Durchrutschende Grout‐Verbindungen in OWEA – Tragverhalten,Instandsetzung und Optimierung

Grout‐Verbindungen werden für die Verbindung zwischen den Gründungs‐ und Turmstrukturen von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) vielfach eingesetzt. Insbesondere die seit Beginn der 90er Jahre im Meer installierten Windturbinen mit Monopile‐Gründung verfügen über diese hybride Verbindungskonstruktion, bei der Stahlzylinder mit glatter Mantelfläche übereinander gefädelt werden und der Zwischenraum mit hochfesten Feinkornmörteln vergossen wird. Bislang wurde auf eine spezielle Oberflächenprofilierung der Stahlrohre verzichtet. Während standardmäßiger Wartungsintervalle wurden nun an Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen in Monopiles in Dänemark, Großbritannien und den Niederlanden vertikale Verschiebungen festgestellt, die auf ein Versagen des Haftverbunds zwischen Stahl und Füllmaterial schließen lassen. Im Rahmen dieses Beitrags wird zunächst der Aufbau sowie das Trag‐ und Ermüdungsverhalten der Grout‐Verbindung erläutert und eigene Untersuchungen an diesen Verbindungen mit Ergebnissen präsentiert. Darauf aufbauend werden mögliche Gründe für die aufgetretenen Schäden diskutiert und Instandsetzungsvorschläge unterbreitet. Neben der Betrachtung der offshore‐spezifischen Einbaubedingungen werden die Maßnahmen hinsichtlich des technischen Aufwands vorgestellt und Kerbfallklassen für die Stahlbauteile zur Bestimmung der Materialermüdung präsentiert. Für zukünftige Gründungsstrukturen werden Optimierungsmöglichkeiten vorgestellt. Sinking grouted joints in offshore wind turbines – Bearing behaviour, repair, and optimisation. Grouted joints are mainly used for the connection of foundation piles and substructures of offshore wind turbines. Grouted joints consist of tube‐to‐tubeconnections where the annulus is filled with a high performance mortar. Since the early 90s, grouted joints have been installed in offshore wind energy converters with monopiles using plain steel sections with no additional mechanical interlock. During maintenance work vertical slippages have been detected at substructures with monopiles in Denmark, UK and the Netherlands. The movements may result from a loss of bond between steel and mortar. Within this paper the construction and the bearing behaviour of grouted joints is presented. Additionally experimental investigations are shown. Based on own experiences reasons for failure and repair opportunities are introduced and optimisation opportunities for future turbines are proposed.     

Schädigungsmodell für hybride Verbindungen in Offshore‐Windenergieanlagen

Grout‐Verbindungen als hybride Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen mit hochfester zementgebundener Füllschicht sind während der Betriebsphase von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) dynamischen Lasten aus Wind‐ und Wellen‐ sowie Betriebslasten der Anlage ausgesetzt. Zusätzlich müssen diese nicht redundanten Verbindungen Extremlasten widerstehen. Die in den letzten Jahren festgestellten Vertikalverschiebungen im Bereich der Verbindung bei Monopiles unterstreichen eine erforderliche konstruktive Optimierung. Dies kann beispielsweise durch in Umfangsrichtung angeordnete Auftragsnähte erfolgen. Die damit hervorgerufenen Druckstreben ermöglichen einerseits eine signifikante Axialtragfähigkeitssteigerung, andererseits führen die geometrischen Kerben zu Spannungskonzentrationen in den Stahlrohren und der Füllschicht. Der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit kann dabei nach bekannten Konzepten erfolgen. Werden einaxiale Wöhlerlinien von Beton angesetzt, ist der Nachweis der Groutschicht gegen Materialermüdung rechnerisch nur schwer zu erbringen. Unter Berücksichtigung der tatsächlich vorliegenden mehraxialen Spannungszustände im Grout und mehraxialer Wöhlerlinien für das Verbundmaterial kann trotz vorliegender Spannungskonzentration der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit der Verbindung durchgeführt werden. Damage approach for hybrid connections in offshore wind turbines. During the service life of an offshore wind turbine, the connection between monopile and tower, the so‐called grouted joint, is exposed to high dynamic loadings from wind and wave actions. Additionally the connection, which is filled with a high performance grout, has to withstand extreme load situations. Within the last years vertical settlements between the connected steel pipes have been detected. This non‐redundant failure mode underlines the necessity for an optimization of the axial load bearing capacity. One possible solution is the application of shear keys, which are weld beads installed in circumferential direction of the connection on the surfaces of pile and sleeve. This additional mechanical interlock leads to compression struts and an increased axial strength. Unfortunately these geometric notches lead to local stress concentration and reduce the fatigue resistance of steel and grout. The fatigue design for the steel members can be performed acc. to well known local approaches. For plain grouted joints usually uniaxial S‐N‐curves for the grout layer are considered, which is not appropriate in cases of shear keys. Taking the multiaxial stress space around the weld beads and suitable S‐N‐curves into account, the fatigue design of the connection can be conducted.