-
Die
Erfindung betrifft einen Gründungspfahl, überwiegend
horizontal belastet, bestehend aus einem langgestreckten Pfahlkörper, insbesondere Rohr,
mit im wesentlichen gleichen Querschnitt zum Eintreiben und Einbinden
in den Untergrund, insbesondere für wenigstens zeitweise Wasser
bedeckten Untergrund.
-
Derartige
Gründungspfähle sind
für verschiedene
Bauvorhaben und Konstruktionen bekannt. Beispielsweise werden derartige
Gründungspfähle als
sog. Monopiles für
Offshore-Windenergieanlagen favorisiert. Dabei ergeben sich Einbindetiefen
der als Stahlrohrpfähle
ausgebildeten Monopiles aus der Statik von wenigstens 25 m in den
Untergrund bei einem Rohrdurchmesser von 5 bis 8 m. Die horizontale
Belastung aus Wind und Wellen an der Offshore-Windkraftanlage verursacht eine erhebliche Horizontalkraft-
und Momentenbelastung für
den Gründungspfahl.
Die resultierenden Pfahlverformungen führen zu einer Scherung des
Bodens, insbesondere in den oberen Bodenschichten, also direkt unterhalb
der Gewässersohle.
Zusätzlich
können
am Gründungspfahl
im Bereich der Gewässersohle
wirkende Strömungen
im Wasserkörper
zu Bettungsverlust, Auflockerungen und/oder Auskolkungen um den Pfahl
führen.
Zur Vermeidung dieser Kolkbildung sind Steinsicherungen und/oder
Geotextilsicherungen bekannt.
-
Nachteilig
ist bei der bekannten Einzelpfahlgründung die geringe Bettung des
Pfahls in den oberen Bodenschichten des Untergrundes, dort wo die Durchbiegungen
des Pfahls am größten sind.
Entsprechend müssen
aus Sicherheitsgründen
erheblich größere Pfahleinbaulängen bis
zu 35 – 40
m gewählt
werden, was aufwändigere
Rammarbeiten bedingt. Ferner kann diese Monopile-Gründung an
Lokationen, die eine derart tiefe Einbindung auf Grund von anstehendem
Festgestein nicht erlaubt, nicht durchgeführt werden. An derartigen Lokationen
muss folglich auf andere, möglicherweise
erheblich kostenaufwändigere
Gründungsverfahren
ausgewichen werden.
-
In
J. Grabe, J. Dührkop,
K.-P. Mahutka, Monopilegründungen
von Offshore-Windenergieanlagen,
veröffentlicht
in „Bauingenieur", Heft 08/2004 werden
die Auswirkungen der durch Wind und Wellen an Offshore-Windenergieanlagen
bewirkten zyklischen Horizontal- und Momentenbelastungen für die Monopilegründung untersucht.
Die aufgrund der Belastungen resultierenden Verformungen des Monopiles
führen
zu Verdichtung bzw. Auflockerung des Bodens mit entsprechend einhergehender Änderung des
Porenwasserdrucks. Der Anstieg des Porenwasserdrucks führt zu einer
Abnahme der effektiven Spannungen und in Extremfällen zu einer Bodenverflüssigung.
Ebenso kann dicht gelagerter Sandboden ab einer gewissen Scherung
aufgelockert und der Porenraum vergrößert werden. Insgesamt führen die Pfahlverformungen
insbesondere bei zyklischer Belastung zu einer erheblichen Verschlechterung
der Bettung.
-
Ferner
ist das Tragverhalten von Pfählen
unter Horizontallasten seit langem in der Schifffahrtstechnik für Dalben
bekannt. Dort ist das Verformungsverhalten jedoch von nur geringerer
Bedeutung, da sich der Dalben bei großen Horizontallasten, beispielsweise
bei einem Schiffsanprall schief stellt und bewusst eine schiffsschonendere
Abbremsung bewirkt. Für
Anlagen und Bauwerke, insbesondere Offshore-Windkraftanlagen können jedoch
kurz- und langzeitige Schiefstellungen nicht toleriert werden.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher einen Gründungspfahl anzugeben, dessen
Tragverhalten insbesondere bei Horizontallasten verbessert wird. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Störung des Tragverhaltens von
im Wasser stehenden Pfählen
aufgrund von Strömungs-
und Wellenbeanspruchungen zu reduzieren.
-
Gelöst wird
diese Aufgabe mit einem Gründungspfahl
gemäß Anspruch
1. Die nahe der Oberfläche
des Untergrundes angeordneten im wesentlichen radial zur Pfahlachse
auswärts
gerichteten Flügel
bewirken eine Verbreiterung des Pfahls in diesem Bereich, womit
bei überwiegend
horizontal beanspruchten Pfählen
die Lasten über
die sog. Bettungsspannungen in den Untergrund abgetragen werden. Durch
die Verbreiterung des Pfahls mit den Flügeln direkt unterhalb der Untergrundoberfläche bzw.
bei im Wasser stehenden Pfählen
direkt unterhalb der Gewässersohle
können
die einzuleitenden Spannungen somit auf eine größere Fläche verteilt werden. Übermäßige Spannungen,
die den Boden möglicherweise
plastifizieren könnten,
können
somit wirkungsvoll vermieden werden. Durch die vertikale Ausrichtung
der Flügel – parallel
zur Pfahlachse ausgerichtet – wird
der Widerstand beim Eintreiben in den Boden nur geringfügig erhöht.
-
Dadurch,
dass wenigstens drei Flügel,
bevorzugt vier Flügel,
im wesentlichen gleichwinklig um die Pfahlachse verteilt vorgesehen
sind, können
beliebig orientierte Horizontalkraftbelastungen gleichmäßig in den
Boden geleitet werden. Bei vier gleichwinklig um die Pfahlachse
verteilten Flügeln
wird eine möglichst
gleichmäßige Lastaufnahme
bei verschiedensten Belastungsrichtungen mit einer gleichzeitig möglichst
geringen Querschnittsflächenzunahme
erreicht, um die Rammarbeiten nur unwesentlichen zu erschweren.
Insbesondere bei größeren Durchmessern
des Pfahlkörpers
sind auch Anordnungen von 5, 6, 7 oder gar 8 Flügeln gleichwinklig um die Pfahlachse
verteilt denkbar.
-
Dadurch,
dass der Flügel
in einem Querschnitt entlang einer Tangentialebene zur Pfahlachse im
Einbauzustand von unten nach oben zunehmende Dicke hat, wird beim
Eintreiben der Flügelanordnung in
den Untergrund auf Grund der sich V-förmig erweiternden Flügel eine
Verdrängung
des Untergrundmaterials bewirkt. Diese Verdrängung führt zu einer Bettungsverstärkung mit
einer Art Keilwirkung. Fertigungstechnisch könnten derartige, räumlich ausgebildete
Flügel
aus zwei V-förmig
zusammengefügten flächigen Elemente
(Stahlplatten) erstellt werden, die am Pfahlkörper und bevorzugt auch an
einer Kopfplatte zusammengefügt
sind. Je nach Untergrund kann dabei auch eine erhebliche Aufweitung
der Flügel
in ihrem Querschnitt vorteilhaft sein.
-
Wenn
der Flügel
flächig
ausgebildet ist und die Form hat eines Dreiecks, insbesondere eines rechtwinkligen
Dreiecks, eines Kreisausschnittes, insbesondere eines Viertelkreissektors,
eines Vierecks, insbesondere eines Rechtecks, oder eines Fünfecks,
insbesondere eines Rechtecks mit abgeschrägter äußerer unterer Ecke, können die
Flügel kostengünstig aus
flächigem
Material, insbesondere Stahlplatten hergestellt werden.
-
Bilden
Innenkante und Oberkante des Flügels
den rechten Winkel eines rechtwinkligen Dreiecks wird eine Anpfeilung
der durch die Flügel
gebildeten Pfahlverbreiterung realisiert, die beim Eintreiben der
Pfahlverbreiterung in den Untergrund einen zusätzlichen, kontinuierlich ansteigenden
Verdrängungs- und Reibungsdruck
bewirkt. Die Oberkanten der Flügel
in Form eines rechtwinkligen Dreiecks werden dabei bevorzugt genau
bis zur Oberfläche des
Untergrundes (Gewässersohle)
eingetrieben.
-
Hat
jeder Flügel
die Form eines Viertelkreissektors, wobei wiederum Innenkante und
Oberkante des Flügels
gerade Kantenabschnitte, die senkrecht zueinander stehen, bilden,
wird ebenfalls eine durch die Pfahlverbreiterung hervorgerufene,
stetig ansteigende zusätzliche
Gegenkraft bei den Rammarbeiten hervorgerufen. Die Fläche zur
zusätzlichen
Abstützung
im Boden ist beim Viertelkreissektor vorteilhaft größer als
bei einem Dreieck mit gleichen Kantenlängen. Von der Wirkung ähnlich dürfte eine
Reckeckform mit abgeschrägter äußerer unterer
Ecke sein.
-
Dadurch,
dass eine Kopfplatte mit Ausschnitt für den Pfahlkörper vorgesehen
ist, wobei die Kopfplatte im Einbauzustand des Pfahls auf der Oberfläche des
Untergrundes aufliegt und im wesentlichen horizontal ausgerichtet
ist sowie mit den Flügeln
an deren Oberkanten verbunden ist, werden einerseits die radial
und parallel zur Pfahlachse abstehenden Flügel versteift und andererseits
Auflockerungen und/oder Auskolkungen während der Nutzungszeit durch
Strömungs-
und Wellenbeanspruchung vermindert. Neben der Reduktion von Kolken
bzw. von Bodenauflockerungen bewirkt die Kopfplatte auch eine zusätzliche
Abtragung von Lasten über
Sohldruck. Bevorzugt hat die Kopfplatte Kreisringform, um eine mit
konstanter Kreisringbreite um den Pfahlkörper ausgebildete Abdeckung
an der Gewässersohle
zu erreichen. Ferner erleichert eine äußere kreisförmige Begrenzung der Kopfplatte
die Handhabung des Gründungspfahls
an der Rammvorrichtung, da bei freien Rotationen um die Pfahlachse
keine unterschiedlichen Arbeitsabstände zu berücksichtigen sind.
-
Wenn
die Fügel
und ggf. die Kopfplatte an einer Hülse befestigt sind, wobei die
Hülse auf
dem Pfahlkörper
verschiebbar und festlegbar geführt
ist, kann die Einbauhöhe
der Flügelanordnung
am Gründungspfahl
auf die jeweiligen örtlichen
Umgebungen unmittelbar vor dem Einrammen des Pfahls eingestellt
werden. Denkbar ist dabei auch eine Justierung der Einbauhöhe der Flügelanordnung
während
der Rammarbeiten. Die Festlegung der Hülse auf dem Pfahlkörper wird
bevorzugt mit einem oder mehreren durch die Hülse und entsprechenden Bohrungen
im Pfahlkörper
gesteckten Bolzen erreicht.
-
Dadurch,
dass der Pfahlkörper
ein Stahlrohr ist mit einem Durchmesser (D), einer Wandstärke (t) und
einer Einbaulänge
(L) und Flügel
sowie ggf. Kopfplatte aus Stahlplatten der Wandstärke (s)
gebildet sind, wird ein stabiler Pfahl gebildet, der Verbiegungen
aufgrund von Horizontal- und Momentenbelastungen elastisch aufnimmt.
Bevorzugt sind Stahlrohr, Flügel
und ggf.
-
Kopfplatte
miteinander verschweißt,
womit eine hohe Festigkeit auch über
die Verbindung der verschiedenen Bauelemente dauerhaft erreicht
wird.
-
Eine
besonders bevorzugte Dimensionierung des Gründungspfahls ist gegeben, wenn
die Materialstärke
der aus Stahlplatten geformten Flügel und ggf. der Kopfplatte
(s) zwischen ½ der
Materialstärke
des Pfahlkörperstahlrohres
(t) bis zur 2-fachen Materialstärke
des Pfahlkörperstahlrohres,
bevorzugt s = t ausgebildet ist. Für Gründungspfahle für Offshore-Windkraftanlagen
beträgt
die Materialstärke der
Stahlrohre typischerweise 50 mm. Weiter sollte die Kreisringbreite
(b) der kreisringförmigen
Kopfplatte zwischen ¼ des
Durchmessers des Stahlrohres bis zu 1 Durchmesser des Stahlrohres,
bevorzugt b = ½ D
betragen. Dabei weisen die Stahlrohre für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen
einen Durchmesser von 5 bis 8 m auf. Weiter sollte die Höhenerstreckung
(h) der Flügel
zwischen ½ Rohrdurchmesser
und dem 2-fachen Rohrdurchmesser, bevorzugt h = D betragen. Die
Einbaulänge
(L) des Gründungspfahls
sollte zwischen 2 Durchmessern bis 10 Durchmessern des Stahlrohres,
bevorzugt 4 bis 5 Durchmesser, also bei 5 m Durchmesser 20 bis 25
m betragen.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
-
Darin
zeigt:
-
1 in
einer Seitenansicht einen Gründungspfahl
mit Flügelanordnung,
-
2 einen
Schnitt durch den in 1 dargestellten Gründungspfahl
entlang der in 1 dargestellten Fläche A-A
und
-
3 eine
teils geschnittene Darstellung eines Gründungspfahls in einer Einbausituation.
-
1 zeigt
in einer Seitenansicht einen Gründungspfahl
mit Flügelanordnung 2.
Der Gründungspfahl
besteht aus einem rohrförmigen
Pfahlkörper 1,
an dem auf seiner zylinderförmigen
Außenseite
im Einbauzustand des Pfahls nahe und an der Oberfläche F des
Untergrundes die Flügelanordnung 2 angebracht
ist.
-
Die
Flügelanordnung 2 weist
vier Flügel 21 auf,
die gleichwinklig auf einer Umfangslinie um den Pfahlkörper 1 auf
Höhe der
Oberfläche
des Untergrundes bzw. der Gewässersohle
F angeordnet sind. Jeder Flügel 21 weist
die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, wobei die am Stahlrohr 1 befestigte
Innenkante 22 mit der Oberkante 23 des Flügels 21 den
rechten Winkel bildet. Die Außenkante 24 des Flügels 21 erzeugt
eine Pfeilform der Flügelanordnung 2,
so dass beim Eintreiben des Pfahls in den Untergrund nur eine kleine,
kontinuierlich anwachsende zusätzliche
Reibungs- und Verdrängungskraft entgegensteht.
-
Die
Flügel 21 bilden
mit ihren Oberkanten 23 eine Auflagefläche in einer Radialebene zur
Pfahlachse. In dieser Radialebene ist eine Kopfplatte 25 in Kreisringform
aufgebracht. Die Kopfplatte 25 weist einen kreisförmigen Ausschnitt
für den
Pfahlkörper 1 auf
und hat eine Kreisringbreite b, die bevorzugt der Länge der
Oberkante 23 der Flügel 21 entspricht.
-
Die 2 zeigt
die Flügelanordnung 2 in
einem Schnitt entlang der Fläche
A-A der 1.
In 2 ist die gleichwinklige Aufteilung der Flügel 21, im
dargestellten Ausführungsbeispiel
vier Flügel
mit einem Winkelabstand von jeweils 90° ersichtlich. Ferner ist die übereinstimmende
Materialstärke
der Flügel 21,
nämlich
s und des Stahlrohres 1, nämlich t, eingezeichnet. In
gestrichelter Linie ist die kreisringförmige Form der Kopfplatte 25 dargestellt.
-
Der
Pfahlkörper 1 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Stahlrohr mit einem Durchmesser D von 5 m gebildet. Die
Einbindelänge L, also
vom Pfahlfuß 11 bis
zur Oberfläche
des Untergrundes F, beträgt
ca. den 5-fachen Durchmesser D des Stahlrohres, also ca. 25 m. Die
Materialstärke
s der Kopfplatte entspricht der Wandstärke t des Pfahlrohres, also
t = s = 50 mm. Ferner entspricht die Kreisringbreite b dem halben
Durchmesser D des Stahlrohres, also ½ D = 2,5 m. Insgesamt weist
die Kopfplatte 25 somit einen Außendurchmesser 2 D = 10 m auf.
Die Höhe
h der dreieckigen Flügel 21,
also die Länge
der Innenkante 22 entspricht dem Durchmesser D des Stahlrohres,
also h = 5 m.
-
In 3 ist
teils geschnitten ein Gründungspfahl
in einer Einbausituation für
eine Offshore-Windkraftanlage dargestellt. Der Monopile-Gründungspfahl
ist mit seinem Pfahlkörper 1 in
Form eines Stahlrohres mit seinem Pfahlfuß 11 in den Untergrund
U bis einschließlich
der Flügelanordnung 2 eingetrieben.
Darüber
befindet sich der Wasserkörper W.
Am oberen freien Ende des Pfahlkörpers 1,
dem Pfahlkopf 12, ist ein Turm T einer Windenergieanlage aufgebaut.
Von der Windenergieanlage mit Turm T werden nun insbesondere aufgrund
der Windkräfte Horizontal-
und Momentlasten auf den Gründungspfahl übertragen.
Ferner lasten am Gründungspfahl im
Bereich des Wasserkörpers
strömungsinduzierte Horizontallasten,
die ebenfalls über
Pfahlkörper
in den Untergrund U zu leiten sind. Dabei sind insbesondere zyklische
Belastungen, beispielsweise ausgelöst vom Seegang im Wasserkörper W,
kritisch hinsichtlich der Standfestigkeit des Gründungspfahls.
-
Die
nahe bzw. an der Oberfläche
des Untergrundes im Einbauzustand des Pfahls angeordneten Flügel bewirken
eine Verbreiterung des Gründungspfahls
in diesem für
die Standfestigkeit eines überwiegend
horizontal belasteten Pfahls wichtigen Untergrundabschnitts. Ferner
verhindert die im Einbauzustand an der Oberseite des Untergrundes
bzw. Gewässersohle
angeordnete Kopfplatte eine Auflockerung und/oder Auskolkung des
Bodens infolge der Rammung des Gründungspfahls bei seiner Erstellung
und danach in der Nutzungszeit durch Strömungs- und Wellenbeanspruchung.
Erfindungsgemäß wird die
Lagerungsdichte des Bodens dauerhaft gegenüber einem Standardpfahl ohne
Flügelanordnung
vergrößert, was
zu einer schnelleren Mobilisierung der Bettung im Boden führt. Folglich
wird das Kurzzeit- und Langzeittragverhalten solcher Pfähle verbessert,
so dass die Einbindelängen
gegenüber herkömmlichen
Monopile-Gründungspfählen reduziert
werden können.
Entsprechend ist von verringerten Rammzeiten auszugehen. Da insbesondere
das Rammen in Offshorebereichen vom Ponton aus sehr kostenintensiv
ist, ergeben sich wirtschaftliche Vorteile. Ferner wird bei geringeren
Einbindelängen
die Gefahr vermindert, dass ein Gründungspfahl vor Erreichen seiner
gewünschten
Endtiefe auf ein nicht durchdringbares Hindernis, beispielsweise
einen Findling, stösst.
Ferner können
derartige Monopile-Gründungen
auch bei geringeren Sedimentmächtigkeiten
oberhalb eines anstehenden Festgesteins durchgeführt werden. Für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen
reicht bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Gründungspfahls eine
Sedimentmächtigkeit
von 25 bis 30 m aus. Demgegenüber
würde eine
herkömmliche
Monopile-Gründung
eine Sedimentmächtigkeit
von mindestens 40 m erfordern. Bisher musste daher bei derartigen
Grenzsituationen auf eine andere, erheblich teurere Gründung ausgewichen
werden.
-
- 1
- Pfahlkörper, Stahlrohr
- 11
- Pfahlfuß
- 12
- Pfahlkopf
- 2
- Flügelanordnung
- 21
- Flügel
- 22
- Innenkante
- 23
- Oberkante
- 24
- Außenkante
- 25
- Kopfplatte
- D
- Durchmesser
Pfahlrohr
- F
- Oberfläche des
Untergrundes, Gewässersohle
- L
- Einbindelänge
- s
- Materialstärke Kopfplatte
- t
- Wandstärke Pfahlrohr
- T
- Turm
- U
- Untergrund
- W
- Wasserkörper