Experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen in weichem marinem Taiwanesischem Ton unter kombinierter hochzyklischer und seismischer Belastung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Luis Felipe Prada Sarmiento; Dr.-Ing. Merita Tafili; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447999811

Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind einer Belastung aus Wind und Wellen mit Millionen von Zyklen kleiner bis mittelgroßer Amplitude (hochzyklische Belastung) ausgesetzt. In seismisch aktiven Regionen wie Taiwan sind Erdbeben als eine weitere Quelle zyklischer Belastung zu berücksichtigen. Eine seismische Einwirkung zeichnet sich durch eine relativ geringe Anzahl an Zyklen mit relativ großer Amplitude aus (niederzyklische Belastung). Da an der taiwanesischen Küste größtenteils weiche marine Tone anstehen, hängt das Verhalten der OWEA-Gründungen vom Verhalten dieser Böden unter zyklischer Belastung ab. Eine zyklische Belastung kann unter dränierten Bedingungen eine Akkumulation der Dehnung verursachen, unter undränierten Bedingungen einen Aufbau von Porenwasserüberdruck. Die Akkumulation von Verformungen kann angesichts der geringen Toleranzen bezüglich der Schiefstellung der OWEA zu einem Verlust der Gebrauchstauglichkeit führen. Eine signifikante Reduktion der Scherfestigkeit infolge der Porenwasserüberdrücke kann sogar einen Verlust der Tragfähigkeit bedingen. Das Eintreten beider Grenzzustände gilt es durch eine entsprechende Bemessung zu verhindern. Eine vorangegangene hochzyklische Belastung kann sich bei einem Aufbau von Porenwasserüberdruck negativ, bei einer Verdichtung jedoch auch positiv auf das Verhalten der OWEA-Gründung bei Erdbebeneinwirkung auswirken. Bei mehreren Erdbeben in kurzer zeitlicher Abfolge kann der Bodenwiderstand in Abhängigkeit der induzierten Scherdehnungen und des Fortschritts der Konsolidierung sukzessive ab- oder zunehmen. Die hochzyklische Belastung zwischen zwei seismischen Ereignissen kann sich ebenfalls positiv oder negativ auf das Gründungsverhalten während des nachfolgenden Erdbebens auswirken. Ein gleichzeitig mit einem starken Sturm auftretendes Erdbeben stellt den ungünstigsten Fall für die Bemessung dar. Trotz der großen praktischen Bedeutung wurden kombinierte Effekte einer hochzyklischen und seismischen Einwirkung auf die Gründungen von OWEA in weichem marinem Ton bisher kaum untersucht. Insbesondere ist der Einfluss der Reihenfolge der verschiedenen zyklischen Einwirkungen ungeklärt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen solche Effekte an einem weichen marinen Ton aus Taiwan grundlegend untersucht werden. Die Elementversuche im Labor werden sich auf den Einfluss von Zyklenpaketen mit unterschiedlichen Amplituden, Änderungen der mittleren Spannung sowie teildränierte Verhältnisse konzentrieren. Auf der Basis der Versuchsergebnisse werden zwei fortgeschrittene Stoffmodelle für nieder- bzw. hochzyklische Belastung verbessert. Es wird ein Finite-Elemente-Modell erstellt, mit dem das Verhalten von OWEA-Monopilegründungen unter verschiedenen Kombinationen von seismischer und hochzyklischer Einwirkung untersucht werden kann. Das Modell wird anhand von Zentrifugenmodellversuchen mit hochzyklischer, seismischer oder kombinierter Belastung validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jui-Ching Chou; Professor Dr. Yuning Louis Ge; Professor Chi-Chin Tsai, Ph.D.