Validierung eines hochzyklischen Akkumulationsmodells für Suction-Caisson-Gründungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467158279

Suction-Caisson-Gründungen bestehen aus an der Oberseite geschlossenen Stahlzylindern, die auf den Meeresboden abgelassen und mittels eines im Inneren aufgebrachten Unterdrucks auf die Soll-Eindringtiefe gebracht werden. Eine Offshore-Windenergieanlage (OWEA) kann auf einem (Mono-Caisson) oder mehreren (Multi-Caisson) dieser Körper gegründet werden. Gegenüber konventionellen Gründungen für OWEA (z.B. Monopiles, Schwergewichtsgründungen) kann die Installation der Suction-Caissons schneller und geräuschärmer erfolgen, was insbesondere im Hinblick auf den Schutz der Meeresfauna vorteilhaft ist. Weiterhin zeichnen sich Suction-Caissons durch einen geringeren Materialverbrauch und einfacheren Rückbau aus. Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen sind einer hochzyklischen Belastung durch Wind und Wellen ausgesetzt, welche zu einer Verformungsakkumulation im Boden und letztlich zu einer Schiefstellung der OWEA bis zum Verlust der Gebrauchstauglichkeit führen kann. Für Prognosen der Langzeitverformungen von Suction-Caisson-Gründungen unter solch einer Belastung existiert bisher keine validierte Methode. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, ein bereits für andere Gründungstypen etabliertes hochzyklisches Akkumulationsmodell für Suction-Caisson-Gründungen zu validieren. Dies erfolgt durch die Nachrechnung von 1g- und Zentrifugenmodellversuchen, die am „Centre for Offshore Foundation Systems“ (COFS) der University of Western Australia in Perth durchgeführt wurden. In den Finite-Elemente-Berechnungen werden spezielle Elemente mit u-U-Formulierung verwendet, um die komplexe Interaktion zwischen dem Caisson, dem Boden und dem Porenfluid zu berücksichtigen. Die Parameter des Akkumulationsmodells für die beiden in den Modellversuchen verwendeten Sande werden auf der Basis von dränierten zyklischen Triaxialversuchen kalibriert. Die Elementversuche werden bei zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus durchgeführt, die den 1g- bzw. Zentrifugenmodellversuchen entsprechen. Die Simulationen erfolgen mit und ohne Berücksichtigung der Installation des Caissons, um den Einfluss von installationsbedingten Zustandsänderungen im Boden zu quantifizieren. Bei einer zufriedenstellenden Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Modellversuchen kann von einer Validierung der numerischen Methode und insbesondere des darin verwendeten Akkumulationsmodells ausgegangen werden. In einer Sensitivitätsanalyse wird die Auswirkung von Variationen verschiedener Parameter, u.a. der Zustandsparameter des Bodens und der Stoffmodellparameter, auf die numerischen Prognosen für die Modellversuche untersucht. Abschließend wird das validierte numerische Modell für Parameterstudien an Suction-Caisson-Gründungen im realen Maßstab verwendet. Auf Basis der Ergebnisse werden vereinfachte Bemessungsdiagramme für die Gebrauchstauglichkeit entwickelt, anhand derer sich die Langzeitverformungen der Suction-Caisson-Gründungen für unterschiedliche Randbedingungen abschätzen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Kooperationspartnerin: Professorin Britta Bienen, Ph.D.