Vergleich von Ansätzen zur Prognose der Langzeitverformungen von OWEA-Monopilegründungen in Sand - Teil 1: Grundlagen der Ansätze und Parameterkalibration

Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien entstehen in der Nord- und Ostsee Parks aus Offshore-Windenergieanlagen, kurz OWEA. Die Gründung dieser OWEA erfolgt häufig mit großen Einzelpfählen, den sogenannten Monopiles. Infolge der zyklischen Belastung aus Wind und Wellen findet im Baugrund eine Verformungsakkumulation statt, welche zu bleibenden Schiefstellungen der Monopiles führen kann. Für die Prognose des nichtlinearen Langzeitverformungsverhaltens der OWEA-Monopilegründungen wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze vorgeschlagen.
Mit dem Ziel, die einzelnen Ansätze miteinander zu vergleichen und ihre Grenzen auszuloten, wurden zahlreiche Berechnungen einer OWEA-Monopilegründung mit realitätsnahen Abmessungen und Belastungen in einem nichtbindigen Baugrund mit unterschiedlichen Lagerungsdichten durchgeführt. Dabei wurden folgende Ansätze untersucht: die P-y-Kurven des American Petroleum Institute (API), ein Ansatz nach DÜHRKOP, das ESWM nach TAŞAN et al., das SDM nach ACHMUS et al. und ein Ansatz, der am Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) verwendet und hier mit HIA bezeichnet wird.
Neben der Beschreibung dieser Ansätze wird in diesem Artikel die Bestimmung der jeweils benötigten Parameter aus Laborversuchen vorgestellt. Die Eingangsparameter aller Ansätze wurden für einen offshore-typischen Feinsand ermittelt. In “Teil 2: Simulationen und Schlussfolgerungen” werden dann die von den verschiedenen Ansätzen prognostizierten Pfahlverformungen infolge der hochzyklischen Belastung präsentiert und miteinander verglichen.

Comparison of methods for the prediction of long-time-deformations of OWEA monopile foundations in sand
In the process of renewable-energy-development the number of offshore wind parks in the North Sea and the Baltic Sea increases. The offshore wind power plants are often founded on a single large pile, a so-called monopile. The cyclic loading due to wind and waves causes an accumulation of deformation in the soil which may lead to a permanent tilting of the monopiles. Different methods have been developed for the prediction of these non-linear long-term deformations.
In this study the predictions made by the various methods are compared for realistic dimensions and loadings of an offshore wind power plant as well as different densities of a non cohesive soil. The quality and the limitations of the methods were examined. The following methods were studied: the P-y-curves of the American Petroleum Institute (API), a method proposed by DÜHRKOP, the ESWM by TAŞAN et al., the SDM by ACHMUS et al. and a method which is used at the IBF (KIT), here referred to as HIA.
In this article, beside the description of the different approaches, the procedure of parameter calibration will be discussed and the parameters for each method will be retrieved by laboratory tests performed on an offshore-typical fine sand. “Part 2: Simulations and conclusions” will present and compare the deformations of the monopile foundation due to high-cyclic loading predicted by the different approaches.