EP2702209B1 - Gründungspfahl - Google Patents
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D27/00—Foundations as substructures
- E02D27/32—Foundations for special purposes
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- E02D27/425—Foundations for poles, masts or chimneys specially adapted for wind motors masts
Definitions
- the invention relates to a foundation pile for producing a foundation for a structure in the water, preferably offshore, and a method for producing a foundation for a structure in the water, especially offshore.
- the offshore wind turbine includes a gravity foundation as a foundation, which is located in the seabed. On the gravity foundation, the tower of the wind turbine is built, which extends from the gravity foundation in the water to the sea surface and then up to the maximum height of the tower to the nacelle.
- the tower is conical. The largest diameter of the tower is present at its base in the water on the Gravity Fund.
- foundation piles are introduced into the soil.
- the opening into which the pile is lowered is created, in particular by the use of drilling technology ( DE 10 2009 023 466 A1 ). It is necessary that the bore has a larger diameter than the foundation pile. This difference is called an overcut. This is done to the Absinkwiderstand when introducing the foundation pile in the opening to reduce.
- the overcut is filled during drilling with a suspension to support the borehole wall surrounding the bore with a suspension of, for example, bentonite. After the completion of the drilling operation and the introduction of the foundation pile in the bore, it is necessary to press the pile against the ground.
- cement is introduced into the overcut, which stabilizes the pile from the ground after curing.
- the overlying suspension is pushed out by pressing in the cement. In doing so, it shall be prevented that the suspension exits the overcut into the water to avoid turbidity or contamination of the water.
- the object of the invention is to provide a foundation pile, with which it is possible to avoid that the overlying suspension does not escape into the water.
- the foundation pile is to be optimized for the use of drilling technology within the pile.
- this object is achieved in that a foundation pile is provided with a section located in the ground, in which the outer diameter of the in-ground portion of the foundation pile from below (bottom of the pile bottom) increases upward to the water bottom, and the outer diameter is designed as a function of the bending moment curve acting on the pile.
- the advantage here is that additional sealing measures, such as the assumption of Auflägichtungen on the river bottom, are avoided.
- the inner diameter is constant or conically tapering towards the bottom of the water. This is advantageous in terms of the drilling technique which is lowered into the foundation pile, since the prevailing projections of the inside diameter are avoided depending on the wall thickness resulting from the bending moment curve, which results in a simpler use of the drilling technique.
- the outer diameter is greater than 3 m.
- a single foundation can be provided, for example, for a tower of a wind turbine by a pile.
- the diameter can be adjusted so that the pipe sections of the tower of the wind turbine can be placed directly on the pipe sections of the foundation pile.
- the pile consists of pipe sections, preferably made of concrete or steel.
- the maximum outer diameter depending on the bending moment curve of the foundation pile already 3 m to 8 m, preferably 5 m, below the water bottom is achieved.
- the annular gap on the seabed is closed by the widening of the outer diameter and the adjacent soil is already compacted. This gives the pile an immediate stabilization and the vertical alignment is maintained even with the already existing horizontal load attack by currents.
- the overcut is sealed in this way, so that nothing can escape into the open water during pressing and hardening with cement from the overcut.
- a further teaching of the invention provides that a tube shot is arranged in the region of the water bottom, which closes an overcut formed during drilling of the opening / bore into which the pile is lowered, the tube shot preferably having a conically increasing outside diameter.
- the object of the invention is achieved by a tower with a foundation of a previously described foundation pile, wherein the tower is made of pipe sections, which have an outer diameter depending on the bending moment pattern acting on the respective tube shot.
- the object according to the invention is achieved by a method for producing a foundation for a structure in water, in particular offshore, in which a pile is lowered into the ground into an opening, wherein the opening in the ground is produced by means of drilling technology, when drilling an overcut is generated so that the opening is larger than the pile and the overcut is filled with a suspension, wherein the pile is introduced with an increasing outer diameter in the opening and the outer diameter increases towards the water bottom.
- a pile is lowered into the ground into an opening, wherein the opening in the ground is produced by means of drilling technology, when drilling an overcut is generated so that the opening is larger than the pile and the overcut is filled with a suspension, wherein the pile is introduced with an increasing outer diameter in the opening and the outer diameter increases towards the water bottom.
- Another teaching of the invention provides that the outer diameter increases until the diameter of the overcut is reached.
- drilling takes place in full section or partial section, wherein this is preferably carried out unmanned.
- Fig. 1 shows a schematic foundation pile 10, which is introduced in a waterbed 11.
- the foundation pile 10 consists of a section 12 located in the ground, a section 14 located in the water 13, and an airborne section 15.
- a bending moment curve 16 is shown, which consists of the loads from the flow 17 and the wind 18 the pile 10 results.
- Fig. 2 shows a foundation pile 10 according to the prior art. This has a constant outer diameter 19 and a variable inner diameter 20.
- the bore 21 has an overcut 22 which is arranged between outer wall 23 of the foundation pile 10 and borehole wall 24. In the region of the outlet region 25 in the region of the body of the water 26, as in Fig. 2 shown, the overcut 22 open to the waters 13.
- the foundation pile 10 is constructed of pipe sections 27.
- the outer diameter 19 of the pipe sections 27 is constant.
- the wall thickness 28 is adapted to the bending moment curve 16. This results in a changing inner diameter 20.
- Fig. 3 shows a first embodiment according to the invention of a foundation pile 10.
- the foundation pile 10 is also constructed of pipe sections 27 having a constant inner diameter 20.
- the wall thickness 28 is also adapted to the bending moment curve 16, but in such a way that the outer diameter 19 is carried out differently. The changes in the outer diameter 19 can be done in steps or continuously.
- the foundation pile is inserted into the bore 21.
- Between outer wall 23 and borehole wall 24 is also an overcut 22 which is filled with suspension.
- the outer diameter 19 of the tube section 27 is designed so that the outer diameter 19 is greater than the overcut 22.
- Fig. 4 shows a second embodiment according to the invention of a foundation pile 10. This differs from the first embodiment in that in the transition region 29 of the overcut 22 is wider, for example, by the soil condition of the water bottom 11, so that the overcut 22 there is greater than the expected after bending moment curve outside diameter 19 of the pipe section 27 located there. For this reason, the outer diameter of the pipe section is additionally increased in this area, so that a trespassing sealing section 31 is present. This sealing portion 31 causes the closure of the overcut 22 in the transition region.
- the sealing portion 31 can be effected either by an increase in the wall thickness 28 of this tube section 27 or by providing an additional sealing component that is placed on the outer wall 23 of the tube section 27.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Gründungspfahl zum Herstellen einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser, bevorzugt Offshore, und ein Verfahren zum Herstellen einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser, insbesondere Offshore.
-
DE 10 2008 008 760 A1 ) offenbart eine Offshore-Windenergieanlage als ein Bauwerk im Wasser. Die Offshore-Windenergieanlage umfasst ein Schwerkraftfundament als Gründung, das im Meeresboden angeordnet ist. Auf dem Schwerkraftfundament ist der Turm der Windkraftanlage errichtet, der sich vom Schwerkraftfundament im Wasser bis zur Meeresoberfläche und dann entsprechend bis zur maximalen Höhe des Turms bis zur Gondel erstreckt. Der Turm ist dabei konisch ausgeführt. Der größte Durchmesser des Turms ist an dessen Fuß im Wasser auf dem Schwerkraftfundamet vorhanden. - Bei der Herstellung von Gründungen für Bauwerke im Wasser werden neben Schwerkraftfundamenten unter anderem Gründungspfähle in den Boden eingebracht. Bei Gründungspfählen mit großen Durchmessern wird die Öffnung, in die der Pfahl abgesenkt wird, insbesondere durch den Einsatz von Bohrtechnik erstellt (
DE 10 2009 023 466 A1 ). Hierbei ist es notwendig, dass die Bohrung einen größeren Durchmesser als der Gründungspfahl aufweist. Diese Differenz wird als Überschnitt bezeichnet. Dieses erfolgt, um den Absinkwiderstand beim Einbringen des Gründungspfahls in die Öffnung zu reduzieren. Der Überschnitt ist während des Bohrens mit einer Suspension zur Stützung der die Bohrung umgebenden Bohrlochwand mit einer Suspension beispielsweise aus Bentonit gefüllt. Nach der Beendigung des Bohrvorgangs und des Einbringens des Gründungspfahls in die Bohrung ist es notwendig, den Pfahl gegenüber dem Boden zu verpressen. Hierbei wird beispielsweise Zement in den Überschnitt eingebracht, der den Pfahl gegenüber dem Boden nach dem Aushärten stabilisiert. Die im Überschnitt befindliche Suspension wird durch das Hineinpressen des Zements herausgedrückt. Hierbei ist zu verhindern, dass Suspension aus dem Überschnitt in das Gewässer austritt, um Trübungen oder Verunreinigungen der Gewässer zu vermeiden. - Weiterhin ist es bei der Auslegung von Gründungspfählen notwendig, die auf den Gründungspfahl wirkende Belastung aus dem Eigengewicht des oberhalb des Gründungspfahls angeordneten Bauwerks zu berücksichtigen. Gleichzeitig wirken horizontale Lasten sowohl auf den Pfahl als auch auf das Bauwerk, die sich aus Wind und Wasserströmungen sowie Wellen ergeben. Hieraus ergibt sich eine auf den Gründungspfahl wirkende Momentenbelastung. Diese Momentenbelastung findet Berücksichtigung in der Auslegung der Wandstärke des Pfahls. Die größte Wanddicke wird dabei an der Stelle des größten Biegemomentenbelastung vorgesehen. Im Stand der Technik wird dieses dergestalt berücksichtigt, dass Pfähle hergestellt werden, die einen konstanten Außendurchmesser und variable Innendurchmesser aufweisen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gründungspfahl bereitzustellen, mit dem es möglich wird, zu vermeiden, dass die im Überschnitt befindliche Suspension nicht in das Gewässer austritt. Gleichzeitig soll der Gründungspfahl auf den Einsatz von Bohrtechnik innerhalb des Pfahls optimiert werden.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Gründungspfahl bereitgestellt wird mit einem im Boden befindlichen Abschnitt, bei dem der Außendurchmesser des im Boden befindlichen Abschnitts des Gründungspfahls von unten (im Boden befindliche Unterseite des Pfahls) nach oben zum Gewässergrund hin zunimmt, und der Außendurchmesser in Abhängigkeit des auf den Pfahl wirkenden Biegemomentenverlaufs ausgelegt ist.
- Vorteilhaft dabei ist, dass zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen, beispielsweise wie das Vornehmen von Auflagedichtungen auf dem Gewässergrund, vermieden werden.
- Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Innendurchmesser konstant oder zum Gewässergrund hin konisch zulaufend ist. Dieses ist in Bezug auf die Bohrtechnik, die in den Gründungspfahl abgesenkt wird, vorteilhaft, da die vorherrschenden Vorsprünge des Innendurchmessers in Abhängigkeit der Wandstärke, die aus dem Biegemomentenverlauf resultiert vermieden werden, was einen einfacheren Einsatz der Bohrtechnik bewirkt.
- Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Außendurchmesser größer als 3 m ist. Durch das Vorsehen derartiger Durchmesser, die besonders bevorzugt im Bereich 4 m bis 8 m liegen, kann eine einzelne Gründung beispielsweise für einen Turm einer Windkraftanlage durch einen Pfahl bereitgestellt werden. Der Durchmesser kann dabei so angepasst werden, dass die Rohrschüsse des Turms der Windkraftanlage direkt auf die Rohrschüsse des Gründungspfahls aufgesetzt werden können.
- Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Pfahl aus Rohrschüssen besteht, bevorzugt aus Beton oder Stahl.
- Weiterhin ist vorteilhaft, dass der maximale Außendurchmesser in Abhängigkeit des Biegemomentenverlaufs des Gründungspfahls bereits 3 m bis 8 m, bevorzugt 5 m, unterhalb des Gewässerbodens erreicht wird. Dadurch wird beim Absenken des Pfahls nach und nach der Ringspalt am Meeresboden durch die Aufweitung des Außendurchmessers geschlossen und der angrenzende Boden bereits dabei verdichtet. Dadurch erhält der Pfahl eine sofortige Stabilisierung und die vertikale Ausrichtung bleibt auch bei dem bereits bestehenden horizontalen Lastangriff durch Strömungen erhalten. Gleichzeitig wird der Überschnitt auf diese Weise abgedichtet, sodass beim Verpressen und Aushärten mit Zement aus dem Überschnitt nichts in das offene Gewässer entweichen kann.
- Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein Rohrschuss im Bereich des Gewässerbodens angeordnet ist, der einem beim Bohren der Öffnung/Bohrung, in die der Pfahl abgesenkt wird, entstandenen Überschnitt verschließt, wobei der Rohrschuss bevorzugt einen konisch zunehmenden Außendurchmesser aufweist.
- Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Turm mit einer Gründung aus einem zuvor beschriebenen Gründungspfahl gelöst, wobei der Turm aus Rohrschüssen hergestellt ist, die einen Außendurchmesser aufweisen in Abhängigkeit des auf den jeweiligen Rohrschuss wirkenden Biegemomentenverlaufs.
- Hinsichtlich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser, insbesondere Offshore, gelöst, bei dem ein Pfahl in den Boden in eine Öffnung abgesenkt wird, wobei die Öffnung im Boden mit Hilfe von Bohrtechnik hergestellt wird, beim Bohren ein Überschnitt erzeugt wird, sodass die Öffnung größer als der Pfahl ist und der Überschnitt mit einer Suspension gefüllt wird, wobei der Pfahl mit einem zunehmenden Außendurchmesser in die Öffnung eingebracht wird und der Außendurchmesser zum Gewässergrund hin zunimmt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Überschnitt im oberen Bereich abgedichtet wird, sodass beim Verpressen und mit Zement und beim Aushärten des Zements keine Suspension im Überschnitt in das offene Gewässer entweichen kann.
- Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Außendurchmesser zunimmt, bis der Durchmesser des Überschnitts erreicht wird.
- Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Bohren im Vollschnitt oder Teilschnitt erfolgt, wobei dieses bevorzugt mannlos durchgeführt wird. Durch das Bohren als solches wird es möglich, auf einfache Weise derartig große Gründungspfähle direkt einzubringen.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
- Fig. 1
- einen schematisch dargestellten auf einen Gründungspfahl wirkenden Biegemomentenverlauf,
- Fig. 2
- einen Gründungspfahl gemäß Stand der Technik,
- Fig. 3
- eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gründungspfahls, und
- Fig. 4
- eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gründungspfahls.
-
Fig. 1 zeigt einen schematischen Gründungspfahl 10, der in einem Gewässerboden 11 eingebracht wird. Der Gründungspfahl 10 besteht aus einem im Boden befindlichen Abschnitt 12, einem im Gewässer 13 befindlichen Abschnitt 14, und einem in der Luft befindlichen Abschnitt 15. Parallel dazu wird ein Biegemomentenverlauf 16 dargestellt, der aus den Belastungen aus der Strömung 17 und dem Wind 18 auf dem Pfahl 10 resultiert. -
Fig. 2 zeigt einen Gründungspfahl 10 gemäß Stand der Technik. Dieser weist einen konstanten Außendurchmesser 19 und einen variablen Innendurchmesser 20 auf. Die Bohrung 21. weist einen Überschnitt 22 auf, der zwischen Außenwand 23 des Gründungspfahls 10 und Bohrlochwand 24 angeordnet ist. Im Bereich des Austrittsbereichs 25 im Bereich des Gewässergrunds 26 ist, wie inFig. 2 dargestellt, der Überschnitt 22 offen gegenüber dem Gewässer 13. Der Gründungspfahl 10 ist aus Rohrschüssen 27 aufgebaut. Der Außendurchmesser 19 der Rohrschüsse 27 ist dabei konstant. Die Wandstärke 28 ist dem Biegemomentenverlauf 16 angepasst. Daraus resultiert ein sich ändernder Innendurchmesser 20. -
Fig. 3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Gründungspfahls 10. Der Gründungspfahl 10 ist ebenfalls aus Rohrschüssen 27 aufgebaut, die einen konstanten Innendurchmesser 20 aufweisen. Die Wandstärke 28 ist ebenfalls dem Biegemomentenverlauf 16 angepasst, allerdings dergestalt, dass der Außendurchmesser 19 unterschiedlich ausgeführt wird. Die Änderungen des Außendurchmessers 19 können dabei in Stufen oder kontinuierlich erfolgen. Der Gründungspfahl wird in die Bohrung 21 eingebracht. Zwischen Außenwand 23 und Bohrlochwand 24 befindet sich ebenfalls ein Überschnitt 22, der mit Suspension gefüllt ist. Im Übergangsbereich 29 ist der Außendurchmesser 19 des Rohrschusses 27 so ausgelegt, dass der Außendurchmesser 19 größer als der Überschnitt 22 ist. Beim Absenken des Pfahls 10 an dieser Stelle wird der Überschnitt 22 abgedichtet und die Suspension in den Innenraum 30 des Gründungspfahls 10 hinein verdrängt. Gleichzeitig wird der Gewässerboden 11 in diesen Bereich komprimiert und der Gründungspfahls 10 vertikal stabilisiert. -
Fig. 4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Gründungspfahls 10. Dieser unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass im Übergangsbereich 29 der Überschnitt 22 breiter ist, beispielsweise durch die Bodenbeschaffenheit des Gewässerbodens 11, sodass der Überschnitt 22 dort größer ist als der nach Biegemomentenverlauf zu erwartende Außendurchmesser 19 des dort befindlichen Rohrschusses 27. Aus diesem Grund wird der Außendurchmesser des Rohrschusses in diesem Bereich zusätzlich vergrößert, sodass ein übertretender Dichtabschnitt 31 vorhanden ist. Dieser Dichtabschnitt 31 bewirkt dabei den Verschluss des Überschnitts 22 im Übergangsbereich. - Der Dichtabschnitt 31 kann dabei entweder durch eine Vergrößerung der Wandstärke 28 dieses Rohrschusses 27 bewirkt werden oder durch Vorsehen eines zusätzlichen Dichtungsbauteils, dass auf die Außenwand 23 des Rohrschusses 27 aufgesetzt wird.
-
- 10
- Gründungspfahl
- 11
- Gewässerboden
- 12
- Abschnitt im Boden
- 13
- Gewässer
- 14
- Abschnitt im Gewässer
- 15
- Abschnitt in der Luft
- 16
- Biegemomentenverlauf
- 17
- Strömung
- 18
- Wind
- 19
- Außendurchmesser
- 20
- Innendurchmesser
- 21
- Bohrung/Öffnung
- 22
- Überschnitt
- 23
- Außenwand
- 24
- Bohrlochwand
- 25
- Austrittsbereich
- 26
- Gewässergrund
- 27
- Rohrschuss
- 28
- Wandstärke
- 29
- Übergangsbereich
- 30
- Innenraum
- 31
- Dichtabschnitt
Claims (10)
- Gründungspfahl zur Herstellung einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser, insbesondere Offshore, mit einem im Boden (11) befindlichen Abschnitt (12), bei dem der Außendurchmesser (19) des im Boden befindlichen Abschnitts des Gründungspfahls von unten, also der im Boden befindliche Unterseite des Pfahls, nach oben zum Gewässergrund (26) hin zunimmt und der Außendurchmesser (19) in Abhängigkeit des auf den Pfahl (10) wirkenden Biegemomentenverlaufs (16) ausgelegt ist.
- Gründungspfahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (20) konstant oder zum Gewässergrund (26) hin konisch zulaufend ist.
- Gründungspfahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (19) größer als 3 m ist.
- Gründungspfahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfahl (10) aus Rohrschüssen (27) besteht, bevorzugt aus Beton oder Stahl.
- Gründungspfahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser (19) in Abhängigkeit des Biegemomentenverlaufs (16) 3 m bis 8 m, bevorzugt 4 m bis 6 m, unterhalb des Gewässerbodens (26) erreicht ist.
- Gründungspfahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrschuss (27) im Bereich des Gewässerbodens (26) angeordnet ist, der einen beim Herstellen der Öffnung (21), in die der Pfahl (10) abgesenkt wird, entstandenen Überschnitt (22) verschließt, wobei der Rohrschuss (27) bevorzugt einen konisch zunehmenden Außendurchmesser (19) aufweist.
- Turm für eine Windkraftanlage mit einer Gründung aus wenigstens einem Gründungspfahl, wobei der Turm aus Rohrschüssen (27) hergestellt ist, die einen Außendurchmesser (19) in Abhängigkeit des auf den jeweiligen Rohrschuss (27) wirkenden Biegemoments ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gründungspfahl eine Gründungspfahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
- Verfahren zur Herstellung einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser, bevorzugt Offshore, bei dem ein Pfahl (10) in dem Boden (11) in eine Öffnung (21) abgesenkt wird, wobei die Öffnung (21) im Boden (11) mit Hilfe von Bohrtechnik hergestellt wird, beim Bohren ein Überschnitt (22) erzeugt wird, sodass die Öffnung (21) größer als der Pfahl (10) ist, und der Überschnitt (22) mit einer Suspension gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfahl (10) mit einem zunehmenden Außendurchmesser (19) in die Öffnung (21) eingebracht wird, wobei der Außendurchmesser (19) zum Gewässergrund (26) hin zunimmt.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (19) zunimmt bis der Durchmesser des Überschnitts (22) erreicht wird.
- Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohren im Vollschnitt oder Teilschnitt, bevorzugt mannlos erfolgt.
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