Bemessung von Grouted Joints

Grouted Joint einer OWEA [Bildquelle: Gasch, Twele 2005]
Grouted Joint einer OWEA [Bildquelle: Gasch, Twele 2005]
Abmessungen der Prüfkörper mit und ohne Schubrippen
Abmessungen der Prüfkörper mit und ohne Schubrippen

In der Offshore Öl- und Gasindustrie gehören Grouted Joints zum Stand der Technik, wobei ein Übergangsstück (Transition-Piece) zum Einsatz kommt, welches mit einer gewissen Überlapplänge über den Monopile eingehoben wird. Es liegt somit eine Rohr-in-Rohr-Verbindung vor, bei der der Hohlraum zwischen den beiden Rohren mit einem Grout verfüllt wird. Allerdings wird bei Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) im Gegensatz zu den Öl-Plattformen die Tragstruktur weniger durch Normalkraft, sondern vielmehr durch Biegung beansprucht. Deshalb finden am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover zurzeit Großmodellversuche an Grouted Joints für eine reine Biegebeanspruchung statt.

In Ergänzung dazu wurden bereits Axialdruckversuche an kleinmaßstäblichen Grouted Joints durchgeführt, wobei der Fokus auf der Trag- und Ermüdungsfestigkeit bei Verwendung unterschiedlicher Füllmaterialien lag. Bei dem Versuchsprogramm wurde außerdem die Hälfte der Prüfkörper mit Schubrippen ausgestattet, um dessen Einfluss auf die Traglast analysieren zu können. Die Geometrie der Prüfkörper ist in der Abb. rechts zu erkennen. Nähere Details zu dieser Versuchsserie sind in der Publikation Bautechnik Heft 11/2009 beschrieben.

Im Rahmen der Dissertation von Dipl.-Ing. C. Keindorf wurde auf Basis der Versuchsergebnisse ein Bemessungsvorschlag zur Ermittlung der Traglast eines Grouted Joints erarbeitet. Der Vergleich in der folgenden Tabelle zeigt eine gute Überstimmung zwischen den Messergebnissen und dem Bemessungsvorschlag.

Vergleich zwischen Messergebnissen und Bemessungsvorschlag

Prüfkörper Druckfestigkeit [MPa] Traglast [kN] Traglast [kN]
Typ Vergussmörtel Versuch 1 und Versuch 2 Bemessungsvorschlag
E-MS-T-2 87 252 und 262 287
E-MS-T-3 42 182 und 192 178
E-MS-T-5 141 437 und 459 432

Tragverhalten mit Schubrippen

Die hohe Traglasten der Prüfkörper mit Schubrippen (Bezeichnung MS) ist hauptsächlich auf die Ausbildung von Druckstreben im Vergussmörtel zwischen den überlappenden Stahlrohren zurückzuführen. Dieses Tragverhalten unterscheidet sich damit grundsätzlich von den Prüfkörpern ohne Schubrippen (Bezeichnung OS). Bei einigen Grouted Joints konnte durch die Anordnung von Schubrippen die Traglast und auch die Ermüdungsfestigkeit um den Faktor 10 gesteigert werden.

In Ergänzung zu den experimentellen und theoretischen Untersuchungen fanden im Rahmen der Dissertation von C. Keindorf numerische Simulationen statt. Anhand des Strukturplots ist zu erkennen, wie sich die Druckstreben zwischen den Schubrippen ausbilden. Der Vergleich mit dem Bruchbild des Prüfkörpers zeigt eine gute Übereinstimmung in Bezug auf die Wirkungsweise von laststeigernden Schubrippen.  

FE-Modell für Grouted Joints mit Schubrippen
FE-Modell für Grouted Joints mit Schubrippen
Wirkungsweise von Druckstreben im Versuch (links) und im Modell (rechts)
Wirkungsweise von Druckstreben im Versuch (links) und im Modell (rechts)