherheit gegen Auftrieb gilt als gewhrleistet, wenn die
Bedingung nach Gleichung 6-14 erfllt ist [22].
stbGstbkdstQkdstGk GQA ,,,, + Gl.6-14
kA Auftriebskraft
dstG , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10
kQ ungnstig wirkende Kraft
dstQ , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10
stbkG , Eigengewicht des Fundamentes
stbG , Teilsicherheitsbeiwert nach Tabelle 10
6.1.5 Setzungen
Die Setzungen von WKA knnen nach DIN 4019 [45] ermittelt werden. Es werden nur
die tatschlich setzungserzeugenden Einwirkungen angesetzt. Whrend die stndigen
Einwirkungen unabhngig von der Bodenart setzungserzeugend sind, werden die nicht-
stndigen Einwirkungen beurteilt, ob sie lange genug einwirken, um Konsolidation und
damit Setzungen hervorrufen. Durch horizontale Einwirkungen (z.B. Wind) sind die
Setzungen an den Fundamentrndern verschieden, was zu einer Schiefstellung fhrt.
Die dynamischen und zyklischen Lasten werden bei der Setzungsberechnung als stati-
sche Ersatzlasten bercksichtigt. Setzungen und Schiefstellungen sind nur begrenzt
zulssig. Die Grenzwerte werden aus dem Betrieb oder anderweitig vorgegeben. Fr
WKA wird nach DIN 1054-4 [22] zustzlich die Beobachtungsmethode empfohlen.
Nach DIN 4019-1[45] kann die Setzung lotrecht, mittiger Belastung mit der Gl.6-15
bestimmt werden.
mEfb
s
= 0
Gl.6-15
0 mittlerer Sohldruck unter dem Fundament
b Breite des Fundamentes
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
64
f Setzungsbeiwert
mE mittlerer Zusammendrckungsmodul fr die magebende Schicht
Nach DIN 4019-2[45] kann die Setzung schrger und/oder auermittige Belastung mit
der Gl.6-16 bestimmt werden.
yxm ssss ++= Gl.6-16
s Gesamtsetzung der Eck- oder Randpunkte
ms Setzungsanteil infolge mittiger Belastung nach Gl.6-15
xs Setzungsanteil aus dem Moment xy eVM = um die y-Achse
ys Setzungsanteil aus dem Moment yx eVM = um die x-Achse
xm
yyx fEb
Maas
== 32tan
2 Gl.6-17
ym
xyy fEb
Mbbs
== 32tan
2 Gl.6-18
a Lnge der Grundflche
b Bezugslnge der Grundflche
yx ff , Einflusswerte fr die Schiefstellung
Die Schiefstellung eines starren Grndungsstreifens bei homogenem Boden ergibt sich
unter der Voraussetzung 4/be nach Gl.6-19.
mx Eb
M
= 212tan
Gl.6-19
Die Schiefstellung eines starren Kreisfundamentes ergibt sich unter der Voraussetzung
3/re nach Gl.6-20.
mErM
= 3169tan Gl.6-20
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
65
6.2 Pfahlgrndungen
6.2.1 Inneres Tragverhalten
Das innere Tragverhalten von Pfhlen wird durch ihre konstruktive Gestaltung be-
stimmt. Die innere Tragfhigkeit muss ausreichen, um die anstehenden Belastungen
sicher in den Boden abzuleiten. Beim Einbringen des Pfahles in den Boden (z.B. beim
Rammen) darf es nicht zu Schden kommen, deshalb mssen die Abmessungen und
Baustoffeigenschaften dementsprechend gewhlt werden.
6.2.2 ueres Tragverhalten
Das uere Tragverhalten wird durch die Abhngigkeit zwischen dem Pfahlwiderstand
und der Pfahlkopfverschiebung bzw. auch der Pfahlkopfverdrehung beschrieben. Das
uere Tragverhalten ist dabei abhngig von:
den Eigenschaften des Bodens in Pfahlumgebung
der Einbindetiefe in die tragfhigen Schichten
der Mchtigkeit der tragfhigen Schichten
der Pfahlform und des Pfahlquerschnittes
den Grundwasserverhltnissen
dem Pfahlbaustoff
der Beschaffenheit der Pfahlmantelflche und der Ausbildung des Pfahlfu-
es
Bei Pfhlen werden die Pfahlwiderstnde unterschieden
in Richtung der Pfahlachse (axial) und
quer zur Pfahlachse (lateral).
Die Widerstandsgren knnen dabei ermittelt werden aus
Ergebnissen statischer Pfahlprobebelastungen
Ergebnissen dynamischer Pfahlprobebelastungen und
aus Erfahrungswerten.
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
66
6.2.2.1 Axiale Pfahlwiderstnde
Fr den Nachweis der Tragfhigkeit GZ 1B gilt fr axiale Pfahlwiderstnde [22]:
dd RE ,1,1 Gl.6-21
bzw.
1,1
,1 =d
d
RE
Gl.6-22
dE ,1 Bemessungswert der Beanspruchung
dR ,1 Widerstandes des Pfahles
Steht der Pfahl teilweise frei oder im weichen Boden mit der charakteristischen Scher-
festigkeit /15, mKNc ku , ist zustzlich ein Knicksicherheitsnachweis durchzufhren
[22].
Der Pfahlwiderstand in axialer Richtung ist abhngig von der axialen Pfahlkopfver-
schiebung s, dabei ist die Pfahlkopfverschiebung s bei Druck eine Pfahlkopfsenkung
und bei Zug eine Pfahlkopfhebung. Im Grenzzustand der Tragfhigkeit tritt bei der
Pfahlkopfverschiebung 1s ein Versagen bei Widerstnden )1(1 sRR = durch den Tragf-
higkeitsverlustes des Bodens in Pfahlumgebung ein. In Ausnahmefllen ist auch ein
Tragfhigkeitsverlust des Pfahlmaterials mglich und es kommt zum Bauteilversagen.
Axiale Widerstnde werden nach DIN 1054-4 mit Widerstandssetzungslinien (bei
Druck) bzw. Widerstandshebungslinien (bei Zug) beschrieben. Die Ergebnisse dieser
Linien sttzen sich aus statischen Probebelastungen. Der Boden wird dabei solange in
Belastungsstufen belastet, bis die zu erwartende Grenzlast erreicht ist. In Abhngigkeit
der axialen Pfahlkopfverschiebung kann der Pfahlwiderstand ermittelt werden. Zur
Bercksichtigung der mglichen Vernderung des Baugrundes und der mglichen
Unregelmigkeiten bei der Herstellung wird nach DIN 1054-4 ein
Streuungsfaktor bercksichtigt. Der charakteristische Pfahlwiderstand kR ,1 wird dann
bestimmt mit [22]:
/min,1,1 mk RR = Gl.6-23
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
67
min,1mR kleinster Einzelwert der Pfahlprobebelastung
Streuungsfaktor nach Tabelle 14, Spalte 4
Tabelle 14: Streuungsfaktor zur Bercksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen [22]
In der Regel werden die axialen Pfahlwiderstnde ber Erfahrungswerte nach DIN
1054-4 bestimmt. Der Widerstand wird von den unabhngig voneinander ermittelbaren
Anteilen aus Pfahlfuwiderstand und dem Pfahlmantelwiderstand bestimmt.
=
+=+=n
iisiksbkbkskbk AqAqRRR
1,,,,,, Gl.6-24
bA Pfahlfuflche
isA , Pfahlmantelflche in der Schicht i
kbq , charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstandes
iksq ,, charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i
kbR , charakteristischer Pfahlfuwiderstand
ksR , charakteristischer Pfahlmantelwiderstand
kR charakteristischer Pfahlwiderstand
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
68
Die Werte fr den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstandes bzw. der charakteristi-
schen Pfahlmantelreibung knnen aus Tabellen der DIN 1054-4 entnommen werden.
Beim axialen Zugwiderstand entfllt der charakteristische Pfahlfuwiderstand.
Die Mchtigkeit der tragfhigen Schicht unterhalb der Pfahlfuflche darf nicht weniger
als drei Pfahlfudurchmesser mindestens aber 1,50m betragen. Werden diese Werte
nicht eingehalten, muss ein Nachweis gegen Durchstanzen gefhrt werden [22].
Zur Ermittlung der axialen Tragfhigkeit von Offshore-Windkraftanlagen werden auf
Anstze in DNV [37] bzw. API [47] zurckgegriffen, die auf Erfahrungen fr konventi-
onelle Offshore-Bauwerke beruhen. Anwendung finden folgende Methoden[2]:
- Methode
- Methode
- Methode
Die - Methode wird zur Bestimmung der Mantelreibung fr bindige Bden auf Basis der totalen Spannungen eingesetzt. Der Faktor bercksichtigt dabei das
Verhltnis zwischen der undrnierten Scherfestigkeit des Bodens )(zcu und der
wirksamen Vertikalspannungen )(, zv in der Tiefe z [2].
)(zcq us = Gl.6-25
5,05,0 = fr 0,1 1
0255,0 = fr 0,1> 1
)(/)( , zzc vu =
)(zcu undrnierte Scherfestigkeit des Bodens in der Tiefe z
)(, zv wirksame Vertikalspannung in der Tiefe z
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
69
Abb. 46: Faktor zur Berechnung der Pfahlmantelreibung in Abhngigkeit des Verhltnisses [2]
Der Pfahlspitzenwiderstand wird nach Gleichung 6-26 angesetzt,
ub cq = 9 Gl.6-26
bq Pfahlspitzenwiderstand
uc undrnierte Scherfestigkeit am Pfahlfu
Die - Methode wird zur Bestimmung der Mantelreibung auf Basis der wirksamen
Spannung eingesetzt. Fr nichtbindige Bden ergibt sich die Pfahlmantelreibung nach
Gleichung 6-27 [2].
)(tan)( ,, zKzq vvs == Gl.6-27
)(, zv wirksame Vertikalspannung in der Tiefe z
K Erddruckbeiwert
8,0=K offene Pfhle
0,1=K geschlossene Pfhle
Wandreibungswinkel (Tabelle 15)
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
70
Tabelle 15: Tragfhigkeitsbeiwert und Wandreibungswinkel nach API [47]
Fr bindige Bden ergibt sich die Pfahlmantelreibung nach Gleichung 6-28.
,, tan vvs Kq == Gl.6-28
,v wirksame Vertikalspannung
K Erddruckbeiwert
Wandreibungswinkel
Der Erdruhedruckbeiwert ergibt sich fr normal konsolidierte Bden aus:
,0 sin1 =K Gl.6-29
und fr berkonsolidierte Bden aus:
mzcc KK )/(,,
00 = Gl.6-30
m 0,4 fr leichte und 0,5 fr ausgeprgt plastische Tone
,c Vorbelastung des Bodens
,z vorhandene wirksame Vertikalspannung
Der Pfahlspitzenwiderstand bq ergibt sich aus:
,vqb Nq = Gl.6-31
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
71
qN Tragfhigkeitsbeiwert (Tabelle 15)
,v wirksame Vertikalspannung
Die - Methode wird zur Bestimmung der Pfahlmantelreibung in bindigen Bden auf Basis der totalen und wirksamen Spannungen angewandt. Der Pfahlmantelwiderstand
ergibt sich aus [2]:
)2(,
uvs cq += Gl.6-32
Beiwert
v ber die Einbindelnge gemittelte, wirksame Vertikalspannung
uc ber die Einbindelnge gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit
sq ber die Einbindelnge gemittelte Pfahlmantelreibung
Eine zutreffende Nherung des Beiwertes ist im McClelland und Reibel(1986) [48] angegeben.
)()(
ln016,0178,0 max,zEALqA
Pfahl
ss
= Gl.6-33
sA eingebettete Pfahlmantelflche
max,sq Maximalwert der Pfahlmantelreibung sq , Annahme us cq max,
PfahlA Pfahlquerschnittsflche
E Elastizittsmodul des Pfahlmaterials
z zur Aktivierung von max,sq erforderliche Verschiebung zwischen Pfahl
und Baugrund
Die Mantelreibung und der Spitzendruck sind abhngig von der axialen Pfahlverfor-
mung. In Abhngigkeit von der auf den Pfahldurchmesser D bezogene Axialverschie-
bung z des Pfahls kann die mobilisierte Pfahlmantelreibung t in die so genannte t-z
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
72
Kurve dargestellt werden. Die maximal mgliche Pfahlmantelreibung maxt kann nach
den Methoden ermittelt werden. Dabei gilt sqt =max [2].
Bei bindigen Bden wird die Mantelreibung bei
%101,0 ==Dz
Gl.6-34
voll mobilisiert und fllt bei greren Verschiebungen ab [2]
Abb. 47: Aktivierte Pfahlmantelreibung nach API [47]
In der so genannten Q-z Kurve wird die Beziehung zwischen mobilisierten Pfahlfu-
widerstand und Axialwiderstand beschrieben und gilt fr bindige und nichtbindige
Bden. Der volle mobilisierte Pfahlfuwiderstand wird bei einer Verschiebung von 10%
des Pfahldurchmessers erreicht [2].
3)/(101
pQQDz = Gl.6-35
fr 10,0z
Q mobilisierter Pfahlfuwiderstand
pQ maximaler Pfahlfuwiderstand, mit bbp AqQ =
bA Pfahlfuflche
z Axialverschiebung
D Pfahldurchmesser
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
73
6.2.2.2 Horizontal belastete Pfhle
Zur Berechnung der Lastabtragung horizontal gebetteter Pfhle, insbesondere fr die
Schnittgrenberechnung, wird hufig das Bettungsmodulverfahren angewandt. Der
Boden wird durch einzelne Feder, deren Bewegungen voneinander unabhngig sind,
diskret modelliert (Abb.48) [2].
Abb. 48: Bettungsmodulverfahren, Lngsschnitt (links), Querschnitt (rechts) [2]
Die Bettungsspannung p ist das Produkt aus Bettungsmodul sk und Horizontalverschie-
bung y .
ykp s = Gl.6-36
Zwischen den einzelnen Federn werden keine Krfte bertragen. Es findet keine Last-
ausbreitung quer zur Pfahlachse statt und die Verformung des Bodens ist unstetig. Wird
der Boden hingegen als Kontinuum aufgefasst und die Verschiebungen eines Balkens
mit Hilfe der Elastizittstheorie berechnet, dann ergibt sich nach Terzaghi (1955) die
Proportionalitt DEyp s /)( bzw. sEDpy /)( . Daraus folgt fr den Bettungsmo-
dul in Gl.6-37 die Beziehung [2]:
DEK ss
Gl.6-37
Fr die Berechnung der Pfahlverformung ist jedoch der Ansatz eines spannungsunab-
hngigen Bettungsmoduls nicht ausreichend, da sich die Gre des Bettungsmoduls auf
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
74
die Verformungsberechnung wesentlich strker auswirkt, als auf die Schnittgrener-
mittlung zur Pfahlbemessung. Zur genaueren Abschtzung der Pfahlverformungen wird
nach DIN 1054-4 empfohlen, die nichtlineare Beziehung zwischen Bettungsspannung
und Verformung durch Probebelastungen zu ermitteln und fr die Verformungsberech-
nung mit spannungsabhngigen Sekantenmoduln zu arbeiten [2].
Nach DIN 1054-4 wird der Pfahldurchmesser zur Berechnung des Bettungsmoduls
rechnerisch mit maximal 1m bercksichtigt. Zustzlich ist die Horizontalverschiebung
auf hchstens 3% des Pfahldurchmessers oder 2cm beschrnkt. Die Folge wre, dass bei
greren Pfahldurchmessern der Bettungsmodul stets unabhngig vom Pfahldurchmes-
ser ist. Dies ist nicht unbedingt realistisch, da der klassische Bettungsmodul kein reiner
Bodenkennwert ist, sondern von den Eigenschaften des Pfahls und der Art der Pfahlein-
bringung abhngt [2].
In einschlgigen Normen fr Offshore-Bauwerke (DNV, API) werden Verfahren zur
Bestimmung der Beziehung zwischen Bettungsspannung und Pfahlverschiebung vorge-
geben, die vom Federmodell ausgehen, jedoch direkt eine ber die Verschiebung vern-
derliche Bettung bercksichtigen, also nicht mehr von einem konstanten Bettungsmodul
ausgehen. Die Beziehung zwischen der horizontalen Pfahlkopfverschiebung y und der
Bettungsspannung p wird durch nichtlineare p-y-Kurven beschrieben, die aus den
Ergebnissen von Probebelastungen entwickelt wurden und den Pfahldurchmesser
bercksichtigen [2].
6.2.2.3 Maximale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden
Die maximale horizontale Bettungsspannung in nichtbindigem Boden wird nach Gl.6-
38 und Gl.6-39 ermittelt. Der kleinere Wert ist dabei magebend. Die Spannungsvertei-
lung wird ber den Pfahldurchmesser als konstant angenommen (Abb.49) [2].
Abb. 49: Spannungsverteilung auf den Pfahl [2]
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
75
zCDzCzpu += )()( 21 Gl.6-38
zCzpu = 3)( Gl.6-39
)(zpu maximale Bettungsspannung
321 ,, CCC Beiwerte in Abhngigkeit von, (Abb.50)
wirksame Wichte
z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrundes
D mittlerer Pfahldurchmesser zwischen Oberflche des Baugrundes und der Tiefe z
Abb. 50: Faktoren C in Abhngigkeit vom Reibungswinkel , [2]
Die Beiwerte 321, CundCC wurde (1974) [49] abgeleitet, wobei im oberen Bereich des
Pfahls ein ber die Tiefe z keilfrmiger Bruchkrper mit ebenen Gleitflchen angesetzt
wurden (Abb. 51).
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
76
Abb. 51: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]
Der maximale Widerstand des Pfahles wird aus der Differenz des passiven Erddrucks
und des aktiven Erddrucks berechnet (Gl.6-40). Dabei wird der passive Erddruck pE in
Anlehnung an die Coulombsche Erddrucktheorie fr einen starren, aber rumlichen
Erddruckkeil mit ebenen Gleitflchen berechnet. Der aktive Erddruck aE wird nach
Theorie von Rankine berechnet, die einen vollstndig plastifizierten Boden voraussetzt.
Bei Annahme einer konstanten Wichte ber die Tiefe ergibt sich [2]:
+
+
+=
DKzK
zDzKzzp
aaa
aa
a
a
a
u
)tansin(tantan
)tantan()tan(
tancos)tan(
sintan)(
0
0
Gl.6-40
)(zpu maximaler horizontaler Pfahlwiderstand je Einheitslnge des Pfahles
D Pfahldurchmesser
Wichte des Bodens
z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrundes
a 2/45 + Gleitflche fr aktiven Erddruck
aK )2/45(tan2 aktiver Erdruckbeiwert nach Rankine
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
77
0K Erdruhedruckbeiwert
Ausbreitungswinkel des rumlichen passiven Erdkeils
Diese Gleichung kann nach [47] in folgende Gleichung gebracht werden:
zDCzCzpu += )()( 21 Gl.6-41
mit
)tansin(tantan)tan(
tantan)tan(
sintan0
2
01
+
+
= aaa
a
a
a KKC Gl.6-42
aa
a KC
=)tan(
tan2
Gl.6-43
Der Winkel wurde durch Probebelastungen an Pfhlen mit einem Durchmesser von rd.
0,60m und einer Einbindetiefe von rd. 21m zu 2/3/ = fr lockeren Sand und
= fr dichten Sand bestimmt [2].
In tieferen Bodenschichten wird der Boden in der Pfahlumgebung durch kubische
Elemente idealisiert, deren Seitenlnge dem Pfahldurchmesser entspricht (Abb.52).
Vertikalverschiebungen der Elemente sind ausgeschlossen [2].
Abb. 52: Bruchkrper zur Ermittlung der maximalen Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]
Mit diesem Modell wird der maximale Horizontalwiderstand unter Anwendung der
Mohr-Coulombschen Theorie berechnet zu:
aaau zDKzDKzp4
08 tantan)1(tan)( += Gl.6-44
Diese Gleichung kann mit
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
78
aaa KKC 4
08
3 tantan)1(tan += Gl.6-45
in die Form von Gl.6-39 berfhrt werden.
Der bergang zwischen den Modellen der Abb.51 und der Abb.52 ergibt sich durch
Gleichsetzen der Gl.6-38 und Gl.6-44.
6.2.2.4 Maximale Bettungsspannung in weichem, bindigen Boden
Fr die maximale Bettungsspannung up in der Tiefe z ist der kleinere der folgenden
Werte magebend [2]:
Dczzczp uuu
++= 83,22)( Gl.6-46
fr Rzz
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
79
Abb. 53: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im oberen Pfahlbereich [2]
Fr grere tiefen wird nach [50] ein Modell vorgeschlagen, das den Pfahl und den
umgebenden Baugrund durch kubische Elemente idealisiert, deren Seitenlnge dem
Pfahldurchmesser entspricht (Abb.54). Unter der Annahme, dass die Elemente nur
Horizontalverschiebungen erfahren, berechnete Reese fr den Bruchzustand eine
theoretische Bettungsspannung von uc12 . Aus dem Vergleich von Ergebnissen aus
Pfahlprobebelastungen und Triaxialversuchen wurde nach [50] eine maximale Bettungs-
spannung von uc11 ermittelt [2].
Abb. 54: Bruchkrper zur Ermittlung der Bettungsspannung im unteren Pfahlbereich [2]
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
80
6.2.2.5 Maximale Bettungsspannung in steifem, bindigen Boden
Fr die maximale Bettungsspannung up in der Tiefe z ist der kleinere der folgenden
Werte magebend [2]:
DczJzczp uuu ++= 3)( fr Rzz
+= Gl.6-51
uc ber die Einbindetiefe z gemittelte, undrnierte Scherfestigkeit
)(zcu undrnierte Scherfestigkeit in der Tiefe z
wirksame Wichte des Bodens
z Tiefe der betrachteten Stelle ab Oberflche des Baugrunds
D Pfahldurchmesser
J empirischer Korrekturwert aus Feldversuchen
6.2.2.6 Bettungsspannung in Abhngigkeit von der Horizontalen
Pfahlverformung
Fr die Berechnung der Bettungsspannung in Abhngigkeit von der horizontalen Pfahl-
verformung in weichem, bindigen Boden unter statischer Belastung wird nach [37]
folgende, nichtlineare Beziehung angegeben (Abb.55).
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
81
Abb. 55: p y Kurve fr einen Pfahl in weichem, bindigen Boden bei statischer Horizontalbelastung [47]
321)(
cu yy
pyp = Gl.6-52
)(yp Bettungsspannung in der Tiefe z
up Maximalwert der Bettungsspannung bei statischer Belastung in der
Tiefe z
y horizontale Pfahlverschiebung in der Tiefe z
cy Dc5,2
:c Dehnung bei der Hlfte der maximalen Spannung in einem undrnier-
ten Triaxialversuch, Erfahrungswert aus [50]
Fr steife, bindige Bden sind in [37] Anstze zur Aufstellung von p-y-Kurven enthal-
ten.
Bei statischer Belastung knnen die p-y-Kurven wie folgt erzeugt werden:
3/1
2
=
c
u
yypp fr cyy 8 Gl.6-53
upp = fr cyy 8> Gl.6-54
Bei zyklischer Belastung und RXX > , kann die p-y-Kurve nach wie folgt bestimmt
werden.
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
82
3/1
2
=
c
u
yypp fr cyy 3 Gl.6-55
upp 72,0= fr cyy 3> Gl.6-56
Bei zyklischer Belastung und RXX , kann die p-y-Kurve wie folgt bestimmt werden.
3/1
2
=
c
u
yypp fr cyy 3 Gl.6-57
=
c
c
Ru y
yyXXpp
123
1172,0 fr cc yyy 153 < Gl.6-58
Ru X
Xpp 72,0= fr cyy 15> Gl.6-59
mit:
Dy cc = 5,2
X Tiefe unter Bodenoberflche
RX bertragungstiefe
c Stauchung, die bei 50% der Maximalspannung von ungestrten Bo-
denproben in undrnierten Kompressionsversuchen auftritt
D Pfahldurchmesser
Fr nichtbindigen Boden wird nach [37] die Gl. 6-60 empfohlen.
= ypAzk
pAypu
su tanh)( Gl.6-60
)( yp Pfahlwiderstand in der Tiefe z
up maximaler Pfahlwiderstand in der Tiefe z
sk Anfangswert des Bettungsmoduls
A Beiwert, fr zyklische Belastung 9,0=A
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
83
fr statische Belastung 9,08,03
=
DzA
z Tiefe ab Oberflche des Baugrunds
y Horizontalverschiebung des Pfahls in der betrachteten Tiefe z
Abb. 56: Anfangsmodul der Untergrundreaktion k als Funktion des Reibungswinkels [37]
6.3 Pfahlgruppen
Die Tragfhigkeit einer Pfahlgruppe unterscheidet sich von der Summe der Tragfhig-
keit einer gleichen Anzahl von Einzelpfhlen. Damit gibt es auch Unterschiede bei den
Setzungen bei gleicher Last. Die Pfhle einer Pfahlgruppe weisen ein unterschiedliches
Widerstands- Setzungsverhalten auf. Die Ursache dafr ist die Beeinflussung eines
Pfahles durch umliegende Pfhle (Gruppenwirkung). Zur Bercksichtigung der Grup-
penwirkung kann ein vereinfachtes Nomogrammverfahren angewandt werden [51].
Die mittlere Setzung Gs einer Pfahlgruppe entspricht der mit dem Gruppenfaktor sG be-
legten Setzung eines Einzelpfahles infolge der mittleren Einwirkung GG nF / auf die
Gruppenpfhle.
sEG Gss = Gl.6-61
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
84
Gs mittlere Setzung einer Pfahlgruppe
Es Setzung eines vergleichbaren Einzelpfahles
sG setzungsbezogener Gruppenfaktor fr die mittlere Setzung einer
Pfahlgruppe
Der setzungsbezogene Gruppenfaktor sG ergibt sich mit:
321 SSSGs = Gl.6-62
1S Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahlachsabstand a ,
Pfahleinbindetiefe in den tragfhigen Boden d (Abb. 57)
2S Einflussfaktor Gruppengre (Abb. 58)
3S Einflussfaktor Pfahlart
Abb. 57: Nomogramme zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe [51]
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
85
Abb. 58: Nomogramme zur Bercksichtigung des Einflusses der Gruppengre zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe fr 36,0/ =da [51]
Momenteneinwirkungen bewirken im Wesentlichen eine Verdrehung der Pfahlgrn-
dung, die zu zustzlichen Setzungen fhren. ber die Verdrehung tan knnen die zustzlichen Setzungen fr alle Gruppenpfhle ermittelt werden (Abb. 59).
Abb. 59: Nomogramme zur Bestimmung der Verdrehung infolge Momenteneinwirkung [51]
Der Faktor M dabei ein Ma fr die Hhe der Momentennwirkung im Verhltnis zur
Vertikaleinwirkung und bercksichtigt gleichzeitig die Gruppengeometrie ber die
Pfahlanzahl und Pfahlabstand (Gl. 6-63).
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
86
anFnM
G
GM
=
Gl.6-63
M Faktor fr die Hhe der Momenteneinwirkung
M Momenteneinwirkung
Gn Anzahl der Pfhle in der Gruppe
GF vertikale Gesamteinwirkung
n Anzahl der Pfhle in der Pfahlreihe
a Pfahlabstand
Bei der Ermittlung der Pfahlwiderstnde wird ebenfalls die Gruppenwirkung berck-
sichtigt.
Der Pfahlwiderstand eines Pfahles in der Gruppe ergibt sich mit:
iREiG GRR ,, = Gl.6-64
iGR , Gruppenpfahlwiderstand i- ter Pfahl
ER Pfahlwiderstand eines vergleichbaren Einzelpfahles
iRG , widerstandsbezogener Gruppenfaktor fr den i- ten Pfahl einer Gruppe
Der widerstandsbezogene Gruppenfaktor iRG , ergibt sich mit:
321, =iRG Gl.6-65
1 Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahlachsabstand a ,
Pfahleinbindetiefe in den tragfhigen Boden d (Abb.60)
2 Einflussfaktor Gruppengre (Abb.61)
3 Einflussfaktor Pfahlart
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
87
Abb. 60: Nomogramme zur Bercksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen [51]
Abb. 61: Nomogramme ber den Einfluss der Gruppengre auf die Gruppenwirkung [51]
Bei Pfahlgruppen mit 5 oder mehr Pfhlen je Seite kann der Einflussfaktor mit 0,12 =
angenommen werden.
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
88
6.4 Saugrohrgrndung
Je nach Art der Lastabtragung und der geometrischen Abmessungen entspricht die
Saugrohr-Grndung einem Flachfundament, einem Pfahl oder einem Anker (Abb. 62).
Die besondere Installationsweise unterscheidet sich lediglich von den klassischen
Grndungskonzepten.
Abb. 62: Tragverhalten im Endzustand [12]
Ein Saugpfahl trgt die Belastung ber Spitzendruck und Mantelreibung ab, ein Saug-
anker ber Mantelreibung und Eigengewicht. Bei horizontalen Lasten oder Momenten
erfolgt die Lastabtragung ber die seitliche Bettung. Eine Flachgrndung trgt die
Belastung auf den Baugrund berwiegend ber Normal- und Schubspannungen in der
Grndungssohle ab. Durch die Schrzen werden die Grndungsebenen in tiefere Zone
verlagert. Die Einbindezone wird ebenfalls zur Lastabtragung herangezogen und erhht
die Sicherheit gegen Grundbruch und Gleiten [12].
Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde das Tragverhalten von Saugrohrgrndungen
analysiert und am Beispiel der von der Firma Oevermann GmbH & Co KG (Mnster)
entwickelten Hexafix-Strebenstruktur (Abb. 63) eine Saugrohrgrndung bemessen
(Abb. 64).
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
89
Abb. 63: Saugrohrgrndung mit Hexafix Strebenstruktur [12]
Die Bemessung des auf Druck beanspruchten Saugrohres als Flachgrndung kann nach
den klassischen Bemessungsverfahren erfolgen. Die zulssigen Abmessungen resultie-
ren aus dem Nachweis der zulssigen Ausmitte, der Hhe des Saugrohres und damit des
maximal aufnehmbare Biegemoment. Die Bemessung unter kombinierter Zugbelastung
ist mit den klassischen Nachweisverfahren nicht mehr mglich, da eine Zugfestigkeit
unbercksichtigt bleibt. Das konsistente Versagensmodell nach Lesny (2001) bietet
dafr eine Lsung an. Das Versagensmodell beruht auf so genannte Interaktionsanstze,
die die Interaktion der Lastkomponenten direkt abbildet (Abb. 64)[12].
Die Bemessung des Saugrohres als Pfahlgrndung erfolgt ber die klassischen Nach-
weisverfahren getrennt fr Horizontal- und Momentenbelastung und fr die vertikale
Zug- bzw. Druckbelastung. Durch einen Vergleich der Ergebnisse knnen die mage-
benden Abmessungen ermittelt werden. Fr verschiedene Durchmesser sind in Abb.64
magebende Einbindelngen dargestellt [12].
BEMESSUNGSANSTZE DER GRNDUNG
90
Abb. 64: Bemessung der Saugrohrgrndung fr das Hexafix als Schwergewichtsfundament (Saugnapf links, oder als Pfahl rechts[12]
Fr Saugrohrgrndungen sind Nachweise in Analogie zu den Nachweisen fr Pfahl- und
Schwergewichtsgrndungen in Abstimmung mit dem BSH zu fhren [12].
91
7 Erfahrungen mit Windkraftanlagen
Seit 1989 wurden Windkraftanlagen (WKA) in einem Wissenschaftlichen Mess- und
Evaluierungsprogramm (WMEP) aufgenommen. Inzwischen liegen fr ber 1500
Anlagen Erfahrungen ber mehrere Betriebsjahre vor (Abb. 65) [52]
Abb. 65: Altersverteilung der im WMEP beobachteten WKA [52]
In den letzten 20 Jahren fand bei der WKA eine