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Gründung von Windenergieanlagen in wenig tragfähigen Böden

Naturgemäß ist die Dimensionierung einer Windenergieanlage (WEA) eine Herausforderung an den Ingenieur. Ein hohes schlankes Bauwerk, bei dem große Momente und dynamische Belastungen auftreten, macht eine dynamische Untersuchung unumgänglich. Hier wird oftmals auf die Theorie des Einmassenschwingers zurückgegriffen. Weiterhin führen unterschiedliche Betriebszustände zu vielen Lastfällen, die zu untersuchen sind. Einige wichtige sind: Eigengewicht, Betriebslasten, Dynamische Lasten, Erdbebenlast, Wellenlast, Eisstoß.

In der Praxis haben sich zwei grundlegende Systeme zur Ableitung dieser Kräfte in den Untergrund durchgesetzt: Flachgründungen, wobei hier aufgrund der geforderten Bodenparameter oftmals eine Baugrundverbesserung erforderlich wird, oder massive Tiefgründungen z. B. mit Caissonen. Sie sind nicht Thema dieses Aufsatzes.

Gründungsmaßnahmen

Hinsichtlich der Gründung können verschiedene Arten der Baugrundverbesserung und andere Tiefgründungsvarianten im Bereich von WEA zur Ausführung kommen.

Rütteldruckverfahren (RDV)

Das Rütteldruckverfahren wird in grobkörnigen Böden, wie z. B. locker gelagerten Sanden und Kiesen, angewendet. Dabei werden die Bodenkörner mit Tiefenrüttlern in eine dichtere Lagerung gebracht. Die Rütteldruckverdichtung bewirkt durch die Bodeneigenverdichtung eine Volumenverminderung von ca. 5 bis 15 %.

Rüttelstopfverfahren (RSV)

Wie vorstehend beschrieben, nur unter Verwendung von nichtbindigem Zugabematerial (Kies) bei nichtverdichtungsfähigem Baugrund z. B. bindige Böden. Betrachtet man die Problematik der CO2-Emission, gewinnt dieser Aspekt auch im Hinblick von Bauverfahren eine besondere Bedeutung. Hier sind gerade die Rütteldruck- und Rüttelstopfverfahren mit ihren naturbelassenen Bestandteilen (Schotter oder Kies) den hochenergetischen Materialien (Zement oder Bewehrungsstahl) durch ihren emissions- und CO2-ärmeren Herstellungsprozess überlegen. Zudem werden die Einbaustoffe regional eingekauft, was ebenso zu einer umwelt- und ressourcenschonenderen Gesamtbilanz der Produkte beiträgt.

Gründung auf Fertigmörtelstopfsäulen (FSS)

Ausführung wie vorstehend beschrieben, nur unter Zugabe von Mörtel/Beton anstelle von Kies bei z. B. weichen bindigen oder organischen Böden oder bei großen Lasten und geringen einzuhaltenden Setzungen/Differenzen. Im deutschsprachigen Raum werden zur Gründung von WEA überwiegend die vorstehend beschriebenen drei Verfahren der Stopfverdichtung eingesetzt.

Hybridgründung mittels Fertigmörtelstopfsäulen (FSS) und darüber liegender Kalk-Zement-Stabilisierung

Wie vorstehend beschrieben, zusätzlich zur Tragfunktion der Säulen als unbewehrtes Strukturelement hat die darüber liegende Kalk-Zement-Stabilisierung neben einer lastverteilenden Funktion auch den Vorteil der Versiegelung, um bei wasserempfindlichen Böden (Löß) den oberflächlichen Wasserzutritt zu verhindern.

Mikropfähle

Anwendbar in allen Böden mit cu > 15 kN/m². Hier im Beispiel als Sanierungsmaßnahme von ca. 30 Turbinen in Kombination mit der Verbreitung der Fundamente in Trent Mesa, Texas ausgeführt. Zusätzlich zu den genannten Maßnahmen mussten Türme, die sich besonders stark geneigt hatten, aufgerichtet werden. Dies wurde über horizontal in die Fundamente eingebohrte Zugglieder erreicht.

Verdichtungsinjektionen

Bei der Errichtung eines Windparks Longuyon/Frankreich wurden im Zuge der Baugrunderkundung Karsthohlräume im Bereich einer Turbine aufgeschlossen. Die Hohlräume im Kalkstein waren z. T. 14 m tief und mussten vor Baubeginn verfüllt werden, um eine ausreichende Tragfähigkeit des Bodens sicherzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Verdichtungsinjektionen eingesetzt.

Hybridsäulen (CMM®-Säulen)

Bei diesem Verfahren werden kurze Betonsäulen unter einer 2–3 m dicken verdichteten Kies-Polsterschicht eingebaut. Dieses und auch die an erster und zweiter Stelle genannten Verfahren bringen vor allem bei dynamischer Lasteinwirkung und in erdbebengefährdeten Gebieten Vorteile mit sich.

Dimensionierung

Zur Bemessung existieren zu jeder WEA Typenstatiken, die auch Anforderungen an den Baugrund enthalten. Die Grundlage aller Arbeiten stellen dabei umfangreiche, standortbezogene Baugrunduntersuchungen (Bohrungen, Rammsondierungen, Drucksondierungen und Laboruntersuchungen) dar. Wird die geforderte Baugrundgüte in der Natur nicht angetroffen, kommen u. a. Methoden zur Baugrundertüchtigung zur Anwendung. Eine Baugrundverbesserung erfolgt dann bis zum Erreichen der folgenden, üblicherweise geforderten Parameter:

  • statischer Es,stat und dynamischer Steifemodul Es,dyn
  • statische k,stat und dynamische Drehfederkonstante k,dyn

Die dynamischen Parameter werden im Allgemeinen aus statischen Parametern abgeleitet. So kann der dynamische Steifemodul aus dem statischen mithilfe eines Nomogramms über das Verhältnis Es zu Es,dyn abgeschätzt werden. Mit dem erhaltenen dynamischen Steifemodul lässt sich wiederum die Drehfederkonstante ermitteln. Dieser bodenmechanische Ansatz wird derzeit in der Forschung diskutiert bzw. steht zur Disposition. Bild 3 zeigt die Modellierung des Systems mit einem 3D-FEM-Programm bei einem Bauvorhaben in Frankreich. Der in Vallière et Beauséjour angetroffene Boden war bis in eine Tiefe von 9,0 m als nicht ausreichend tragfähig anzusehen. Die vorgeschlagene Lösung hat es erlaubt, das Fundament mit den ursprünglich geplanten Abmessungen herzustellen.

Zusammenfassung

Windenergie als nachhaltige Energieform wird in den kommenden Jahren immer wichtiger werden. Besonders die Kombination der verschiedenen geotechnischen Verfahren verspricht eine wirtschaftliche und nachhaltige Lösung.


Dipl.-Ing. K. Maihold, Keller Grundbau GmbH, Berlin
Dipl.-Ing. P. Freitag, Keller Grundbau Ges.mbH, Wien

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  • Erstellt am
    30.04.2012
  • Geändert am
    18.01.2017