GROWExperimentelle und numerische Untersuchung zum Tragverhalten von

GRout-Strukturen für Offshore Windenergieanlagen

2. ProjekttreffenHamburg, 12.06.2007

2. Projekttreffen “GROW”2

Übersicht über die ArbeitspaketeArbeitspaket Inhalt Bearbeitung

AP 1 Recherche zu Lastdaten für Bemessung, Analyse ausgeführter Beispiele

GL Wind

Aufzeigen von Optimierungspotenzial Institut f. Stahlbau

AP 2 Konkretisierung der zu untersuchenden Anwendungen für Grout-Strukturen, Entwurf und Bemessung von Konstruktionsvarianten

alle Projektpartner

AP 3 Fertigung und Lieferung von Prüfkörpern SIAG / Oevermann

Materialuntersuchungen Institut f. Stahlbau

AP 4 Konzeption, Durchführung und Auswertung von Versuchen alle Projektpartner

AP 5 Numerische Analysen parallel zu den experimentellen Untersuchungen

Institut f. Stahlbau GL Wind

AP 6 Entwicklung von Bemessungsgrundlagen Institut f. Stahlbau

Festlegen von konstruktiven Anforderungen GL Wind

AP 7 Konkretisierung des Sicherheitskonzeptes für Grout-Strukturen sowie Entwurf und Ergänzung von Richtlinien

GL Wind

AP 8 Abschlussbericht und Veröffentlichung Institut f. Stahlbau

2. Projekttreffen “GROW”3

Netzplan

Versuche

Konstruktionsvarianten

Recherche, Bedarfsanalyse, Optimerungspotenzial

Bemessungsgrundlagen, konstruktive Anforderungen

Abschlussbericht und Veröffentlichung

Sicherheitskonzept und Richtlinienentwurf

Numerische Simulationen

Materialuntersuchungen

AP 4

M1: Auswahl der zu untersuchenden Varianten

M2: Abgleich der Messungen mit den Berechnungen

M3: Verwertung der Ergebnisse in Bemessungsrichtlinien

AP 2

AP 1

AP 6

AP 7

AP 8

AP 5

AP 3

Verifiaktion

Auslegung

2006

200

720

08

200

9

12.06.07

2. Projekttreffen “GROW”4

AP1 Optimierungspotenzial

Optimierung von bereits realisierten Konstruktionsvarianten:

Groutmaterial

Spaltgröße

Übergreifungslänge

Shear Keys

Montage

Prestressed Grout

2. Projekttreffen “GROW”5

AP1 Optimierungspotenzial Groutmaterial

aktuell: Grout der Firma Densit A/S, DK- sehr hohe Druckfestigkeit- schnelle Aushärtung- aber: vergleichsweise hohe Kosten

Einsatz alternativer Groutmaterialien mit:- hoher Druckfestigkeit- schneller Aushärtung- niedrigen Materialkosten

Potenzial: groß (+) Preisniveau für Groutmaterial senken!

2. Projekttreffen “GROW”6

AP1 Optimierungspotenzial Prestressed Grout

- Materialen mit Quelleigenschaften besitzen nur geringe Druckfestigkeit- Grad der Vorspannung nicht exakt bestimmbar- temperaturabhängig

Potenzial: mittel (o) Kein Optimierungspotenzial!

Spaltgrößeabhängig von: - Schiefstellung

- Mörtelrezeptur und Größtkorn - Anforderungen aus der Normung

Potenzial: gering (-)

2. Projekttreffen “GROW”7

AP1 Optimierungspotenzial Übergreifungslänge

Empfehlung aus den Standards:L/D 1,50

Konservative Bemessungsergebnisse!

- Übergreifungslänge reduzieren- Grenzwertbetrachtungen im Großversuch- Sicherheitsniveau einstufen- Einfluss des L/D - Verhältnisses

Potenzial: groß (+) Stahl- und Groutmasse sowie Montageaufwand reduzieren

2. Projekttreffen “GROW”8

AP1 Optimierungspotenzial

Shear Keys - positiv für die Gesamtsteifigkeit- Einbau auch bei geringer Normalkraft sinnvoll

Potenzial: mittel (o) abhängig von anderen Parametern Shear Keys bei allen Großversuchen!

Montageaufwand - Randbedingungen auf der Baustelle (Zeitfaktor)- abhängig vom Material

Potenzial: mittel (o) Optimierungspotenzial baubetriebswirtschaftlicher Art!

2. Projekttreffen “GROW”9

AP1 Optimierungspotenzial

Konstruktionsdetail Optimierungspotenzial

Groutmaterial +

Prestressed Grout o

Spaltgröße -

Übergreifungslänge +

Montageaufwand o

Shear Keys o

Maßgebende Parameter: 1. Groutmaterial

2. Übergreifungslänge

2. Projekttreffen “GROW”10

AP2 Realisierte Konstruktionsvarianten

Tripod Jacket Monopile

Einsatzmöglichkeiten für Grout-Strukturen:

zwischen Turm und Monopile

zwischen Rohrprofilen bei Jackets

zwischen Pile und Sleeve

Materialkombinationen bei Grout-Strukturen:

Stahl - Grout - Stahl

Stahl - Grout - Beton

2. Projekttreffen “GROW”11

AP2 Neue Konstruktionsvarianten

Neue Einsatzmöglichkeiten für Grout-Strukturen:

zwischen Betonfundament und Stahladapter

zwischen Turmsektionen

zwischen Stahladapter und Messplattformen

Favorisierte Materialkombinationen bei Grout-Strukturen:

Stahl - Grout - Stahl

Stahl - Grout - Beton

als Hybrid Tower

bei kombinierter Pfahl-Platten-Gründung (KPP)

2. Projekttreffen “GROW”12

AP2 Betonfundament - Stahladapter

Grout

Stahlturm

Betonfundament

Variante 1

Stahl - Grout - Beton

Grout

Betonfundament

Stahlturm

Variante 2

2. Projekttreffen “GROW”13

AP2 Stahladapter - Plattform

Messplattform

Stahladapter

Stahl - Grout - BetonVerbindung als Stahl - Grout - Stahl oder

[Quelle: Züblin AG]

Messplattform Arkona-Becken Südost

2. Projekttreffen “GROW”14

AP2 Hybrid-Tower

Steel-Tower Hybrid-Tower

Vorteile

Nachteile

• Erhöhung der Schalenstabilität• Aufteilung der Blechdicke auf zwei Schalen • Blechdicken- und Massenersparnis durch Verwendung höherfester Stähle• Schweißvolumen, Wärmebehandlung und Bauteilverzug reduzieren• Hybridvarianten und neue Verbindungstechniken denkbar

Ziel: Reduktion der Massen bei gleichzeitiger Steigerung der Tragfähigkeit

Idee: Doppelwandige Kreiszylinderschalen mit einer flächig aussteifenden Kernschicht aus geeigneten Füllmaterialien

2. Projekttreffen “GROW”15

AP2 Hybrid Tower

S-T SES-T SGS-T SCS-T

SteelTower

Steel-Elastomer-SteelTower

Steel-Grout-SteelTower

Steel-Concrete-SteelTower

2. Projekttreffen “GROW”16

AP2 Hybrid Tower Massenvergleich

448

215 215 215

2663 40

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

ST235-t50 SET460-t12-20-12 SGT460-t12-20-12 SCT460-t12-20-12

Turmvariante

Ge

sa

mtm

as

se

Tu

rmk

on

str

uk

tio

n [

t] Kernschichtmaterial

Stahl

Reduzierung der Stahlmasse bis zu 50 % bei Verwendung höherfester Stähle (Grenzzustand der Tragfähigkeit)

S-T SES-T SGS-T SCS-T

2. Projekttreffen “GROW”17

AP2 Hybrid Tower

SchweißaufwandS 235 J2 S 355 J2 S 460 ML

215 345 460

50 31,2 23,4

0 -37,6 -53,2

7,22 2,80 1,58

0 -61,2 -78,1

5,7 2,2 1,2

170 117 64

ca. 24 ca. 12 ca. 6

Stumpfstoß DV-Naht (X-Naht)

Material

Streckgrenze [Mpa]

Blechdickt t [mm]

Anzahl der Schweißlagen

Blechdickenreduzierung [%]

Dickenverhältnis

Scheißnahtfläche AW [cm²]

Schweißnahtflächenreduzierung [%]

Flächenverhältnis

1 : 0,62 : 0,47

1 : 0,39 : 0,22

Nahtgewicht [kg/m]

Vorwärmtemperatur T0 [°C]

Vorteile:

bis t = 30 mm kein Vorwärmen erforderlich

Einsparung von Elektrodenmaterial

Verkürzung der Schweißzeit

Verringerung der Wärmenachbehandlung durch geringeren Verzug

2. Projekttreffen “GROW”18

AP3/4 Versuchsparameter

Konstruktionsvariante Verbindungstyp Groutmaterial

• Sika-Grout 311• Pagel Verguss V 1/10• Densit• Elastomer• HPC

• Stahl – Grout – Stahl• Stahl – Grout – Beton

• Grouted Joint (1:50)• Grouted Joint (1:6,25)• Hybrid Tower (1:20)

• ohne Shear Keys• mit Shear Keys

• Übergreifungslänge• Spaltmaß

2. Projekttreffen “GROW”19

AP3 Materialuntersuchungen

F

Innenrohr

Außenrohr

Material ?

Pile-Sleeve beim Tripod von BHVSchwergewichtsfundament – StahladapterStahladapter – Messplattform

Monopile – Turm (Grouted Joint) Turmsektion – Turmsektion

(KPP-Gründung)

Stahl - Grout - Stahl Stahl - Grout - Beton

F

Betonkern

Außenrohr

Material ?

2. Projekttreffen “GROW”20

AP5 Numerische Simulationen

Pile

Grout

Sleeve

Shear Keys

Vordimensionierung

- Mit und ohne Shear Keys

- Werkstoffgesetze für Groutmaterialien

[Diplomarbeit Niebuhr]

[Diplomarbeit Niebuhr]

2. Projekttreffen “GROW”21

AP4 Großmodellversucheaufbauend auf Schaumann / Wilke ( )

Grouted Joint: Dp = 5,00 m mit Dp/tp = 100

Turbine: 4 MW

Maßstab: 1 : 6,25

Versuchsparameter: Densit S5 L/D = 1,30

Lü 1040 mm

Ziel: Verwendung gleicher Abmessungen und Lastspektrengarantiert die Vergleichbarkeit der Ergebnisse und ermöglicht die Nutzung vorhandenen Wissens

2. Projekttreffen “GROW”22

AP4 Großmodellversuche

Nr. Lü/Dp Lü [mm] Groutmaterial Shear Keys

1 1,0 800 Densit S5 Ja

2 1,3 1040 Pagel V1/10 Ja

3 1,0 800 Pagel V1/10 Ja

4 1,3 1040 HPC (C55/67) Ja

G rout

Lasttraverse

Aufnahm estück Aufnahm estückPrüfkörper

D ehnungsm essstre ifen außen und innen

ca. 8000 m m

ca

. 1

00

0 m

m

~ 800 mm

2. Projekttreffen “GROW”23

AP5 Numerische Simulationen

Vordimensionierung Ausführungspläne fertig!

2. Projekttreffen “GROW”24

AP4 Hybrid Tower

4050

1500

1600

1000

125

+_

statischdynamisch

: 600 kN: 480 kN+_+_

M 1:20

N

N

BeulversucheAxialdruck

ProbekörperS / SES / SGT /SCS

FE-Modell mit opt. gemess. Imperfektionen

2. Projekttreffen “GROW”25

AP5 Numerische Simulationen

Dimensionierung Ausführungspläne Fertigung & Lieferung

2. Projekttreffen “GROW”26

Soll / Ist

12.06.07

Versuche

Konstruktionsvarianten

Recherche, Bedarfsanalyse, Optim erungspotenzial

Bemessungsgrundlagen, konstruktive Anforderungen

Abschlussbericht und Veröffentlichung

Sicherheitskonzept und R ichtlinienentwurf

Num erische S imulationenAP 4

M 1: Entscheidung über die zu untersuchenden Varianten

M 2: Abgleich der M essungen m it den Berechnungen

M 3: Verwertung der Ergebnisse in Bemessungsrichtlinien

AP 2

AP 1

AP 6

AP 7

AP 8

AP 5

AP 3

Kalibrierung

Vorbemessung

Verifiaktion

Auslegung

Kalibrie

rung

200

6

M aterialuntersuchungen