Monitoring Suction Bucket Jacket

Description: 

The research project "Monitoring SBJ" is a collaborative project between the project partners DONG Energy Wind Power, Leibniz Universität Hannover (LUH) and Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, Federal Institute of Materials Research and Testing). The Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH, Federal Maritime and Hydrographic Agency) is involved in the project as an associated partner.

Motivation

The central environmental policy goal of the German government is to increase the share of renewable energies to around 80 % of gross electricity consumption by 2050. An important contribution to this is the reduction of energy production costs by developing more cost-efficient foundation and support structures and deploying them in a timely manner.

State of the art

Germany is currently still in the early stages of extensive construction activities in the German North and Baltic Seas. It can therefore increasingly be assumed that several construction projects will have to be carried out in parallel in order to accelerate the expansion of offshore wind energy and thus achieve the ambitious targets. The state of the art for anchoring offshore wind turbines to the seabed is still the driven pile foundation. The installation process is associated with considerable hydro noise emissions, which generally significantly exceed the limit values for noise immissions of 160 dB re 1 μ Pa for the single event sound pressure level and 190 dB re 1 μ Pa for the peak level at a distance of 750 m, unless noise reduction measures are used. As an alternative to noise reduction methods, but largely still at the development and testing stage, foundation variants that can be constructed without impulsive pile-driving noise are currently the subject of intensive research. In this context, resolved foundation constructions such as the jacket in combination with suction buckets, which only have a minimal impact on the marine environment compared to gravity foundations, are particularly promising solutions.

In recent years, various monopod foundations have been installed for met masts (e.g. for OWP Horns Rev 2 or Doggerbank). A prototype monopod foundation supporting a 3 MW turbine has been in operation in Frederikshavn (Denmark) for more than 10 years. A particular challenge with a monopod is the vertical installation during construction. Systems with separate chambers were developed to avoid misalignment. Complex alignment techniques are also used. Another critical point is the large dimensions required, which can cause stability failures during the installation process and drive up material costs. Compared to monopods, multipods - foundations that use three or four buckets as standard - have the following advantages:

• Misalignments during the installation process can be easily avoided by changing the negative pressure of the individual buckets,
• the individual buckets have smaller dimensions and are therefore less at risk of instability,
• the installation process is accelerated.

To date, there is a lack of practical experience with such foundation constructions under the typical load situation for offshore wind turbines (high horizontal and moment loads with relatively low static vertical loads, as well as high cyclical loads with recurring tensile load peaks). As a result, there are neither standardised calculation methods nor verification concepts. There is also a lack of validated structural models that take into account the non-linear soil-structure interaction, which is also dependent on the load history, and with which the load-bearing behaviour of subsequent cyclic and dynamic loads can be calculated.

The Suction Bucket Jacket (SBJ):

DONG Energy Wind Power has developed an innovative design that combines an optimised, industrially manufactured jacket structure with suction buckets (hereinafter referred to as "SBJ" for short). The foundation structure is designed for the 5 to 8 MW class and water depths of up to 60 metres.

The SBJ was installed in the OWP Borkum Riffgrund 1 in the German North Sea in August 2014 (video). The Siemens tower and turbine with an output of 4 MW were installed in January 2015. The SBJ has been equipped with extensive metrological instrumentation. Loads and deformations of the foundation structure are determined on the jacket structure using wave radar and strain, inclination and acceleration sensors. Inclination and acceleration sensors as well as pore water pressure sensors were positioned at different depths on the individual buckets. In conjunction with strain measurements in the connection area to the jacket structure, it is possible to observe loads and the associated load-bearing behaviour of the individual suction buckets in detail. Acceleration sensors have also been installed along the tower in order to observe the dynamic load-bearing behaviour of the entire structure.

The aims of "Monitoring SBJ":

Im Rahmen des Projekts sollen sowohl die Installation als auch das Tragverhalten von Gründung und Gesamtstruktur intensiv messtechnisch begleitet werden. Die Messergebnisse dienen der Validierung der im Projekt entwickelten Berechnungsverfahren und des Strukturmodells. Bezüglich des Installationsvorgangs kann davon ausgegangen werden, dass die oben genannten Grenzwerte für Schallimissionen eingehalten werden, da energiereicher, impulsartiger Schall vermieden wird. Diese Prämisse soll aber ebenfalls im Rahmen des Projekts überprüft werden.

Ziele des Gesamtprojekts

Einer der Hauptgründe für das Projekt ist die Validierung der zur Zeit vorhandenen Berechnungsmethoden zur Bemessung von Suction Bucket Gründungen, um die Nachweisverfahren verbessern zu können. Es bestehen noch viele Unsicherheiten bzgl. der Bemessungsparameter, welche bisher durch sehr konservative Annahmen kompensiert werden müssen. Das Tragverhalten unter zyklischer Belastung im Betrieb und unter der Extremlast im Bemessungssturm ist nicht weit genug erforscht. Gerade bei der Zugtragfähigkeit besteht ein hoher Forschungsbedarf, welcher am ehesten durch Messungen an einem Prototyp im Maßstab 1:1 gedeckt werden kann.

Ziel des Projekts ist zum Einen, relativ aufwendige numerische Simulationsmethoden zu entwickeln und mittels der Messungen zu validieren und damit das grundsätzliche Tragverhalten von Suction Bucket Jackets zu klären bzw. genauer zu verstehen. Zum Anderen sollen aber auf Grundlage der erhaltenen Erkenntnisse auch Werkzeuge für die Vordimensionierung sowie möglichst einfache Verfahren für die Dimensionierung von Suction Buckets in der praktischen Bemessung entwickelt werden. Für das übergeordnete Ziel, Suction Bucket Jackets als innovativer und umweltfreundlicher Gründung den Weg in die praktische Anwendung zu bereiten, sind solche in der Praxis handhabbaren Verfahren von großer Wichtigkeit. Gegenwärtig sind OWEA auf SBJ-Gründungen noch nicht zertifizierungsfähig und eine Genehmigung kann nur erteilt werden, sofern die Beobachtungsmethode zur Anwendung kommt. Die erwartbare Genehmigungs-, Zertifizierungs- und Finanzierungsfähigkeit nach Projektende hängt im Wesentlichen davon ab, ob der Nachweis der Installierbarkeit in situ erbracht ist und ob mittelfristig praxisnahe validierte Modelle und Berechnungsansätze zur Bemessung von Suction Buckets existieren. In "Monitoring SBJ" werden die benötigten Modelle und Berechnungsansätze entwickelt. Inwieweit diese anhand der Messungen am Prototypen validiert werden können, hängt davon ab, ob geeignete Messereignisse eintreten. Nur auf Basis validierter Berechnungsmethoden und -modelle ist langfristig damit zu rechnen, dass durch Designoptimierung wesentliche Fortschritte bei der Kostenreduzierung erzielt werden.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele

Sowohl einzelne Extremlasten als auch zyklische Lasten beeinflussen das Druck- und Zugtragverhalten der Gründung. Zyklische Lasten führen durch die in wechselweiser Richtung entstehenden Schubdehnungen zu einer Akkumulation von Porenwasserüberdrücken. Diesem Mechanismus wirkt entgegen, dass die Porenwasserüberdrücke durch eine zeitabhängige Dissipation abgebaut werden. Die Tragfähigkeit des Baugrunds hängt daher in hohem Maße von der Balance zwischen diesen beiden Effekten ab. In bisher bestehenden Bemessungsmethoden wird versucht, diese Effekte hinreichend genau abzuschätzen, eine Verifikation dieser Abschätzungen durch Porenwasserdruckmessungen an einem Prototyp im Maßstab 1:1 fehlt jedoch.

Weitere Unsicherheit besteht hinsichtlich der Zugtragfähigkeit von Suction Buckets. Bei den leichtgewichtigen aufgelösten Tragstrukturen für OWEAs kann eine zeitweise oder sogar andauernde Zugbelastung eines der Gründungskörper nicht ausgeschlossen werden. Kurzzeitiger Zugbelastung bieten Suction Buckets einen guten Widerstand durch den entstehenden Unterdruck im Inneren des Buckets, dieser baut sich jedoch bei längerer Belastung durch Dissipation wieder ab. Die genaue Reaktion der Gründung auf längerfristige Zugbelastung ist nicht bekannt, daher ist eine Messung des Unterdrucks unter dem Deckel besonders wichtig.

Die Vorhersage der Verformungsakkumulation infolge zyklischer Lasten (und auch einzelner Extremlasten) ist sehr schwierig. Es ist unwahrscheinlich, dass eine genaue Vorhersage der Verformungen mithilfe von kleinmaßstäblichen Modellversuchen oder mit an diesen Versuchen kalibrierten FE-Modellen getroffen werden kann. In situ-Erprobungen mit realen Lastsituationen ermöglichen, auf Basis der gemessenen Verformungen die Gebrauchstauglichkeits- und Ermüdungsnachweise zu führen.

Effiziente numerische Strukturmodelle mit realen Kopplungssteifigkeiten unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion werden benötigt, um die Standsicherheit nachzuweisen und kritische Bereiche mit lokalen Spannungsspitzen zu identifizieren. Sowohl für Standsicherheits- und Ermüdungsnachweise als auch zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens sind die Systemsteifigkeiten bzw. die Last-Verschiebungs-Reaktionen von großem Interesse. Für welche Belastungssituationen und unter welchen Annahmen Gründungssteifigkeiten von Suction Buckets zu berechnen sind, ist eine bislang nicht abschließend geklärte Frage. Die Messung zeitabhängiger Verformungen, Verschiebungen, Kräfte und Porenwasserüberdrücke ist daher ein wesentlicher Aspekt, um die Berechnungsmethoden zu verbessern und genauere Vorhersagen treffen zu können.

Literatur

Achmus et al. (2017): „Verbundprojekt: Monitoring Suction Bucket Jacket - Monitoring SBJ : Schlussbericht zum Teilvorhaben der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover“, Institut für Geotechnik, Leibniz Universität Hannover. (DOI: https://doi.org/10.2314/GBV:1011240475)