DE102014213427B4 - Deep foundation pile for offshore structures with sound-reducing effect - Google Patents
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Abstract
Tiefgründungspfahl (1) für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung mit einer rohrförmigen Innenschale (3) beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale (2), dadurch gekennzeichnet, dass sich im Raum zwischen der Innenschale (3) und der Außenschale (2) ein Körper (4) aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff befindet.Deep foundation pile (1) for offshore structures with sound-reducing effect when driving with a tubular inner shell (3) spaced in a tubular outer shell (2), characterized in that in the space between the inner shell (3) and the outer shell (2) a body (4) is made of a low-cement concrete or a cement-free concrete or a fiber composite material.
Description
Die Erfindung betrifft Tiefgründungspfähle für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to deep foundation piles for offshore structures with sound-reducing effect when driving according to the preamble of
Pfähle sind je nach Einbringung als eingepresste Pfähle, eingedrehte Pfähle, Bohrpfähle oder Rammpfähle bekannt.Depending on their incorporation, piles are known as pressed-in piles, screwed-in piles, bored piles or driven piles.
Eingepresste Pfähle sind mittels hydraulischer Pressen und Futterstücken in den Boden gedrückt. Eingedrehte Pfähle erfordern einen hohen Kraftaufwand beim Eindrehen in den Boden.Pressed piles are pressed into the ground by means of hydraulic presses and food pieces. Turned piles require a lot of effort when screwing into the ground.
Bohrpfähle sind Stahlrohre, die in den Boden gebohrt werden. Die Erde wird aus dem Innern des Rohres entfernt und Beton in den durch das Rohr ausgebildeten Hohlraum eingebracht. Eine derartige Lösung ist unter anderem durch die Druckschrift
Rammpfähle sind einfache Rammpfähle mit einheitlichem Querschnitt, Rammpfähle mit vergrößertem Fuß oder zusammengesetzte Rammpfähle, die beispielsweise bei großen Pfahllängen während des Rammens aus vorgefertigten Teillängen auch aus unterschiedlichen Querschnitten zusammengesetzt werden. Beispielsweise sind durch die Druckschrift
Diese für Tiefgründungen im Offshore-Bereich eingesetzten Rammpfähle besitzen nur eine geringe Materialdämpfung und tragen somit zu einer hohen Schallemission bei.These piles used for deep foundations in the offshore area have only a low material damping and thus contribute to a high noise emission.
Durch die Druckschrift 10 2005 008 679 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rammpfählen mit mindestens einem doppelwandigen Rammrohr bekannt. Zwischen einer Außenwand und einer Innenwand befindet sich ein körniges oder anderes schallminderndes Material, so dass Lärmemissionen bei der Herstellung von Rammpfählen mittels Kopf- oder Innenrammung reduziert sind.The document 10 2005 008 679 A1 discloses a method for the production of driven piles with at least one double-walled driving tube. Between an outer wall and an inner wall is a granular or other sound-reducing material, so that noise emissions are reduced in the production of driven piles by means of head or Innenrammung.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem beim Einbringen von Tiefgründungspfählen hervorgerufenen Schall weitestgehend zu verringern. The specified in
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in
Die Tiefgründungspfähle für Offshore-Bauwerke zeichnen sich insbesondere durch eine weitestgehende Verringerung des beim Einbringen hervorgerufenen Schalles aus.The deep-foundation piles for offshore structures are characterized in particular by the greatest possible reduction in the sound produced during introduction.
Dazu ist eine rohrförmige Innenschale beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale ange-ordnet. Weiterhin befindet sich im Raum zwischen der Innen- und der Außenschale erfindungsgemäß ein Körper aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff.For this purpose, a tubular inner shell is arranged spaced apart in a tubular outer shell. Furthermore, in the space between the inner and outer shell according to the invention is a body of a cement-poor concrete or a cement-free concrete or a fiber composite material.
Für den Bau von Offshore-Bauwerken beispielsweise in Form von Windenergieanlagen sind umfangreiche Gründungsbauwerke zu errichten. Bei Wassertiefen zwischen 30 m und 50 m kommen insbesondere Monopile (ein Pfahl), Tripode (drei Pfähle) oder Jackets (vier Pfähle) als Gründungsarten zur Anwendung.For the construction of offshore structures, for example in the form of wind turbines, extensive foundations have to be built. At water depths between 30 m and 50 m, monopiles (one post), tripods (three piles) or jackets (four piles) are the types of foundations used.
Zum Schutz der Meeressäuger, die nachweislich durch zu hohen beim Rammen entstehenden Unterwasserschall geschädigt werden können, sind verbindliche Lärm-Grenzwerte beim Rammen von Offshore-Fundamente festgelegt. In Deutschland ist das beispielsweise ein Vorsorgewert von 160 dB SEL in 750 m Entfernung zur Emissionsquelle.For the protection of marine mammals, which can be demonstrably damaged by excessive underwater sound resulting from ramming, binding noise limits are set when ramming offshore foundations. In Germany, for example, this is a precautionary value of 160 dB SEL at a distance of 750 m to the emission source.
Mit den Tiefgründungspfählen wird vorteilhafterweise der primäre Schallschutz in den Vordergrund gestellt, wobei bereits die Entstehung der Schallemission verringert wird. Gleichzeitig wird vorteilhafterweise ein leichtbaugerechtes Pfahltragwerk für Tiefgründungen von Offshore-Bauwerken zur Verfügung gestellt.With the deep foundation piles advantageously the primary sound insulation is placed in the foreground, whereby already the emergence of the sound emission is reduced. At the same time advantageously a lightweight construction pile support plant for deep foundations of offshore structures is provided.
Grundsätzlich sind Pfähle je nach Einbringung in Rammpfähle, eingepresste Pfähle, eingedrehte Pfähle oder Bohrpfähle zu unterscheiden.Basically, piles are to be differentiated according to their incorporation into driven piles, pressed-in piles, turned-in piles or bored piles.
Rammpfähle sind einfache Rammpfähle mit einheitlichem Querschnitt, Rammpfähle mit vergrößertem Fuß und zusammengesetzte Rammpfähle, die beispielsweise bei großen Pfahllängen während des Rammens aus vorgefertigten Teillängen auch aus unterschiedlichen Querschnitten zusammengesetzt werden. Ausschlaggebend für die Art des Pfahles sind die Verdichtungsfähigkeit des Bodens und das Verdrängungsvolumen des Pfahles. Bei axialer Belastung sind kreisförmige oder quadratische Querschnitte besonders günstig. Bei einer zusätzlichen Belastung in einer Achse, zum Beispiel bei einer Seitendruckbelastung oder bei Biegung der Schrägpfähle infolge Eigenlast, werden auch Pfähle mit einem rechteckigen oder L-förmigen Querschnitt eingesetzt.Rammpfähle are simple piles with a uniform cross-section, piles with increased foot and composite piles, which are composed for example of large pile lengths during ramming of prefabricated partial lengths of different cross-sections. Decisive for the type of pile are the compactability of the soil and the displacement volume of the pile. At axial load circular or square cross sections are particularly favorable. With an additional load in one axis, for example in a side pressure load or bending of the inclined piles due to dead load, also piles with a rectangular or L-shaped cross section are used.
Eingepresste Pfähle sind mittels hydraulischer Pressen und Futterstücken in den Boden gedrückt.Pressed piles are pressed into the ground by means of hydraulic presses and food pieces.
Eingedrehte Pfähle erfordern einen hohen Kraftaufwand beim Eindrehen in den Boden. Turned piles require a lot of effort when screwing into the ground.
Bohrpfähle sind Stahlrohre, die in den Boden gebohrt werden. Die Erde wird aus dem Innern des Rohres entfernt und Beton in den durch das Rohr ausgebildeten Hohlraum eingebracht.Drilled piles are steel pipes drilled into the ground. The earth is removed from the interior of the pipe and concrete is introduced into the cavity formed by the pipe.
Für Tiefgründungen im Offshore-Bereich eingesetzte Stahlrammpfähle besitzen nur eine geringe Materialdämpfung und tragen somit zu einer hohen Schallemission bei. Die erfindungsgemäßen Tiefgründungspfähle zeichnen sich dagegen durch ihre hochtragfähigen und zugleich schallreduzierenden leichtbaugerechten Strukturkomponenten aus. Diese als Verbundwerkstoff ausgebildeten Komponenten werden in einer Form zwischen dünnwandigen Schalen angeordnet, welche als innere und äußere Mantelrohre dienen. Neben lärmmindernden Effekten wird zugleich eine hohe Schlagfestigkeit erreicht. Insbesondere die hervorragenden Dämpfungseigenschaften der Kernstruktur in Form des Körpers aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff tragen dazu bei, die Schallemission bei der Herstellung von Tiefgründungspfählen deutlich zu reduzieren. Zugleich wird die Kernstruktur im Verbund mit den inneren und äußeren Schalenstrukturen zum Lastabtrag in den tiefen Baugrund herangezogen. Mittels der Anordnung der Mantelrohre wird im Körper eine Behinderung der Querdehnung und so ein dreidimensionaler Spannungszustand erzeugt, welcher sich tragfähigkeitssteigernd auswirkt. Damit wird die Einleitung auch erhöhter Druckkräfte in die Kernstruktur ermöglicht.Steel piles used for deep foundations in the offshore sector have only a low material damping and thus contribute to a high noise emission. In contrast, the deep foundation piles according to the invention are distinguished by their highly load-bearing and, at the same time, sound-reducing lightweight structural components. These components formed as a composite material are arranged in a form between thin-walled shells, which serve as inner and outer jacket tubes. In addition to noise-reducing effects, a high impact resistance is achieved at the same time. In particular, the excellent damping properties of the core structure in the form of the body of a cement-poor concrete or a cement-free concrete or a fiber composite material contribute to significantly reduce the noise emission in the production of deep foundation piles. At the same time, the core structure is used in conjunction with the inner and outer shell structures for load transfer into the deep subsoil. By means of the arrangement of the jacket pipes, a hindrance in the transverse expansion and thus a three-dimensional stress state is generated in the body, which increases the load capacity. This allows the introduction of increased compressive forces into the core structure.
Beim Rammvorgang treten vor allem hohe Längsdruckkräfte auf, an deren Lastabtrag sich die Strukturkomponenten entsprechend ihrer Steifigkeitsverteilungen beteiligen. Im späteren Betriebszustand kommt es zu einer Überlagerung von Längsdruckkräften mit erheblichen Biegemomenten aus der Einspannwirkung des Pfahltragwerks. Daraus resultieren bereichsweise hohe Zugkräfte im Querschnitt, die speziell vom Körper sowie den inneren und äußeren Mantelrohren abgetragen werden können.During the piling process, especially high longitudinal compressive forces occur, at the load transfer of which the structural components participate according to their stiffness distributions. In the later operating state, there is a superposition of longitudinal compressive forces with significant bending moments from the clamping action of the pile structure. This results in areas of high tensile forces in cross section, which can be removed especially by the body and the inner and outer jacket pipes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der Endenbereich der Innen- oder der Außenschale in Richtung Spitze des Tiefgründungspfahls zur Außen- oder Innenschale geführt oder sind die Endenbereiche der Innen- und der Außenschale in Richtung Spitze des Tiefgrün- - dungspfahls zusammengeführt oder weist der Tiefgründungspfahl eine ringförmige Spitze auf. Durch die damit vorhandene Spitze ist das Einbringen des Tiefgründungspfahls erleichtert. Die ringförmige Spitze kann dazu auch eine separate Spitze beispielsweise aus Stahl sein, die durch eine Vorrichtung mit der Außenschale, der Innenschale und dem Körper verbunden ist.According to the embodiment of
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist der Tiefgründungspfahl ein Rohr mit einem kreis-, einem mehreck- oder einem ovalen Querschnitt. Insbesondere die hervorragenden Dämpfungseigenschaften einer kreisringförmigen Kernstruktur in Form des Körpers tragen dazu bei, die Schallemission beim Einbringen des Tiefgründungspfahles deutlich zu reduzieren. Zugleich wird der Körper als Kernstruktur im Verbund mit den inneren und äußeren Schalenstrukturen aus den Innen- und dem Außenrohr zum Lastabtrag in den tiefen Baugrund herangezogen. Mittels der Anordnung der Mantelrohre wird im Körper eine Behinderung der Querdehnung und so ein dreidimensionaler Spannungszustand erzeugt, welcher sich tragfähigkeitssteigernd auswirkt. Damit wird die Einleitung auch erhöhter Druckkräfte in die Kernstruktur ermöglicht.According to the embodiment of
Die Innen- und die Außenschale bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 günstigerweise aus einem Metall oder einem Kunststoff.The inner and outer shell are made according to the embodiment of
Der Körper besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 aus einem geopolymergebundenen Beton mit oder ohne Fasern.The body consists according to the embodiment of
Bindemittel können dabei aus mineralischen industriellen Reststoffen bestehen, welche durch einen alkalischen Aktivator angeregt und als alkalisch aktivierte Bindersysteme oder auch als Geopolymerbinder bezeichnet werden. Derartige Betone sind schallmindernde Leichtbaustoffe, die sich durch eine hohe Druckfestigkeit auszeichnen.Binders may consist of mineral industrial residues, which are excited by an alkaline activator and referred to as alkaline activated binder systems or as Geopolymerbinder. Such concretes are sound-reducing lightweight building materials, which are characterized by a high compressive strength.
Die Zugfestigkeit des Betons kann durch den Einsatz von Fasern erhöht werden. Die Fasern wirken sich zudem günstig auf die Schlagfestigkeit aus. Eine faserverstärkte Matrix stellt das Grundgerüst eines druck- und schlagfesten Pfahltragwerkes dar.The tensile strength of the concrete can be increased by the use of fibers. The fibers also have a favorable effect on the impact resistance. A fiber-reinforced matrix represents the basic structure of a pressure- and impact-resistant pile structure.
Der Beton ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Matrix mit wenigstens einem geopolymeren Silikatbindemittel. Diese sind druckwasserdicht, schrumpffrei und umweltfreundlich. Dabei bildet sich ein amorphes Silikatgel in der erhärteten Matrix des Bindemittels aus. Durch die dreidimensionale Vernetzung der Silikatstrukturen sind hohe Druckfestigkeiten bei gleichzeitiger hoher Biegezugfestigkeit zu erreichen. The concrete is according to the embodiment of claim 6, a matrix having at least one geopolymerischen silicate binder. These are watertight, shrink-free and environmentally friendly. An amorphous silicate gel forms in the hardened matrix of the binder. Due to the three-dimensional cross-linking of the silicate structures, high compressive strengths combined with high flexural strength can be achieved.
Die Gesteinskörnung des Betons ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 Quarzsand, Brechsand, Quarzkies, Splitt, eine geblähte Körnung jeweils einzeln oder in einer Kombination. Insbesondere bei Einsatz einer geblähten Körnung kann die schallmindernde Wirkung erhöht werden.The aggregate of the concrete is according to the embodiment of claim 7 quartz sand, crushed sand, quartz gravel, grit, a blasted grit each individually or in combination. In particular, when using a blown grain, the sound-reducing effect can be increased.
Vorteilhafterweise besteht der Pfahl nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 aus Abschnitten gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts. Damit können auch lange Tiefgründungspfähle realisiert werden. Die einzelnen Abschnitte können dazu Verbindungselemente und Verbindungseinrichtungen mit einer schallmindernden Wirkung aufweisen.Advantageously, the post according to the embodiment of claim 8 consists of sections of the same or different cross-section. This also long deep foundation piles can be realized. The individual sections can for this purpose have connecting elements and connecting devices with a sound-reducing effect.
Der Pfahl ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein in den Boden durch Rammen, Rütteln, Pressen, Bohren, Vibrationen oder eine Kombination daraus einzubringender und damit eingebrachter Pfahl.The pile is according to the embodiment of claim 9 in the ground by ramming, shaking, pressing, drilling, vibration or a combination thereof to be introduced and thus introduced pile.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in principle in the drawings and will be described in more detail below.
Es zeigen:
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1 ein Tiefgründungspfahl in einer Vorderansicht, -
2 ein Tiefgründungspfahl in einer Draufsicht und -
3 ein Endenbereich eines Tiefgründungspfahls in einer Schnittdarstellung.
-
1 a deep foundation pile in a front view, -
2 a deep foundation pile in a plan view and -
3 an end region of a deep foundation pile in a sectional view.
Ein Tiefgründungspfahl
Die
Die rohrförmige Innenschale
Im Raum zwischen der Innenschale
Der Körper
Der Endenbereich der Innenschale
Die
Der Tiefgründungspfahl
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Tiefgründungspfahl
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