Dimensionierung von Monopiles

Offshore-WEA mit Monopile-Gründung
Offshore-WEA mit Monopile-Gründung

Die Bemessung von Monopiles erfordert spezielle Berechnungstools, um die wesentlichen Effekte infolge der dynamischen Beanspruchung durch Wind und Wellen sowie die nichtlinearen Bodeneigenschaften (z.B. Kolkbildung) berücksichtigen zu können. 

In Ergänzung zu dem bekannten Verfahren des API mit p-y-Curves werden für größere Monopile-Durchmesser oftmals Vergleichsrechnungen mit FE-Methoden durchgeführt, um die nichtlinearen Effekte bei der zyklischen Pfahl-Boden-Interaktion zu erfassen. Dafür wird der Monopile in erster Näherung als Balkenmodell mit kontinuierlicher elastischer Bettung generiert. Der wirklichkeitsnahen Erfassung der Baugrundeigenschaften kommt deshalb eine große Bedeutung zu. Eine Idealisierung mit 6-Freiheitsgrad-Einzelfeder darf wegen der stark besetzten Nebendiagonalen der Steifigkeitsmatrix nicht erfolgen.

Die erforderliche Länge des Monopiles kann mit Hilfe des „No-tip-displacement“-Kriteriums ermittelt werden. Mit diesem Kriterium werden die horizontalen Verschiebungen des Monopiles unter verschiedenen Einwirkungskombinationen bewertet. Grenzverschiebungen entscheiden über die erforderliche Einbindetiefe des Pfahles. Im Idealfall soll sich die Pfahlspitze nicht horizontal verschieben, wofür jedoch große Einbindetiefen notwendig sind, die oftmals nicht wirtschaftlich wären.

Die Monopile-Gründung wird bei der Strukturberechnung stark von den Baugrundverhältnissen beeinflusst. Die veränderten Bodensteifigkeiten und die damit bedingten Eigenfrequenzverschiebungen haben Einfluss auf

  • die Böenreaktionsfaktoren und damit die Windlasten im Grenzzustand der Tragfähigkeit
  • die für den Grenzzustand der Ermüdung maßgebende Wellenperiode und ‑häufigkeit
  • die benötigte Pfahllänge zur Erfüllung des „No-tip-displacement“-Kriteriums (keine Fußverschiebungen des Pfahlkopfes).

In der folgenden Abbildung sind beispielhaft die ermittelten Horizontalverschiebungen für Einbindetiefen 25, 30 und 35 m dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Einbindetiefe von 25 m zu gering ist, weil die Horizontalverschiebung am Fußpunkt relativ groß im Vergleich zu der am Meeresboden ist. Da außerdem die Verschiebungskurve keine horizontale Tangente für den Fußpunkt aufweist, kann in diesem Fall nicht von einer Einspannung ausgegangen werden. Im Gegensatz dazu liegt bei einer Einbindetiefe von 30 m annähernd eine horizontale Tangente am Fußpunkt vor. Die Variante mit 35 m Einbindetiefe weist eine horizontale Tangente bei ca. 26 m auf und die Horizontalverschiebungen am Fuß des Monopiles gehen auf Null zurück. Jedoch werden die Verschiebungen am Meeresboden nicht deutlich reduziert gegenüber der Variante mit 30 m Einbindetiefe, sodass für eine weitergehende Bemessung die 30 m Einbindetiefe zu empfehlen wäre.

Modellierung von Monopiles

Modellierung eines Monopiles mit Stabelementen und elastischer Bettung
Modellierung eines Monopiles mit Stabelementen und elastischer Bettung

Parameterstudie für die Einbindetiefe eines Monopiles

Horizontalverschiebungen eines Monopiles im Meeresboden
Horizontalverschiebungen eines Monopiles im Meeresboden