Berechnung der Rammschädigung an Flanschen von Monopile-Gründungen

Ringflanschverbindungen an Monopile-Tragstrukturen stehen aktuell im Fokus kosteneffizienter Design-Konzepte für Offshore-Windenergieanlagen. Die geschraubte Verbindung zwischen Monopile und Transition Piece (Übergangsstück zum Turm der Windenergieanlage) erfordert jedoch, dass das Rammen mit einem hydraulischen Hammer direkt auf dem Monopile-seitigen Flansch erfolgt. Der Flansch wird extremen Belastungen während des hochdynamischen Rammvorgangs ausgesetzt, wodurch hohe Vorschädigungen am Flansch sowie an der Schweißnaht zum Monopile entstehen können. Bei der Berechnung der Rammschädigungen ist, zusätzlich zum eigentlichen Hammerschlag, eine durch den Lasteintrag angeregte Schwingung am Flansch zu berücksichtigen. In diesem Artikel werden die wesentlichen Parameter einer Rammanalyse vorgestellt. Wechselwirkungen zwischen Hammer, Monopile und Boden werden mit einer eindimensionalen Wellengleichungsmethode untersucht. Das hierbei ermittelte Lastspektrum wird zur Validierung eines detaillierten Finite-Elemente(FE)-Modells genutzt, welches den ursprünglichen Schlag zwischen Hammer und Flansch sowie die dynamische Antwort der Pfahl-Boden-Interaktion im Zeitbereich simuliert. Basierend auf den Berechnungsergebnissen werden Empfehlungen für Designoptimierungen sowie Verfahren zur Bewertung der Rammschädigung vorgestellt.

Determination of pile-driving fatigue at flanges of monopile foundations.
Cost-efficient design concepts of monopile foundations for offshore wind turbines have recently focused on bolted ring flange connections. The bolted connection between the monopile and transition piece implies that the pile-driving operation by means of a hydraulic hammer is directly performed on the flange. The highly dynamic pile-driving loads may lead to substantial pre-damages at the flange structure and weld. For the determination of pile-driving fatigue, the initial hammer strike as well as an induced oscillation has to be considered. In this paper, the main parameters defining a pile-driving analysis are presented. Basic pile-driving effects are investigated by application of a one-dimensional wave equation analysis. The results are used to validate a detailed finite element (FE) model which simulates the initial hammer strike as well as the dynamic response of the pile-soil interaction. Based on the calculation results, recommendations for design optimizations and evaluation methods of pile-driving fatigue are provided.