EP2851471B1 - Bauwerksstruktur insbesondere Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks und Verfahren zur Gründung eines Offshore-Bauwerks - Google Patents

Bauwerksstruktur insbesondere Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks und Verfahren zur Gründung eines Offshore-Bauwerks Download PDF

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EP2851471B1
EP2851471B1 EP14185475.2A EP14185475A EP2851471B1 EP 2851471 B1 EP2851471 B1 EP 2851471B1 EP 14185475 A EP14185475 A EP 14185475A EP 2851471 B1 EP2851471 B1 EP 2851471B1
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EP
European Patent Office
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concrete
building structure
structure according
equivalent
pile
Prior art date
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Active
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EP14185475.2A
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EP2851471A2 (de
EP2851471A3 (de
Inventor
Daniel Bartminn
Jesus David Quintana Saavedra
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Innogy SE
Original Assignee
RWE Innogy GmbH
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Publication date
Application filed by RWE Innogy GmbH filed Critical RWE Innogy GmbH
Publication of EP2851471A2 publication Critical patent/EP2851471A2/de
Publication of EP2851471A3 publication Critical patent/EP2851471A3/de
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Publication of EP2851471B1 publication Critical patent/EP2851471B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B17/00—Artificial islands mounted on piles or like supports, e.g. platforms on raisable legs or offshore constructions; Construction methods therefor
    • E02B17/0008—Methods for grouting offshore structures; apparatus therefor
    • 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
    • E02D27/52—Submerged foundations, i.e. submerged in open water

Definitions

  • the invention relates to a building structure, in particular an underwater structure of an offshore structure, comprising at least two interconnected or at least partially enclosing structural elements of steel, which at least partially enclose at least a volume filled with a hardenable potting compound.
  • the invention further relates to a method for establishing an offshore structure, comprising an underwater structure having at least one support leg and / or at least one pile guide on the underwater structure, the method comprising creating at least one foundation pile in the seabed and connecting the underwater structure to the foundation pile and the Graying the support leg in the foundation pile or vergrouten an annulus between the pile guide and the foundation pile comprises.
  • An underwater structure of an offshore structure and a method of the type mentioned are, for example, from WO 2011/010937 A1 and the EP 0 204 041 A1 known.
  • Offshore foundations are often designed as pile foundations, with one or more foundation piles usually being rammed or flushed into the seabed.
  • the piles are often formed as hollow piles made of steel, which are spent over a given length in the seabed.
  • an underwater structure or anchoring structure of the offshore structure for example in the form of a jacket foundation, placed.
  • the jacket foundation will later accommodate a transition piece and a structure built on the transition piece.
  • the support legs of the structure may for example be provided with so-called piles sleeves, which are interspersed in the installation position of the foundation piles. Alternatively, the support legs can be immersed in the foundation piles.
  • offshore structures are exposed to cyclic loads by waves and wind, so that tensile and compressive stresses are entered into the potting compound over the life of the structure.
  • the concrete undergoes some shrinkage, which may reduce the surface contact of the concrete with the steel, so that tensile stresses in the concrete lead to cracking and reduced material strength of the concrete.
  • the invention is therefore based on the object to provide a building structure and a method of the type mentioned, in which the fatigue strength of the molded compounds is improved, especially when exposed to dynamic cyclic loads.
  • the object is first achieved by a building structure according to Ansprunch 1.
  • this volume increase takes place over a long period of time and to such an extent that it is ensured that the strength limits of the building structure are not exceeded.
  • a building structure in the sense of the present invention does not necessarily have to be an underwater structure. Even potted compounds that are not underwater are subject to structural changes, for example in the form of drying shrinkage. Even with such building structures, it is useful and appropriate to fill the enclosed volumes with a hydraulically setting mass that undergoes an increase in volume after curing.
  • the building structure according to the invention comprises both partially enclosing structural components with, for example, annular space volumes as well as those components which are connected, for example, the impact side with bolted flange connections to each other.
  • a concrete is provided as potting compound, which comprises an alkali silicate-reactive aggregate.
  • an alkali-silica reaction is generated in the concrete between the alkalis of the cement in the concrete and the concrete aggregates with alkali-soluble silica. This reaction causes a drifting or an increase in the volume of the concrete, which makes use of the structure according to the invention in order to generate a prestress between the enclosing components of the building structure.
  • the concrete has an alkali content of between 1 kg / m 3 and 5 kg / m 3 of Na 2 O equivalent.
  • the concrete has an alkali content> 1 kg / m 3 , more preferably> 3 kg / m 3 . A value of 5 kg / m 3 should not be exceeded.
  • Na 2 O equivalent Alkaline contents of cement and concrete are usually given as so-called Na 2 O equivalent.
  • the Na 2 O equivalent results from the sum of the Na 2 O content and the K 2 O content occupied by a factor.
  • Concrete usually consists of the cement, if necessary, a concrete additive, which is considered volumetrically, and a surcharge and a water supply.
  • the cement is hydraulically reactive and, with the addition of water, causes the hydraulic setting of the mixture.
  • the cement has a Na 2 O equivalent of> 0.6 M .-%.
  • alkali-sensitive additives for example aggregates, lead in combination with cements with a Na 2 O equivalent of> 0.6 M .-% to the desired volume increase of the concrete.
  • the aggregate is preferably selected from a group comprising siltstone, limestone, quartzite, greywacke, granite, diorite, gabbro, rhyolitic tuff, chlorite schist or basalt.
  • the aggregate may comprise greater than 1% by weight of pure crystalline or amorphous silicate minerals, preferably selected from a group comprising opal, cristobalite, obsidian or other volcanic or synthetic glass.
  • volcanic glass means an amorphous vulcalite with a high silicate content.
  • the volume increase when using moderately alkali-reactive supplements, may be in the range of 0.06% or slightly more than 0.06%.
  • the volume increase may be on the order of 0.12%.
  • the volume increase after one year may be more than 0.24%.
  • the addition of water to the pourable concrete is preferably chosen so that the relative internal moisture of the concrete is about 80% after two years.
  • the proportion of the concrete additive should be ⁇ 30% by mass.
  • the M .-% - proportion of the concrete additive should be ⁇ 35%.
  • the proportion of the concrete admixture should be ⁇ 60% by mass, when using silicate dust ⁇ 12% by mass, when using slag ⁇ 65%. % and when using metakaolin ⁇ 20% by mass.
  • the proportion of CaO in the fly ash should ideally be above 15% by mass.
  • building structure in a preferred variant of the building structure according to the invention are provided as structural elements at least one foundation pile in the seabed and at least one support leg or at least one pile guide to a foundation structure of the offshore structure and the potting compound fills an annular space between the support leg or the pile guide on the one hand and the pile on the other.
  • the object underlying the invention is further achieved by a method for establishing an offshore structure comprising an underwater structure with at least one support leg or at least one pile guide on the underwater structure, the method comprising creating at least one foundation pile in the seabed and connecting the underwater structure the foundation pile and the Vergrouten of the support leg in the foundation pile or the Vergrouten an annulus between the pile guide and the foundation pile comprises, and wherein as a potting compound, a hydraulically setting mass is used, which undergoes an increase in volume after setting.
  • FIGS. 1 and 2 show part of an underwater anchoring structure of an offshore structure.
  • the anchoring structure comprises a support leg 1, which is inserted into a foundation pile 2 anchored in the seabed.
  • the anchoring structure is designed for example as a so-called jacket foundation with a plurality of support legs 1, which receives a transition piece (transition piece) and a building erected thereon, for example in the form of a tower with a wind power generator.
  • the support leg 1 is part of the steel construction of the jacket foundation and dives over a predetermined embedding length in the foundation pile 2 a.
  • the foundation pile 2 for example, designed as a steel tube, this was rammed or flushed into the seabed.
  • the support leg 1 may be discontinued, for example, on a filling within the foundation pile 2. Alternatively, this can be supported for example on a so-called bracket on the foundation pile 2.
  • the annular space 3 formed between the foundation pile 2 and the support leg 1 passing through it is routed in a known manner, that is to say filled with a hardenable potting compound 4.
  • the arrangement of the support leg 1 in the foundation pile 2 is representative of at least two mutually partially enclosing or partially penetrating components made of steel, which form an outer enclosure and an inner enclosure.
  • the foundation pile 2 defines the outer enclosure
  • the support leg 1 however, the inner enclosure, the annular space formed between them 3 forms the volume to be filled.
  • potting compound 4 a determination of the inner enclosure is effected with respect to the outer enclosure, the potting compound 4 transmits forces in the cured state between the support leg 1 and the foundation pile.
  • the potting compound 4 within the annulus may additionally be interspersed with reinforcing elements.
  • 2 shear plugs 5 are provided on the inside of the foundation pile, which are embedded in the potting compound 4.
  • the shear plugs 5 can also be provided on the support leg 1.
  • Scherdübeln 5 also recesses / openings in the support leg 1 and / or on the foundation pile 2 may be provided, in which the potting compound 4 flows into and thus produces a positive connection.
  • a concrete is provided as potting compound, which was prepared with an alkali-silicate reactive addition and the cement has a Na 2 O equivalent of more than 0.6 M .-%.
  • a aggregate with a maximum grain size of 8 mm or a maximum grain size of 16 mm was selected as the aggregate for the concrete.
  • the rock types include, for example, granite, diorite, grave, basalt, quartzite, greywacke or dense limestones, so that the alkali content of the concrete, So the finished mixture of cement and aggregate has an alkali content of more than 1 kg / m 3 Na 2 O equivalent.
  • the alkali content of the concrete is more than 3 kg / m 3 Na 2 O equivalent.
  • Such an alkali content is achieved, for example, if silicate-containing limestones are used as aggregate.
  • the alkali content of the concrete may be more than 4 kg / m 3 Na 2 O equivalent.
  • FIG. 3 and 4 are the frontier lines for aggregates of a maximum particle size of 8 mm ( FIG. 3 ) and a maximum particle size of 16 mm ( FIG. 4 ), using aggregates with the A8 or B8 grading curves when using an aggregate with a maximum grain size of 8 mm, aggregates with the grading curves A16 or B16 are used for a maximum aggregate grain size of 16 mm.
  • the grading curves are determined using mesh sieves and square-hole sieves in accordance with DIN ISO 3310-1 and DIN ISO 3310-2, with square hole sieves being used above a particle size of 2.5 mm.
  • such aggregates are preferred, which have a greater modulus of elasticity and a lower water absorption capacity.
  • These are preferably granites, diorite grabbo, basalt, quartzite, and higher density limestone.
  • the preferred concrete mixture in the presence of water favors an alkali-silica reaction which leads to the sedimentation of the concrete after its hardening, that is after completion of the hydraulic setting process.
  • composition of the concrete is chosen so that the volume increase after one year is at least 0.06%.
  • the volume increase is preferably determined on a concrete block according to the test standard according to ASTM C1293.
  • the volume increase for moderately reactive concrete mixes is about 0.06%, for high reactive concrete mixes the volume increase may be about 0.12%, for extremely reactive concrete mixes the volume increase may be about 0.24% or more.
  • Alkali-silica reactivity of the mixture is understood to mean the alkali-silica reactivity of the mixture.
  • Alkali-silicic acid reaction is the chemical reaction between the alkalis in the cement and the concrete aggregates with alkali-soluble silicic acid. This alkali-silica reaction is also referred to as an alkali-aggregate reaction.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bauwerksstruktur, insbesondere eine Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks, umfassend wenigstens zwei aneinander angeschlossene oder einander wenigstens teilweise umschließende Bauelemente aus Stahl, die wenigstens ein mit einer aushärtbaren Vergussmaße gefülltes Volumen zumindest teilweise umschließen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Gründung eines Offshore-Bauwerks, umfassend eine Unterwasserstruktur mit wenigstens einem Stützbein und/oder wenigstens einer Pfahlführung an der Unterwasserstruktur, wobei das Verfahren das Erstellen wenigstens eines Gründungspfahls im Meeresuntergrund und das Verbinden der Unterwasserstruktur mit dem Gründungspfahl sowie das Vergrauten des Stützbeins in dem Gründungspfahl oder das Vergrouten eines Ringraums zwischen der Pfahlführung und dem Gründungspfahl umfasst.
  • Eine Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der WO 2011/010937 A1 und der EP 0 204 041 A1 bekannt.
  • Offshore-Gründungen werden häufig als Pfahlgründungen ausgeführt, wobei in den Meeresgrund üblicherweise ein oder mehrere Gründungspfähle gerammt oder eingespült werden. Die Pfähle sind häufig als Hohlpfähle aus Stahl ausgebildet, die über eine vorgegebene Länge in den Meeresuntergrund verbracht werden. Auf diese Pfähle wird eine Unterwasserstruktur beziehungsweise Verankerungsstruktur des Offshore-Bauwerks, beispielsweise in Form eines Jacket-Fundaments, aufgesetzt. Das Jacket-Fundament nimmt später ein Übergangsstück (transition piece) und ein auf dem Übergangsstück errichtetes Bauwerk auf. Die Stützbeine der Struktur können beispielsweise mit sogenannten piles sleeves versehen sein, die in der Einbaulage von den Gründungspfählen durchsetzt sind. Alternativ können die Stützbeine in die Gründungspfähle eintauchen. In beiden Fällen ist es üblich, die Bauelemente im Bereich ihrer gegenseitigen Durchdringung zu vergrouten, das heißt mit einer hydraulisch aushärtbaren Vergussmasse zu verbinden. Als Vergussmassen (grout) finden hochviskose Betone Anwendung, die nach deren Aushärten Kräfte zwischen den einander umschließenden Teilen der Bauelemente übertragen.
  • Insbesondere Offshore-Bauwerke sind durch Wellen und Windeinwirkung dynamisch zyklischen Lasten ausgesetzt, so dass über die Lebensdauer des Bauwerks Zug- und Druckspannungen in die Vergussmasse eingetragen werden. Mit der Zeit unterliegt der Beton einer gewissen Schwindung, wodurch der Oberflächenkontakt des Betons mit dem Stahl unter Umständen vermindert wird, so dass Zugspannungen im Beton zu einer Rissbildung und zu einer verminderten Materialfestigkeit des Betons führen.
  • Es sind Bemühungen bekannt, die Duktilität des Betons durch eine Füllung mit Kunststofffasern zu verbessern. Darüber hinaus ist es auch bekannt, die Zugfestigkeit des Materials durch entsprechende Armierung oder durch Stahlfüllungen zu verbessern.
  • Es hat sich dennoch herausgestellt, dass die Dauerfestigkeit solcher vergossener Verbindungen insbesondere unter dynamischen Lasten nicht zufriedenstellend ist.
  • Ähnliche Probleme treten bei Flanschverbindungen auf, bei denen die miteinander verflanschten Bauelemente, beispielsweise in Form von Rohrschüssen aus Stahlrohr mit einer Vergussmasse verfüllt sind. Bei solchen mit vorgespannten Bolzen gesicherten Verbindungen kann einer entsprechende Beeinträchtigung der Betonfüllung dazu führen, dass die Zugspannung im Bereich der Bolzenverbindungen verloren geht, so dass sich die Verbindungen lösen können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bauwerksstruktur sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die Dauerfestigkeit der vergossenen Verbindungen insbesondere bei Einwirkung dynamisch zyklischer Lasten verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird zunächst durch eine Bauwerksstruktur gemäß Ansprunch 1 gelöst.
  • Dadurch wird erfindungsgemäß einerseits einer sonst üblichen Schwindung der Vergussmasse entgegengewirkt und andererseits wird über die gesamte Lebensdauer der Bauwerksstruktur eine Vorspannung im Bereich der vergossenen Verbindung erzielt, die einer vorzeitigen Relaxation entgegenwirkt.
  • Dies ist besonders dann zweckmäßig und vorteilhaft, wenn das Volumen zweier einander durchdringender Bauwerksstrukturen mit einer solchen hydraulisch abbindenden Masse vergossen ist, die nach dem Abbinden eine Volumenzunahme erfährt.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt diese Volumenzunahme über längere Zeit und in einem Maße derart, dass sichergestellt ist, dass die Festigkeitsgrenzen der Bauwerksstruktur nicht überschritten werden.
  • Eine Bauwerksstruktur im Sinne der vorliegenden Erfindung muss nicht notwendigerweise eine Unterwasserstruktur sein. Auch vergossene Verbindungen, die sich nicht Unterwasser befinden, unterliegen strukturellen Veränderungen, beispielsweise in Form von Trocknungsschwindungen. Auch bei solchen Bauwerksstrukturen ist es sinnvoll und zweckmäßig, die umschlossenen Volumina mit einer hydraulisch abbindenden Masse zu verfüllen, die nach deren Aushärtung eine Volumenzunahme erfährt.
  • Die Bauwerksstruktur gemäß der Erfindung umfasst sowohl einander teilweise umschließende strukturelle Bauelemente mit beispielsweise ringraumförmigen Volumina als auch solche Bauelemente, die beispielsweise stoßseitig mit verbolzten Flanschverbindungen aneinander angeschlossen sind.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Vergussmasse ein Beton vorgesehen ist, der einen Alkali-Silikat reaktiven Zuschlag umfasst. Hierdurch wird im Beton eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion zwischen den Alkalien des Zements im Beton und den Betonzuschlägen mit alkalilöslicher Kieselsäure erzeugt. Diese Reaktion verursacht ein Treiben beziehungsweise eine Volumenzunahme des Betons, welches sich die erfindungsgemäße Struktur zu Nutze macht, um eine Vorspannung zwischen den einander umschließenden Bauelementen der Bauwerksstruktur zu erzeugen.
  • Eine solche Reaktion ist bei nicht umschlossenen beziehungsweise eingespannten Betonteilen normalerweise nicht erwünscht und führt normalerweise zur Zerstörung des betreffenden Bauwerks. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass ein Auftreiben der Vergussmasse infolge einer Alkali-Reaktion bei zumindest überwiegend von Bauwerksstrukturen eingeschlossenen Vergussmassen im Wesentlichen unschädlich ist.
  • Bei einer vorteilhaften Variante der Bauwerksstruktur gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Beton einen Alkaligehalt zwischen 1 kg/m3 und 5kg/m3 Na2O-Äqivalent aufweist. Erfindungsgemäß besitzt der Beton einen Alkaligehalt > 1 kg/m3, weiterhin vorzugsweise > 3 kg/m3. Ein Wert von 5 kg/m3 sollte nicht überschritten werden.
  • Alkaligehalte von Zement und Beton werden üblicherweise als sogenanntes Na2O-Äquivalent angegeben. Das Na2O-Äquivalent ergibt sich aus der Summe des Na2O-Anteils und des mit einem Faktor belegten K2O-Anteils.
  • Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass Betone mit einem Alkaligehalt von über 1 kg/m3 Na2O-Äqivalent bereits nach deren Aushärtung eine Volumenzunahme erfahren, die ausreicht, um über längere Zeiträume eine Vorspannung der vergossenen Verbindung zu erreichen. Der Alkaligehalt des Betons ergibt sich naturgemäß aus dem Alkaligehalt des Zements und dem Zuschlagsstoff, unter der Annahme, dass kein alkalihaltiger Betonzusatzstoff dem Zement beigefügt ist.
  • Beton besteht üblicherweise aus dem Zement, gegebenenfalls einem Betonzusatzstoff, der volumetrisch Berücksichtigung findet, und einem Zuschlag sowie einer Wasserbeigabe. Der Zement ist hydraulisch reaktiv und bewirkt mit der Wasserbeigabe das hydraulische Abbinden der Mischung.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante der Bauwerkstruktur gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zement ein Na2O-Äquivalent von > 0,6 M.-% besitzt.
  • Insbesondere alkaliempfindliche Zuschläge, beispielsweise Gesteinskörnungen, führen in Verbindung mit Zementen mit einem Na2O-Äquivalent von > 0,6 M.-% zu der gewünschten Volumenzunahme des Betons.
  • Der Zuschlag ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Schluffstein, Kalkstein, Quarzit, Grauwacke, Granit, Diorit, Gabbro, rhyolitischer Tuff, Chloritschiefer oder Basalt.
  • Der Zuschlag kann mehr als 1 M.-% reine Kristalline oder amorphe Silikatmineralien umfassen, die vorzugsweise ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassen Opal, Cristobalit, Obsidian oder anderes vulkanisches oder künstliches Glas.
  • Unter vulkanischem Glas im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein amorphes Vulkalit mit hohem Silikatanteil zu verstehen.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Volumenzunahme der Betonzusammensetzung nach einem Jahr unter Testbedingungen nach ASTM C1293 zwischen 0,06 und 0,24 % beträgt.
  • Bei Verwendung moderat alkalireaktiver Zuschläge kann beispielsweise die Volumenzunahme im Bereich von 0,06 % oder geringfügig mehr als 0,06 % betragen.
  • Bei Verwendung hoch alkalireaktiver Zuschläge und gegebenenfalls hoch alkalihaltiger Zemente kann die Volumenzunahme in der Größenordnung von 0,12 % betragen. Bei Verwendung extrem reaktiver Zuschläge und/oder Zemente mit extrem hohem Alkalianteil kann die Volumenzunahme nach einem Jahr mehr als 0,24 % betragen.
  • Die Wasserzugabe des gießfertigen Betons wird vorzugsweise so gewählt, dass die relative innere Feuchtigkeit des Betons nach zwei Jahren etwa 80 % beträgt.
  • Bei einer besonders zweckmäßigen und vorteilhaften Variante der Bauwerksstruktur gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Zement ohne Betonzusatzstoffe Anwendung findet.
  • Bei Verwendung von Flugasche als Betonzusatzstoff mit einem Anteil von weniger als 8 M-% CaO sollte der Anteil des Betonzusatzstoffes < 30 M.-% betragen. Bei Verwendung von Flugasche mit einem CaO-Anteil von 8 bis 20 M.-% sollte der M.-%-Anteil des Betonzusatzstoffes < 35 % betragen.
  • Bei Verwendung von Flugasche mit einem Anteil von 8 bis 20 M.-% CaO als Betonzusatzstoff sollte der Anteil des Betonzusatzstoffes < 60 M.-% betragen, bei Verwendung von Silikatstaub < 12 M.-%, bei Verwendung von Schlacke < 65 M.-% und bei Verwendung von Metakaolin < 20 M.-%. Bei der Verwendung von Flugasche als Betonzusatzwerkstoff sollte der Anteil von CaO in der Flugasche idealer Weise über 15 M.-% betragen.
  • Bei einer bevorzugten Variante der Bauwerksstruktur gemäß der Erfindung sind als Strukturbauelemente wenigstens ein Gründungspfahl im Meeresuntergrund und wenigstens ein Stützbein oder wenigstens eine Pfahlführung an einer Gründungsstruktur des Offshore-Bauwerks vorgesehen und die Vergussmasse füllt einen Ringraum zwischen dem Stützbein oder der Pfahlführung einerseits und dem Pfahl andererseits aus.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Gründung eines Offshore-Bauwerks, umfassend eine Unterwasserstruktur mit wenigstens einem Stützbein oder wenigstens einer Pfahlführung an der Unterwasserstruktur, wobei das Verfahren das Erstellen wenigstens eines Gründungspfahls im Meeresuntergrund und das Verbinden der Unterwasserstruktur mit dem Gründungspfahl sowie das Vergrouten des Stützbeins in dem Gründungspfahl oder das Vergrouten eines Ringraums zwischen der Pfahlführung und dem Gründungspfahl umfasst, und wobei als Vergussmasse eine hydraulisch abbindende Masse verwendet wird, die eine Volumenzunahme nach dem Abbinden erfährt.
  • Als Vergussmasse findet zweckmäßigerweise ein Beton der vorstehend beschriebenen Art Anwendung.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    einen Längsschnitt durch eine Bauwerksstruktur gemäß der Erfindung und
    Figur 2:
    einen Querschnitt entlang der Linien II-II in Figur 1,
    Figur 3:
    einen Graphen für die Grenzsieblinien für Gesteinskörnungen als Zuschlag mit einem Größtkorn von 8 mm und
    Figur 4:
    einen Graphen für die Grenzsieblinien für Gesteinskörnungen als Zuschlag mit einem Größtkorn von 16 mm.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Teil einer unter Wasser befindlichen Verankerungsstruktur eines Offshore-Bauwerks. Die Verankerungsstruktur umfasst ein Stützbein 1, welches in einen im Meeresuntergrund verankerten Gründungspfahl 2 eingesetzt ist. Die Verankerungsstruktur ist beispielsweise als sogenanntes Jacket-Fundament mit mehreren Stützbeinen 1 ausgeführt, welche ein Übergangsstück (transition piece) und ein darauf errichtetes Bauwerk, beispielsweise in Form eines Turmes mit einem Windkraftgenerator aufnimmt.
  • Das Stützbein 1 ist Teil der Stahlkonstruktion des Jacket-Fundaments und taucht über eine vorgegebene Einbettungslänge in den Gründungspfahl 2 ein. Der Gründungspfahl 2 ist beispielsweise als Stahlrohr ausgeführt, dieser wurde in den Meeresuntergrund eingerammt oder eingespült. Das Stützbein 1 kann beispielsweise auf einer Füllung innerhalb des Gründungspfahls 2 abgesetzt sein. Alternativ kann sich dieses beispielsweise über ein sogenanntes Bracket auf dem Gründungspfahl 2 abstützen.
  • Der zwischen dem Gründungspfahl 2 und dem diesen durchsetzenden Stützbein 1 gebildete Ringraum 3 ist in bekannter Art und Weise vergroutet, das heißt mit einer aushärtbaren Vergussmasse 4 gefüllt.
  • Obwohl im Folgenden die Erfindung unter Bezugnahme auf die Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks mit wenigstens einem Stützbein erläutert wird, ist die Erfindung grundsätzlich so zu verstehen, dass die Anordnung des Stützbeins 1 in dem Gründungspfahl 2 repräsentativ für wenigstens zwei einander teilweise umschließende oder teilweise durchsetzende Bauelemente aus Stahl sein soll, die eine äußere Umschließung und eine innere Umschließung bilden. In diesem Falle definiert der Gründungspfahl 2 die äußere Umschließung, das Stützbein 1 hingegen die innere Umschließung, der zwischen diesen gebildete Ringraum 3 bildet das zu verfüllende Volumen. Über die in dem Ringraum 3 eingeführte Vergussmasse 4 wird eine Festlegung der inneren Umschließung bezüglich der äußeren Umschließung bewirkt, wobei die Vergussmasse 4 im ausgehärteten Zustand Kräfte zwischen dem Stützbein 1 und dem Gründungspfahl überträgt.
  • Die Vergussmasse 4 innerhalb des Ringraums kann zusätzlich mit Armierungselementen durchsetzt sein. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind auf der Innenseite des Gründungspfahls 2 Scherdübel 5 vorgesehen, die in die Vergussmasse 4 eingebettet sind. Alternativ können die Scherdübel 5 auch an dem Stützbein 1 vorgesehen sein. Anstelle von Scherdübeln 5 können auch Ausnehmungen/Öffnungen im Stützbein 1 und/oder am Gründungspfahl 2 vorgesehen sein, in die die Vergussmasse 4 hineinfließt und so einen Formschluss erzeugt. Im vorliegenden Fall ist als Vergussmasse ein Beton vorgesehen, der mit einem Alkali-Silikat reaktiven Zuschlag hergestellt wurde und dessen Zement ein Na2O-Äquivalent von mehr als 0,6 M.-% aufweist. Als Zuschlag für den Beton wurde beispielsweise eine Gesteinskörnung mit einem Größtkorn von 8 mm oder einem Größtkorn von 16 mm gewählt, die als Gesteinsarten beispielsweise Granit, Diorit, Grabbo, Basalt, Quarzit, Grauwacke oder dichte Kalksteine umfasst, so dass der Alkaligehalt des Betons, also der fertigen Mischung aus Zement und Zuschlag einen Alkaligehalt von mehr als 1 kg/m3 Na2O-Äquivalent aufweist. Idealerweise beträgt der Alkaligehalt des Betons mehr als 3 kg/m3 Na2O-Äquivalent. Ein solcher Alkaligehalt wird beispielsweise erreicht, wenn silikathaltige Kalksteine als Zuschlag verwendet werden.
  • Wenn Schluffstein oder Siltstein als Zuschlag Anwendung findet, kann der Alkaligehalt des Betons mehr als 4 kg/m3 Na2O-Äquivalent betragen.
  • In den Figuren 3 und 4 sind die Grenzsieblinien für Gesteinskörnungen mit einem Größtkorn von 8 mm (Figur 3) und einem Größtkorn von 16 mm (Figur 4) dargestellt, wobei bei der Verwendung einer Gesteinskörnung mit einem Größtkorn von 8 mm Zuschläge mit den Sieblinien A8 oder B8 verwendet werden, bei einem Größtkorn von 16 mm werden Zuschläge mit den Sieblinien A16 oder B16 verwendet.
  • Die Sieblinien werden mit Maschensieben und Quadratlochsieben gemäß DIN ISO 3310-1 und DIN ISO 3310-2 ermittelt, wobei oberhalb einer Korngröße von 2,5 mm Quadratlochsiebe Anwendung finden.
  • Bei den Zuschlägen werden solche Gesteinskörnungen bevorzugt, die ein größeres E-Modul und eine geringere Wasseraufnahmefähigkeit aufweisen. Dies sind bevorzugt Granite, Diorite Grabbo, Basalt, Quarzit sowie Kalkstein mit einer höheren Dichte.
    Die bevorzugte Betonmischung begünstigt bei Anwesenheit von Wasser eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion, die zum Auftreiben des Betons nach dessen Erhärtung, das heißt nach Vollendung des hydraulischen Abbindeprozesses, führt.
  • Die Zusammensetzung des Betons wird so gewählt, dass die Volumenzunahme nach einem Jahr wenigstens 0,06 % beträgt. Die Volumenzunahme wird vorzugsweise an einem Betonblock gemäß Teststandard nach ASTM C1293 ermittelt.
  • Die Volumenzunahme bei moderat reaktiven Betonmischungen beträgt etwa 0,06 %, bei hoch reaktiven Betonmischungen kann die Volumenzunahme etwa 0,12 % betragen, bei Verwendung extrem reaktiver Betonmischungen kann die Volumenzunahme etwa 0,24 % oder mehr betragen.
  • Unter reaktiv im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Alkali-Kieselsäure-Reaktivität der Mischung zu verstehen. Als Alkali-Kieselsäure-Reaktion bezeichnet man die chemische Reaktion zwischen den Alkalien im Zement und den Betonzuschlägen mit alkalilöslicher Kieselsäure. Diese Alkali-Kieselsäure-Reaktion wird auch als Alkali-Aggregat-Reaktion bezeichnet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stützbein
    2
    Gründungspfahl
    3
    Ringraum
    4
    Vergussmasse
    5
    Scherdübel

Claims (9)

  1. Bauwerksstruktur, insbesondere Unterwasserstruktur eines Offshore-Bauwerks, umfassend wenigstens zwei aneinander angeschlossene oder einander wenigstens teilweise umschließende Bauelemente aus Stahl, die wenigstens ein mit einer aushärtbaren Vergussmasse (4) gefülltes Volumen zumindest teilweise umschließen, wobei als Vergussmasse (4) eine hydraulisch abbindende Masse vorgesehen ist, die eine Volumenzunahme nach dem Abbinden erfährt,
    wobei als Vergussmasse ein Beton vorgesehen ist, der einen Alkali-Silikat reaktiven Zuschlag umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Beton einen Alkaligehalt von ≥ 1 kg/m3 Na2O-Äquivalent aufweist.
  2. Bauwerksstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton einen Alkaligehalt zwischen 1 kg/m3 und 5 kg/m3 Na2O-Äquivalent, vorzugsweise ≥ 2 kg/m3, vorzugsweise ≥ 3 kg/m3 und vorzugsweise ≥ 4 kglm3aufweist.
  3. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement ein Na2O-Äquivalent von > 0,6 M.-%, vorzugsweise ein Na2O-Äquivalent von > 0,7 M.-%, vorzugsweise ein Na2O-Äquivalent von > 1,1 M,-%, weiterhin vorzugsweise ein Na2O-Äquivalent von ≥ 2 M.-% aufweist.
  4. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Schluffstein, Kalkstein, Quarzit, Grauwacke, Granit, Diorit, Grabbo, rhyolitischer Tuff, Chloritschiefer, Basalt.
  5. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag mehr als 1 M.-% reine kristalline oder amorphe Silikatmineralien, vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Opal, Cristobalit, Obsidian oder anderes vulkanisches oder künstliches Glas enthält.
  6. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenzunahme der Betonzusammensetzung nach einem Jahr unter Testbedingungen nach ASTM C1293 zwischen 0,06 uns 0,24 M.-% beträgt.
  7. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zement ohne Betonzusatzstoffe Anwendung findet.
  8. Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelemente wenigstens ein Gründungspfahl (2) im Meeresuntergrund und wenigstens ein Stützbein (1) oder wenigstens eine Pfahlführung an einer Gründungsstruktur eines Offshore-Bauwerks vorgesehen sind und dass die Vergussmasse (4) einen Ringraum (3) zwischen dem Stützbein (1) oder der Pfahlführung einerseits und dem Gründungspfahl (2) andererseits ausfüllt.
  9. Verfahren zur Gründung eines Offshore-Bauwerks, umfassend eine Bauwerksstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bauwerksstruktur eine Unterwasserstruktur mit wenigstens einem Stützbein (1) oder wenigstens einer Pfahlführung an der Unterwasserstruktur ist, wobei das Verfahren das Erstellen wenigstens eines Gründungspfahls (2) im Meeresuntergrund und das Verbinden der Unterwasserstruktur mit dem Gründungspfahl (2) sowie das Vergrouten des Stützbeins (1) in dem Gründungspfahl oder das Vergrouten eines Ringraums (3) zwischen der Pfahlführung und dem Gründungspfahl (2) umfasst, und wobei als Vergussmasse (4) eine hydraullsch abbindende Masse verwendet wird, die eine Volumenzunahme nach dem Abbinden erfährt.
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