Die Auslegung von Grundbauwerken für Offshore Windenergieanlagen stellt einen komplizierten
Fall der Bauwerks- Bodeninteraktion dar und ist damit eins der schwierigsten
Probleme des Bauingenieurwesens.
Bei der Gründung mit einem Monopile wird der Lastabtrag in den Baugrund durch eine
starke Interaktion zwischen Pfahl und Baugrund bestimmt. Bei komplexen Baugrundverhaltnissen
kann diese Interaktion entweder durch halbemprische Verfahren, oder mit
einem dreidimensionalen Finite Element Modell erfasst werden.
In der vorliegenden Arbeit wird die Interaktion zwischen Pfahl und Baugrund mit Hilfe
der p-y Methode nach American Petroleum Institute (API) modelliert. Dabei idealisieren
die p-y Kurven die Last-Verschiebungskurven, welche aus großmaßtäblichen Feldversuchen
bestimmt werden.
Mit der Anwendung einer geeigneten mathematischen Systemmodellierung in der objektorientierten
Modellierungssprache Modelica erfolgt die Simulation der Interaktion zwischen
Grundbau und Pfahl nach American Petroleum Institute (API). Auf dieser Grundlage
wird das Systemmodell mit der Simulationsumgebung Dymola erzeugt.
Im Weiteren wird ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell für die Beschreibung der
Interaktion zwischen Pfahl und Boden vorgestellt. Das mechanische Verhalten des Bodens
wird mit dem elasto-plastischen Stoffgesetz nach MOHR-COUMLOMB beschrieben und
die Berechnung des Modells erfolgt mit der Software ABAQUS.
Im Anschluss daran werden die Ergebnisse aus der Finite-Element-Analyse mit den Verschiebungswerten
des Modelicamodells nach API verglichen und es wird gezeigt, dass das
Modelicamodell als Basis für eine realitätsnahe Modellierung eingesetzt werden kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit
1.3 Gliederung der Arbeit
2 Stand der Technik und Forschung
3 Gewahltes Grundbau- und Bodenmodell
3.1 Allgemeines
3.2 Gründungskonzept und Auswahl Typ von Offshore
3.3 Monopile
3.4 Parameter des Bodenmodells
3.4.1 Bodenparameter
3.4.2 Gewählte Bodenparameter
3.5 Typische Einwirkungen
4 Bemessung von Offshore- Pfahlgrundungen
4.1 Einführung
4.2 Pfahlgründung unter axialer Last
4.2.1 Einführung
4.2.2 Vertikale Widerständsgrößern bei bindigen Böden
4.2.3 Vertikale Widerständsgrößen bei nichtbindigen Böden
4.2.4 Berechnung der t-z-Kurven
4.3 Pfahlgründungen unter horizontaler Belastung
4.3.1 Einführung
4.3.2 p-y Methode nach API
4.4 Berechnugsrelevante Dämpfungsparameter
4.4.1 Materialdämpung des Pfahls
4.4.2 Materialdämpung des Bodens
4.4.3 Dämpfung durch Abstrahlung in den Boden
5 Modellierung mit Modelica
5.1 Allgemeines
5.2 Modellaufbau nach API
5.2.1 Abbildung der p-y-Methode im Modelica
5.2.2 Beschreibung der Modelle im Modelica
5.3 Komponenten des Modells
5.3.1 Pfahl
5.3.2 Boden
5.4 Zusammengesetzes Modell
5.5 Simulationsergebnisse
5.5.1 Unterschiedliche Anfangsbettungsspannungen
5.5.2 Unterschiedliche Ausbreitungswinkel
5.6 Vergleich mit den Stabwerksprogrammen ABAQUS und ANSYS
5.7 Entwicklung eines Modells für dynamische Berechnungen
5.7.1 Dämpfungskräfte
5.7.2 Simulation mit Materialdämpfung
6 Detallierte numerische Simulation mit ABAQUS
6.1 Allgemeines
6.2 Grundlage der Kontinuumsmechanik
6.3 Stoffgesetze in der Bodenmechanik
6.4 Beschreibung der FE-Modelle
6.4.1 Halbraum / Symmetrie
6.4.2 Modellgeometrie
6.4.3 Elementtyp für Boden und Pfahl
6.5 Boden-Pfahl Interaktion
6.6 Randbedingungen
6.7 Phasen der Berechnungen
6.8 Lasten
6.9 Berechnungsmodell
6.10 Berechnungsergebnisse
6.10.1 Verschiebungen
6.10.2 Be -und Entlastungs Kurve
6.10.3 Hauptspannungen im Boden und Pfahl
6.10.4 Dynamische Untersuchung
7 Simulationsergebnisse und Vergleich zwischen ABAQUS/MODELICA
7.1 Allgemeines
7.2 Verschiebung
7.3 Dynamischesimulationen
8 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Masterarbeit ist die Modellierung der Gründung für Offshore-Windenergieanlagen unter Verwendung der objektorientierten Modellierungssprache Modelica sowie eines dreidimensionalen Finite-Elemente-Modells mit der Software ABAQUS. Die Arbeit untersucht die Interaktion zwischen Pfahl und Baugrund basierend auf der p-y-Methode, um ein realitätsnahes Simulationsmodell zu entwickeln, das statische und dynamische Belastungen sowie bodenmechanische Nichtlinearitäten berücksichtigt.
- Modellierung der Pfahl-Boden-Interaktion nach API-Richtlinien.
- Implementierung nichtlinearer Federn mittels Modelica.
- Numerische Simulation komplexer Gründungsstrukturen in ABAQUS.
- Validierung des Modelica-Modells durch Vergleich mit Stabwerksprogrammen und FEM.
- Untersuchung dynamischer Effekte und Materialdämpfung im Untergrund.
Auszug aus dem Buch
1.1 Einführung
In Deutschland sind Offshore Windparks in der Nord- und Ostsee geplant, wobei die Nordsee besonders anspruchsvolle meteorologische Bedingungen darstellt. Hier kommen bereits verschiedene Gründungsvarianten zum Einsatz. Als eine Gründungsmöglichkeit der Offshore- Windenergieanlagen wird u.a. die Monopilegründung mit großem Durchmesser diskutiert.
Monopiles sind eine recht elegante und vergleichsweise einfach herzustellende Gründungsvariante für Offshore- Windenergieanlagen und sie sind aufgrund ihres Standorts unter exteremen Belastungen ausgesetzt. Bei der Gründung eines Monopile wird dieser als elastisch gebetteter Balken betrachtet und die Horizontallasten werden über seitliche Bettungen in den Baugrund abgetragen, da bei den Horizontalentragfähigkeit, der Anteil der Vertikallast im Vergleich zu der Horizontallast und dem Biegemoment zu klein ist.
Die Berechnung und Einrichtung von Windenergieanlagen als Offshore-Bauwerke gehört zu den Baumaßnahmen mit einem hohen geotechnischen Schwierigkeitsgrad. Zur Lösung dieses Problems werden in der Zeit unterschiedliche Ansätze nach internationalem Norm und Richtlinie vorgeschlagen.
Die Methode des Bettungmodul Verfahrens nach p-y Methode ist ein solcher Weg des Abstrahierens nichtlinearität des Bodens. Hierbei stellt die p-y Kurve eine nichtlineare Beziehung zwischen Einwirkungen und Verschiebungen dar.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in das Thema der Offshore-Windenergie, Vorstellung der Monopile-Gründung als Gründungsvariante und Definition der Zielsetzung der Arbeit.
2 Stand der Technik und Forschung: Literaturrecherche zu bestehenden analytischen und experimentellen Untersuchungsmethoden für Pfahlgründungen im Offshore-Bereich.
3 Gewahltes Grundbau- und Bodenmodell: Definition des Baugrunds und der Gründungskonfiguration, inklusive der Parameterwahl für Nordseeböden.
4 Bemessung von Offshore- Pfahlgrundungen: Detaillierte Darstellung der Berechnungsmethoden für axiale und horizontale Lasten nach dem API-Standard sowie relevante Dämpfungsparameter.
5 Modellierung mit Modelica: Entwicklung der neuen Modelica-Bibliothek zur objektorientierten Simulation der Pfahl-Boden-Interaktion unter Verwendung nichtlinearer Federn.
6 Detallierte numerische Simulation mit ABAQUS: Anwendung der Finite-Elemente-Methode zur detaillierten Untersuchung des mechanischen Bodenverhaltens und der Pfahlinteraktion.
7 Simulationsergebnisse und Vergleich zwischen ABAQUS/MODELICA: Validierung und Gegenüberstellung der Ergebnisse aus dem Modelica-Modell und der FEM-Berechnungen.
8 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung des entwickelten Modells und Vorschläge für zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Offshore-Windenergieanlagen, Monopile-Gründung, Pfahl-Boden-Interaktion, p-y Methode, Modelica, Finite-Elemente-Methode, ABAQUS, Bodendynamik, Materialdämpfung, Baugrundmodellierung, Bodenmechanik, numerische Simulation, Tragfähigkeitsanalyse, Strukturmechanik, Gründungskonstruktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen, speziell der Interaktion zwischen einem Monopile-Pfahl und dem Baugrund.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die mathematische Modellierung nach API-Richtlinien, die numerische Finite-Elemente-Simulation in ABAQUS sowie der Aufbau objektorientierter Modelle in Modelica.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Entwicklung und Validierung eines Modells in Modelica, welches das nichtlineare Verhalten des Baugrunds unter statischer und dynamischer Last effizient abbilden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es werden das Bettungsmodulverfahren nach API, die Finite-Elemente-Methode (FEM) sowie die objektorientierte Systemmodellierung eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Bodenmechanik, die Implementierung der p-y-Methode in Modelica, die Durchführung numerischer FE-Simulationen und den anschließenden Vergleich der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär durch Begriffe wie Offshore-Windenergie, Monopile-Modellierung, p-y Methode und Finite-Elemente-Simulation beschreiben.
Wie unterscheidet sich die p-y-Methode von der FE-Methode in diesem Kontext?
Während die p-y-Methode in Modelica auf einem semi-empirischen, federbasierten Ansatz basiert, ermöglicht die FEM in ABAQUS eine komplexere, kontinuumsmechanische Untersuchung des Spannungszustands im Boden.
Warum ist das gewählte Modelica-Modell für Ingenieure von Interesse?
Das Modell ermöglicht schnelle und effiziente Parameterstudien für unterschiedliche Baugrundverhältnisse, was bei der Entwurfsplanung von Offshore-Gründungen von großem Vorteil ist.
- Quote paper
- M.sc Bahram Ahmadi (Author), 2010, Modellierung des Baugrunds für die Simulation einer Windenergieanlage mit Modelica und ABAQUS, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/209094
