Voruntersuchungen zum primären Schallschutz beim Rammen ... · Umweltbundesamt (UBA) genannte Vorsorgewert von 160 dB (SEL) / 190 dB ( peak ‐ to ‐ peak ) in 750 m Entfernung

Voruntersuchungen

zum primären Schallschutz

beim Rammen von Pfählen

im Offshorebereich

Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Engineering

Eingereicht an der

Universität der Bundeswehr München

Fakultät für Bauingenieurwesen

Institut für Hydromechanik

bei Prof. Dr. Andreas Malcherek (UniBw München)

betreut durch: Dipl. Ing. Frank Adam (TU Bergakademie Freiberg)

vorgelegt von: Robert Mersiowsky

Matr.-Nr.: 1090456

E-Mail Adresse: [email protected]

Freiberg, 23.08.2013

Ehrenwörtliche Erklärung

Hiermit versichere ich, Robert Mersiowsky, dass ich die vorliegende Arbeit

„Voruntersuchungen zum primären Schallschutz beim Rammen von Pfählen im

Offshorebereich“ selbständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke

vorgelegt und keine anderen als die angegeben Quellen und Hilfsmittel benutzt habe,

insbesondere keine anderen als die angegebenen Informationen.

Neubiberg, 26.08.2013

Der Speicherung meiner Masterarbeit zum Zweck der Plagiatsprüfung stimme ich zu.

Ich versichere, dass die elektronische Version mit der gedruckten Version inhaltlich

übereinstimmt.

Neubiberg, 26.08.2013

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. III

Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... VI

Symbolverzeichnis ........................................................................................................ VII

Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................. VIII

Danksagung ..................................................................................................................... IX

1 Einleitung ................................................................................................................. 1

1.1 Beschreibung der Thematik ............................................................................................ 1

1.1.1 Hintergrund der nachhaltigen Energiegewinnung .................................................. 1

1.1.2 Gründe für Schallschutz im Meer ................................................................................. 1

1.2 Das Projekt Offshorewindenergieanlage des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg .......................................... 3

1.2.1 Zielsetzung des Projektes ............................................................................................... 3

1.2.2 Aufgabenstellung, Zielsetzung und Ablauf der Masterarbeit ............................. 4

2 Literaturrecherche zum Stand der Technik ....................................................... 5

2.1 Windenergieanlagen.......................................................................................................... 5

2.2 Grundlagen des Leichtbetons ........................................................................................ 7

2.3 Stand der Technik von Rammpfählen ........................................................................ 8

2.3.1 Methoden der Pfahlgründung ........................................................................................ 8

2.3.2 Geometrie und Tragfähigkeit von Betonpfählen diverser Hersteller ............. 12

2.3.3 Richtlinien und Normen .................................................................................................. 14

2.4 Methoden des Rammens .............................................................................................. 14

2.4.1 Impulsrammung ................................................................................................................. 14

2.4.2 Herkömmliches Vibrieren .............................................................................................. 15

2.4.3 Gerichtetes Vibrieren....................................................................................................... 19

2.4.4 Aus der Praxis ermittelte Vergleichswerte für die Rammmethoden ............. 22

2.5 Stand der Technik zum sekundären Schallschutz beim Rammen von Pfählen ............................................................................................................................. 23

3 Akustik .................................................................................................................... 32

3.1 Grundlagen der Schallausbreitung ............................................................................ 32

3.2 Zentrale Größen der Akustik ........................................................................................ 32

3.2.1 Vergleich der Schallgeschwindigkeiten in Beton und Stahl ............................. 36

Inhaltsverzeichnis

II

3.2.2 Überblick der Materialien des Berechnungsmodells ........................................... 36

3.2.3 Schallpegelgrößen ........................................................................................................... 37

3.3 Rammschall ........................................................................................................................ 40

3.3.1 Entstehung des Rammschalls ..................................................................................... 40

3.3.2 Auswirkungen des Rammschalls auf Meeresökosysteme ............................... 40

3.4 Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen ................ 44

3.5 Messungen der Schalldrücke im Meereswasser .................................................. 45

4 Computersimulation des Rammvorganges..................................................... 49

4.1 Grundlagen der Simulation ........................................................................................... 49

4.2 Modellbildung ..................................................................................................................... 50

4.2.1 Geometrie und Vernetzung ........................................................................................... 53

4.2.2 Verwendete Elementtypen ............................................................................................ 55

4.3 Numerische Berechnung ............................................................................................... 59

4.4 Ermittelte Werte ................................................................................................................. 61

5 Experimente zur Validierung der Simulation .................................................. 65

5.1 Herstellung der Betonproben ....................................................................................... 66

5.2 Ultraschallversuch ............................................................................................................ 66

5.2.1 Grundlagen des Ultraschallversuchs ........................................................................ 67

5.2.2 Beschreibung des Ultraschallversuches .................................................................. 68

5.2.3 Ergebnisse der Ultraschallversuchmessungen ..................................................... 71

5.3 Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells ...................................... 73

5.3.1 Aufbau des Experiments ................................................................................................ 73

5.3.2 Durchführung ...................................................................................................................... 78

5.3.3 Ergebnisse des Experiments ....................................................................................... 80

5.3.4 Vergleich von berechneten und experimentellen Werten ................................. 82

6 Auswertung ............................................................................................................ 85

6.1 Ergebnisse des Ultraschallversuches ....................................................................... 85

6.2 Fazit der Berechnungen und der Validierung ........................................................ 85

6.3 Ausblick ................................................................................................................................ 86

Quellenverzeichnis .......................................................................................................... 87

Inhalt der CD-Rom ........................................................................................................... 94

Abbildungsverzeichnis

III


Abbildung 2-1: Monopilegründung .............................................................................. 6

Abbildung 2-2: Tripodgründung .................................................................................. 6

Abbildung 2-3: Jacketgründung .................................................................................. 6

Abbildung 2-4: Festigkeits- und Rohdichtebereich von Beton .................................... 8

Abbildung 2-5: Pfahlgründung .................................................................................... 9

Abbildung 2-6: Rammung von Fertigpfählen ............................................................ 10

Abbildung 2-7: Prinzip der Gründungsmethode mit Ortbetonpfählen ....................... 11

Abbildung 2-8: Rammhammer der Firma Menck im Offshore Einsatz ...................... 12

Abbildung 2-9: Spektren beim Einsatz der Vibrationsramme im OWP alpha ventus .............................................................................................. 18

Abbildung 2-10: Krafteintag beim herkömmlichen und Gerichteten Vibrieren........... 19

Abbildung 2-11: Vibrator mit unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaaren ... 20

Abbildung 2-12: Kraftwirkung der unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaare ................................................................................. 20

Abbildung 2-13: Prinzipskizze einer rotierenden Kurbelschleife ............................... 21

Abbildung 2-14: Idealisierte Kraftverläufe bei unterschiedlicher Exzentrizität ........... 21

Abbildung 2-15: Versuchsvibrator RZVG40 .............................................................. 22

Abbildung 2-16: Konzept des großen Blasenschleiers ............................................. 24

Abbildung 2-17: Einzelereignis‐Schalldruckpegel (SEL) ........................................... 25

Abbildung 2-18: Konzept des gestuften Blasenschleiers .......................................... 26

Abbildung 2-19: Konzept des geführten Blasenschleiers ......................................... 27

Abbildung 2-20: Schallschutzmantel ......................................................................... 28

Abbildung 2-21: Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an einem Rammpfahl .... 30

Abbildung 2-22: Primäre Übertragungswege ohne Minderungsmaßnahmen ........... 31

Abbildung 3-1: Zusammenhang zwischen Schallleistung, -druck und -pegel ........... 34

Abbildung 3-2: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls ............. 39

Abbildung 3-3: Einwirkzonen einer Schallquelle ....................................................... 41

Abbildung 3-4: Hörschwellen des Schweinswals ...................................................... 42

Abbildung 3-5: Hörschwellen des Seehundes .......................................................... 42

Abbildung 3-6: Hintergrundgeräuschpegel Leq (Medianwerte)................................. 47

Abbildung 3-7:Schallmessung vom Schiff (links) und mit autonomem Messsystem .................................................................................... 47

Abbildung 3-8: Charakteristischer Verlauf des Schalldrucks .................................... 48

Abbildung 4-1: Prognostizierter Anteil von Simulationen und Versuchen ................. 50

Abbildung 4-2: 2D axialsymmetrisches Berechnungsmodell des Rammpfahls ........ 52


IV

Abbildung 4-3: Lagerung des Rammpfahls und Krafteinleitung ................................ 52

Abbildung 4-4: Abmessungen des Modells .............................................................. 53

Abbildung 4-5: Elementskizze des Fluid29 ............................................................... 55

Abbildung 4-6: Elemente, die durch Fluid29 beschrieben wurden ............................ 56

Abbildung 4-7: Rand- und Übergangsbedingungen des FE-Modells ........................ 57

Abbildung 4-8: Elementskizze des Fluid 129 ............................................................ 57

Abbildung 4-9: Elementskizze des Plane 42............................................................. 58

Abbildung 4-10: Elemente, die durch Plane 42 beschrieben wurden ....................... 59

Abbildung 4-11: Abhängigkeit der Verformung von der Dämpfung über Dauer des Lasteintrages ............................................................................ 61

Abbildung 4-12: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,01 s ........................................................................................ 62

Abbildung 4-13: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,0001 s .................................................................................... 63

Abbildung 4-14: Druckverlauf an drei radialen Abständen ........................................ 64

Abbildung 5-1: Betonproben in der Form (links) und ausgehärtete Proben (rechts) ............................................................................................ 66

Abbildung 5-2: Ultraschallimpulsgenerator ............................................................... 69

Abbildung 5-3: Aquabox für Ultraschallmessungen .................................................. 70

Abbildung 5-4:Ultraschal Empfängersystem ............................................................. 70

Abbildung 5-5: Messrechner ..................................................................................... 70

Abbildung 5-6: Prinzip des Messaufbaus ................................................................. 71

Abbildung 5-7: Vergleich der Ultraschallgeschwindigkeiten als Maß für die Dämpfung ........................................................................................ 72

Abbildung 5-8: Kinderplanschbecken mit Schaumstoffwand .................................... 74

Abbildung 5-9: Genoppter Schaumstoff auf Teppich ................................................ 74

Abbildung 5-10: Freifallhammer mit Führungsstab und Stempel .............................. 74

Abbildung 5-11: Schaumstoffunterlage ..................................................................... 75

Abbildung 5-12: Porenwasserdruckgeber ................................................................. 76

Abbildung 5-13: Porenwasserdruckgeber mit Betonprobe ....................................... 76

Abbildung 5-14: Messbox mit Verstärkereinheit ....................................................... 76

Abbildung 5-15: Messrechner ................................................................................... 77

Abbildung 5-16: Aufbau des Experiments ................................................................ 77

Abbildung 5-17: Messeinrichtung ............................................................................. 78

Abbildung 5-18: Füllstand des Beckens ................................................................... 78

Abbildung 5-19: Beton-, Aluminium-, und Kunststoffprobe ....................................... 79

Abbildung 5-20: Abstand Probe Sensor ................................................................... 80

V

Abbildung 5-21: Experimentelle Druckverläufe für drei radiale Abstände ................. 81

Abbildung 5-22: Vergleich berechnete und experimentelle Werte ............................ 83

Abbildung 5-23: Experimentell bestimmter Druckverlauf .......................................... 84

Abbildung 5-24: Rechnerisch bestimmter Druckverlauf ............................................ 84

Tabellenverzeichnis

VI

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Pfahldaten der Firma Walinco............................................................... 13

Tabelle 2-2: Pfahldaten der Firma Alphabeton ......................................................... 13

Tabelle 2-3: Pfahldaten der Firma Centrum.............................................................. 13

Tabelle 3-1: Überblick Materialeigenschaften ........................................................... 37

Tabelle 3-2: Standardkennwerte für Meereswasser ................................................. 40

Tabelle 3-3: Lautstärkevergleichstabelle .................................................................. 43

Tabelle 3-4: Gemessene Spitzen- und Einzelereignis-Schalldruckpegel .................. 47

Tabelle 5-1: Messwerte aus dem Druckversuch ....................................................... 80

Tabelle 5-2: Standardabweichung bei unterschiedlichen Abständen ....................... 82

Symbolverzeichnis

VII

Symbolverzeichnis

Symbol Bezeichnung Dimension

C Schallgeschwindigkeit m/s

E Elastizitätsmodul N/m²

E Energie W

f Frequenz Hz bzw. kHz

F Kraft N bzw. kN

G Schubmodul N/m²

l Abstand cm bzw. m

Leq äquivalenter Dauerschallpegel dB

LE Einzelereignispegel dB

LI Schallintensitätspegel dB

Lp Schalldruckpegel dB

Lpeak Spitzenpegel dB

Lr Eingangsschallstärke dB

Ls Quellpegel dB

LW Schallleistungspegel dB

m Masse kg

P Druck mbar bzw. bar

t Zeit s

T Temperatur °C

ρ Dichte kg/m3

τ Impulsdauer s

Ø Durchmesser m

Abkürzungsverzeichnis

VIII

Abkürzungsverzeichnis

ausschließliche Wirtschaftszone AWZ

Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie BSH

finite Elemente FE

Fluid Stuktur Interaktion FSI

Hydroschalldämpfer HSD

offshore Windpark OWP

offshore Windenergieanlage OWEA

Permanent Threshold Shift PTS

Polyethylen PE

Porenwasserdruckgeber PWD

schwimmendes Offshorefundament SOF

Sound Exposure Level SEL

Technische Universität TU

Temporary Threshold Shift TTS

transmission loss TR

Umweltbundesamt UBA

Verein Deutscher Ingenieure VDI

Windenergieanlage WEA

Danksagung

IX

Danksagung

Ich danke Herrn Dipl.-Ing. Frank Adam für die ausgezeichnete Betreuung und die

nützlichen Hilfestellungen beim Anfertigen dieser Arbeit, Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank

Dahlhaus für die Bereitstellung des Arbeitsplatzes und allen Mitarbeitern des Instituts

für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg für die Unterstützung

bei dieser Arbeit.

Insbesondere danke ich Herrn Prof Dr.-Ing. Andreas Malcherek für die Betreuung

seitens der Universität der Bundeswehr München und Herrn Hauptmann Rene Ernst

für die Ermöglichung der Dienstreise nach Freiberg.

Desgleichen danke ich meiner Partnerin Jana für die moralische Unterstützung und

das Ertragen meiner Launen während der Bearbeitungszeit.

Robert Mersiowsky

August 2013

Einleitung

1

1 Einleitung

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Grundlagen der vorliegenden Arbeit.

Des Weiteren wird das Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau der TU

Bergakademie Freiberg sowie das Vorgehen bei dieser Masterarbeit vorgestellt.

1.1 Beschreibung der Thematik

Zunächst werden Gründe für nachhaltige Energiegewinnung aufgezeigt und die

Bedeutung von Windenergiegewinnung auf dem Meer begründet. Im weiteren

Verlauf wird der Bedarf an Schallschutz im Meer erläutert.

1.1.1 Hintergrund der nachhaltigen Energiegewinnung

Fossile Rohstoffe werden nicht ewig zur Verfügung stehen. Des Weiteren muss der

Kohlendioxidausstoß zum Schutz der Umwelt reduziert werden. Jedoch wächst der

Energieverbrauch Jahr für Jahr, wodurch die Energiepreise steigen. Nachhaltige

Energiegewinnung erfreut sich demnach stetig wachsender Bedeutung. Die

Klimaschutzstrategie der Bundesregierung sieht vor, den Anteil erneuerbarer

Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf 35 % zu erhöhen

[Gasch 2011].

Windenergie spielt bei der Gewinnung erneuerbarer Energien eine entscheidende

Rolle. Auf dem Festland (onshore) gerät jedoch vor allem in Gebieten mit hoher

Bevölkerungsdichte der Ausbau der Windenergie immer mehr ins Stocken

[Gasch 2011]. Demgegenüber sind auf hoher See (offshore) immense

Windressourcen verfügbar. Aufgrund des großen Raumangebotes und hoher

Windgeschwindigkeiten sind diese Gebiete äußerst attraktiv für die

Energieerzeugung. Doch die Windräder vor den Küsten bringen neue

Umweltprobleme mit sich. Eines der zentralen Herausforderungen ist der

Schallschutz während der Errichtung.

1.1.2 Gründe für Schallschutz im Meer

Bei der Fundamentgründung von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) werden

Pfähle unter Verwendung des sogenannten Impulsrammens in den Meeresboden

eingebunden. Durch die Rammschläge entstehen hohe Schalldrücke, die sich über

Einleitung

2

große Entfernungen auf die Meeresumwelt auswirken. Dieser Rammschall kann zur

Beeinträchtigung von Meeressäugern, insbesondere zur Schädigung ihres Gehörs

führen [Böttcher 2013]. Daher gilt es bei Impulsrammungen die Schallimmission in

Meeresökosysteme zu vermeiden oder zumindest zu verringern, um die

Meeressäuger zu schützen.

In der Bauphase treten durch das Rammen wesentlich größere Schalldrücke auf als

beim Betrieb der OWEA. Die Beeinträchtigung der Meeressäuger beim späteren

Betrieb der Anlage ist auch Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Dabei

stellen nicht die hohen Schallspitzen, sondern die permanente Schallbelastung durch

Hintergrundgeräusche ein Problem dar. Dies soll hier jedoch nicht weiter betrachtet

werden.

Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hat dazu im Juli 2010

Leitsätze für die Anwendung der Eingriffsregelung innerhalb der ausschließlichen

Wirtschaftszone (AWZ) und auf dem Festlandsockel im Rahmen von § 58 Abs. 1

Satz 2 BNatSchG herausgegeben. In diesen Leitsätzen wird der vom

Umweltbundesamt (UBA) genannte Vorsorgewert von 160 dB (SEL) / 190 dB

(peak‐to‐peak) in 750 m Entfernung zur Emissionsstelle als verbindlicher

Lärmgrenzwert beim Rammen von Offshore-Fundamenten festgelegt. Der

Schallereignispegel (SEL) beschreibt die logarithmische Umsetzung von

Schallexposition in Dezibel. Der Abstand zwischen positivem und negativem

Spitzenpegel wird als peak-to-peak bezeichnet. Diese Größen werden unter 3.2.3

ausführlich erläutert.

In der vorliegenden Masterarbeit sollen primäre Schallschutzmaßnamen für das

Rammen von Pfählen im Offshore-Bereich untersucht werden. Primäre

Schallschutzmaßnamen sind Vorkehrungen, durch die der Schall bereits bei seiner

Entstehung gemindert wird. Sekundäre Schallschutzmaßnahmen hingegen mindern

die Schallausbreitung.

Sekundäre Schallschutzmaßnahmen werden derzeit erforscht und haben bald die

Marktreife erreicht (siehe Kapitel 2.5). Bei der praktischen Erprobung beispielsweise

an der Fino 3 Plattform, stellten sich diese Maßnahmen als sehr aufwendig und nur

bedingt tauglich heraus [Grießmann 2009].

Einleitung

3

Durch die Verbesserung des primären Schallschutzes können Kosten, die beim

Errichten von sekundären Schallschutzmaßnahmen entstehen, eingespart werden.

1.2 Das Projekt Offshorewindenergieanlage des Instituts für Bergbau

und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg

Am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg wurde ein

schwimmendes Offshorefundament (SOF) konstruiert. Dieses soll durch in den

Meeresboden gerammte Pfähle, sogenannte Monopiles, verankert werden. Um beim

Rammen dieser Pfähle die vom UBA herausgegebenen Vorsorgewerte einzuhalten,

soll ein völlig neuer Ansatz des primären Schallschutzes untersucht werden.

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bereits die Auswahl des Pfahl-Werkstoffes

einen großen Einfluss auf die Schallminderung hat. Somit können sehr viel

wirksamere Schallminderungen erzielt werde als mit sekundären Maßnahmen

[Dombrowski, K., et al. 2007]. Man geht davon aus, dass Beton aufgrund seiner

Dichte eine geringere Schallgeschwindigkeit als Stahl hat (siehe Kapitel 3.4).

Demnach würden Betonrammpfähle geringere Schallemissionen in das Meerwasser

aufweisen als Rammpfähle aus Stahl.

Im folgenden Kapitel werden die Zielsetzungen des Instituts, sowie Aufgaben-

stellung, Zielsetzung und Ablauf dieser Masterarbeit beschrieben.

1.2.1 Zielsetzung des Projektes

Beim Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau an der TU Bergakademie

Freiberg handelt es sich um die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Gründungs-

varianten für OWEA zur Minderung von Schallemissionen.

Damit soll erreicht werden, dass der Ausbau und die Nutzung erneuerbarer Energien

umweltverträglich gestaltet werden. Denn durch eine Reduzierung der Schall-

emissionen werden Meeresökosysteme beim Bau der Windenergieanlagen weniger

stark belastet.

Konkret soll im Rahmen einer Machbarkeitsstudie aus einem druck- und

schlagfesten Verbundwerkstoff auf Basis von Zementbeton ein neuartiger

Rammpfahl mit schallreduzierender Wirkung entwickelt werden. Dieser soll sowohl

Einleitung

4

hochtragfähige als auch schallreduzierende Komponenten beinhalten. Damit soll

eine große Schallminderung bei zugleich hoher Schlagfestigkeit erreicht werden. Der

Verbundwerkstoff muss unter der Beanspruchung durch Umweltbedingungen

(Meerwasserangriff, Wassertemperaturen um 0°C, Strömung) und Lastwechsel

durch den Betrieb der WEA beständig bleiben.

Parallel dazu soll ein Finite Elemente (FE) Berechnungsmodell zur Prognose der

Hydroakustik im Nah- und Fernfeld der Rammstelle entwickelt werden. Die

Validierung des Modells soll durch Laborexperimente erfolgen. Durch diese

Simulation können Entwicklungskosten eines primär schallgedämpften Rammpfahles

reduziert werden.

1.2.2 Aufgabenstellung, Zielsetzung und Ablauf der Masterarbeit

Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Prognose

der Hydroakustik beim Rammen von Pfählen mittels Impulsramme. Im Fokus der

Betrachtungen steht das akustische Nahfeld. Das Modell soll den Schalldruck in

unterschiedlichen Abständen berechnen. Die Validierung dieses Modells erfolgt

mittels eines Experimentes im Labormaßstab. Nach Vollendung der Masterarbeit soll

das Berechnungsmodell dazu verwendet werden, offshore Rammungen im

Realmaßstab zu simulieren und sowohl Werte für Schallemission als auch Festigkeit

der Rammpfähle zu ermitteln.

Diese Masterarbeit gliedert sich entsprechend des Forschungsablaufes der

Schallschutzuntersuchungen. Zu Beginn werden in Kapitel 2 Grundlagen der

Betontechnik, Rammmethoden und Rammpfähle erarbeitet. Kapitel 3 dient dazu,

akustische Grundlagen zu erläutern, sowie die Auswirkung von Schallemissionen auf

Meeresbewohner aufzuzeigen. Im 4. Kapitel werden die Entstehung des

Berechnungsmodells beschrieben und die Ergebnisse ausgewertet. Dabei wird die

Vorgehensweise zur Modellbildung genau erklärt. In Kapitel 5 folgt die Validierung

des Berechnungsmodells mittels Ultraschall- und Drucksensorversuch sowie der

Vergleich zwischen den Ergebnissen der Berechnung mit denen der Validierung.

Abschließend gibt Kapitel 6 einen Ausblick auf das weitere Vorgehen mit dem

Berechnungsmodell.

Literaturrecherche zum Stand der Technik

5

2 Literaturrecherche zum Stand der Technik

Das folgende Kapitel dient dazu, dem Leser ein Grundlagenwissen zur Thematik

dieser Masterarbeit zu vermitteln. Zu Beginn erfolgt eine Unterscheidung zwischen

Windenergieanlagen auf dem Festland und auf der See.

Des Weiteren soll dem Leser der Werkstoff Beton, speziell Leichtbeton, näher

gebracht werden. Weiterhin wird ein detailliertes Hintergrundwissen zu Rammpfählen

und diversen Methoden der Einbringung in den Boden dieser Rammpfähle gegeben.

Außerdem wird die Messung der Schallausbreitung im Meereswasser erläutert. Auch

werden unterschiedliche Methoden zum sekundären Schallschutz ausführlich

beschrieben.

2.1 Windenergieanlagen

Der größte Unterschied zwischen offshore und onshore Windenergieanlagen liegt in

ihrer Fundamentierung. Gründungen auf dem Meeresboden, wie Pfahlturm oder

abgesteifter Turm, lassen sich mit Schwerkraft- oder Pfahlverankerung kombinieren.

Bevorzugt eingesetzt werden derzeit in den Meeresgrund gerammte oder gebohrte

Monopilekonstruktionen aus Stahl (Abbildung 2-1). Für größere Wassertiefen

verwendet die offshore-Industrie Tripod- (Abbildung 2-2) oder Fachwerk-

konstruktionen, so genannte Jackets (Abbildung 2-3) [Gasch 2011].

In dieser Arbeit sollen ausschließlich gerammte Betonpfähle betrachtet werden.

Stahlrammpfähle bezeichnet man in der Fachsprache auch als Monopiles. Diese

können sowohl als alleinige Gründungsstruktur als auch zur Verankerung

schwimmender Fundamente genutzt werden.


6

Abbildung 2-1: Monopilegründung

Quelle: FH-Kiel 2013

Abbildung 2-2: Tripodgründung

Quelle: BMU 2013

Abbildung 2-3: Jacketgründung

Quelle: Vertikal.net 2013


7

2.2 Grundlagen des Leichtbetons

Für die Betonrammpfähle soll Leichtbeton verwendet werden. Dieser zeichnet sich

durch hohe Festigkeitswerte bei zugleich geringer Dichte aus. Er ist definiert mit

einer Trockenrohdichte von unter 2000 kg/m3. Je nach ihrer Zusammensetzung

werden Leichtbetone in folgende Gruppen unterteilt [Thienel 2011]:

konstruktiver (gefügedichter) Leichtbeton

haufwerksporiger Leichtbeton

Schaumbeton

Porenbeton.

Druckfestigkeit und Rohdichte des Leichtbetons werden entscheidend von der

eingesetzten Gesteinskornart und der Betonzusammensetzung bestimmt. Die

verringerte Betonrohdichte reduziert das Eigengewicht, die Wärmeleitfähigkeit und

die Schallgeschwindigkeit [Schließl 2006].

Mehr als 80 % der Leichtbetone sind haufwerksporige Leichtbetone, die wegen ihrer

guten wärmedämmenden Eigenschaften für Mauersteine, Wandtafeln etc. eingesetzt

werden [Weigler 1972]. Der Einsatz gefügedichten Leichtbetons stellt ein verhältnis-

mäßig kleines Marktsegment des Betonbaus dar.

Als Ortbeton wird gefügedichter Leichtbeton, gemessen an seinem

Leistungspotenzial, relativ wenig eingesetzt. Die Gründe sind hauptsächlich eine

gegenüber Normalbeton anspruchsvollere Technologie und die höheren

Materialkosten [Thienel 1997].

Abbildung 2-4 veranschaulicht die Bandbreite des Festigkeits- und

Rohdichtebereichs, der von Beton abgedeckt wird.


8

Abbildung 2-4: Festigkeits- und Rohdichtebereich von Beton

Quelle: Thienel 1997

2.3 Stand der Technik von Rammpfählen

Das folgende Kapitel stellt diverse Methoden der Pfahlgründung vor. Auch werden

die unterschiedliche Geometrie und Tragfähigkeit von Pfählen ausgewählter

Hersteller aufgezeigt und auf Richtlinien und Normen von Pfahlgründungen

eingegangen.

2.3.1 Methoden der Pfahlgründung

Konstruktive Lösungen, um Stützlasten auf den Baugrund zu übertragen, sind

Flächengründungen oder Pfahlgründungen. Die Art der Gründung hängt von der

Lage der tragfähigen Bodenschicht ab. Dabei wird für Flächengründungen zwischen

Flachgründung, Tiefgründung oder schwimmender Gründung unterschieden. Die

Auswahl der Gründungsform hängt von folgenden Kriterien ab [Möller 2006]:

Größe der Belastung

Standsicherheit

Größe der zu erwartenden Setzungen

Wirtschaftlichkeit.

Wenn die tragfähige Gründungsschicht weit unterhalb des Bauwerkes liegt und eine

Stabilisierung des überlagernden Baugrundes aus technischen oder wirtschaftlichen


9

Gründen nicht sinnvoll ist, oder wenn das Bauwerk über freiem Wasser herzustellen

ist, kommen Pfahlgründungen zum Einsatz [Möller 2006]. Dadurch werden die

Lasten von Tragwerken durch den weichen oder wässrigen Baugrund in tiefere,

tragfähige Bodenschichten übertragen. In Abbildung 2-5 ist das Prinzip der

Pfahlgründung zur Abtragung der Bauwerkslasten in tragfähigen Baugrund

dargestellt.

Abbildung 2-5: Pfahlgründung

Quelle: Möller 2006

Das Gründen mit Pfählen ist eine Variante der Tiefgründung und neben der

Flachgründung eine der ältesten Gründungsformen, denn bereits im Altertum wurden

bei schlechten Bodenverhältnissen Holzpfähle in den Boden gerammt. Auf

schlechtem Baugrund ist es ungünstig, flachliegende Gründungen zu errichten. Denn

auf solchem Untergrund setzen sich Bauwerke stark, stellen sich schief, reißen oder

versinken im Boden [Seitz, Schmidt 2000].

Bei diesem Gründungsverfahren werden Pfähle in den Baugrund gebohrt oder

gerammt, bis eine ausreichend tragfähige Boden- oder Gesteinsschicht erreicht ist.

Diese Form des Tragwerks überträgt die Lasten dann zum einen durch die Reibung

des Pfahls mit dem Baugrund (Mantelreibung) und zum anderen über den

Spitzendruck der Pfähle.

Welches Verfahren zum Rammen der Pfähle verwendet wird, hängt insbesondere

von der Bebauung der Umgebung ab. In Innenstädten ist es aufgrund der

Erschütterungen nicht möglich, Pfähle rammend einzubringen. An solchen Orten


10

kommen Bohrpfähle zum Einsatz, wobei vorgebohrte Löcher mit Beton verfüllt

werden. In dicht bebauten Gebieten ist es notwendig, auch auf schlechtem Baugrund

bauen zu können. Die Standortfrage ist für die Industrie von größerer wirtschaftlicher

Bedeutung als die Mehrkosten, welche sich durch den Ausgleich schlechter

Baugrundverhältnisse ergeben [Seitz, Schmidt 2000].

Je nach Einsatzzweck und Umgebungsbedingungen können die Pfahlgründungen

aus verschiedenen Materialien bestehen bzw. auf unterschiedliche Weisen

hergestellt werden. Man unterscheidet Fertigpfähle, Ortbetonpfähle und

Verbundpfähle [Baunetzwissen 28.07.2013]. Fertigpfähle werden in voller Länge

hergestellt und montiert (Abbildung 2-6).

Abbildung 2-6: Rammung von Fertigpfählen

Quelle: Arkil Spezialtiefbau 2013

Bei Ortbetonpfählen wird ein Stahlrohr in den Boden eingerammt und nach

Erreichen der erforderlichen Absetztiefe mit Beton verfüllt. Das Rammrohr wird

anschließend herausgezogen (Abbildung 2-7).

Bei Verbundpfählen wird ein vorgefertigtes Tragglied (Stahl oder Beton) in ein

Bohrloch eingeführt und dort mit Zementmörtel verpresst. Dadurch entsteht ein

Verbund von Baugrund und Tragglied.


11

Handelt es sich um dauerhafte Bauwerke, sind Stahlbetonpfähle aufgrund der

Materialkosten vorteilhaft. Bei temporären Bauwerken können Stahlpfähle nach Ihrer

Benutzung gezogen und wiederverwendet werden

Offshore wurden bereits vor einigen hundert Jahren Pfahlgründungen durch die

Verwendung von Holzpfählen eingesetzt. Denn Holz ist unter dem Wasserspiegel,

ohne mit Luftsauerstoff in Berührung zu kommen, nahezu unendlich lange haltbar

[Seitz/Schmidt 2000]. Beispielsweise erfolgte die Errichtung der Stadt Venedig auf

Holzpfählen. Die Kirche „Santa Maria de Salute“ steht auf 1 000 000 Pfählen

[Seitz/Schmidt 2000].

Abbildung 2-7: Prinzip der Gründungsmethode mit Ortbetonpfählen

Quelle: Friedrich 2013

Im Onshorebereich sind Betonrammpfähle weit verbreitet. Beim Vorgang einer

Offshore-Pfahlrammung werden entweder ein Monopile als Tragkonstruktion oder

mehrere kleinere Pfähle zur Verankerung eines so genannten Tripods oder Jackets

in den Meeresboden eingebracht. Dazu wird der Pfahl auf dem Meeresboden

abgestellt und durch einer Folge von Einzelschlägen periodisch belastet. Durch den

Wasserauftrieb besteht der Vorteil, einen Monopile in einem Stück einzurammen.

Diese Monopiles sind onshore Pfählen gegenüber, sehr groß und schwer.


12

Abbildung 2-8: Rammhammer der Firma Menck im Offshore Einsatz

Quelle: Energiesprektrum 2011

Betonpfähle haben einige Vorteile gegenüber Stahlpfählen. Zum einen sind sie

wesentlich kostengünstiger (Stahlpfähle erhält man oft nur zum vier- bis fünf-fachen

Preis der Betonpfähle). Zum anderen sind sie wesentlich haltbarer. Da außerdem

keine Reaktion mit Meerwasser auftritt, ist kein kathodischer Korrosionsschutz

erforderlich [Van de Brug, E. 2011].

2.3.2 Geometrie und Tragfähigkeit von Betonpfählen diverser Hersteller

Einige Hersteller von Betonrammpfählen stellen Daten ihrer Produkte im Internet frei

zur Verfügung. Daten von Abmessungen und Tragfähigkeiten ausgewählter

Hersteller sind in den folgenden Tabellen gegenübergestellt.

Die aufgeführten Pfahldurchmesser entsprechen zwar nicht denen der offshore

Rammpfähle, geben aber einen guten Überblick über das Angebot diverser

Hersteller von Betonpfählen.

Die Firma Walinco aus den Niederlanden führt jährlich zirka 300 Projekten in den

Niederlanden, in Belgien und Deutschland aus. Die Firma unterscheidet zwischen

Standard- und hochwertigem Betonpfahl.


13

Tabelle 2-1: Pfahldaten der Firma Walinco

Standard Betonpfahl: Hochwertiger Betonrammpfahl:

Betongüte C30/37 C45/55 oder C60/75

Belastung bis 400 kN bis 1500 kN

Abmessungen Ø 210 mm, Ø 280 mm Ø 280 mm, Ø 310 mm

Quelle: Walinco 2000

Die schweizerische Firma Alphabeton hat ihr Spezialgebiet in linearen

Tragkonstruktionen aus Hochleistungsbeton. Folgende Daten wurden von

Alphabeton bereitgestellt. Alphabeton stellt runde Pfahlformen her.

Betongüte: C 60/75

Tabelle 2-2: Pfahldaten der Firma Alphabeton

Pfahldurchmesser [mm] Tragfähigkeit [kN]

200 1195

250 1844

300 2634

Quelle: Alphabeton 2013

Der deutsche Pfahlhersteller Centrum führt deutschland- und europaweit pro Jahr

etwa 200 Baustellen aus.

Betongüte: C50/60

Tabelle 2-3: Pfahldaten der Firma Centrum

Pfahlquerschnitt [mm] Tragfähigkeit [kN]

200 x 200 50 bis 250

250 x 250 250 bis 650

300 x 300 650 bis 1000

350 x 350 1000 bis 1400

400 x 400 1400 bis 2000

450 x 450 2000 bis 2400

Quelle: Centrum 2013


14

Entsprechend den Empfehlungen von Frau Dr. Katja Dombrowski-Daube1 soll beim

Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau Beton der Güte LC 55/60

verwendet werden [persönliches Gespräch am 23.05.2013]. Demnach würde die

Herstellerwahl auf die Firma Centrum fallen.

2.3.3 Richtlinien und Normen

Die folgenden Normen enthalten Empfehlungen zur Berechnung der Beton- und

Stahlbetonfundamente:

DIN 1045-1 (Juli 2001)

DIN 1045-3 (Juli 2001)

DIN ENV 1992-1-6 (Dezember 1994).

Richtlinien für geotechnische Untersuchungen sind folgenden Normen zu

entnehmen:

DIN 1054 (Januar 2005)

DIN 4019 (April 1979).

Weitere Normen sind unter [Möller 2006] aufgeführt.

2.4 Methoden des Rammens

Das Einbringen der Monopilegründungen kann über zwei unterschiedliche Verfahren

erfolgen. Im folgenden Kapitel werden diese ausführlich beschrieben. Das ältere

Verfahren durch Impulsrammung wird zunehmend durch die Vibrationsrammung

ersetzt, da dieses wesentlich weniger Schallabstrahlung verursacht. Auch

Kombinationen dieser Verfahren sind beispielsweise bei wechselnden Baugrund-

schichten möglich bzw. nötig.

2.4.1 Impulsrammung

Die Impulsrammung als Art Pfähle in den Boden einzubringen, erfolgte seit dem

16. Jahrhundert durch Handrammen. Erst im 19. Jahrhundert wurden aus diesen

sogenannten Freifallbären Schlagbären entwickelt [Seitz, Schmidt 2000]. Dabei fällt

ein Gewicht auf das Rammgut und schlägt dieses so nach und nach in den Boden

ein. Die einzelnen Rammstöße bestehen aus kurzen (50‐100 ms) Pulsen

1 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg


15

[ITAP 2010]. Dieses schlagende Verfahren kann in nahezu allen Geologien genutzt

werden.

Um das Gewicht des Hammers anzuheben, werden Druckluft, Explosionsgase,

Hydraulikflüssigkeit oder selten auch Dampf genutzt [Seitz, Schmidt 2000]. Die dabei

entstehende Schlagenergie ergibt sich aus:

2-1

Mit W für Energie, G für das Gewicht des Hammers und h für die Fallhöhe. Wenn der

obere Totpunkt beim Anheben erreicht ist, entweicht das Medium und das Gewicht

fällt auf das Rammgut. Die dabei abgegebene kinetische Energie ergibt sich aus:

2-2

Eine von oben auf das Fallgewicht wirkende Beschleunigung erhöht die kinetische

Energie. Diese Beschleunigung erfolgt durch die gleichen Energieträger, wie für das

Anheben des Gewichts.

Muss ein Tragfähigkeitsnachweis der Rammung erbracht werden, sind schlagende

Verfahren unbedingt erforderlich [ABI Gruppe 2013a].

Die ABI Gruppe ist ein Unternehmen, welches sich auf Pfahlgründungen spezialisiert

hat. Bei der Impulsrammung wird hier mit Schlagzahlen von 0-100 Schlägen/Minute

und einer Schlagenergie von 0-118 kNm gearbeitet [ABI Gruppe 2013b].

2.4.2 Herkömmliches Vibrieren

Die Impulsrammung ist eine äußerst schallintensive und bodenerschütternde

Variante um Pfähle in den Boden einzubringen. Daher hat sich in den letzten

50 Jahren die Vibrationsrammtechnik im Bauwesen etabliert [Kleibl/Heichel 2004].

Diese soll geringere Schallemissionen in die Meeresumwelt abgeben. Denkbar ist

dabei eine Kombination von Rütteln und Rammen.

Zwei gegenläufig rotierende Gewichte, die so angeordnet sind, dass sie die

Horizontalkomponente FH der Fliehkraft aufheben und die Vertikalkomponente FV

addieren, lassen dabei den Pfahl vibrieren und rütteln diesen so ein

[Seitz/Schmidt 2000]. Diese Technik erzeugt einen sinusförmigen Kraftverlauf,

durch den das Rammgut vor- und zurückbewegt wird.


16

Die Schwingungen setzen die Reibung zwischen Rammgut und Boden herab, so

dass der Pfahl leichter absinken kann. Es muss aber eine statische Auflast, ohne die

kein Rammfortschritt möglich ist, vorgegeben sein [Kleibl/Heichel 2004].

Bisher ist nicht erforscht, bis zu welchem Pfahldurchmesser das Verfahren

einsetzbar ist. [Schultz‐von Glahn et al. 2006] gehen davon aus, dass dieses

Verfahren nur bei Pfahl‐Durchmessern bis ca. 2 m funktioniert.

Erfahrungen bestehen durch Referenzprojekte mit Pfahldurchmessern von

ca. 2,5 bis 3 m, wie z.B. der Gründung einer Test‐ und Demonstrations‐WEA in der

Jade vor Hooksiel durch die BARD Engineering GmbH und dem Projekt alpha

ventus. Selbst wenn nur ein geringer Teil der Einbindetiefe durch Vibration erzielt

wird, werden so die Rammschläge weniger.

Dadurch lassen sich die Verletzungszonen für Meeresbewohner reduzieren. Dieser

Effekt beruht darauf, dass sich die Schadenswirkung impulshaften Schalls mit der

Anzahl der Impulse erhöht. Denn die Schallenergie im Ohr der Organismen

akkumuliert sich über die Zeit [NMFS 2007, Southhall et al. 2007].

Bei Experimenten in Richmond/Kalifornien ergaben sich bei der Verwendung von

Vibrationsrammen Werte von max. 181 dB peak-to-peak und 167 dB SEL In 10 m

Entfernung [Caltrans 2007]. Überträgt man diese Werte auf Nord‐ oder Ostsee,

ergeben sich ein Einzelereignis‐Schalldruckpegel von 139 dB SEL und ein

Spitzenschallpegel von 153 dB peak-to-peak in einer Entfernung von 750 m. Die

Werte wurden entsprechend folgender Formel ermittelt:

2-3

Wobei Lr die Eingangsschallstärke beim Objekt, Ls der Quellpegel und R der Abstand

von der Quelle in Meter ist [Koschinski, Lüdemann 2011].

Hydroschallemissionen der Vibrationsrammung lagen dabei im Normalbetrieb etwa

15‐20 dB unter den Schallpegeln der Impulsrammung. Die Vibrationsrammung ist

allerdings bei festen Tonschichten nur bedingt einsetzbar, da es zum Fest-

fressen des Rammpfahls im Boden kommen kann. Dabei zeigt sich kein

weiteres Vorantreiben des Pfahls und die Schallemissionen verstärken sich

[Elmer et al. 2007].


17

Man geht davon aus, dass bei einer Kombination von Rütteln und Rammen in den

Meeresboden etwa die Hälfte der benötigten Einbindetiefe von 44 m durch das

Rüttelverfahren erreicht werden kann und nur die restlichen 22 m gerammt werden

müssen [Koschinski, Lüdemann 2011].

Eine Halbierung der Anzahl der Schallimpulse bedeutet für den SEL-Wert 3 dB

weniger. Die rechnerisch. ermittelte Verletzungszone für Fische wird dadurch nicht

wesentlich geringer [Southall et al. 2007]. Dabei sinkt jedoch auch die Zeit der

Störeinwirkungen, da das Verfahren des Vibrationsrammens weniger Zeit

beansprucht als das Impulsrammen [Lammertz 2008].

Beim Bau des Offshore Windparks alpha ventus kam ebenfalls eine Vibrationsramme

zum Einsatz. Die Unterwasserschallpegel variierten dabei stark, lagen aber in

Summe um 142 dB in 750 m Entfernung, was deutlich leiser als bei der

Schlagramme mit 167 dB ist. In Abbildung 2-9 sind die Spektren beim Einsatz der

Vibrationsramme im OWP alpha ventus beim Umspannwerk AV0 im Vergleich zur

Schlagramme und zum Hintergrundgeräusch, gemessen in 1,2 km Entfernung,

dargestellt [Betke & Matuschek 2009].

Die berechneten Spitzenpegel für Impulsrammen liegen etwa 24 dB re 1 μPa höher

als die entsprechenden Werte für Vibrationsrammen [BfN 2011]. Der Zusatz „re“

bedeutet, dass die Beschallung relativ zu 1 μPa erfolgte.

Vibrationsrammen sind auch für den Offshore-Bereich auf dem aktuellen Stand der

Technik und wirtschaftlich einsetzbar. Da allerdings die erreichbare Einbindetiefe von

unterschiedlichen Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Pfahldurchmesser,

Wandstärke und Schwingungsverhalten des Pfahls sowie Größe der

Vibrationsramme abhängig ist, können nicht alle Pfähle auf diese Weise in

signifikante Tiefen gebracht werden. Demnach ist diese Art der Rammung nur in

Kombination mit Impulsrammen anwendbar.

Somit lassen sich laute Schallimpulse noch nicht vollständig vermeiden. Mitunter

werden ausgeschriebene Rammtiefen mit Vibrationstechnik allein nicht erreicht

[Kleibl/Heichel 2004].


18

Abbildung 2-9: Spektren beim Einsatz der Vibrationsramme im OWP alpha ventus

Quelle: BETKE & MATUSCHEK 2009, ITAP 2010

Nach der Ansicht von Verfechtern des Impulsrammverfahrens haben gerüttelte

Pfähle eine geringere Standfestigkeit. Andere Fachleute behaupten wiederum, dass

mit dem Einrütteln dieselbe Standfestigkeit wie mit der Impulsrammung erzielt

werden kann.

In einer Dissertation von [Lammertz 2008] wurde das Tragverhalten dieser Systeme

verglichen. Dazu wurden benachbarte Bauwerkspfähle auf Tiefe gerammt bzw.

vibriert. Ihre Tragfähigkeit wurde durch Probebelastungen mithilfe von

Drucksondierungen bestimmt [Lammertz 2008]. Mittels Vibration in locker bis

mitteldicht gelagertem Sand ließen sich sogar höhere Tragfähigkeiten erzielen als

durch Schlagrammen [Lammertz 2004].

Generell muss beachtet werden, dass die letzten Schläge immer mit einer

Impulsramme erfolgen müssen. Denn nur so können Aussagen über das

Tragvermögen der Pfähle gemacht werden [Bauphysikkalender 2009].

Die ABI-Gruppe arbeitet bei der Vibrationsrammung mit einer maximalen Fliehkraft

von 750 - 1500 kN und einem statischen Moment von 0 - 30 kgm. Bei den Vibratoren

kommen dynamische Massen von 2105 – 3995 kg zum Einsatz [ABI Gruppe 2013c].


19

2.4.3 Gerichtetes Vibrieren

Wie unter 2.4.2 beschrieben, wird beim herkömmlichen Vibrieren ein sinusförmiger

Kraftverlauf erzeugt. Dabei strebt der Boden auch eine harmonische Schwingung an.

Der dadurch entstehende Gleichklang zwischen Boden und Rammgut begünstigt,

dass speziell bindiger Boden leicht am Rammpfahl haften bleibt.

Somit würde sich die schwingende Masse vergrößern und die Amplitude der

Schwingung verkleinern. Im Extremfall kommt der Rammprozess zum Erliegen. Dies

hätte zur Folge, dass die eingebrachte Energie vollständig in Bodenschwingung

umgesetzt werden würde [Kleibl/Heichel 2004].

Um diese Probleme zu kompensieren, wurde das gerichtete Rütteln entwickelt.

Dabei wird der generierte Kraftverlauf so modifiziert dass eine ausgeprägte

Kraftspitze in Vortriebsrichtung dem Rammprozess die Bewegungsrichtung vorgibt

[Kleibl/Heichel 2004]. In Abbildung 2-10 wird die Kraftwirkung durch gerichtetes

Vibrieren mit der durch herkömmliches Vibrieren verglichen.

Um diese Kennlinienform zu erreichen wurden bisher zwei Konzepte zur Anregung

der Vibration untersucht. Das erste Konzept beruht auf der Anregung durch

unterschiedlich schnell rotierende Unwuchten. Dadurch wird das gerichtete Vibrieren

relativ einfach erreicht (Abbildung 2-11). Die Überlagerung der beiden sinusartig

verlaufenden Kraftwirkungen baut die Kraftspitze in einer Richtung ab und verstärkt

sie in der anderen (Abbildung 2-12).

Abbildung 2-10: Krafteintag beim herkömmlichen und Gerichteten Vibrieren

Quelle: Kleibl/Heichel 2004


20

Abbildung 2-11: Vibrator mit unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaaren


Abbildung 2-12: Kraftwirkung der unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaare


Die Vibrationsanregung durch rotierende Kurbelschleifen stellt das zweite Konzept

dar. In Abbildung 2-13 ist das Prinzip der rotierenden Kurbelschleife dargestellt. Die

Unwuchtmasse (1) wird über eine Gleitführung (2) vom rotierenden Antrieb (3)

bewegt. Durch den Versatz zwischen den Drehpunkten von Antrieb und Unwucht

bewegt sich diese mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit.

Um Horizontalgeschwindigkeiten zu kompensieren, werden zwei gegenläufig

drehende Unwuchtmassen verbaut. In Abbildung 2-14 wird die für die Wirkrichtung

relevante Komponente der Fliehkraft bei unterschiedlichen Exzentrizitäten gezeigt.

Die ABI Gruppe hat mit dem Versuchsvibrator RZVG40 (Abbildung 2-15) einen

baustellentauglichen Vibrator mit verstellbarer Kennlinie entwickelt. Beim Umschalten

der Maschine auf gerichtete Vibration trat eine signifikante Steigerung der

Vortriebsgeschwindigkeit auf.


21

Abbildung 2-13: Prinzipskizze einer rotierenden Kurbelschleife


Abbildung 2-14: Idealisierte Kraftverläufe bei unterschiedlicher Exzentrizität


Mit der gerichteten Arbeitsweise lassen sich mit gleicher Antriebsleistung bei

geringerem Energieverbrauch größere Rammaufgaben erfüllen. Durch die geringere

Energieübertragung sind auch die Schwingungen im Boden bzw. Wasser kleiner. In

Vortriebsrichtung wirkt eine höhere Kraft als in Gegenrichtung. Daher reißt das

Rammgut vom Boden ab und die Umgebung wird weniger stark durch Vibration

belastet [Kleibl/Heichel 2004].


22

Abbildung 2-15: Versuchsvibrator RZVG40


Man kann sagen, dass die Methode des gerichteten Vibrierens ein

vielversprechendes System ist, welches mit baustellentauglicher Technik weiter

erprobt werden sollte [Kleibl/Heichel 2004].

2.4.4 Aus der Praxis ermittelte Vergleichswerte für die Rammmethoden

Die Rammarbeiten an der Anlage FINO 1 erfolgten mit einer maximalen Impulskraft

von F0 = 3,5 MN. Die wesentliche Schallabstrahlung wurde in einem

Frequenzbereich von

[Hz] 2-4

mit τ für die Impulsdauer in Sekunden gemessen. Für τ = 0,004 s liegt die

Grenzfrequenz des Erregerspektrums bei f = 375 Hz.

Bei Vibrationsrammen wird nahezu harmonisch mit einer Frequenz von

[Hz] 2-5

gerammt.

Die berechneten Spitzenpegel für Impulsrammen liegen etwa 24 dB re 1 μPa höher

als die entsprechenden Werte für Vibrationsrammen [Bauphysikkalender 2009].


23

2.5 Stand der Technik zum sekundären Schallschutz beim Rammen von Pfählen

Da es bisher noch keine marktreifen Instrumente gibt, die gewährleisten können,

dass der Grenzwert von 160 dB eingehalten wird, darf dieser bei offshore

Rammarbeiten noch überschritten werden. Das gilt aber nur, wenn sich die Branche

aktiv an der Erforschung von Unterwasser-Schallschutzmethoden beteiligt

[Deutschlandfunk 2011].

Die Durchmesser der gerammten Pfähle werden immer größer. Dadurch sind

größere Schlagenergien nötig, was wiederum höhere Schallpegel verursacht.

Demzufolge wird eine immer stärkere Schalldämpfung nötig.

Folgende Schalldämpfungsmaßnahmen befinden sich derzeit in der Phase der

Entwicklung und Erprobung.

Blasenschleier

Zwischen Wasser und Luft besteht ein großer Dichteunterschied, der einen

erheblichen Impedanzsprung mit sich bringt. Aufgrund der Kompressibilität der Luft

wird durch Gasblasen im Wasser die Kompressibilität des Wassers und damit die

Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Medium verändert (Abbildung 2-16).

Durch Streuungs- und Absorptionseffekte werden die Schallamplituden ebenfalls

gedämpft, wenn die Schallanregung in der Nähe der Resonanzfrequenz erfolgt. Der

Blasenschleier ist erfolgversprechend, da die direkte Übertragung des Körperschalls

ins Wasser stärker ist als die indirekte Übertragung über Sediment und Luft (über alle

betrachteten Frequenzen 100 Hz bis 1 kHz).

Durch das Sediment ins Wasser übertragene Schallwellen können durch einen

ausreichend großen Blasenschleier ebenfalls gedämpft werden [Elmer et al. 2007a,

Grießmann et al. 2009].

Aufgrund dieser Effekte werden Blasenschleier als Schallminderungssysteme

verwendet. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen großem, kleinem und

geführtem Blasenschleier.


24

Abbildung 2-16: Konzept des großen Blasenschleiers

Quelle: ISD 2010

Der große Blasenschleier besteht aus einem perforierten Leitungsring, der um die

zu rammende Gründungsstruktur auf den Meeresboden gelegt wird. Durch

Druckluftkompressoren wird in diesen Ring Luft gepumpt, welche in Form von Blasen

aufsteigt und einen Mantel um die Gründungsstelle erzeugt.

Die mit diesem System einhergehende Schallminderung ist stark frequenzabhängig.

In Abbildung 2-17 ist diese Frequenzabhängigkeit bei den Rammarbeiten zur FINO

3-Plattform mit und ohne Blasenschleier zu sehen.

Damit die Dämpfung nicht durch Schallbrücken vermindert wird, ist es wichtig, dass

der Pfahl vollständig umschlossen ist. Schallbrücken können durch Verdriftung der

Blasen aufgrund von Strömung entstehen. Der große Blasenschleier muss eine weite

Fläche umschließen, um seismische Wellen, welche den Schall in das Wasser

übertragen, zu verringern.

Erfahrungen mit dem großen Blasenschleier haben gezeigt, dass eine signifikante

Schallminderung zu verzeichnen ist. Zurzeit ist die Ausbringung dieses Systems sehr

aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Auch wird der Bauablauf stark

verzögert.


25

Abbildung 2-17: Einzelereignis‐Schalldruckpegel (SEL)

Quelle: Grießmann et al. 2009

Ein neues System, welches es ermöglicht, den Blasenschleier mittels einer Trommel

direkt vom Schiff auszulegen, ist bezüglich des Installierens schneller und somit

wirtschaftlicher [Koschinski, Lüdemann 2011, Cay Grunau, Hydrotechnik Lübeck

GmbH, pers. Mitt.].

Der kleine oder auch gestufte Blasenschleier ist aus perforierten Luftleitungen in

mehreren Ebenen aufgebaut (Abbildung 2-18).

Die Schallminderungswerte entsprechen denen des großen Blasenschleiers. Auch

beim kleinen Blasenschleier können, besonders bei starker Strömung, Verdriftungen

und damit effektivitätsmindernde Schallbrücken entstehen.

Seismische Schallübertragung wird nicht aufgefangen, da der Durchmesser dieses

Systems dafür nicht ausreicht. Die nötigen Komponenten des kleinen

Blasenschleiers sind bereits serienreif [Grießmann 2009].

Blasenschleier sind grundsätzlich wassertiefen- und strömungsanfällig. Dadurch wird

ihr Einsatz in der Nordsee aufgrund der Tide auf ein kleines Zeitfenster begrenzt,

wodurch sie für die AWZ der Nordsee weniger effizient sind.


26

Abbildung 2-18: Konzept des gestuften Blasenschleiers

Quelle: ISD 2010

Eine Abhilfe dazu soll der geführte Blasenschleier bringen. Dieses System zeichnet

sich dadurch aus, dass der Bereich der Luftblasen von einer festen Hülle umgeben

ist. Das hat den Vorteil, dass eine Verdriftung vermieden wird. Die Hülle bietet je

nach Material eine zusätzliche Schalldämpfung.

Wegen des geringen Durchmessers ist keine seismische Dämpfung möglich. Das

System ist zu geringen Kosten marktverfügbar, jedoch für große Wassertiefen und

Küstenentfernungen nicht geeignet. Dadurch besteht keine Relevanz für Projekte in

der AWZ [Caltrans 2009].

Ein senkrecht vor den Pfahl in die Strömung gehaltener Blasenstab bietet eine

weitere Möglichkeit, den Schall mittels Luftblasen zu dämpfen. Die Blasen sollen so

um den Pfahl herum transportiert werden. Es werden Dämpfungen wie beim

gestuften Blasenschleier erwartet. Allerdings gibt es noch keine Erprobung zu

diesem System.

Insgesamt lässt sich über Blasenschleier sagen, dass die durch dieses System

erbrachte Schalldämpfung bald den marktreifen Stand der Technik erreichen wird.

Bei Praxistests wurde im Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz die beste

Wirksamkeit erzielt.


27

Abbildung 2-19: Konzept des geführten Blasenschleiers

Quelle: ISD 2010

Schallschutzmantel

Ein über den Pfahl gestülptes Stahlrohr ist Hauptbestandteil dieses sekundären

Schallschutzsystems. Dieses kann mit verschiedenen lufthaltigen Materialien gefüllt

werden (z.B. Schaumstoff oder Blasenfolie).

Für die Schalldämpfung sind die Reflexionseffekte im Rohr verantwortlich. Je größer

der Impedanzunterschied des Hüllmaterials ist, desto stärker ist die Schalldämpfung.

Werden mehrschichtige Konstruktionen verwendet, ist der Effekt noch größer.

Das System lässt sich auch mit einem Blasenschleier kombinieren. In Abbildung 2-20

ist ein Schallschutzmantel („isolation casing“) mit Blasen zwischen Pfahl und

Mantelrohr beim Rammen eines 2,4 m Pfahls an der Benicia-Martinez Brücke in

Kalifornien dargestellt.

Bei Untersuchungen an einem Schallschutzmantel, der aus einer 20 mm starken

PE-Blasenfolie bestand, die außen auf ein Stahlrohr aufgebracht war, betrug die

Schallminderung bei 1 kHz etwa 10 dB und oberhalb von 20 kHz über 20 dB. Wegen

der großen Gefahr der Beschädigung ist Blasenfolie jedoch nicht praxistauglich

[Elmer et al. 2007].


28

Abbildung 2-20: Schallschutzmantel

Quelle: Caltrans 2007

Bei weiteren Versuchen wurde ein doppelwandiges, mit Montageschaum verfülltes

Kunststoffrohr mit einem Piezo‐Schallsender beschallt. Es wurden Schall-

dämpfungen von > 30 dB bis > 50 dB erzielt. An einem Pfahl mit 0,9 m Durchmesser

wurde eine Dämpfung von 20‐27 dB gemessen.

Bei Rammarbeiten an der Benicia-Martinez Brücke in Kalifornien wurden

Schallschutzmäntel in unterschiedlichen Ausführungen getestet. Ein mit Wasser

gefülltes über den Pfahl gestülptes Rohr brachte nur eine Dämpfung von 0,2 dB mit

sich.

Durch das Wasser geführte Blasen, was einem geführten Blasenschleier entspricht,

ergaben eine Dämpfung von 21 dB. Ein leer gepumptes Rohr ergab eine ähnlich

hohe Dämpfung, was einem Kofferdamm gleichkommt [Elmer et al. 2007].

Kofferdamm

Der Kofferdamm umhüllt ähnlich wie der Schallschutzmantel den Pfahl. Allerdings ist

dabei der Zwischenraum leer gepumpt, was eine akustische Entkopplung zur Folge

hat. Damit erfolgt die Rammung praktisch „an der Luft“. Das bringt eine sehr effektive

Schallminderung mit sich.

Wenn das Leerpumpen bei großen Wassertiefen nicht möglich ist, werden teilweise

Blasenschleier zur Schalldämpfung eingesetzt, was wiederum einem geführten

Blasenschleier gleichkommt. Der SEL-Wert von 160 dB wurde bereits nach 200 m

unterschritten, allerdings nur für Wassertiefen < 10 m [Koschinski, Lüdemann 2011].


29

In flachem Wasser werden oft Spundwände als Kofferdamm eingesetzt. Für tiefes

Wasser ist dies nicht möglich.

Um die Notwendigkeit komplizierter Kransysteme bei der Installation des

Kofferdamms zu reduzieren, wurde ein teleskopierbares System aus drei ineinander

liegenden gegeneinander abgedichteten Rohren entwickelt.

Es wurde kein direkter Vergleich der Rammungen mit und ohne Kofferdamm

durchgeführt. Aber zwischen 100 und 500 m Entfernung zur Rammstelle ergaben

sich, verglichen mit Werten aus der Verwendung eines Blasenschleiers, jeweils

2‐5 dB geringere Werte. Messungen ergaben Dämpfungen von mindestens 7‐10 dB

und maximal 25 dB. Bei einem Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz wurde die

beste Wirkung erzielt.

Hydroschalldämpfer (HSD)

Dieses System ist an elastischen, mit Gas gefüllten Ballons zur Schalldämpfung

erkennbar. Die Ballons werden an Netzen fixiert, die frei durchströmbar sind. Die

Anordnung der Ballons ist sehr variabel und hat ein geringes Gewicht.

Mit dem Hydroschalldämpfer lassen sich Nachteile des Blasenschleiers

kompensieren, denn die Ballons können nicht mit der Strömung driften und haben

eine konstante Größe. Dadurch lassen sich gezielt bestimmte Frequenzen dämpfen.

In einem Versuch wurden Ballons mit einem Durchmesser von ca. 6 cm verwendet,

die gezielt den Frequenzbereich 100 ‐ 300 Hz dämmen. Die dabei erzielte

Schallreduzierung betrug 19 dB (peak) bzw. 20‐22 dB (SEL). Mit HSD ist ebenfalls

eine Schalldämpfung des seismischen Übertragungsweges möglich, sofern diese

entlang des Meeresbodens aufgespannt werden [Betke 2008].

Es wurden noch keine Untersuchungen unter Praxisbedingungen durchgeführt.

Abbildung 2-21 zeigt schematisch die Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an

einem Rammpfahl.


30

Abbildung 2-21: Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an einem Rammpfahl

Quelle: Offshore Stiftung 2011

Verlängerung der Impulsdauer

Numerische Untersuchungen von Elmer et al. (2007) ergaben, dass eine

Verlängerung der Dauer eines Rammstoßes die Schallemissionen verringert. Durch

die Verteilung der Schlagenergie auf eine längere Zeit werden die maximale

Stoßkraft und damit die Amplitude der Querdehnung verringert.

Gleichzeitig ergibt sich eine Verschiebung zu tieferen Frequenzen, weil die

Schwingungsdauer verlängert wird. In einer Modellierung eines FINO 1 Pfahls mit

etwa 1,5 m Durchmesser und 36 m Länge ergab die Verdoppelung der Schlagdauer

eine Reduzierung des Schallpegels um rund 9 dB (peak) [Elmer et al. 2007].

Weitere sekundäre Schallschutzmaßnahmen sind BEKA-Schale und Schlauchhülle.

Ausführliche Erläuterungen dazu sind unter [Koschinski, Lüdemann 2011] zu finden.

Modellierungen haben gezeigt, dass die direkte Übertragung des Körperschalls

gerammter Monopiles in die Wassersäule in beinahe allen betrachteten Frequenzen

(100 Hz bis 1 kHz) gegenüber den indirekten Übertragungswegen über das

Sediment und die Luft überwiegt (Abbildung 2-22).


31

Abbildung 2-22: Primäre Übertragungswege ohne Minderungsmaßnahmen

Quelle: Applied Physical Sciences 2010

Alle diese Verfahren zur sekundären Schallminderung haben einen Einfluss auf die

Offshore‐Logistik, da sie vor Beginn der Rammarbeiten installiert werden müssen.

Eine bestmögliche Integration in die Arbeitsabläufe vor Ort ist hier zwingend

notwendig, um den Ablauf nicht zu verzögern.

Der zusätzliche Zeitaufwand beim großen Blasenschleier sollte minimiert werden.

Denn diese Art der Schalldämpfung wird voraussichtlich als erste den marktreifen

Stand der Technik erreicht haben.

Es ist anzumerken, dass mit keinem der vorgestellten Systeme eine beliebig hohe

Dämpfung erzielbar ist [Koschinski, Lüdemann 2011]. Eine Kombination mehrerer

Systeme, um eine bestmögliche Minimierung der Schallemission zu erzielen, sollte

erprobt werden.

Beim Übertragungsweg über das Sediment ist für eine signifikante Schallminderung

nur ein primärer Schallschutz effektiv [Applied Physical Sciences 2010]. Um den

durch das Sediment übertragenen Schall zu minimieren und den logistischen

Aufwand beim Errichten sekundärer Maßnahmen zu vermeiden, sollen die in dieser

Arbeit erfolgenden Voruntersuchungen getätigt werden.

Akustik

32

3 Akustik

Um dem Leser ein Hintergrundwissen zu Schallausbreitung, Schallpegelgrößen und

Rammschallentstehung zu geben, werden diese Themen hier kurz erläutert.

3.1 Grundlagen der Schallausbreitung

Nach Michael Möser ist ein Schallereignis eine Wirkungskette, die er wie folgt

beschreibt. Eine Schallquelle versetzt das sie umgebende Medium in kleine Druck-

und Dichteschwingungen, diese werden in Folge von Kompressibilität und Masse

des Mediums übertragen und gelangen zum Ohr des Hörers [Möser 2007].

Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz des Tones und ein Maß

für die Tonhöhe mit der Maßeinheit Hertz (Hz). Je höher ein Ton ist, desto öfter

schwingt er und desto höher ist seine Frequenz. Die Lautstärke hängt dabei direkt

proportional von der Schwingungsamplitude ab und wird in Dezibel (dB) angegeben.

Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium innerhalb eines

Schallfeldes von der Schallquelle her symmetrisch in alle Richtungen aus. An den

Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Medien ändern sich die Eigenschaften der

Schallwelle.

In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten breitet sich der Schall longitudinal aus, da in

diesen Medien keinerlei Scherviskositäten auftreten. Dabei gibt es Verdünnungs-

fronten mit minimalem und Verdickungsfronten mit maximalem Druck. Die Wellen

breiten sich mit der, dem Medium entsprechenden, Schallgeschwindigkeit aus. Ist

kein Medium vorhanden, wie in einem Vakuum, gibt es auch keinen Schall

[Möser 2007].

3.2 Zentrale Größen der Akustik

Hörbarer Schall deckt mehrere Größenordnungen ab. Zur Veranschaulichung dient

die Logarithmische Darstellung. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Größen zur

Beschreibung des Schalls erläutert.

Akustik

33

Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel ist eine wichtige Größe in der Akustik. Er wird zur

Beschreibung der Lautstärke benötigt und ist als logarithmisches Maß für das

Verhältnis zwischen dem gemessenen Schalldruck und einem Bezugsschalldruck

definiert [Universität Wuppertal 2013]. Er wird durch folgende Formel beschrieben

[Möser 2007].

(

)

3-1

Mit LP für Schalldruckpegel, p für gemessenen Druck und p0 für den Referenzdruck.

Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) p0 = 2*10-5 Pa

Schallintensitätspegel:

3-2

Mit LI für den Schallintensitätspegel, I für die gemessene Intensität und I0 für die

Referenzintensität [Möser 2007].

Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) I0 = 10-12 W / m2

Schallleistungspegel:

3-3

Mit LW für den Schallleistungspegel, P für die gemessene Leistung und P0 für die

Referenzleistung [Möser 2007].

Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) p0 = 10-12 W

Die drei beschriebenen Pegelgrößen werden in Dezibel [dB] angegeben.

Akustik

34

Abbildung 3-1: Zusammenhang zwischen Schallleistung, -druck und -pegel

Quelle: Kuttner 2012

Zur Vorstellung der Größe Dezibel [dB] gelten folgende Richtwerte [Universität

Wuppertal 2013]:

3dB entspricht Leistungsverdopplung

6 dB entspricht Schalldruckverdopplung

10 dB entspricht Verdopplung der empfundenen Lautstärke.

Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit in Gasen ist sowohl von der Temperatur als auch vom

Druck und dem Adiabatenexponent des Gases abhängig. Das liegt darin begründet,

dass die Ausbreitung einer Druckwelle in einem Gas zur Kompression des Volumens

führt und somit zu einer Dichteänderung. Für ein ideales Gas bei einer Temperatur

von 20 °C und einem Luftdruck von 1013 hPa gilt:

√

3-4

mit der Schallgeschwindigkeit C, der Dichte und dem Adiabatenexponent

[Universität Göttingen 2011].

In Flüssigkeiten hängt die Schallgeschwindigkeit von der Dichte ρ und dem

Kompressionsmodul M ab. Dabei gibt das Kompressionsmodul den Druck an. Die

Kompressibilität ist der Kehrwert dieses Moduls ( = 1/K).

Akustik

35

Dadurch ergibt sich für die Flüssigkeit [Universität Göttingen 2011]:

√

3-5

mit

3-6

Da Flüssigkeiten ein höheres Kompressionsmodul als Gase haben, ist bei ihnen

auch die Schallgeschwindigkeit höher. Für die meisten Flüssigkeiten liegt die

Schallgeschwindigkeit bei 1100-2000 m/s (Wasser 1480 m/s, Salzwasser 1530 m/s)

[Übersicht Schallgeschwindigkeiten 2013].

Im Gegensatz zu anderen Medien hängt die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern

neben der Dichte auch vom Elastizitätsmodul und der Querkontraktionszahl ab. Des

Weiteren unterscheidet man zwischen longitudinalen und transversalen Wellen.

Für Longitudinalwellen gilt:

√

3-7

Diese Formel gilt allerdings nur für einen langen Stab, in welchem Querkontraktionen

vernachlässigt werden können. Der Durchmesser des Stabes muss dann kleiner sein

als die Wellenlänge der durchlaufenden Schallwelle [Universität Göttingen 2011].

Für Transversalwellen ergibt sich:

√

3-8

mit dem Schubmodul G [Universität Göttingen 2011].

Bei anisotropen Festkörpern hängt die Schallgeschwindigkeit von der

Ausbreitungsrichtung ab. Für Longitudinalwellen gilt:

√

3-9

Akustik

36

Für eine Transversalwelle ergibt sich:

√

3-10

Die Querkontraktionszahl bezeichnet man auch als Poissonzahl und ist wie folgt

definiert:

3-11

mit der Durchmesseränderung und Längenänderung des Körpers [Universität

Göttingen 2011].

3.2.1 Vergleich der Schallgeschwindigkeiten in Beton und Stahl

Für Stahl und Beton ergeben sich mit Formel 3-7 für Longitudinalwellen eines

isotropen Werkstoffes rechnerisch folgende Werte für die Schallgeschwindigkeiten.

Stahl:

√

Werte für Stahl aus [Roloff/Matek 2009]. Beim Projekt Riffgat in der deutschen

Nordsee wurde Stahl der Sorte S 355 NL eingesetzt.

Beton:

√

Werte für Beton aus [Schneider Bautabellen 2008].

Erkennbar ist hier, dass Beton rein rechnerisch eine geringere Schallgeschwindigkeit

vorweist als Stahl.

3.2.2 Überblick der Materialien des Berechnungsmodells

Nachfolgend dargestellt ist eine Übersicht der im Berechnungsmodell verwendeten

Materialien mit ihren entsprechenden Dichten und Schallgeschwindigkeiten.

Akustik

37

Tabelle 3-1: Überblick Materialeigenschaften

Material Dichte [kg/m³] Schallgeschwindigkeit [m/s]

Sand 1745,6 852,1

dichter Sand 2086,3 1721,7

sehr dichter Sand 2574,0 3000,0

Lehm 1000,0 1500,0

dichter Lehm 1400,0 1440,0

Wasser 1025,0 1512,0

Quelle: Göttsche 2012

3.2.3 Schallpegelgrößen

Im folgenden Kapitel werden die eingangs erwähnten Grenzwerte erläutert.

(Energie-) äquivalenter Dauerschallpegel Leq

Der Leq ist die gebräuchlichste Messgröße in der Akustik und wird zur akustischen

Beschreibung von diversen Umwelt-Lärmquellen (z.B. Flug-, Eisenbahn- oder

Straßenlärm) verwendet. Beim Prinzip der Energieäquivalenz geht man davon aus,

dass die mittlere Schallenergie eines diskontinuierlichen Geräuschs in einem

Zeitraum T die gleiche Wirkung hat wie die eines kontinuierlichen Geräusches

gleicher Energie [Deutsche Gesellschaft für Akustik 2007].

Der energieäquivalente Dauerschallpegel wird definiert durch:

∫

3-12

Wobei p(t) den zeitlich verändernden Schalldruck, p0 den Bezugsschalldruck (bei

Unterwasserschall 1 µPa) und T die Mittelungszeit beschreiben [BioConsult SH

GmbH & Co.KG 2012].

Akustik

38

Einzelereignispegel LE bzw. SEL

Um Rammereignisse besser zu charakterisieren wird der Einzelereignispegel LE bzw.

engl. sound exposure level (SEL) verwendet. Der Leq allein ist kein ausreichendes

Maß, da er nicht nur von der Stärke der Rammschläge abhängt, sondern auch von

der Mittelungszeit und von den Pausen zwischen den Rammschlägen. Der

Einzelereignispegel ist folgendermaßen definiert:

∫

3-13

mit T1 und T2 für Anfangs- bzw. Endzeit der Mittelungen und T0 als Bezugswert für

eine Sekunde [BioConsult SH GmbH & Co.KG 2012].

Der Einzelereignispegel eines Schallimpulses (Rammschlag) ist damit der Pegel (Leq)

eines kontinuierlichen Schalls von 1 s Dauer und der gleichen Schallenergie wie der

Impuls. Der SEL bzw. LE ist schwieriger direkt zu messen als der Leq, wobei sich die

beiden Größen jedoch einfach ineinander umrechnen lassen:

( )

3-14

mit n als Anzahl der Schallereignisse, also der Rammschläge, innerhalb der Zeit T,

T0 = 1 s und Lhg für Stör- bzw. Hintergrundpegel zwischen den einzelnen

Rammschlägen.

Die obere Gleichung liefert somit aus einer Leq-Messung den mittleren

Einzelereignispegel SEL bzw. LE von n Schallereignissen (Rammschlägen). Für den

Fall, dass der Hintergrundpegel zwischen den Rammschlägen deutlich geringer als

der Rammschall ist (z. B. > 10 dB), kann mit hinreichender Genauigkeit mit einer

Vereinfachung von der obigen Gleichung folgendermaßen gerechnet werden

[Projekt Hydroschall Borkum West II 2012b]:

3-15

Spitzenpegel Lpeak

Der Spitzenpegel Lpeak ist ein Maß für Schalldruckspitzen. Im Gegensatz zu Leq

und LE bzw. SEL gibt es keine Mittelwertbildung.

Akustik

39

Der Spitzenpegel wird mithilfe der maximalen Druckamplitude berechnet

[Bauphysik Kalender 2009]:

| |

3-16

Wobei ppeak den maximal festgestellten positiven oder negativen Schalldruck angibt.

In Abbildung 3-2 ist das typische Verhalten des gemessenen Zeitsignals des

Unterwasserschalls bei einem Rammschlag in einigen 100 Metern Entfernung

dargestellt. Der Spitzenpegel Lpeak ist stets höher als der Einzelereignispegel. In der

Regel beträgt der Unterschied zwischen dem Lpeak und dem SEL bei Rammarbeiten

20 dB bis 25 dB.

Einige Autoren bevorzugen statt des Lpeak die Größe Peak-to-Peak-Wert. In der

Abbildung 3-2 ist ebenfalls eine Definition dieser Größe dargestellt.

Abbildung 3-2: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls

Quelle: Projekt Hydroschall Borkum West II 2012c

Vor dem eigentlichen Schallereignis kommt eine meist sinusförmige Schallwelle mit

ca. 0,05 s Vorlauf an das Hydrophon. Diese Schallwelle wird oftmals Preblow

genannt und ist vermutlich der durch den Rammschlag über den Pfahl ins Sediment

eingeleitete und vom Sediment ins Wasser abgestrahlte Anteil.

Dieser Schallanteil ist „schneller“ als der eigentliche Rammschlag, da die

Schallgeschwindigkeit des Pfahls und des Sediments (dichter bzw. sehr dichter

Sand) in der Regel deutlich höher sind als im Wasser. Bei dem in der Abbildung

gezeigten Beispiel ist der Preblow besonders stark ausgeprägt, da der bei dieser

Messung verwendete Pfahl bereits mit dem Sediment verwachsen war

http://www.hydroschall.de/wp-content/uploads/2012/01/Zeitsignal_Unterwasserschall-bei-einem-Rammschlag.png

Akustik

40

(Brodtener Pfahl). In der Regel ist der Preblow einen Faktor 3 bis 10 kleiner als der

eigentliche Rammschall [Projekt Hydroschall Borkum West II 2012].

3.3 Rammschall

Im Folgenden sollen dem Leser die Entstehung des Rammschalls und seine

Auswirkungen auf Meeressäuger nähergebracht werden.

3.3.1 Entstehung des Rammschalls

Die radiale Schwingungskomponente der Dehnschwingungen des Pfahls ist

verantwortlich für die Schallübertragung. Die Übertragung des Körperschalls erfolgt

in das Wasser, die Luft und den Boden. Ist die Einbindetiefe im Vergleich zur

Wassertiefe sehr groß, tritt vor allem Schallemission in den Boden auf.

Die Schallausbreitung im Wasser hängt vor allem von der Schallgeschwindigkeit, der

Wassertiefe und der Beschaffenheit der Grenzflächen zwischen Luft und Wasser

sowie Wasser und Boden ab. Die Schallgeschwindigkeit wird dabei vom

Druck, der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers beeinflusst

[Bauphysik Kalender 2009]. In Tabelle 3-2 werden die durchschnittlichen Kennwerte

von Meereswasser aufgezeigt.

Tabelle 3-2: Standardkennwerte für Meereswasser

Temperatur

T [°C]

Dichte ρ0

[kg/m3]

Salzgehalt

s [%]

Tiefe z

[m]

Schallgeschwindigkeit

c [m/s]

Schallkennimpedanz

Z0 [Ns/m3]

13 1023,4 3,48 10 1500 1,535*106

Quelle: Furrer/Lauber 1972

3.3.2 Auswirkungen des Rammschalls auf Meeresökosysteme

Was das menschliche Ohr an der Wasseroberfläche wahrnimmt, ist unter Wasser

aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit wesentlich lauter.

Abbildung 3-3 zeigt die Einwirkzonen einer Geräuschquelle für marine Säugetiere.

Der äußere Rand der Einwirkzone Hörbarkeit beschreibt die Hörschwelle eines

Lebewesens. Diese ist kein fester Wert sondern frequenzabhängig. Die Zonen der

Reaktion und Maskierung (Gebiet in dem die Schallquelle die Kommunikation der

Akustik

41

Säuger behindert) sind weniger deutlich abgegrenzt. Im Nahbereich einer

Schallquelle kann bei sehr starken Pegeln eine Zone der Schädigung entstehen.

Abbildung 3-3: Einwirkzonen einer Schallquelle

Quelle: Bauphysik Kalender 2009

Die erste Stufe der Schädigung ist die Anhebung der Hörschwelle (TTS, Temporary

Threshold Shift). Diese kann neben Stressreaktionen auch zu Orientierungs- und

Kommunikationslosigkeit führen. Durch sehr hohe Schallpegel können die Tiere eine

permanente Anhebung der Hörschwelle (PTS, Permanent Threshold Shift)

davontragen.

Biologen haben in den letzten Jahrzehnten herausgefunden, dass der Hörbereich

von Schweinswalen von unter 1 kHz bis etwa 150 kHz reicht. Dabei liegt die größte

Empfindlichkeit in dem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. In diesem Bereich liegt die

Hörschwelle bei 40 bis 50 dB re 1 μPa.

Mit tieferen Frequenzen nimmt die Hörempfindlichkeit stark ab. Bei Seehunden liegt

die Hörschwelle bei tieferen Frequenzen zum Beispiel niedriger als bei

Schweinswalen. In Abbildung 3-4 und Abbildung 3-5 sind die Hörschwellen von

Schweinswalen und Seehunden dargestellt.

Am besten untersucht ist das Auftreten von TTS bei Meeressäugern. Allerdings sind

die Daten noch sehr lückenhaft. Eine direkte Übertragung des Hörschwellenverlaufes

auf den Verlauf des Schwellenwertes für TTS ist nicht möglich. Denn dieser ist

Akustik

42

weitaus weniger frequenzabhängig als die Hörschwelle. Um eine bessere

Abschätzung der Gefährdung durch TTS zu treffen, ist nicht nur die Pegelhöhe

sondern auch die Einwirkzeit der Schallereignisse zu betrachten.

Abbildung 3-4: Hörschwellen des Schweinswals


Abbildung 3-5: Hörschwellen des Seehundes


Akustik

43

Zum Einbringen der Monopiles sind einige tausend Rammimpulse nötig. Über die

summierte Wirkung dieser hohen Anzahl von Impulsen sind derzeit noch große

Unsicherheiten vorhanden. Man kann allerdings mit Sicherheit sagen, dass sich ein

einzelner Schweinswal niemals für längere Zeit und schon gar nicht für die Dauer

eines gesamten Rammvorganges im Nahbereich aufhalten wird.

Da davon ausgegangen wird, dass die Meeressäuger bei 750 Metern eine

Hörschwellenverschiebung haben, hat das BSH für diese Entfernung einen

Grenzwert von 160 dB (SEL) festgelegt. Hörschwellenverschiebung bedeutet, der

Schweinswal wäre in dieser Entfernung eine Zeit lang betäubt und könnte nicht mehr

kommunizieren. Selbst das wäre gefährlich für diese Tiere, da sie sich durch ihr

Gehör sowohl orientieren und verständigen als auch Nahrung suchen.

Dadurch ist der Rammschall für Schweinswale durchaus lebensgefährlich.

Maßnahmen zur Minderung des Rammschalls werden derzeit entwickelt. Eine

Auswahl diverser Projekte des sekundären Schallschutzes wird unter 2.5

beschrieben.

Tabelle 3-3: Lautstärkevergleichstabelle

Lärm-Schallquellen Beispiele Schalldruckpegel LE in dB(A)

Blätterrascheln in der Ferne 10

Normale Wohnung, ruhige Ecke 50

Dieselmotor, 10 m entfernt 90

Disco, 1 m vom Lautsprecher 100

Unwohlseinsschwelle 120

Schmerzschwelle 130

Düsenflugzeug in 30 m Entfernung 140

Geschützknall in 20 m Entfernung 160

Quelle: Tontechnik-Rechner 2013

Zur Veranschaulichung des Grenzwertes von 160 dB SEL sind in Tabelle 3-3 Werte

für Schalldruckpegel des menschlichen Empfindens aufgeführt. Dabei ist zu

beachten, dass eine Erhöhung des Schalldruckes um 10 dB eine Verdoppelung der

empfundenen Lautstärke bedeutet (siehe 3.1). Diese Tabelle soll zeigen, dass ein

Wert von 160 dB in 750 m Entfernung immer noch als sehr laut einzustufen ist.

Akustik

44

3.4 Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen

Für die Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen ist die

Kenntnis der Abnahme der Schallamplituden mit steigender Entfernung zum Erreger

von Bedeutung. Die Größe des Schalldrucks ist direkt proportional zum Kehrwert der

Entfernung von der Schallquelle. Zur Berechnung der Abnahme des Pegels kommt

folgende Formel zum Einsatz:

3-17

mit r1 und r2 als Entfernungen von der Schallquelle und k als Faktor, der die Art der

Wellenfront berücksichtigt. Für den Grenzfall der freien Schallausbreitung im

unbegrenzten Medium wird k = 20 verwendet. Dabei entspricht die Wellenfront einer

Kugeloberfläche und beschreibt näherungsweise die Ausbreitungsverhältnisse im

Tiefwasser bei relativ kleinen Entfernungen [Bauphysikkalender 2009].

Für einen Schallknall mit ideal reflektierender oberer und unterer Grenzfläche in sehr

flachem Wasser ist k = 10 zu verwenden. Die Schallwellenfront entspricht dabei der

Oberfläche eines Zylinders.

Bei der Wahl des Faktors k ist grundsätzlich zu entscheiden, ob es sich um flaches

oder tiefes Wasser handelt. Für diese Entscheidung wird die Formel

3-18

mit f für die Frequenz, c für die Wellengeschwindigkeit und λ als Wellenlänge

benutzt. Abhängig von Wassertiefe und Frequenz lässt sich beurteilen, ob

Schallausbreitungsverhältnisse für Flach- oder Tiefenwasser vorliegen. Liegen tiefe

Frequenzen vor, beträgt die Wellenlänge einige Hundert Meter. Für hohe

Frequenzen im kHz-Bereich treten Wellenlängen von λ < 1,5 m auf

[Bauphysikkalender 2009].

Mit folgenden Formeln können dazu Abschätzungen getroffen werden.

Flachwasser: ht * f < 100 3-19

Tiefwasser: ht * f ≥ 100 3-20

In den Formeln (3-19) und (3-20) ist f die Frequenz in kHz und ht die Wassertiefe in

Metern.

Akustik

45

Die Abnahme der Schalldruckamplitude wird in der semi-empirischen Formel von

Thiele zu

3-21

mit TL = „transmission loss“ (Abnahme des Schalldruckes gegenüber einer

Refernzentfernung von der Quelle von 1m), FL = 10 log (f in kHz) und r = Entfernung

in km angegeben [Bauphysikkalender 2009].

Für eine Entfernung von 1 m entspricht TL der Schalldruckpegeldifferenz aus

Gleichung (3-17). Diese Beziehung ist nach [Elmer 2007] für sandige Böden in der

Nordsee, Entfernungen zwischen 1 m und 80 km, Wassertiefen bis 100 m und

Frequenzen zwischen 100 Hz und 10 kHz gültig.

Sofern eine Wassertiefe von 30 m nicht überschritten wird, kann in Nord- und Ostsee

von Flachwasser ausgegangen werden. Die wesentliche Energie liegt hier im

Frequenzbereich f < 2 kHz.

Anhand zahlreicher Messungen und Gleichung (3-17) kann für die Nordsee k =15

und für die Ostsee k = 17 als gute Näherung angenommen werden. In der Ostsee ist

die Amplitudenabnahme vermutlich aufgrund stärkerer Dämpfung durch Absorption

größer. Dies kann bei einer vereinfachten Berechnung mit Gleichung (3-17) nur

durch einen erhöhten k Faktor berücksichtigt werden.

Beim Rammen bzw. Rütteln von Pfählen wird der Meeresboden ebenfalls zu

Schwingungen angeregt. Durch das Sediment wird dadurch Sekundärschall in das

Meereswasser übertragen [Bauphysikkalender 2009].

3.5 Messungen der Schalldrücke im Meereswasser

Zur Ermittlung der Schalldrücke beim Rammvorgang werden Hydrophone eingesetzt.

Der zu erfassende Frequenzbereich liegt zwischen 10 Hz und 80 kHz. Bei

Rammvorgängen von Pfahlgründungen werden im Meereswasser maximale

Schalldrücke von ppeak ≤ 1500 kPa erwartet.

Natürliche Schalldrücke, die durch Wind, Wellen, Regen und Schiffsverkehr

entstehen, werden als Hintergrundgeräusche definiert. Für diese Schalldrücke gelten

Werte von etwa ppeak ≤ 10 Pa.

Akustik

46

Abbildung 3-6 zeigt Spektren gemessener Hintergrundgeräuschpegel aus

unterschiedlichen Offshore-Projekten. Die Kurven beschreiben den äquivalenten

Dauerschallpegel Leq, der jeweils aus einer Mittelungsdauer von 10 s erreicht wurde.

Die Messeinrichtungen können vom Schiff aus im Wasser hängen oder am

Meeresboden verankert werden bzw. als autonomes Messsystem, welches die

Schalldrücke über mehrere Tage durchgehend erfassen kann agieren

(Abbildung 3-7). Es wird geraten, die Hydrophone etwas unterhalb der mittleren

Wassertiefe anzuordnen [Bauphysikkalender 2009].

Zu beachten ist, dass der hydrostatische Druck mit der Wassertiefe zunimmt. Darum

sollten die Hydrophone für Vergleichsmessungen in gleichen Wassertiefen

angebracht werden.

3-22

In der Akustik wird die Lautstärke meist nicht in Druckamplituden sondern in

Schalldruckpegeln angegeben. Prms ist dabei der quadratische Mittelwert des

Druckes und p0 der Bezugsdruck, welcher für Luftschall bei p0 = 2* 10-5 N/m2 und für

Wasserschall bei p0 = 1* 10-6 N/m2 liegt.

Luftschallpegel und Wasserschallpegel sind aufgrund der stark abweichenden

Referenzdrücke schwer zu vergleichen. Außerdem fehlen beim Hydroschall

Bewertungen, die beim Luftschall die Abhängigkeit der Hörempfindung von

Frequenz, Intensität und Zeitdauer berücksichtigen [Ambekar 2006].

In der Nord- und Ostsee wurden bei Pfahlrammungen in unterschiedlichen

Abständen zur Rammstelle die Schallpegel gemessen. Es wurden dabei

Impulsrammen mit einer maximalen Energie von E ≤ 800 kNm verwendet.

Tabelle 3-4 zeigt die Schalldruckpegel, die sich in einer Entfernung von

750 m ergaben.

Wenn man unterschiedliche Einbringenergien vergleicht, liegt beispielsweise bei

einer Energie von E = 750 kNm der Schalldruckpegel um Δ L ≈ 6 dB re 1 μPa höher

als bei einer Energie von 150 kNm [Bauphysikkalender 2009].

Das Maximum in der spektralen Verteilung lag bei den Rammarbeiten an den

Forschungsplattformen FINO 1 und 2 in Frequenzbändern zwischen 125 und 300 Hz.

Akustik

47

Am Messpfahl von Amrumbank West bzw. im Projekt alpha ventus betrug dieser

Wert 200 Hz [ITAP 2010].

Tabelle 3-4: Gemessene Spitzen- und Einzelereignis-Schalldruckpegel

Angaben zu Rammpfahl, Wassertiefe und Einbringenergie Lpeak

[dB re μPa]

LE

[dB re 1 μPa]

Monopile mit D = 3,50 m; Wassertiefe ht = 20 m;

Emax = 800 kNm

198 174

Pfahl für Tripod / Jacketgründung (FINO1) mit

1,50 ≤ D ≤ 2,50; Wassertiefe ht = 30 m; Emax = 280 kNm

192 162

Quelle: Bauphysikkalender 2009

Zwischen der Schlagenergie E der Ramme und dem Spitzenschalldruck ppeak besteht

annähernd der Zusammenhang [Bauphysikkalender 2009]:

√ 3-23

Abbildung 3-6: Hintergrundgeräuschpegel Leq (Medianwerte)

Quelle: Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Hrsg.)

Abbildung 3-7:Schallmessung vom Schiff (links) und mit autonomem Messsystem

Quelle: Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Hrsg.)

Akustik

48

Abbildung 3-8 zeigt den charakteristischen Verlauf des Schalldrucks bei

Rammarbeiten.

Abbildung 3-8: Charakteristischer Verlauf des Schalldrucks

Quelle: Nehls 2011

Computersimulation des Rammvorganges

49

4 Computersimulation des Rammvorganges

Die wesentliche Aufgabe dieser Masterarbeit bestand darin, den Schall, der beim

Rammen von Betonpfählen im Meereswasser entsteht, numerisch zu simulieren.

Dazu wurde mit der Software Ansys (Version 14.5) ein zweidimensionales

axialsymmetrisches Berechnungsmodell entwickelt, um den Druck in unter-

schiedlichen Abständen zur Symmetrieachse zu berechnen.

Im folgenden Abschnitt erfolgt die Erklärung zu den Grundlagen von

Computersimulationen. Anschließend wird die Modellbildung der Simulation erläutert.

4.1 Grundlagen der Simulation

Besonders in frühen Phasen der Entwicklung ist es oftmals notwendig,

Machbarkeitsstudien zu erstellen um zu einer schnellen Einschätzung bestimmter

Eigenschaften zu gelangen. Sind exakte Daten der Produkteigenschaften notwendig,

um sie beispielsweise mit feinen Toleranzen zu vergleichen, können Berechnungen

durchgeführt werden.

Wenn allerdings Eigenschaften untersucht werden sollen, die nicht mittels einer

analytischen Berechnung erfasst werden können, bietet es sich für diese Probleme

an, Simulationen durchzuführen. Die Bedeutung des Wortes Simulation ist nach der

VDI Norm 3633 die Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen

in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die

Wirklichkeit übertragbar sind. Vor allem durch die stark zunehmenden

Rechnerleistungen steigt die Bedeutung von Computersimulationen zur Ermittlung

von Eigenschaften an.

Um risikolos Erfahrungen zu sammeln und Einflussfaktoren mit geringem Aufwand

zu variieren, nutzt man numerische Simulationen. Dabei besteht die Möglichkeit,

viele Eingangsgrößen, wie statische beziehungsweise dynamische Lastfälle oder

unterschiedliche Lagerungs- bzw. Randbedingungen, vorzugeben.

Wenn mehrere Lösungsideen vorliegen, kann die Geometrie des Simulationsmodells

im Gegensatz zu der eines realen Bauteils schnell verändert werden. Dies ermöglicht

eine umfassende Informationsbeschaffung. Ein weiterer Vorteil ist, dass

Simulationsmodelle wiederverwendbar sind. Somit bietet die numerische Simulation


50

eine weniger aufwendige Alternative zu kostspieligen Versuchsreihen

[Lindemann 2009].

Allerdings ist anzumerken, dass es relativ aufwendig sein kann numerische

Computersimulationen zu erstellen. Bei der Interpretation der Ergebnisse erhöht sich

ebenso der Aufwand, da diese vom Modell in die Realität zurückgeführt oder durch

Versuche im Labor verifiziert werden müssen.

Durch die richtige Anwendung von Simulationen kann der Anteil notwendiger

Versuche gesenkt und die Gesamtentwicklungszeit reduziert werden. In

Abbildung 4-1 ist der prognostizierte Anteil von Simulationen und Versuchen an der

gesamten Entwicklungszeit dargestellt. Ein weiterer Vorteil von

Computersimulationen sind automatisierte Optimierungsalgorithmen.

Abbildung 4-1: Prognostizierter Anteil von Simulationen und Versuchen

Quelle: Gruber 2012

4.2 Modellbildung

Das Berechnungsmodell wird mit der Software Ansys erstellt. Im Anschluss an die

Vorbereitung des numerischen Modells, das sogenannte Pre-Processing, erfolgt die

Berechnung. Für dieses Berechnungsmodell wurde zum Zeitpunkt t = 2 s ein

einzelner Schlag simuliert.

Als Ausgabe wird die Dehnung und der Spannungsverlauf im Pfahl sowie die

Druckausbreitung im Fluid generiert. Eine Darstellung des Berechnungsmodells ist in

Abbildung 4-2 gezeigt. Das Koordinaten-System ist wie folgt definiert. Die

x-Koordinate im globalen kartesischen Koordinatensystem entspricht dem Radius,

respektive der r-Koordinate im zylindrischen Koordinatensystem. Die y-Koordinate


51

entspricht der Hochachse, welche gleichzeitig die z-Koordinate des zylindrischen

Koordinatensystems ist.

Das Modell zur Untersuchung des Schallpegeldrucks wird auf ein zylindrisches Profil

aus Beton begrenzt. Bei der Berechnung der Schwingungsantwort des

Betonzylinders und des Schalldruckpegels in einem Abstand r zum Lasteintrag

müssen die Wellengleichungen und die Bewegungsgleichungen der Struktur unter

Ansatz der erforderlichen Rand- und Übergangsbedingungen gelöst werden. Die

Schallausbreitung erfolgt dabei in einem Prüfbecken.

Zur numerischen Berechnung wird der Zylinder auf eine axialsymmetrische

Eigenschwingungsform reduziert, woraus sich ein zweidimensionales Modell ergibt.

Somit ist der Schall nur von der Wassertiefe z und dem Abstand zur Schallquelle

abhängig [Bauphysikkalender 2009].

Das erste Rechenmodell zur Validierung und Kalibrierung der Software besteht aus

einem senkrecht auf Sand stehenden Kreiszylinder und einem an den Zylinder

anschließenden Prüfbecken.

Das gesamte Berechnungsmodell besteht aus sogenannten Fluid 29, Fluid 129 und

Plane 42-Elementen. Diese Elementtypen werden unter 4.2.2 erläutert. Im Zuge

dessen werden auch die Rand- und Übergangsbedingungen beschrieben.

Um die Struktur des Pfahles mit dem Fluid zu verbinden, muss eine

Übergangsbedingung generiert werden. Diese Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) wurde

über Koppelelemente zwischen den Plane 42-Elementen des Pfahles und den

Fluid 29-Elementen des Wassers generiert (Abbildung 4-2).

Zur Belastung des Pfahls erfolgt der Lasteintrag an der Oberkannte der

Plane 42-Elemente durch einen transienten Stoß. Der Kraftbetrag und die

Periodendauer sind dabei den Belastungsbedingungen des in Kapitel 5 folgenden

Validierungsexperiments nachempfunden.

Der Pfahl selbst ist in Y-Richtung gelagert und kann sich in radialer Richtung

verformen (Abbildung 4-3). Durch diese radiale Verformung erfolgt eine Kompression

des Fluids. Somit ist eine Übertragung von Druck an das umgebende Medium bei


52

Verformung des Pfahls möglich. Entsprechende Ergebnisse sind im folgenden

Abschnitt dargestellt.

Abbildung 4-2: 2D axialsymmetrisches Berechnungsmodell des Rammpfahls

Abbildung 4-3: Lagerung des Rammpfahls und Krafteinleitung


53

4.2.1 Geometrie und Vernetzung

Zu Beginn wurde mit dem Design Modeler der Ansys Workbench die Geometrie des

Modells erstellt. Ein Labortechniker des Bergbauinstituts der TU Bergakademie

Freiberg fertigte Betonproben der Abmessungen Ø 0,05 x 0,1 m an. Der

Betonrammpfahl der Computersimulation sollte diesen Abmessungen entsprechen.

Aufgrund der Axialsymmetrie des Modells beträgt die Abmessung des Pfahles

0,025 x 0,1 m. Der Pfahl befindet sich zu 0,09 m unter Wasser. Die weiteren

Abmessungen des berechnungsmodells sind Abbildung 4-4 zu entnehmen. Das

Modell hat diese Größe, da es den Druck im Fluid an den gleichen radialen

Abständen wie im späteren Druckexperiment ausgeben sollte.

Abbildung 4-4: Abmessungen des Modells

Die kleinen Bereiche zwischen dem Pfahl und dem Sand sowie zwischen dem Pfahl

und dem Wasser beschreiben das FSI.


54

Im Hintergrund der Computersimulation werden Differentialgleichungen gelöst.

Grundlage dafür können z.B. akustische Grund- oder Kontinuitätsgleichungen sein.

Dieses Thema soll in dieser Arbeit nicht behandelt werden. Ausführliche

Erläuterungen dazu sind in [Lecheler 2011] zu finden.

Die Differentialgleichungen können nur an definierten Stützstellen bzw. Knoten

berechnet werden [Lecheler 2011]. Hierfür muss ein Rechennetz erstellt werden,

welches das Gebiet in dem der Druck berechnet werden soll, vollständig ausfüllt.

Die Genauigkeit der Lösung hängt entscheidend von der Qualität des Rechennetzes

ab. Dabei gilt die Devise, dass das Netz so fein wie nötig und so grob wie möglich

erstellt werden soll. Zum einen sollen wichtige Berechnungsdetails genau erfasst

werden. Auf der anderen Seite soll sich der Rechenaufwand in akzeptablen Grenzen

befinden.

Moderne Programme zur Rechennetzerzeugung werden immer benutzerfreundlicher.

Dennoch kann es großen Aufwand bedeuten, die globalen und lokalen Parameter so

zu wählen, dass die Anforderungen an Genauigkeit und Rechenzeit erfüllt werden.

Bei der vorliegenden Arbeit wurde das Rechennetz mit dem Tool Ansys Mechanical

der Ansys Workbench erstellt. Der Netzgenerator erstellte zuerst ein automatisches

Netz, welches anschließend durch Werkzeuge bearbeitet wurde.

Um Unstetigkeiten am FSI auszugleichen und bessere Rechenergebnisse zu

erzielen, war eine Verfeinerung des Netzes erforderlich. Diese erfolgte durch das

Werkzeug Netzsteuerung. Ein strukturiertes Netz über den Elementen des Pfahls

sorgte für einen weichen Übergang an der Fluid-Struktur-Kopplung.

Daraufhin erfolgte die Festlegung der Elementgröße des Modells. Diese Größe

beträgt 0,001 m und entspricht der Breite des Kopplungselements des FSI zwischen

Pfahl und Wasser sowie zwischen Pfahl und Sand.

Damit ist gegeben, dass nicht zwei Kopplungselemente nebeneinander im Netz

liegen, da dies gegen die Definition des Fluid 29 verstoßen würde

[Ansys Manual 14.5.7]. Das fertiggestellte Rechennetz ist unter Abbildung 4-2 und

Abbildung 4-3 zu sehen.


55

4.2.2 Verwendete Elementtypen

Fluid 29

Der Elementtyp Fluid 29 wird zur Modellierung flüssiger Medien benutzt. Durch

Variation der Elementdefinition kann das Element als Koppelelement zwischen

Festkörperstruktur und Flüssigkeit, ein sogenanntes Fluid Struktur Interaktion (FSI)

oder als Flüssigkeitselement selbst dienen.

Typische Anwendungsbereiche des Fluid 29-Elements sind akustische Berech-

nungen. Wie in Abbildung 4-5 gezeigt, hat das Element vier Eckknoten mit drei

Freiheitsgraden pro Knoten (Bewegung in x - und y - Richtung sowie Druck).

Wenn keine strukturelle Bewegung vorhanden ist, können mit dem Element auch

statische, modale und reduzierte harmonische Analysen getätigt werden. Die

Materialeigenschaften des Elements sind als kompressibel und dünnflüssig definiert.

Dichte und Druck sind innerhalb des Elementes einheitlich.

Abbildung 4-5: Elementskizze des Fluid29

Quelle: Ansys Hilfe 2013

Im Modell wurden mit dem Fluid 29-Element die Bereiche von Wasser und Sand

sowie die Grenzflächen zwischen Rammpfahl und Wasser bzw. Rammpfahl und

Sand beschrieben (Abbildung 4-6).


56

Abbildung 4-6: Elemente, die durch Fluid29 beschrieben wurden

Fluid 129

Fluid 129 ist ein Begleitelement zu Fluid 29. Es wird zur Simulation des

Berechnungsrandes benutzt (Abbildung 4-7) und definiert eine periodische

Randbedingung ohne Effekte der Reflektion.

Dabei wird die zweidimensionale Grenze des Fluidbereichs abgebildet

(Abbildung 4-7). Dies kann sowohl ebenflächig als auch axialsymmetrisch erfolgen.

Das Element besitzt zwei Knoten mit dem Druck als Freiheitsgrad für jeden Knoten

(Abbildung 4-8). Fluid 129 ist durch symmetrische Steifigkeit und eine

Dämpfungsmatrix definiert.

Das Element muss grundsätzlich kreisförmig definiert sein. Dabei muss sich das

Zentrum des Kreises auf der Struktur, also hier auf dem Betonpfahl befinden. Darum

hat das Modell die Form eines Tortenstücks. Der Übergang zur Luft muss nicht rund

sein, da an diesem keine Absorption sondern Reflektion vorherrscht

[Ansys Hilfe 2013].


57

Abbildung 4-7: Rand- und Übergangsbedingungen des FE-Modells

Abbildung 4-8: Elementskizze des Fluid 129



58

Plane 42

Das Element Plane 42 wird für die zweidimensionale Modellierung fester Strukturen

verwendet. Es kann entweder als Flächenelement, für ebene Spannungen, ebene

Verzerrung, oder als axialsymmetrisches Element genutzt werden. Das Element wird

durch vier Knoten mit je zwei Freiheitsgraden (Translation in X und Y Richtung)

definiert.

Mit Plane 42 können Plastizität, Kriechen, Schwellung, Spannungsversteifung, große

Durchbiegung und große Verzerrung berechnet werden. Es besteht die Möglichkeit,

zusätzliche Verschiebungsformen zu unterdrücken.

Der Lasteintrag kann bei Plane 42 als Flächenlast oder Einzellast erfolgen. Wobei

die Element-Spannungs-Richtungen dem Koordinatensystem des Elements

entsprechen.

Abbildung 4-9: Elementskizze des Plane 42


In dieser Arbeit wurde das Plane 42 Element zur Beschreibung des zylindrischen

Betonrammpfahles verwendet (Abbildung 4-10).


59

Abbildung 4-10: Elemente, die durch Plane 42 beschrieben wurden

4.3 Numerische Berechnung

Im späteren Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells wurde mit einer

Last von 10 kg gearbeitet, da kein anderer Freifallhammer zur Verfügung stand. Die

Computersimulation mit dieser Last brachte eine sehr geringe Verformung des

Pfahles und somit keine Druckausbreitung im Fluid mit sich. Demnach musste iterativ

die Last ermittelt werden, die den im Experiment ermittelten Messwerten für den

Druck entspricht.

Es wurde festgestellt, dass die Dämpfungseigenschaften der Materialien einen

erheblichen Einfluss auf die Rechenergebnisse haben. In Ansys kann die

Materialdämpfung in Abhängigkeit der massenproportionalen Dämpfung (α) und der

steifigkeitsproportionalen Dämpfung (β) gesteuert werden. In [Bundesamt für Wasser

und Geologie 2003] wurde für Beton folgende Werte angenommen: α = 0,5353 und

β = 0,0032. Die Größenordnung dieser Werte wurde für die iterative Berechnung

verwendet.

Die durchgeführten Berechnungen wurden durch Last- und Dämpfungswerte

parametrisiert. Der Einfluss der massenproportionalen Dämpfung führte zu keiner

Änderung der Drücke im Fluid oder Spannungen am Betonpfahl. Allerdings war

durch eine Steigerung der steifigkeitsproportionalen Dämpfung eine Abschwächung


60

der Fluiddrücke zu bemerken. Des Weiteren verlaufen dadurch der Anstieg und der

Abfall der Verformungskurve der Betonprobe flacher (Abbildung 4-11).

Nachdem für eine Kombination aus Last- und Dämpfungsparameter eine gute

Korrelation zwischen den berechneten und gemessenen Werten zu erkennen war,

wurde die Berechnung eingestellt. Dies war hier bei den iterativ bestimmten

Parameterwerten von 42 kN für die Last und 0,006 für den steifigkeits-proportionalen

Dämpfungsfaktor der Fall.

Diese hohe Belastung wird folgendermaßen begründet: Da es sich hier um ein

Zweidimensionales Modell handelt und somit keine Fläche aufgespannt wird, hat der

Druck an den Knoten einen maximalen Wert. Dadurch ist auch eine maximale Last

bedingt.

Der Validierungsversuch ergab Druckwerte an drei radialen Abständen l (8,5 cm,

9 cm, 10 cm). Die Abstände aus dem Validierungsversuch waren somit Vorgabe für

das Berechnungsmodell. Bei jedem der drei Abstände zur Probenmitte wurden sechs

zusammenhängende Elemente ausgewählt. Der Mittelwert der berechneten Drücke

an diesen sechs Elementen diente als Referenzwert für die jeweiligen Abstände. Die

ermittelten Werte für den Druck im Fluid sind den folgenden Dateien zu entnehmen:

out_matrix_fluid_pres-8.5_-42000_0.5_3.E-03.txt

out_matrix_fluid_pres-9_-42000_0.5_3.E-03.txt

out_matrix_fluid_pres-10_-42000_0.5_3.E-03.txt.

Der Dateiname beschreibt den radialen Abstand, die aufgebrachte Last, den Einfluss

der Masse auf die Dämpfung und die Dämpfung proportional zur aktuellen Steifigkeit.

Die errechneten Werte sind unter 4.4 grafisch dargestellt.

Den Dateien:

out_matrix_pile_-42000_0.5_3.E-03.txt

out_matrix_pile_-42000_0.5_5.E-03.txt

out_matrix_pile_-42000_0.5_7.E-03.txt.


61

sind die äquivalenten Verformungen des Pfahls (strain_EQV), welche im folgenden

Diagramm dargestellt sind, zu entnehmen.

Abbildung 4-11: Abhängigkeit der Verformung von der Dämpfung über Dauer des Lasteintrages

In den Ausgabedateien des Piles ist zu sehen, dass für die Dauer des

Rammschlages von 0,1 Sekunden eine äquivalente Verformung des Pfahles auftritt.

Die so berechneten Werte wurden anschließend mit denen des Experiments

verglichen (5.3.4).

Aufgrund des großen Umfanges der Thematik wurde in dieser Arbeit keine

Betrachtung der Berechnungsgleichungen durchgeführt. Eine Implementierung der

Akustik in Ansys wurde bereits bei der Programmierung der Anwendersoftware

durchgeführt. Für theoretische Hintergründe der Berechnungen ist daher die Ansys

Dokumentation zu studieren.

Unter MA-RoMer\BeMo\ ist das vollständige Berechnungsmodell mit allen

Quelltexten zusammengefasst. Zum Starten der Simulation muss die Datei

„_system.dat“ in der Ansys ADPL eingelesen werden. Die Ausgabewerte sind unter

MA-RoMer\BeMo\Ausgabewerte zu finden.

4.4 Ermittelte Werte

Es war festzustellen, dass die Zeitschrittweite einen enormen Einfluss auf die

Ergebnisse der Berechnung hat. Kleinere Zeitschrittweiten brachten plausiblere

Ergebnisse mit sich. So war bei einer Zeitschrittweite von 0,01 Sekunden nur eine


62

kleine Druckspitze und ein deutliches Nachschwingen im Fluid zu erkennen

(Abbildung 4-12).

Wurde die Zeitschrittweite kleiner gewählt (0,0001 Sekunden), war kurz nach dem

Rammschlag eine deutlich größere Druckspitze im Fluid, zu erkennen

(Abbildung 4-13). Dies liegt vermutlich darin begründet, dass die Druckspitze bei

großen Zeitschrittweiten zwischen den Zeitschritten liegt und somit nicht ausgegeben

werden kann. Im weiteren Verlauf schwingt der Druck kurz nach. Das Modell muss in

Bezug auf die Zeitschrittweitensteuerung noch weiter optimiert werden. Der

berechnete Verlauf des Schalldruckpegels für diese kleine Zeitschrittweite entspricht

etwa dem der bei Rammarbeiten gemessen wurde (Abbildung 3-8).

Abbildung 4-12: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,01 s

In Abbildung 4-13 wird der Druckverlauf für einen einzelnen Rammschlag bei einer

Zeitschrittweite von 0,0001 s abgebildet. Das Diagramm zeigt den Druckverlauf in

Millibar [mbar]. Gut zu erkennen sind die Druckspitze zum Zeitpunkt des Schlages

und das Abklingen der Druckschwingung.


63

Abbildung 4-13: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,0001 s

In Abbildung 4-14 werden die numerisch berechneten Druckverläufe an den drei

Messpunkten für eine Zeitschrittweite von 0,0001 s dargestellt. Aufgrund der hohen

Schallgeschwindigkeit in Wasser tritt an allen drei Messpunkten optisch gleichzeitig

eine Druckspitze auf.

Auch hier würde eine kleinere Zeitschrittweite Abhilfe schaffen, um eine

Verschiebung der Druckspitzen über die Messpunkte festzustellen. Auch müsste das

Modell größer skaliert und der Druck an weiter auseinander liegenden Punkten

berechnet werden.

Das Diagramm stellt die Ergebnisse in Millibar [mbar] dar. Aufgetragen werden die

Druckverläufe an den Elementen der radialen Abstände von 8,5 cm; 9 cm und 10 cm.

Deutlich zu erkennen ist, dass der erste Ausschlag in positiver Richtung verläuft.

Dies entspricht auch den experimentell ermittelten Werten aus 5.3.3.


64

Abbildung 4-14: Druckverlauf an drei radialen Abständen

Experimente zur Validierung der Simulation

65

5 Experimente zur Validierung der Simulation

Um die berechneten Ergebnisse von FE-Analysen zu kontrollieren, sollten diese

validiert werden. Das heißt, es muss eine Prüfung auf plausibles Verhalten des

Modells erfolgen [Deger 2008]. Ist das nicht der Fall, soll die Validierung zur

Ermittlung des Fehlers dienen. Für die Validierung von FE-Modellen gibt es

unterschiedliche Varianten.

Die erste Möglichkeit ist die Kontrolle durch das FE-Programm. Dabei wird die

gesamte Simulation auf fehlende Materialdaten, statische Unbestimmtheit oder

schlechte Elementformen automatisch überprüft. Diese Art der Validierung über ein

Minimalmodell bezeichnet man als physikalische Prüfung. Modellierungsfehler, wie

falsche physikalische Eingangs-daten, können nicht erfasst werden.

Die zweite Möglichkeit ist die Plausibilitätskontrolle hinsichtlich Art und Größe der

Ergebnisse mit den Erfahrungen des Ingenieurs. Überschlägige Kontrollrechnungen

einfacher Zug- und Biegebeanspruchungen stellen den dritten Weg der Validierung

dar. Eine gute quantitative und qualitative Kontrolle ergibt sich durch den Vergleich

unterschiedlich aufgebauter Modelle. Zunächst kann ein vereinfachtes Modell

berechnet und später mit dem komplizierten Berechnungsmodell verglichen werden.

Die zuverlässigste, allerdings auch meistens aufwendigste Kontrollmöglichkeit ist die

experimentelle Überprüfung. Dabei erfolgt ein Vergleich der Simulationsergebnisse

mit experimentell ermittelten Daten [Fröhlich 2005].

In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Validierung des Berechnungsmodells durch

den Vergleich unterschiedlicher Minimalmodelle und mittels Laborexperimenten.

Zur abschließenden Validierung dienten hier Experimente. In einem

Ultraschallversuch wurde die Schallgeschwindigkeit der Betonproben ermittelt. Ein

Experiment bei dem die Hammerschlagmethode zum Einsatz kam diente zur

Kalibrierung des Berechnungsmodells. Bei diesem wurde der emittierte Schalldruck

der Betonproben ermittelt. Das folgende Kapitel beschreibt diese Experimente

genauer.


66

5.1 Herstellung der Betonproben

Für die Validierung der rechnerischen Schallsimulation unter Praxisbedingungen und

zur Ermittlung von Kennwerten wurden spezielle Zylinderproben hergestellt. Dabei

wurden unterschiedliche Betonmischungen aus diversen Bestandteilen, die hier nicht

erläutert werden sollen, hergestellt. Ziel war ein fester und schallabsorbierender

Beton, der unter Meewasserbedingungen beständig ist.

Recherchen haben gezeigt, dass die Druckfestigkeitsklasse C 50/60 die Festigkeits-

anforderungen mit der geforderten Schlagfestigkeit für Rammpfahlbeton erfüllt.

Dieses Kriterium wurde zur Mischungseinstellung der schlagfesten Vergleichs-

betone herangezogen.

Die Festigkeitsklassen der Leichtbetone weichen von denen der Normalbetone ab.

Daher wurde als Zielgröße die Festigkeitsklasse LC 55/60 definiert, was der

Festigkeit eines hochfesten Leichtbetons entspricht.

Die Betonproben zur Ultraschallmessung wurden nach dem Mischplan in der Anlage

„Rezepturen Beton“ erstellt. In Abbildung 5-1 sind die Betonproben beim Aushärten

in der Form und fertiggestellt zu sehen. Die Abmessungen betragen Ø 0,05 x 0,1 m.

Diese Betonproben kamen im Ultraschallversuch und im Experiment zur Validierung

des Berechnungsmodells zur Anwendung.

Abbildung 5-1: Betonproben in der Form (links) und ausgehärtete Proben (rechts)

5.2 Ultraschallversuch

Mit dem Ultraschallmessverfahren erfolgte die experimentelle Untersuchung der

Schallemissionen. Dabei wurde der Dämpfungsgrad der Materialien ermittelt, indem

die Ultraschalllaufzeiten durch Balken der Abmessungen 8 x 8 x 25 cm erfasst und

die Ultraschallgeschwindigkeiten miteinander verglichen wurden. Dieser Dämpfungs-


67

grad ist ein Maß für die Dämpfung eines schwingfähigen Systems. Es handelt sich

dabei um eine dimensionslose Größe [Rieländer 1982].

Es sollen in dieser Arbeit die Werte für Porenleichtbeton der Güte C 50/60 und

Normalbeton der Güte LC 60/65, welchen die Firma Centrum zur Herstellung ihrer

Betonpfähle verwendet, ermittelt werden. Diese beiden Betone erfüllen die

geforderten Festigkeitswerte der Rammvorgaben. Die Beschaffung der

Dämpfungsgrade für Betone ist sehr kompliziert. Die Hersteller unterschiedlicher

Betonrammpfähle trafen keine Aussage dazu. Vermutlich war es bisher nicht nötig

diese zu ermitteln.

5.2.1 Grundlagen des Ultraschallversuchs

Ultraschall bezeichnet im Allgemeinen mechanische Schwingungen. Die Frequenz

liegt dabei oberhalb des hörbaren Bereiches. Die Grenze zwischen hörbarem Schall

und Ultraschall befindet sich etwa bei 20 kHz. Feste Stoffe weisen für

Ultraschallwellen sehr günstige Ausbreitungsbedingungen auf.

Die Wellenfronten breiten sich geradlinig aus, solange der Abstand hinreichend groß

von der Anregungsstelle ist [Macherauch 2011]. Die Ultraschallwellen werden mittels

elektrischer Wechselspannung und einem Umwandler (Piezokristall) erzeugt und

über Koppelmittel in das Werkstück eingeleitet. Die Frequenzen sind dem Werkstoff

anzupassen, da die Schwinger auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind und in

Resonanz arbeiten [Krompholz 2008].

Wie die Ultraschallwelle in den Prüfkörper eingeleitet wird hängt von der Prüfaufgabe

ab. Dies kann entweder als Longitudinalwelle senkrecht zur Oberfläche oder mittels

sogenannter Winkelprüfköpfe unter einem bestimmten Einschallwinkel zur

Oberflächennormalen geschehen.

Die reflektierte und/oder geschwächte Schallwelle wird von demselben oder einem

anderen Schwinger empfangen. Der Schwinger wandelt die Welle in ein elektrisches

Signal um und verstärkt es. Die Darstellung erfolgt als Impuls über der Zeit.

Als Verfahren zur technischen Prüfung verwendet man fast ausschließlich das

Durchschallungs- und das Impulsechoverfahren. Zu diesen Verfahren gibt es


68

zahlreiche Abwandlungen und Sonderformen zur Vermessung verschiedenster

Prüfkörper [Macherauch 2011].

Das Durchschallungsverfahren setzt voraus, dass der Prüfkörper von allen Seiten

zugänglich ist, da sich Ultraschallgeber und –empfänger direkt gegenüber stehen

müssen [Krompholz 2008]

Je nach Prüfaufgabe stehen Ultraschallprüfgeräte mit unterschiedlichen Prüfköpfen

zur Verfügung. Zur Ankopplung an die Prüfobjekte wird ein Kopplungsmittel

aufgetragen. Die Prüffrequenzen liegen für Beton bei 20-250 kHz. Der für Menschen

hörbare Schall liegt bei Frequenzen von 16 Hz bis 20 kHz.

Vor jeder Messreihe wird die Messapparatur mit einem Körper gleicher Geometrie,

von dem Messwerte bekannt sind, kalibriert. Des Weiteren wird über die Zeitdifferenz

zwischen Eingangs- und Rückwandecho für die vorliegende Schallgeschwindigkeit

eine Wegkalibrierung der Anzeige vorgenommen.

Der Prüfkopf wird auf der Werkstückoberfläche bewegt. Dabei sind die Signale auf

dem Bildschirm zu beobachten und die Entfernung zur Oberfläche zu messen.

Durch die Veränderung der Höhe der Echosignale kann man Angaben über die

flächige Erstreckung der Fehler machen. Werden mehrere Oberflächen beschallt,

können Mehrfachechos entstehen. Dies erschwert die Auswertung der Anzeige

[Macherauch 2011].

5.2.2 Beschreibung des Ultraschallversuches

Die Betonprobe wird im mit Wasser gefüllten Messkasten positioniert. Der

Ultraschallgeber auf der Kopfseite der Probe sendet den Schallimpuls durch die

Probe. Der Geber-Prüfkopf ist am Messobjekt mit Koppelmittel anzukoppeln.

Die Oberfläche der Probe muss rau sein, da sonst das Koppelmittel nicht richtig hält.

Zum Betrieb der magnetostriktiven Ultraschall-Geber sind Impulse hoher Stromstärke

erforderlich. Die piezoelektrischen Geber erfordern wiederum Impulse hoher

Spannung. Der Ultraschall-Impulsgenerator (Abbildung 5-2) erzeugt diese Impulse

[Krompholz 2003].


69

Abbildung 5-2: Ultraschallimpulsgenerator

Im Idealfall sollte die Probe mittig im Wasserbecken stehen. Dadurch werden

Randeffekte, wie Reflektionen vermieden. Die Betonproben haben einen

Durchmesser von 5 cm. Der Abstand zwischen Probe und Messaufnehmer sollte

mindestens das Dreifache des Probendurchmessers betragen [persönliches

Gespräch mit Frank Adam2 am 27.05.2013].

Leider konnte während der Zeit der Anfertigung dieser Arbeit kein Wasserbecken

beschafft werden, dass den geforderten Größenanforderungen entspricht und eine

Vorrichtung für Ultraschallnehmer hat. Das Wasserbecken des Instituts hat

Abmessungen von 18 cm x 24 cm (siehe Abbildung 5-3). Für die ersten Messungen

sollte das vorhandene Becken ausreichen.

Der von der Probe emittierte Schall wird nach Durchlauf eines definierten

Schallweges im Wasserbecken vom Schallnehmer aufgenommen und vom

Ultraschall Empfängersystem „Fluke 192B SCOPEMETER“ (Abbildung 5-4)

aufgezeichnet.

Abbildung 5-5 und Abbildung 5-6 zeigen den Messrechner mit der Software

LightHouse 2000-SM und den Versuchsaufbau der Ultraschallmessung.

2 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg


70

Abbildung 5-3: Aquabox für Ultraschallmessungen

Abbildung 5-4:Ultraschal Empfängersystem

Abbildung 5-5: Messrechner


71

Abbildung 5-6: Prinzip des Messaufbaus

Um die Schallgeschwindigkeit des durch die Probe geflossenen Ultraschalls

auszulesen, wird der erste die horizontale Null-Linie verlassende Signalabschnitt

verwendet. Dieser wird auch als „erster Einsatz“ bezeichnet. Die Berechnung der

Schallgeschwindigkeit erfolgt in der Software LightHouse 2000-SM durch die

folgende Formel [Krompholz 2003]:

5-1

5.2.3 Ergebnisse der Ultraschallversuchmessungen

Die Messungen ergaben, dass Normalbetone je nach Bindermaterial um 35 %

verminderte Schallkennwerte aufweisen als der Metallkörper (Abbildung 5-7, blau

und grün). Es handelte sich dabei um einen Aluminiumzylinder mit den gleichen

Abmessungen wie der Betonzylinder.

Abhängig von der Betonmatrix (unterschiedliche Bindertypen) ist innerhalb dieser

Betone eine Minderung von 14 %, und mit schallschluckenden Mischungs-

bestandteilen (orange bzw. braune Datenpunkte) bis zu 29 % zu verzeichnen.

Im Vergleich zu Aluminium wurde somit eine Minderung um 43 % erreicht. Weitere

strukturelle Maßnahmen bezüglich Matrix-Körnungsstruktur haben im Vergleich der

Betone untereinander eine Minderung um 58 % bzw. im Vergleich zum Metall um

68 % bewirkt (gelbe Kurve). Die 100 % Dämpfung konnte bei einem 25-cm-Balken


72

erreicht werden, jedoch sind hier noch Optimierungen bezüglich der Festigkeit

notwendig.

Abbildung 5-7: Vergleich der Ultraschallgeschwindigkeiten als Maß für die Dämpfung

Quelle: Dombrowski 2013

Diese Ergebnisse dienen als Nachweis der Möglichkeit, dass in der Schallemission

deutliche Dämpfungen durch die Materialauswahl einstellbar sind. Anhand der

erfassten Daten haben sich eindeutige Modifizierungsrichtungen ergeben, die in

aktuelle Betonmischungen eingearbeitet werden.

Mit dem erstellten Berechnungsmodell war es bis zur Fertigstellung dieser Arbeit

nicht möglich Schallgeschwindigkeiten sondern lediglich Drücke im Fluid zu ermitteln.

Mittels Ultraschallversuch konnten jedoch nur Schallgeschwindigkeiten gemessen

werden. Für die Messung des Druckes durch einen Ultraschallversuch gibt es bisher

noch keine Möglichkeit [persönliches Gespräch mit Rolf Krompholz3 am 03.07.2013].

Daher wurden mit dem Ultraschallversuch die Betone auf ihre Dämpfungs-

eigenschaften untersucht. Zur Validierung des Berechnungsmodells sollte ein

weiteres Experiment dienen, welches im folgenden Kapitel beschrieben wird.

3 Geschäftsführer der Firma Geotron Electronic (Entwickler und Hersteller von Ultraschallmesstechnik für

Forschungseinrichtungen, Industrie und Gewerbe)


73

Aufgrund des sehr guten Schallverhaltens der Mischung LB-GB-520, wurden diese

Proben für dieses Experiment weiterverwendet.

5.3 Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells

Der Ultraschallversuch konnte nicht zur Validierung des Berechnungsmodells dienen.

Daher musste ein weiteres Experiment durchgeführt werden. Ziel war es bei diesem,

über einen Drucksensor den von der Betonprobe emittierten Druck zu messen, wenn

auf diese ein Gewicht fallen gelassen wird. Das ganze sollte in einem Wasserbecken

geschehen, um die gleichen Bedingungen, wie im Berechnungsmodell zu schaffen.

5.3.1 Aufbau des Experiments

Innerhalb dieser Masterarbeit wurde zur Ermittlung des Schalldruckpegels an einer

Betonprobe ein Versuchsstand geplant, errichtet und betrieben. Die

Beschaffungskosten für diesen Prüfstand sollten sehr gering ausfallen. Daher

erfolgte der Bau mit einfachsten Mitteln. Ein aufblasbares Kinderplanschbecken

diente als Versuchsstand.

Um eine Reflektion des Unterwasserschalls von der Beckenwand zu vermindern,

musste dieser absorbiert werden. Schaumstoff soll einen weichen Übergang

zwischen Wasser und Beckenwand schaffen (Abbildung 5-8). Zusätzlich musste der

Schaumstoff genoppt sein, da Schaumstoff mit glatter Oberfläche den Schall

ebenfalls in gewissem Maße reflektiert [persönliches Gespräch mit Frank Adam4 am

18.07.2013].

Die Schaumstoffbahnen wurden auf eine Breite von etwa 12 cm zugeschnitten und

auf einen Teppich geklebt (Abbildung 5-9). Der Teppich diente ebenfalls noch zur

Schalldämpfung, aber vor allem als tragende Schicht für den Schaumstoff.

Der Lastauftrag erfolgte mit einem Freifallhammer mit einer Masse von 10 kg

(Abbildung 5-10). Das Fallgewicht wurde über einen Führungsstab auf die

Betonprobe geführt. Zur gleichmäßigen Verteilung der Last auf die gesamte

Oberfläche der Betonprobe, diente ein Stempel mit dem gleichen Durchmesser der

Betonprobe am unteren Ende des Führungsstabes.

4 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg


74

Abbildung 5-8: Kinderplanschbecken mit Schaumstoffwand

Abbildung 5-9: Genoppter Schaumstoff auf Teppich

Ein zelliges Polyurethan-Elastomer diente als Unterlage unter der Probe, um eine

Übertragung der aufgetragene Kraft in den Boden zu verhindern (Abbildung 5-11).

Dieser dämpfte die axiale Bewegung der Betonprobe, wodurch keine Schwingung in

den Boden emittiert wurde.

Abbildung 5-10: Freifallhammer mit Führungsstab und Stempel


75

Abbildung 5-11: Schaumstoffunterlage

Der von der Betonprobe emittierte Druck sollte mit Porenwasserdruckgebern (PWD)

gemessen werden. Diese finden Verwendung bei der Messung von

Porenwasserdrücken in Dämmen und Schüttungen, Wasserständen in Bohrungen

und Brunnen und zur direkten Messung von Flüssigkeitsdrücken.

Die Porenwasserdruckgeber vom Typ „EPKE4 S2 R5 AG“ der Firma Glötzl

Baumesstechnik (Abbildung 5-12) dienen zur Messung von Porenwasserdrücken in

einem Messbereich von -0,5 bis 2 bar relativ zum Umgebungsdruck.

In einem Edelstahlgehäuse ist ein elektrischer Druckaufnehmer mit dem

Verbindungskabel wasserdicht eingegossen. Der Druckaufnehmer ist mit einer

Schwingsaite verbunden, deren druckempfindliche Membran bei Belastung durch

den zu messenden Druck eine Durchbiegung erfährt und dadurch die vorgespannte

Schwingsaite entlastet.

Die Frequenzsignale der Schwingsaite werden in ein Ausgangssignal in der Einheit

mV proportional zum Messwert gewandelt [Datenblatt der Firma Glötzl

Baumesstechnik 2013]. Der Drucksensor sitzt in einem Abstand von 5 cm vom linken

Rand des PWD, so dass dies als Mindestabstand zur Probe angenommen werden

muss.

Zur Befestigung des PWD im Wasserbecken diente ein Stativ. Aufgrund der sehr

geringen Druckänderungen durch den Schlag war ein schwingfreien Zustand des

Sensors am Stativ sehr wichtig.

Damit die Druckwelle direkt auf die Membran treffen konnte, wurde der Sensor

waagerecht im Becken befestigt. Des Weiteren musste der Sensor komplett mit

Wasser gefüllt sein. Ansonsten würde lediglich die im Sensor befindliche Luft


76

komprimiert und keine Druckänderung an der Membran ankommen. Dazu wurde mit

einer Spritze Wasser in die Öffnung gespritzt um die darin befindliche Luft

herauszupressen.

Abbildung 5-12: Porenwasserdruckgeber

Eine Unterwasseransicht des Porenwasserdruckgebers mit Betonprobe ist in

Abbildung 5-13 zu sehen.

Abbildung 5-13: Porenwasserdruckgeber mit Betonprobe

In Abbildung 5-14 werden die Messbox (unten) und Verstärkereinheit (oben) der

Messeinrichtung gezeigt.

Abbildung 5-15 zeigt den Messrechner mit dem Programm PWD Feldmessung.

Abbildung 5-14: Messbox mit Verstärkereinheit


77

In Abbildung 5-16 wird der prinzipielle Aufbau des Experiments im Querschnitt

dargestellt. Anschlusskabel, Messbox und Messrechner wurden nicht skizziert.

Abbildung 5-17 zeigt die Messeinrichtung ohne Messbox und Messrechner.

Abbildung 5-15: Messrechner

Abbildung 5-16: Aufbau des Experiments


78

Abbildung 5-17: Messeinrichtung

5.3.2 Durchführung

Das Wasserbecken wurde wie im Berechnungsmodell so gefüllt, dass die Probe

entsprechend des Modells zu 9 cm im Wasser steht (Abbildung 5-18).

Abbildung 5-18: Füllstand des Beckens

Die Betonprobe besteht aus mehreren Komponenten. Aufgrund dessen muss darauf

geachtet werden, dass die Probe bei jeder Messung die gleiche Ausrichtung hat.

Denn durch die innere Zusammensetzung des Betons besteht die Möglichkeit, dass

sich die Druckwellen bei unterschiedlicher Ausrichtung anders emittieren. Dazu

wurde die Betonprobe mit einem Kreuz versehen, welches immer in Richtung Sensor

zeigen musste.


79

Aufgrund des isotropen Verhaltens von Aluminium und Kunststoff war dieser

Vorgang bei diesen beiden Proben nicht notwendig. In Abbildung 5-19 werden die

drei für das Validierungsexperiment herangezogenen Proben dargestellt.

Abbildung 5-19: Beton-, Aluminium-, und Kunststoffprobe

Nachdem alle Instrumente platziert waren, wurde die Messung mit einer Abtastrate

von 30 kHz gestartet. Diese hohe Abtastrate war notwendig, um die Messausschläge

gut erkennen zu können. Eine größere Abtastrate war mit dem vorliegenden

Messsystem nicht möglich.

Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Ausschläge besser zu erkennen sind, wenn

zwischen dem Start der Messung und dem Hammerschlag eine Einschwingzeit von

etwa fünf Minuten liegt. Nach dieser Einschwingzeit erfolgte der Hammerschlag auf

die Betonprobe.

Die Beobachtung der Messkurve war während der gesamten Messung nötig. Direkt

nach dem Feststellen eines Ausschlages wurde die Messung beendet und Zeit und

Wert dieses Peaks notiert. Dies diente zum schnelleren Finden der entsprechenden

Messwerte in der großen Ansammlung an Daten.

Die Messung erfolgte für alle drei Probekörper in Abständen von 8,5 cm, 9 cm, und

10 cm von der Probenmitte bis zur Druckmessmembran (Abbildung 5-20). Der

Abstand von 8,5 cm war der geringste Abstand der mit den vorliegenden Sensoren

möglich war. Denn die Membran befindet sich etwa 5 cm innerhalb des Sensors. Die

anderen Abstände sind ebenfalls sehr nah gewählt, damit das Berechnungsmodell

nicht zu groß gestaltet werden musste.


80

Abbildung 5-20: Abstand Probe Sensor

Die Messungen erfolgten jeweils nach einzelnen Schlägen. Denn die Probe wurde

bei jedem Schlag leicht verrückt, was eine Änderung von Ausrichtung und Position

der Probe bewirkte. Dadurch konnte keine Folge von aufeinanderfolgenden Schlägen

gemessen werden. Um das Einrammen von Betonpfählen durch eine zyklische

Belastung zu simulieren, müsste die Betonprobe eingespannt werden.

5.3.3 Ergebnisse des Experiments

In den Tabellen des Excel Sheets „Auswertung Druckversuch“ ist jeweils ein

Messbereich von einer Sekunde aufgetragen. In den Diagrammen ist ein deutlicher

Ausschlag des Druckverlaufes zum Zeitpunkt des Schlages erkennbar. In

Abbildung 5-21 werden die Druckverläufe der drei radialen Abstände zum Zeitpunkt

des Hammerschlages dargestellt. Bei der Bestimmung der Standardabweichung

wurde jeweils der Bereich des Peaks ausgelassen. Die Messerwerttabellen und das

Excel Sheet sind auf der CD-Rom unter MA-RoMer\Validierung zu finden.

Das Mittelwertrauschen ist durch eine Wassersäule von 4 cm über dem Sensor

begründet. Anhand der ermittelten Werte ist deutlich zu erkennen, dass die

Druckimmission am Sensor mit steigendem Abstand zur Betonprobe abnimmt.

Tabelle 5-1: Messwerte aus dem Druckversuch

Abstand [cm] 8,5 9 10

Standardabweichung [mbar] 0,96 0,94 0,95

Mittelwertrauschen [mbar] - 4,01 - 3,79 - 4,13

Peak [mbar] 9,78 8,65 7,93


81

Bei jedem Schlag mit dem Hammer war ein deutlicher Ausschlag an der

Messwertkurve erkennbar. Die negativen Ausschläge wurden als Überschwingen der

Membran angenommen.

Für Beton und Aluminium wurden aufgrund ähnlicher Dichte nahezu gleiche Werte

für den emittierten Druck gemessen (siehe „Auswertung Druckversuch“). Dies

erübrigte einen genaueren Vergleich dieser Ergebnisse. Allerdings wichen die

Druckwerte für Kunststoff stark ab. Um dazu genaue Aussagen machen zu können,

muss das Schwingverhalten des vorliegenden Kunststoffes näher untersucht werden.

Nachfolgend sind die Messwerte für die drei gemessenen Abstände grafisch

dargestellt. Dafür wurde das Mittelwertrauschen für jeden Abstand mit einberechnet,

um zum Berechnungsmodell ähnliche Werte zu erhalten. Der im Diagramm

dargestellte Kurvenverlauf entspricht dem in Abbildung 3-2 beschriebenen typischen

Zeitsignal einer Unterwasserschallmessung.

Abbildung 5-21: Experimentelle Druckverläufe für drei radiale Abstände

Eine Verschiebung der Peaks im Zeitbereich ließ sich aufgrund der separaten

Messungen der drei Abstände nicht feststellen. Dafür müsste das Experiment mit

drei PWD gleichzeitig durchgeführt werden. Die Sensoren müssen dabei, aufgrund

ihrer Größe nebeneinander angeordnet sein.


82

5.3.4 Vergleich von berechneten und experimentellen Werten

Mittels des Berechnungsmodells wurde für Lasten von 42 kN und einer

Zeitschrittweite von 0,01 s die in Abbildung 5-22 dargestellte Korrelationen mit den

experimentellen Werten ermittelt. Diese Korrelation bedingt allerdings eine

Verformung des Pfahles von 5,8 % (siehe: out_matrix_pile_-42000_0.5_3.E-03.txt -

strain_EQV). Beton hat allerdings eine maximale Dehngrenze von 0,2 %

[Schneider, Klaus-Jürgen 2008]. Demzufolge ist der Wert von 5,8 % unrealistisch.

Im Diagramm sind die gemessenen Werte mit ihrer Standardabweichung sowie die

berechneten Werte zu erkennen. Die Standardabweichung wurde mit Hilfe eines

Exceltools ermittelt. Die Standardabweichung in Abhängigkeit von der radialen

Position ist in Tabelle 5-2 dargestellt.

Die berechneten Werte wurden so ermittelt, dass sie im Bereich der

Standardabweichung der jeweiligen radialen Position liegen. Dabei ist gut zu sehen,

dass die Abstände der Messwerte zwischen den einzelnen Positionen kaum

Unterschiede zwischen berechneten und experimentellen Werten aufzeigen.

Es ist zu erkennen, dass sowohl für die berechneten als auch die experimentellen

Werte eine Abnahme des Druckes mit steigendem Abstand vorliegt.

Tabelle 5-2: Standardabweichung bei unterschiedlichen Abständen

In Abbildung 5-22 ist die Abhängigkeit der Schallimmission von der radialen Position

dargestellt. Die rechnerisch ermittelten Werte wurden dafür in mbar umgerechnet.

Hierbei ist erkennbar, dass sich die rechnerischen Werte allesamt innerhalb der

Standardabweichung der experimentellen Werte befinden. Somit ist bewiesen, dass

die Intervalle der Werte aus Rechnung und Experiment, zumindest für die oben

genannten Parameter, bezüglich des radialen Abstandes im gleichen Verhältnis

zueinander liegen.

Abstand [cm] 8,5 9 10

Standardabweichung [mbar] 0,96 0,94 0,95


83

Abbildung 5-22: Vergleich berechnete und experimentelle Werte

Sowohl die experimentellen als auch die rechnerischen Grafiken zeigen, wie zuerst

ein positiver Ausschlag erfolgt und danach ein Überschwingen in negativer

Druckrichtung erfolgt. In den folgenden Abbildungen ist zum Vergleich noch einmal

der Druckverlauf für einen Abstand von 8,5 cm sowohl experimentell als auch

rechnerisch bestimmt dargestellt.

Aufgrund der Ungleichheit von Zeitschrittweite der Computersimulation und der

Abtastrate im Experiment sind die Druckverläufe nicht gleich und können nicht in

einem Diagramm dargestellt werden. Der Grund dafür liegt an der niedrigen

Sampling Rate des PWD. Die Zeitschrittweite der Berechnung darf nicht daran

angepasst werden, da sie dann zu klein wäre um plausible Messergebnisse zu

erhalten.

Vergleicht man Abbildung 5-23 und Abbildung 5-24 ist zu sehen, dass sowohl im

Experiment als auch in der Computersimulation zuerst eine positive Druckspitze und

anschließend ein negatives Überschwingen zu verzeichnen ist.

Das rechnerisch erstellte Diagramm kommt der bei offshore-Rammarbeiten

durchgeführten Messung (Abbildung 3-8) näher als das experimentell erstellte

Diagramm. Es wird davon ausgegangen, dass dies an einer feineren Abtastrate der

offshore-Drucksensoren liegt. Die für das Experiment verwendeten Porenwasser-

druckgeber sind für solche Messungen nicht optimiert. Bei einer erneuten

Durchführung des Experiments sollten spezielle Drucksensoren mit einer höheren

Abtastrate gewählt werden.


84

Abbildung 5-23: Experimentell bestimmter Druckverlauf

Abbildung 5-24: Rechnerisch bestimmter Druckverlauf

Auswertung

85

6 Auswertung

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse aus den Ultraschallmessungen sowie

aus Berechnung und Experiment diskutiert.

6.1 Ergebnisse des Ultraschallversuches

Der Ultraschallversuch hat bestätigt, dass Betone geringere Schallwerte emittieren

als Aluminium. Da Stahl eine höhere Dichte hat als Aluminium, wird davon

ausgegangen, dass Beton auch geringere Schallemissionen als Stahl aufweist. Mit

den ermittelten Werten wurde ein guter Grundstein für die Entwicklung eines primär

schallmindernden Werkstoffes für Rammpfähle gelegt.

6.2 Fazit der Berechnungen und der Validierung

Rein physikalisch zeigt das Fluid im Berechnungsmodell das erwartete Verhalten.

Die Ergebnisse sind aber noch kritisch zu betrachten.

Die Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass das Berechnungsmodell noch

weiter optimiert werden muss. Die berechneten Werte korrelierten nur für bestimmte,

unrealistische Lasten und zu große Zeitschrittweiten mit den experimentell

bestimmten Werten.

Die Dehngrenze von Beton liegt bei 0,2 % [Schneider, Klaus-Jürgen 2008]. Um im

Fluid des Berechnungsmodells, dem Experiment entsprechende Druckänderungen

zu bemerken, waren Lasten von etwa 42 kN pro Knoten nötig. Bei diesen hohen

Lasten traten an der betonprobe Verformungen von 5,8 % auf. Da dies ein

unrealistischer Wert ist, besteht an dieser Stelle weiterer Forschungsbedarf am

Modell.

Zum Zeitpunkt des Experiments war der Einfluss der Zeitschrittweite auf das

Berechnungsmodell nicht bekannt. Demnach wurde die höchste Abtastrate gewählt

um eine gute Auflösung der Druckschwankungen im Wasser zu erhalten. Die

Zeitschrittweite muss weiter angepasst werden, um plausible Ergebnisse aus der

Berechnung zu erhalten.

Für eine gute Korrelation zwischen Messung und Berechnung, sollten spezielle

Drucksensoren mit einer höheren Abtastrate verwendet werden. Damit wäre durch

Auswertung

86

die Anpassung von Zeitschrittweite des Berechnungsmodells und Abtastrate des

Experiments eine genaue Gegenüberstellung der Druckverläufe möglich.

Weitere Überlegungen zeigten, dass die im Experiment aufgebrachte Last von 10 kg

auf eine Fläche von 0,002 m² nicht einfach auf das Zweidimensionale

Berechnungsmodell zu übertragen ist. Um äquivalente Werte zum experimentell

bestimmten Druck im Fluid zu berechnen, ist eine bestimmte Dehnung des

Betonpfahles notwendig.

In einem weiteren Experiment sollte die Dehnung der Betonprobe gemessen und mit

der berechneten verglichen werden. So könnte die entsprechende Lasteinwirkung

am Zweidimensionalen Modell bestimmt werden.

6.3 Ausblick

Primärer Schallschutz hat ein großes Potential zur Verringerung der

Schallemissionen beim Rammen von Pfählen im Offshorebereich. Dieses Potential

sollte unbedingt weiter erforscht werden.

In einer anschließenden Diplomarbeit soll eine Optimierung des Berechnungs-

modells erfolgen. Die möglichen Verbesserungen belaufen sich sowohl auf den

Dämpfungsparameter β als auch auf eine Verringerung der Zeitschrittweite. Des

Weiteren soll eine Parameterstudie der Vernetzung, eine sogenannte

Gitternetzstudie, durchgeführt und das FSI weiter optimiert werden.

Außerdem soll der Diplomand das Modell einer offshore-Rammung in Realgröße

geometrisch anpassen. Im besten Fall sollen unterschiedliche Schlag‐ und

Pfahlkombinationen verglichen werden, um mögliche Reduktionspotentiale des

Rammschalls zu erkennen.

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Inhalt der CD-Rom

94

Inhalt der CD-Rom

Masterarbeit – Robert Mersiowsky

Berechnungsmodell (BeMo)

o Quelltexte

o Ausgabewerte

Validierung

o Excel Sheets zur Auswertung

o Messwerte aus Druckversuch

Hinweis:

Um das Berechnungsmodell zu starten sind folgende Schritte auszuführen:

1. Die Berechnung erfordert einen etwa 11 GB Speicherplatz

2. Ordner „BeMo“ kopieren und in Verzeichnis mit genügend Speicherplatz

einfügen

3. _system-dat öffnen und unter „eingabepfad“ (Zeile 38) die neue

Verzeichnisstruktur einfügen

4. Ansys APDL Version 14.5 oder neuer starten unter „Working Directory“ den

Ordner „work“ im Verzeichnis „BeMo“ anwählen

5. Job Name vergeben und Run betätigen

6. Unter dem Pfad FileRead Input FromDirectories den Ordner BeMo

auswählen und unter „Read Input From“ die Datei „_system.dat“ auswählen

7. die Berechnungsdauer beträgt je nach Rechenleistung fünf bis zehn Minuten

8. die errechneten Werte sind im Verzeichnis „work“ zu finden

Anmerkung:

Der Eingabepfad hat unter Ansys eine maximale Länge von 32 Zeichen. Darum

wurde der Verzeichnisname „BeMo“ statt Berechnungsmodell gewählt.

95

Documents

Voruntersuchungen zum primären Schallschutz beim Rammen ... · Umweltbundesamt (UBA) genannte Vorsorgewert von 160 dB (SEL) / 190 dB ( peak ‐ to ‐ peak ) in 750 m Entfernung