01.10.2019
Offshore-Windenergieanlage

Offshore-Windenergieanlagen sind vielfältigen Witterungsbedingungen ausgesetzt

Quelle: BAM

Windenergieanlagen sind meistens auf Pfählen oder Pfahlgruppen gegründet. Sie sind dynamischen Lasten wie Wind und Wellen ausgesetzt. Um das dynamische Verhalten berechnen zu können, wird die Pfahlgründung in einem kontinuierlichen Boden modelliert. Der Windenergieturm wird mit der Finiten-Element-Methode berechnet, der kontinuierliche Boden mit der Randelementmethode. Dabei wird mit Punktlastlösungen des elastischen Bodens, die die Federungs-, Dämpfungs- und Wellenausbreitungseigenschaften des Bodens enthalten, eine dynamische Steifigkeitsmatrix des Bodens berechnet. Die Kombination dieser Bodenmatrix mit der dynamischen Steifigkeitsmatrix des Bauwerks ergibt die Bauwerk-Boden-Wechselwirkung, die für verschiedene Anregungskräfte gelöst wird. Der Aufsatz beschreibt die Nachgiebigkeits- und Dämpfungsfrequenzgänge verschiedener Pfähle und verschiedener Böden.

Grafik: Die ersten drei Eigenschwingungsformen des Turm-Pfahl-Boden Systems

Pfahlgründungen für Windenergieanlagen: Die ersten drei Eigenschwingungsformen des Turm-Pfahl-Boden Systems

Quelle: BAM, Fachbereich Ingenieurbau

Es werden Gesetzmäßigkeiten für den Pfahl- und den Bodeneinfluss abgeleitet. Die Nachgiebigkeit und Dämpfung ist am stärksten vom Boden beeinflusst, wobei die stärkste Wirkung vom homogenene Boden herrührt. Ein mit der Tiefe steifer werdender Boden hat einen geringeren Einfluss. Die Biegesteifgkeit des Pfahles hat immer einen geringeren Einfluss auf die horizontale Gründungseigenschaften. Bei einem vereinfachten Bodenmodell einer elastischen Bettung wird der Pfahleinfluss immer überschätzt. Der kontinuierliche Boden ist für alle homogenen und inhomogenen Bodenmodelle immer einflussreicher als die entsprechende Bettung. Es werden auch die Verschiebungen und Kräfte längs des Pfahles betrachtet, die sich in der Regel auf den oberen Teil des Pfahles konzentrieren. Sie sind allerdings nicht proportional zueinander, folgen also nicht dem viel benutzten Bettungsgesetz. Schließlich wird an einem Windenergieturm demonstriert, dass die Dämpfung durch den Boden einen wesentlichen Einfluss auf die Amplituden der zweiten Turmeigenform haben. Für das dynamische Verhalten von Windenergieanlagen sind deshalb Berechnungen mit einem kontinuierlichen Boden nützlich.

Compliance and damping of piles for wind tower foundation in non-homogeneous soils by the finite-element boundary-element method
L. Auersch
erschienen in Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2019, Volume 120, Page 228-244
BAM, Fachbereich Ingenieurbau