DE102014213427B4

DE102014213427B4 - Tiefgründungspfahl für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung

Info

Publication number: DE102014213427B4
Application number: DE102014213427.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Großmann; Frank Dahlhaus
Original assignee: Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Current assignee: Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: WO2016005427A1; DE102014213427A1

Abstract

Tiefgründungspfahl (1) für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung mit einer rohrförmigen Innenschale (3) beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale (2), dadurch gekennzeichnet, dass sich im Raum zwischen der Innenschale (3) und der Außenschale (2) ein Körper (4) aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff befindet.

Description

Die Erfindung betrifft Tiefgründungspfähle für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Pfähle sind je nach Einbringung als eingepresste Pfähle, eingedrehte Pfähle, Bohrpfähle oder Rammpfähle bekannt.
Eingepresste Pfähle sind mittels hydraulischer Pressen und Futterstücken in den Boden gedrückt. Eingedrehte Pfähle erfordern einen hohen Kraftaufwand beim Eindrehen in den Boden.
Bohrpfähle sind Stahlrohre, die in den Boden gebohrt werden. Die Erde wird aus dem Innern des Rohres entfernt und Beton in den durch das Rohr ausgebildeten Hohlraum eingebracht. Eine derartige Lösung ist unter anderem durch die Druckschrift DE 196 41 422 A1 Verfahren zum Herstellen eines Betonbohrpfahles bekannt.
Rammpfähle sind einfache Rammpfähle mit einheitlichem Querschnitt, Rammpfähle mit vergrößertem Fuß oder zusammengesetzte Rammpfähle, die beispielsweise bei großen Pfahllängen während des Rammens aus vorgefertigten Teillängen auch aus unterschiedlichen Querschnitten zusammengesetzt werden. Beispielsweise sind durch die Druckschrift DE 28 23 269 A1 derartige Rammpfähle in Form von Stahlrammpfählen bekannt. In der Druckschrift DE 10 2005 003 972 A1 als Gründung einer Offshore-Windenergieanlage mit Seilabspannung wird auf eine derartige Lösung hingewiesen.
Diese für Tiefgründungen im Offshore-Bereich eingesetzten Rammpfähle besitzen nur eine geringe Materialdämpfung und tragen somit zu einer hohen Schallemission bei.
Durch die Druckschrift 10 2005 008 679 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rammpfählen mit mindestens einem doppelwandigen Rammrohr bekannt. Zwischen einer Außenwand und einer Innenwand befindet sich ein körniges oder anderes schallminderndes Material, so dass Lärmemissionen bei der Herstellung von Rammpfählen mittels Kopf- oder Innenrammung reduziert sind.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem beim Einbringen von Tiefgründungspfählen hervorgerufenen Schall weitestgehend zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Tiefgründungspfähle für Offshore-Bauwerke zeichnen sich insbesondere durch eine weitestgehende Verringerung des beim Einbringen hervorgerufenen Schalles aus.
Dazu ist eine rohrförmige Innenschale beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale ange-ordnet. Weiterhin befindet sich im Raum zwischen der Innen- und der Außenschale erfindungsgemäß ein Körper aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff.
Für den Bau von Offshore-Bauwerken beispielsweise in Form von Windenergieanlagen sind umfangreiche Gründungsbauwerke zu errichten. Bei Wassertiefen zwischen 30 m und 50 m kommen insbesondere Monopile (ein Pfahl), Tripode (drei Pfähle) oder Jackets (vier Pfähle) als Gründungsarten zur Anwendung.
Zum Schutz der Meeressäuger, die nachweislich durch zu hohen beim Rammen entstehenden Unterwasserschall geschädigt werden können, sind verbindliche Lärm-Grenzwerte beim Rammen von Offshore-Fundamente festgelegt. In Deutschland ist das beispielsweise ein Vorsorgewert von 160 dB SEL in 750 m Entfernung zur Emissionsquelle.
Mit den Tiefgründungspfählen wird vorteilhafterweise der primäre Schallschutz in den Vordergrund gestellt, wobei bereits die Entstehung der Schallemission verringert wird. Gleichzeitig wird vorteilhafterweise ein leichtbaugerechtes Pfahltragwerk für Tiefgründungen von Offshore-Bauwerken zur Verfügung gestellt.
Grundsätzlich sind Pfähle je nach Einbringung in Rammpfähle, eingepresste Pfähle, eingedrehte Pfähle oder Bohrpfähle zu unterscheiden.
Rammpfähle sind einfache Rammpfähle mit einheitlichem Querschnitt, Rammpfähle mit vergrößertem Fuß und zusammengesetzte Rammpfähle, die beispielsweise bei großen Pfahllängen während des Rammens aus vorgefertigten Teillängen auch aus unterschiedlichen Querschnitten zusammengesetzt werden. Ausschlaggebend für die Art des Pfahles sind die Verdichtungsfähigkeit des Bodens und das Verdrängungsvolumen des Pfahles. Bei axialer Belastung sind kreisförmige oder quadratische Querschnitte besonders günstig. Bei einer zusätzlichen Belastung in einer Achse, zum Beispiel bei einer Seitendruckbelastung oder bei Biegung der Schrägpfähle infolge Eigenlast, werden auch Pfähle mit einem rechteckigen oder L-förmigen Querschnitt eingesetzt.
Eingepresste Pfähle sind mittels hydraulischer Pressen und Futterstücken in den Boden gedrückt.
Eingedrehte Pfähle erfordern einen hohen Kraftaufwand beim Eindrehen in den Boden.
Bohrpfähle sind Stahlrohre, die in den Boden gebohrt werden. Die Erde wird aus dem Innern des Rohres entfernt und Beton in den durch das Rohr ausgebildeten Hohlraum eingebracht.
Für Tiefgründungen im Offshore-Bereich eingesetzte Stahlrammpfähle besitzen nur eine geringe Materialdämpfung und tragen somit zu einer hohen Schallemission bei. Die erfindungsgemäßen Tiefgründungspfähle zeichnen sich dagegen durch ihre hochtragfähigen und zugleich schallreduzierenden leichtbaugerechten Strukturkomponenten aus. Diese als Verbundwerkstoff ausgebildeten Komponenten werden in einer Form zwischen dünnwandigen Schalen angeordnet, welche als innere und äußere Mantelrohre dienen. Neben lärmmindernden Effekten wird zugleich eine hohe Schlagfestigkeit erreicht. Insbesondere die hervorragenden Dämpfungseigenschaften der Kernstruktur in Form des Körpers aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff tragen dazu bei, die Schallemission bei der Herstellung von Tiefgründungspfählen deutlich zu reduzieren. Zugleich wird die Kernstruktur im Verbund mit den inneren und äußeren Schalenstrukturen zum Lastabtrag in den tiefen Baugrund herangezogen. Mittels der Anordnung der Mantelrohre wird im Körper eine Behinderung der Querdehnung und so ein dreidimensionaler Spannungszustand erzeugt, welcher sich tragfähigkeitssteigernd auswirkt. Damit wird die Einleitung auch erhöhter Druckkräfte in die Kernstruktur ermöglicht.
Beim Rammvorgang treten vor allem hohe Längsdruckkräfte auf, an deren Lastabtrag sich die Strukturkomponenten entsprechend ihrer Steifigkeitsverteilungen beteiligen. Im späteren Betriebszustand kommt es zu einer Überlagerung von Längsdruckkräften mit erheblichen Biegemomenten aus der Einspannwirkung des Pfahltragwerks. Daraus resultieren bereichsweise hohe Zugkräfte im Querschnitt, die speziell vom Körper sowie den inneren und äußeren Mantelrohren abgetragen werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der Endenbereich der Innen- oder der Außenschale in Richtung Spitze des Tiefgründungspfahls zur Außen- oder Innenschale geführt oder sind die Endenbereiche der Innen- und der Außenschale in Richtung Spitze des Tiefgrün- - dungspfahls zusammengeführt oder weist der Tiefgründungspfahl eine ringförmige Spitze auf. Durch die damit vorhandene Spitze ist das Einbringen des Tiefgründungspfahls erleichtert. Die ringförmige Spitze kann dazu auch eine separate Spitze beispielsweise aus Stahl sein, die durch eine Vorrichtung mit der Außenschale, der Innenschale und dem Körper verbunden ist.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist der Tiefgründungspfahl ein Rohr mit einem kreis-, einem mehreck- oder einem ovalen Querschnitt. Insbesondere die hervorragenden Dämpfungseigenschaften einer kreisringförmigen Kernstruktur in Form des Körpers tragen dazu bei, die Schallemission beim Einbringen des Tiefgründungspfahles deutlich zu reduzieren. Zugleich wird der Körper als Kernstruktur im Verbund mit den inneren und äußeren Schalenstrukturen aus den Innen- und dem Außenrohr zum Lastabtrag in den tiefen Baugrund herangezogen. Mittels der Anordnung der Mantelrohre wird im Körper eine Behinderung der Querdehnung und so ein dreidimensionaler Spannungszustand erzeugt, welcher sich tragfähigkeitssteigernd auswirkt. Damit wird die Einleitung auch erhöhter Druckkräfte in die Kernstruktur ermöglicht.
Die Innen- und die Außenschale bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 günstigerweise aus einem Metall oder einem Kunststoff.
Der Körper besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 aus einem geopolymergebundenen Beton mit oder ohne Fasern.
Bindemittel können dabei aus mineralischen industriellen Reststoffen bestehen, welche durch einen alkalischen Aktivator angeregt und als alkalisch aktivierte Bindersysteme oder auch als Geopolymerbinder bezeichnet werden. Derartige Betone sind schallmindernde Leichtbaustoffe, die sich durch eine hohe Druckfestigkeit auszeichnen.
Die Zugfestigkeit des Betons kann durch den Einsatz von Fasern erhöht werden. Die Fasern wirken sich zudem günstig auf die Schlagfestigkeit aus. Eine faserverstärkte Matrix stellt das Grundgerüst eines druck- und schlagfesten Pfahltragwerkes dar.
Der Beton ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Matrix mit wenigstens einem geopolymeren Silikatbindemittel. Diese sind druckwasserdicht, schrumpffrei und umweltfreundlich. Dabei bildet sich ein amorphes Silikatgel in der erhärteten Matrix des Bindemittels aus. Durch die dreidimensionale Vernetzung der Silikatstrukturen sind hohe Druckfestigkeiten bei gleichzeitiger hoher Biegezugfestigkeit zu erreichen.
Die Gesteinskörnung des Betons ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 Quarzsand, Brechsand, Quarzkies, Splitt, eine geblähte Körnung jeweils einzeln oder in einer Kombination. Insbesondere bei Einsatz einer geblähten Körnung kann die schallmindernde Wirkung erhöht werden.
Vorteilhafterweise besteht der Pfahl nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 aus Abschnitten gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts. Damit können auch lange Tiefgründungspfähle realisiert werden. Die einzelnen Abschnitte können dazu Verbindungselemente und Verbindungseinrichtungen mit einer schallmindernden Wirkung aufweisen.
Der Pfahl ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein in den Boden durch Rammen, Rütteln, Pressen, Bohren, Vibrationen oder eine Kombination daraus einzubringender und damit eingebrachter Pfahl.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 ein Tiefgründungspfahl in einer Vorderansicht,
2 ein Tiefgründungspfahl in einer Draufsicht und
3 ein Endenbereich eines Tiefgründungspfahls in einer Schnittdarstellung.

Ein Tiefgründungspfahl 1 für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung besteht im Wesentlichen aus einer rohrförmigen Innenschale 3, einer rohrförmigen Außenschale 2 und einem Körper 4 aus einem zementfreien Beton ohne oder mit Fasern.
Die 1 zeigt einen Tiefgründungspfahl in einer prinzipiellen Vorderansicht und die 2 einen Tiefgründungspfahl in einer prinzipiellen Draufsicht.
Die rohrförmige Innenschale 3 ist beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale 2 angeordnet. Die Schalen 2, 3 bestehen günstigerweise aus einem Stahl als ein Metall.
Im Raum zwischen der Innenschale 3 und der Außenschale 2 befindet sich der Körper 4 mit dem Querschnitt in Form eines Kreisrings. In Ausführungsformen kann die Form des Querschnitts auch ein Kegelschnitt oder ein Mehreck sein.
Der Körper 4 besteht aus einem Beton mit wenigstens einem Geopolymer als Bindemittel. Die Fasern können dabei Stahl- und/oder Kohlefasern sein.
Der Endenbereich der Innenschale 3 oder der Außenschale 2 ist in Richtung Spitze 5 des Tiefgründungspfahls 1 zur Außenschale 2 oder Innenschale 3 geführt oder sind die Endenbereiche der Innenschale 3 und der Außenschale 2 in Richtung Spitze 5 des Tiefgründungspfahls 1 zusammengeführt. Darüber hinaus kann der Tiefgründungspfahl 1 eine ringförmige Spitze 5 aufweisen.
Die 3 zeigt dazu einen Endenbereich eines Tiefgründungspfahls 1 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
Der Tiefgründungspfahl 1 ist ein in den Boden durch Rammen, Rütteln, Pressen, Bohren, Vibrationen oder eine Kombination daraus einzubringender und damit eingebrachter Tiefgründungspfahl 1.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Tiefgründungspfahl 1 aus Abschnitten gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts.

Claims

Tiefgründungspfahl (1) für Offshore-Bauwerke mit beim Eintreiben schallreduzierender Wirkung mit einer rohrförmigen Innenschale (3) beabstandet in einer rohrförmigen Außenschale (2), dadurch gekennzeichnet, dass sich im Raum zwischen der Innenschale (3) und der Außenschale (2) ein Körper (4) aus einem zementarmen Beton oder einem zementfreien Beton oder einem Faserverbundwerkstoff befindet.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endenbereich der Innenschale (3) oder der Außenschale (2) in Richtung einer Spitze (5) des Tiefgründungspfahls (1) zur Außenschale (2) oder Innenschale (3) geführt ist oder dass die Endenbereiche der Innenschale (3) und der Außenschale (2) in Richtung einer Spitze (5) des Tiefgründungspfahls (1) zusammengeführt sind oder dass der Tiefgründungspfahl (1) eine ringförmige Spitze (5) aufweist.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefgründungspfahl (1) ein Rohr mit einem kreis-, einem mehreck- oder einem ovalen Querschnitt ist.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (3) und die Außenschale (2) aus einem Metall oder einem Kunststoff bestehen.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) aus einem geopolymergebundenen Beton mit oder ohne Fasern besteht.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton eine Matrix mit wenigstens einem geopolymeren Silikatbindemittel ist.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesteinskörnung des Betons Quarzsand, Brechsand, Quarzkies, Splitt, eine geblähte Körnung jeweils einzeln oder in einer Kombination ist.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefgründungspfahl (1) aus Abschnitten gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts besteht.
Tiefgründungspfahl nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefgründungspfahl (1) ein in den Boden durch Rammen, Rütteln, Pressen, Bohren, Vibrationen oder einer Kombination daraus einzubringender und damit eingebrachter Tiefgründungspfahl (1) ist.