Tripile-Gründung für Offshore-Windparks

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Über die genehmigte Laufzeit von 20 Jahren kann der Hochsee-Windpark BARD Offshore 1 insgesamt ca. 17 Millionen t CO² einsparen. In der Nordsee entsteht zurzeit der erste kommerzielle Offshore-Windpark in Deutschland mit insgesamt 80 WEA des Typs BARD 5.0. Das Windkraftwerk auf hoher See wird nach Fertigstellung eine Nennleistung von 400 MW haben, was dem Verbrauch von ca. 400000 Mehrpersonenhaushalten entspricht. Der erzeugte Strom wird über ein ca. 120 km langes Gleichstrom-Seekabel über die Insel Norderney ans Festland transportiert. In Diele bei Weener in Ostfriesland wird er dann ins deutsche Höchstspannungsnetz eingespeist. Insgesamt verfügt die BARD-Gruppe über mehrere Offshore- Windparks in der Nordsee und in den Niederlanden. Als Anschlussprojekt plant die BARD-Gruppe den Nachbarschaftswindpark Veja Mate, welcher mit 80 5-MW-Windenergieanlagen (WEA) die gleiche erwartete Leistung von 1,6 TWh/Jahr wie BARD Offshore 1 erzeugen wird. Veja Mate ist bereits vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) genehmigt. Die Planungsleistungen für die Gründungsstrukturen wurden von der Ingenieurgesellschaft Peil, Ummenhofer mbH aus Braunschweig erbracht. Beide genannten Windparks liegen in Wassertiefen von durchschnittlich 40 m, wo mit maximalen Wellenhöhen von ca. 20 m gerechnet wird. Es kommt die von BARD entworfene und patentierte Tripile-Gründung zum Einsatz – eine interessante Alternative zu den bei alpha ventus erprobten Jacket- und Tripod-Gründungen. Das gilt insbesondere für die Offshore-Montage, bei der sich durch eine schnelle Errichtung ohne Tauchereinsätze große wirtschaftliche Vorteile ergeben. Dieses Gründungskonzept besteht aus je drei in einem gleichseitigen Dreieck angeordneten Stahlrohrpfählen, die im Projektgebiet Veja Mate Längen zwischen 79 m und 88 m sowie Massen zwischen 350 t und 420 t besitzen. Die Pfähle werden nach der Rammung über dem Meeresspiegel durch ein so genanntes Stützkreuz verbunden. Auf diesem Übergangsstück setzt anschließend der Rohrturm der WEA mit einer üblichen Ringflanschverbindung auf. Der Gründungstyp ist insbesondere hervorragend geeignet, um sowohl Verformungs- als auch Eigenfrequenzanforderungen im genannten Wassertiefenbereich zu erfüllen. Das Fundament zeigt im Verbund der drei Einzelpfähle ein kombiniertes Tragverhalten. Wesentliche Lastanteile tragen die Pfähle aufgrund ihrer Spreizung über die axiale Tragfähigkeit ab, während gleichzeitig ihre laterale Tragkapazität ähnlich wie bei einem Monopile aktiviert werden kann. Bei der Auslegung der Pfähle hinsichtlich Einbindelänge und Biegesteifigkeit muss diesem Spezifikum in einem iterativen Entwurfsprozess sorgfältig Rechnung getragen werden, um eine technisch und wirtschaftlich optimale Lösung zu erreichen. Primäres Auslegungskriterium für die Einbindelängen sind die Pfahlnormalkräfte, wobei sowohl Druck- als auch Zugkräfte maßgebend werden können. Die benötigten Schnittgrößen ergeben sich jedoch erst aus Berechnungen am Gesamtmodell, das die Steifigkeitsverhältnisse der Tragstruktur wirklichkeitsnah abbildet. Dafür sind die Vorbemessung der Biegetragfähigkeit der Pfähle und die Modellbildung für die nichtlineare Pfahl-Boden-Interaktion notwendig. Vor der endgültigen Festlegung der Pfahleinbindelängen ist selbstverständlich die Überprüfung der üblichen lateralen Verformungskriterien vorzunehmen. Dabei zeigt sich, dass i. d. R. eine vertikale Tangente der Pfähle innerhalb der Einbindelänge erreicht wird, was im relativ kleinen Verhältnis von Durchmesser zu Pfahllänge begründet liegt. In der Biegebemessung der Pfähle sind die unterschiedlichen Anforderungen der Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) und der Ermüdungsfestigkeit (FLS) eng verzahnt zu betrachten. Unter Beachtung von Mindestwerten, die durch Stabilitätskriterien und Rammbarkeit vorgegeben sind, werden die Wanddicken der Pfähle bei konstantem Außendurchmesser gemäß der Momentenlinie im ULS gestaffelt. Ziel ist es hierbei, die maximal herstellbaren Schusslängen zur Minimierung des Schweißaufwandes nach Möglichkeit auszunutzen. Zudem wird so die Anzahl der Kerbstellen an den Ringnähten möglichst gering gehalten, welche speziell bei Dickensprüngen aufgrund der Zusatzbiegung aus Exzentrizität die Bemessung dominieren. Oberstes Ziel der Wanddickenstaffelung muss daher eine gleichmäßige Ausnutzung der Querschnitte in den Nachweisen des ULS und FLS sein. Bild 2 zeigt beispielhaft die Ausnutzungsgrade in den genannten Nachweisgruppen über die Länge eines Einzelpfahles. Neben den bisher skizzierten Kriterien stellte sich während der Planungsarbeiten die Suche nach einer optimalen Klassierung der Standorte zur Festlegung von Gründungstypen als wesentlichste Möglichkeit zur Optimierung der Gesamtwirtschaftlichkeit heraus. Eine Betrachtung der Bodenprofile allein anhand der bodenmechanischen Eigenschaften ist hierbei nicht zweckmäßig. Aufgrund der gekoppelten Tragwirkung in axialer und lateraler Richtung müssen entgegen dieser sonst üblichen Vorgehensweise die direkten Auswirkungen auf die Pfahlbemessung in der Klassierung Berücksichtigung finden. Dies geschah im vorliegenden Projekt nach einer Einzelbemessung aller Standorte und unter Beachtung der jeweiligen spezifischen Wassertiefe. In der Folge wurde eine Gruppierung von Pfahltypen gefunden, die in Abwägung der eingesparten Stahlmengen gegenüber den auftretenden Logistikkosten ein Optimum darstellt. Entgegen den standortspezifisch bemessenen Gründungspfählen ist das Stützkreuz einheitlich für das gesamte Windparkareal ausgelegt. Das Stützkreuz greift mit drei Zapfenrohren in die Gründungspfähle ein und wird in diesen durch eine Grout-Verbindung fixiert. An die Zapfenrohre schließen drei geneigte Kastenträger an, die im Zentralrohr verknüpft werden.