Vergleich von Ansätzen zur Prognose der Langzeitverformungen von OWEA-Monopilegründungen in Sand - Teil 2: Simulationen und Schlussfolgerungen

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 dieser nichtlinearen Langzeitverformungen 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 Tašan 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.
Die Kalibration der Parameter dieser Ansätze für einen offshore-typischen Feinsand auf der Basis von Laborversuchen wurde in [5] vorgestellt. In diesem Beitrag werden die mit dem jeweiligen Ansatz ermittelten Pfahlverformungen miteinander verglichen. Dabei wird auf die Umsetzung der Ansätze und die betrachteten Belastungen eingegangen, bevor die Ergebnisse der Prognosen vorgestellt werden. Dabei werden große Unterschiede zwischen den Prognosen der einzelnen Ansätze aufgezeigt, obwohl die Parameter der Ansätze am selben Sand und zum Teil aus den gleichen Laborversuchen abgeleitet wurden.

Comparison of methods for the prediction of long-term-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 Tašan et al., the SDM by Achmus et al. and a method which is used at the IBF (KIT), here referred to as HIA.
The calibration of the parameters of the various methods is presented in [5]. In this paper the pile displacements predicted by the different methods are compared with each other. The implementation of these methods and the applied loads are explained before the results are presented. Although the model parameters were determined for the same fine sand and in some cases were obtained using the same experimental results, large differences are observed between the predictions given by each method.