grow experimentelle und numerische untersuchung zum tragverhalten von grout-strukturen für offshore...
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GROWExperimentelle und numerische Untersuchung zum Tragverhalten von
GRout-Strukturen für Offshore Windenergieanlagen
2. ProjekttreffenHamburg, 12.06.2007
2. Projekttreffen “GROW”2
Übersicht über die ArbeitspaketeArbeitspaket Inhalt Bearbeitung
AP 1 Recherche zu Lastdaten für Bemessung, Analyse ausgeführter Beispiele
GL Wind
Aufzeigen von Optimierungspotenzial Institut f. Stahlbau
AP 2 Konkretisierung der zu untersuchenden Anwendungen für Grout-Strukturen, Entwurf und Bemessung von Konstruktionsvarianten
alle Projektpartner
AP 3 Fertigung und Lieferung von Prüfkörpern SIAG / Oevermann
Materialuntersuchungen Institut f. Stahlbau
AP 4 Konzeption, Durchführung und Auswertung von Versuchen alle Projektpartner
AP 5 Numerische Analysen parallel zu den experimentellen Untersuchungen
Institut f. Stahlbau GL Wind
AP 6 Entwicklung von Bemessungsgrundlagen Institut f. Stahlbau
Festlegen von konstruktiven Anforderungen GL Wind
AP 7 Konkretisierung des Sicherheitskonzeptes für Grout-Strukturen sowie Entwurf und Ergänzung von Richtlinien
GL Wind
AP 8 Abschlussbericht und Veröffentlichung Institut f. Stahlbau
2. Projekttreffen “GROW”3
Netzplan
Versuche
Konstruktionsvarianten
Recherche, Bedarfsanalyse, Optimerungspotenzial
Bemessungsgrundlagen, konstruktive Anforderungen
Abschlussbericht und Veröffentlichung
Sicherheitskonzept und Richtlinienentwurf
Numerische Simulationen
Materialuntersuchungen
AP 4
M1: Auswahl der zu untersuchenden Varianten
M2: Abgleich der Messungen mit den Berechnungen
M3: Verwertung der Ergebnisse in Bemessungsrichtlinien
AP 2
AP 1
AP 6
AP 7
AP 8
AP 5
AP 3
Verifiaktion
Auslegung
2006
200
720
08
200
9
12.06.07
2. Projekttreffen “GROW”4
AP1 Optimierungspotenzial
Optimierung von bereits realisierten Konstruktionsvarianten:
Groutmaterial
Spaltgröße
Übergreifungslänge
Shear Keys
Montage
Prestressed Grout
2. Projekttreffen “GROW”5
AP1 Optimierungspotenzial Groutmaterial
aktuell: Grout der Firma Densit A/S, DK- sehr hohe Druckfestigkeit- schnelle Aushärtung- aber: vergleichsweise hohe Kosten
Einsatz alternativer Groutmaterialien mit:- hoher Druckfestigkeit- schneller Aushärtung- niedrigen Materialkosten
Potenzial: groß (+) Preisniveau für Groutmaterial senken!
2. Projekttreffen “GROW”6
AP1 Optimierungspotenzial Prestressed Grout
- Materialen mit Quelleigenschaften besitzen nur geringe Druckfestigkeit- Grad der Vorspannung nicht exakt bestimmbar- temperaturabhängig
Potenzial: mittel (o) Kein Optimierungspotenzial!
Spaltgrößeabhängig von: - Schiefstellung
- Mörtelrezeptur und Größtkorn - Anforderungen aus der Normung
Potenzial: gering (-)
2. Projekttreffen “GROW”7
AP1 Optimierungspotenzial Übergreifungslänge
Empfehlung aus den Standards:L/D 1,50
Konservative Bemessungsergebnisse!
- Übergreifungslänge reduzieren- Grenzwertbetrachtungen im Großversuch- Sicherheitsniveau einstufen- Einfluss des L/D - Verhältnisses
Potenzial: groß (+) Stahl- und Groutmasse sowie Montageaufwand reduzieren
2. Projekttreffen “GROW”8
AP1 Optimierungspotenzial
Shear Keys - positiv für die Gesamtsteifigkeit- Einbau auch bei geringer Normalkraft sinnvoll
Potenzial: mittel (o) abhängig von anderen Parametern Shear Keys bei allen Großversuchen!
Montageaufwand - Randbedingungen auf der Baustelle (Zeitfaktor)- abhängig vom Material
Potenzial: mittel (o) Optimierungspotenzial baubetriebswirtschaftlicher Art!
2. Projekttreffen “GROW”9
AP1 Optimierungspotenzial
Konstruktionsdetail Optimierungspotenzial
Groutmaterial +
Prestressed Grout o
Spaltgröße -
Übergreifungslänge +
Montageaufwand o
Shear Keys o
Maßgebende Parameter: 1. Groutmaterial
2. Übergreifungslänge
2. Projekttreffen “GROW”10
AP2 Realisierte Konstruktionsvarianten
Tripod Jacket Monopile
Einsatzmöglichkeiten für Grout-Strukturen:
zwischen Turm und Monopile
zwischen Rohrprofilen bei Jackets
zwischen Pile und Sleeve
Materialkombinationen bei Grout-Strukturen:
Stahl - Grout - Stahl
Stahl - Grout - Beton
2. Projekttreffen “GROW”11
AP2 Neue Konstruktionsvarianten
Neue Einsatzmöglichkeiten für Grout-Strukturen:
zwischen Betonfundament und Stahladapter
zwischen Turmsektionen
zwischen Stahladapter und Messplattformen
Favorisierte Materialkombinationen bei Grout-Strukturen:
Stahl - Grout - Stahl
Stahl - Grout - Beton
als Hybrid Tower
bei kombinierter Pfahl-Platten-Gründung (KPP)
2. Projekttreffen “GROW”12
AP2 Betonfundament - Stahladapter
Grout
Stahlturm
Betonfundament
Variante 1
Stahl - Grout - Beton
Grout
Betonfundament
Stahlturm
Variante 2
2. Projekttreffen “GROW”13
AP2 Stahladapter - Plattform
Messplattform
Stahladapter
Stahl - Grout - BetonVerbindung als Stahl - Grout - Stahl oder
[Quelle: Züblin AG]
Messplattform Arkona-Becken Südost
2. Projekttreffen “GROW”14
AP2 Hybrid-Tower
Steel-Tower Hybrid-Tower
Vorteile
Nachteile
• Erhöhung der Schalenstabilität• Aufteilung der Blechdicke auf zwei Schalen • Blechdicken- und Massenersparnis durch Verwendung höherfester Stähle• Schweißvolumen, Wärmebehandlung und Bauteilverzug reduzieren• Hybridvarianten und neue Verbindungstechniken denkbar
Ziel: Reduktion der Massen bei gleichzeitiger Steigerung der Tragfähigkeit
Idee: Doppelwandige Kreiszylinderschalen mit einer flächig aussteifenden Kernschicht aus geeigneten Füllmaterialien
2. Projekttreffen “GROW”15
AP2 Hybrid Tower
S-T SES-T SGS-T SCS-T
SteelTower
Steel-Elastomer-SteelTower
Steel-Grout-SteelTower
Steel-Concrete-SteelTower
2. Projekttreffen “GROW”16
AP2 Hybrid Tower Massenvergleich
448
215 215 215
2663 40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
ST235-t50 SET460-t12-20-12 SGT460-t12-20-12 SCT460-t12-20-12
Turmvariante
Ge
sa
mtm
as
se
Tu
rmk
on
str
uk
tio
n [
t] Kernschichtmaterial
Stahl
Reduzierung der Stahlmasse bis zu 50 % bei Verwendung höherfester Stähle (Grenzzustand der Tragfähigkeit)
S-T SES-T SGS-T SCS-T
2. Projekttreffen “GROW”17
AP2 Hybrid Tower
SchweißaufwandS 235 J2 S 355 J2 S 460 ML
215 345 460
50 31,2 23,4
0 -37,6 -53,2
7,22 2,80 1,58
0 -61,2 -78,1
5,7 2,2 1,2
170 117 64
ca. 24 ca. 12 ca. 6
Stumpfstoß DV-Naht (X-Naht)
Material
Streckgrenze [Mpa]
Blechdickt t [mm]
Anzahl der Schweißlagen
Blechdickenreduzierung [%]
Dickenverhältnis
Scheißnahtfläche AW [cm²]
Schweißnahtflächenreduzierung [%]
Flächenverhältnis
1 : 0,62 : 0,47
1 : 0,39 : 0,22
Nahtgewicht [kg/m]
Vorwärmtemperatur T0 [°C]
Vorteile:
bis t = 30 mm kein Vorwärmen erforderlich
Einsparung von Elektrodenmaterial
Verkürzung der Schweißzeit
Verringerung der Wärmenachbehandlung durch geringeren Verzug
2. Projekttreffen “GROW”18
AP3/4 Versuchsparameter
Konstruktionsvariante Verbindungstyp Groutmaterial
• Sika-Grout 311• Pagel Verguss V 1/10• Densit• Elastomer• HPC
• Stahl – Grout – Stahl• Stahl – Grout – Beton
• Grouted Joint (1:50)• Grouted Joint (1:6,25)• Hybrid Tower (1:20)
• ohne Shear Keys• mit Shear Keys
• Übergreifungslänge• Spaltmaß
2. Projekttreffen “GROW”19
AP3 Materialuntersuchungen
F
Innenrohr
Außenrohr
Material ?
Pile-Sleeve beim Tripod von BHVSchwergewichtsfundament – StahladapterStahladapter – Messplattform
Monopile – Turm (Grouted Joint) Turmsektion – Turmsektion
(KPP-Gründung)
Stahl - Grout - Stahl Stahl - Grout - Beton
F
Betonkern
Außenrohr
Material ?
2. Projekttreffen “GROW”20
AP5 Numerische Simulationen
Pile
Grout
Sleeve
Shear Keys
Vordimensionierung
- Mit und ohne Shear Keys
- Werkstoffgesetze für Groutmaterialien
[Diplomarbeit Niebuhr]
[Diplomarbeit Niebuhr]
2. Projekttreffen “GROW”21
AP4 Großmodellversucheaufbauend auf Schaumann / Wilke ( )
Grouted Joint: Dp = 5,00 m mit Dp/tp = 100
Turbine: 4 MW
Maßstab: 1 : 6,25
Versuchsparameter: Densit S5 L/D = 1,30
Lü 1040 mm
Ziel: Verwendung gleicher Abmessungen und Lastspektrengarantiert die Vergleichbarkeit der Ergebnisse und ermöglicht die Nutzung vorhandenen Wissens
2. Projekttreffen “GROW”22
AP4 Großmodellversuche
Nr. Lü/Dp Lü [mm] Groutmaterial Shear Keys
1 1,0 800 Densit S5 Ja
2 1,3 1040 Pagel V1/10 Ja
3 1,0 800 Pagel V1/10 Ja
4 1,3 1040 HPC (C55/67) Ja
G rout
Lasttraverse
Aufnahm estück Aufnahm estückPrüfkörper
D ehnungsm essstre ifen außen und innen
ca. 8000 m m
ca
. 1
00
0 m
m
~ 800 mm
2. Projekttreffen “GROW”23
AP5 Numerische Simulationen
Vordimensionierung Ausführungspläne fertig!
2. Projekttreffen “GROW”24
AP4 Hybrid Tower
4050
1500
1600
1000
125
+_
statischdynamisch
: 600 kN: 480 kN+_+_
M 1:20
N
N
BeulversucheAxialdruck
ProbekörperS / SES / SGT /SCS
FE-Modell mit opt. gemess. Imperfektionen
2. Projekttreffen “GROW”25
AP5 Numerische Simulationen
Dimensionierung Ausführungspläne Fertigung & Lieferung
2. Projekttreffen “GROW”26
Soll / Ist
12.06.07
Versuche
Konstruktionsvarianten
Recherche, Bedarfsanalyse, Optim erungspotenzial
Bemessungsgrundlagen, konstruktive Anforderungen
Abschlussbericht und Veröffentlichung
Sicherheitskonzept und R ichtlinienentwurf
Num erische S imulationenAP 4
M 1: Entscheidung über die zu untersuchenden Varianten
M 2: Abgleich der M essungen m it den Berechnungen
M 3: Verwertung der Ergebnisse in Bemessungsrichtlinien
AP 2
AP 1
AP 6
AP 7
AP 8
AP 5
AP 3
Kalibrierung
Vorbemessung
Verifiaktion
Auslegung
Kalibrie
rung
200
6
M aterialuntersuchungen
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