voruntersuchungen zum primären schallschutz beim rammen ... · umweltbundesamt (uba) genannte...
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Voruntersuchungen
zum primären Schallschutz
beim Rammen von Pfählen
im Offshorebereich
Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Engineering
Eingereicht an der
Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Bauingenieurwesen
Institut für Hydromechanik
bei Prof. Dr. Andreas Malcherek (UniBw München)
betreut durch: Dipl. Ing. Frank Adam (TU Bergakademie Freiberg)
vorgelegt von: Robert Mersiowsky
Matr.-Nr.: 1090456
E-Mail Adresse: [email protected]
Freiberg, 23.08.2013
Ehrenwörtliche Erklärung
Hiermit versichere ich, Robert Mersiowsky, dass ich die vorliegende Arbeit
„Voruntersuchungen zum primären Schallschutz beim Rammen von Pfählen im
Offshorebereich“ selbständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke
vorgelegt und keine anderen als die angegeben Quellen und Hilfsmittel benutzt habe,
insbesondere keine anderen als die angegebenen Informationen.
Neubiberg, 26.08.2013
Der Speicherung meiner Masterarbeit zum Zweck der Plagiatsprüfung stimme ich zu.
Ich versichere, dass die elektronische Version mit der gedruckten Version inhaltlich
übereinstimmt.
Neubiberg, 26.08.2013
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. III
Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... VI
Symbolverzeichnis ........................................................................................................ VII
Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................. VIII
Danksagung ..................................................................................................................... IX
1 Einleitung ................................................................................................................. 1
1.1 Beschreibung der Thematik ............................................................................................ 1
1.1.1 Hintergrund der nachhaltigen Energiegewinnung .................................................. 1
1.1.2 Gründe für Schallschutz im Meer ................................................................................. 1
1.2 Das Projekt Offshorewindenergieanlage des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg .......................................... 3
1.2.1 Zielsetzung des Projektes ............................................................................................... 3
1.2.2 Aufgabenstellung, Zielsetzung und Ablauf der Masterarbeit ............................. 4
2 Literaturrecherche zum Stand der Technik ....................................................... 5
2.1 Windenergieanlagen.......................................................................................................... 5
2.2 Grundlagen des Leichtbetons ........................................................................................ 7
2.3 Stand der Technik von Rammpfählen ........................................................................ 8
2.3.1 Methoden der Pfahlgründung ........................................................................................ 8
2.3.2 Geometrie und Tragfähigkeit von Betonpfählen diverser Hersteller ............. 12
2.3.3 Richtlinien und Normen .................................................................................................. 14
2.4 Methoden des Rammens .............................................................................................. 14
2.4.1 Impulsrammung ................................................................................................................. 14
2.4.2 Herkömmliches Vibrieren .............................................................................................. 15
2.4.3 Gerichtetes Vibrieren....................................................................................................... 19
2.4.4 Aus der Praxis ermittelte Vergleichswerte für die Rammmethoden ............. 22
2.5 Stand der Technik zum sekundären Schallschutz beim Rammen von Pfählen ............................................................................................................................. 23
3 Akustik .................................................................................................................... 32
3.1 Grundlagen der Schallausbreitung ............................................................................ 32
3.2 Zentrale Größen der Akustik ........................................................................................ 32
3.2.1 Vergleich der Schallgeschwindigkeiten in Beton und Stahl ............................. 36
Inhaltsverzeichnis
II
3.2.2 Überblick der Materialien des Berechnungsmodells ........................................... 36
3.2.3 Schallpegelgrößen ........................................................................................................... 37
3.3 Rammschall ........................................................................................................................ 40
3.3.1 Entstehung des Rammschalls ..................................................................................... 40
3.3.2 Auswirkungen des Rammschalls auf Meeresökosysteme ............................... 40
3.4 Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen ................ 44
3.5 Messungen der Schalldrücke im Meereswasser .................................................. 45
4 Computersimulation des Rammvorganges..................................................... 49
4.1 Grundlagen der Simulation ........................................................................................... 49
4.2 Modellbildung ..................................................................................................................... 50
4.2.1 Geometrie und Vernetzung ........................................................................................... 53
4.2.2 Verwendete Elementtypen ............................................................................................ 55
4.3 Numerische Berechnung ............................................................................................... 59
4.4 Ermittelte Werte ................................................................................................................. 61
5 Experimente zur Validierung der Simulation .................................................. 65
5.1 Herstellung der Betonproben ....................................................................................... 66
5.2 Ultraschallversuch ............................................................................................................ 66
5.2.1 Grundlagen des Ultraschallversuchs ........................................................................ 67
5.2.2 Beschreibung des Ultraschallversuches .................................................................. 68
5.2.3 Ergebnisse der Ultraschallversuchmessungen ..................................................... 71
5.3 Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells ...................................... 73
5.3.1 Aufbau des Experiments ................................................................................................ 73
5.3.2 Durchführung ...................................................................................................................... 78
5.3.3 Ergebnisse des Experiments ....................................................................................... 80
5.3.4 Vergleich von berechneten und experimentellen Werten ................................. 82
6 Auswertung ............................................................................................................ 85
6.1 Ergebnisse des Ultraschallversuches ....................................................................... 85
6.2 Fazit der Berechnungen und der Validierung ........................................................ 85
6.3 Ausblick ................................................................................................................................ 86
Quellenverzeichnis .......................................................................................................... 87
Inhalt der CD-Rom ........................................................................................................... 94
Abbildungsverzeichnis
III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1: Monopilegründung .............................................................................. 6
Abbildung 2-2: Tripodgründung .................................................................................. 6
Abbildung 2-3: Jacketgründung .................................................................................. 6
Abbildung 2-4: Festigkeits- und Rohdichtebereich von Beton .................................... 8
Abbildung 2-5: Pfahlgründung .................................................................................... 9
Abbildung 2-6: Rammung von Fertigpfählen ............................................................ 10
Abbildung 2-7: Prinzip der Gründungsmethode mit Ortbetonpfählen ....................... 11
Abbildung 2-8: Rammhammer der Firma Menck im Offshore Einsatz ...................... 12
Abbildung 2-9: Spektren beim Einsatz der Vibrationsramme im OWP alpha ventus .............................................................................................. 18
Abbildung 2-10: Krafteintag beim herkömmlichen und Gerichteten Vibrieren........... 19
Abbildung 2-11: Vibrator mit unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaaren ... 20
Abbildung 2-12: Kraftwirkung der unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaare ................................................................................. 20
Abbildung 2-13: Prinzipskizze einer rotierenden Kurbelschleife ............................... 21
Abbildung 2-14: Idealisierte Kraftverläufe bei unterschiedlicher Exzentrizität ........... 21
Abbildung 2-15: Versuchsvibrator RZVG40 .............................................................. 22
Abbildung 2-16: Konzept des großen Blasenschleiers ............................................. 24
Abbildung 2-17: Einzelereignis‐Schalldruckpegel (SEL) ........................................... 25
Abbildung 2-18: Konzept des gestuften Blasenschleiers .......................................... 26
Abbildung 2-19: Konzept des geführten Blasenschleiers ......................................... 27
Abbildung 2-20: Schallschutzmantel ......................................................................... 28
Abbildung 2-21: Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an einem Rammpfahl .... 30
Abbildung 2-22: Primäre Übertragungswege ohne Minderungsmaßnahmen ........... 31
Abbildung 3-1: Zusammenhang zwischen Schallleistung, -druck und -pegel ........... 34
Abbildung 3-2: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls ............. 39
Abbildung 3-3: Einwirkzonen einer Schallquelle ....................................................... 41
Abbildung 3-4: Hörschwellen des Schweinswals ...................................................... 42
Abbildung 3-5: Hörschwellen des Seehundes .......................................................... 42
Abbildung 3-6: Hintergrundgeräuschpegel Leq (Medianwerte)................................. 47
Abbildung 3-7:Schallmessung vom Schiff (links) und mit autonomem Messsystem .................................................................................... 47
Abbildung 3-8: Charakteristischer Verlauf des Schalldrucks .................................... 48
Abbildung 4-1: Prognostizierter Anteil von Simulationen und Versuchen ................. 50
Abbildung 4-2: 2D axialsymmetrisches Berechnungsmodell des Rammpfahls ........ 52
Abbildungsverzeichnis
IV
Abbildung 4-3: Lagerung des Rammpfahls und Krafteinleitung ................................ 52
Abbildung 4-4: Abmessungen des Modells .............................................................. 53
Abbildung 4-5: Elementskizze des Fluid29 ............................................................... 55
Abbildung 4-6: Elemente, die durch Fluid29 beschrieben wurden ............................ 56
Abbildung 4-7: Rand- und Übergangsbedingungen des FE-Modells ........................ 57
Abbildung 4-8: Elementskizze des Fluid 129 ............................................................ 57
Abbildung 4-9: Elementskizze des Plane 42............................................................. 58
Abbildung 4-10: Elemente, die durch Plane 42 beschrieben wurden ....................... 59
Abbildung 4-11: Abhängigkeit der Verformung von der Dämpfung über Dauer des Lasteintrages ............................................................................ 61
Abbildung 4-12: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,01 s ........................................................................................ 62
Abbildung 4-13: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,0001 s .................................................................................... 63
Abbildung 4-14: Druckverlauf an drei radialen Abständen ........................................ 64
Abbildung 5-1: Betonproben in der Form (links) und ausgehärtete Proben (rechts) ............................................................................................ 66
Abbildung 5-2: Ultraschallimpulsgenerator ............................................................... 69
Abbildung 5-3: Aquabox für Ultraschallmessungen .................................................. 70
Abbildung 5-4:Ultraschal Empfängersystem ............................................................. 70
Abbildung 5-5: Messrechner ..................................................................................... 70
Abbildung 5-6: Prinzip des Messaufbaus ................................................................. 71
Abbildung 5-7: Vergleich der Ultraschallgeschwindigkeiten als Maß für die Dämpfung ........................................................................................ 72
Abbildung 5-8: Kinderplanschbecken mit Schaumstoffwand .................................... 74
Abbildung 5-9: Genoppter Schaumstoff auf Teppich ................................................ 74
Abbildung 5-10: Freifallhammer mit Führungsstab und Stempel .............................. 74
Abbildung 5-11: Schaumstoffunterlage ..................................................................... 75
Abbildung 5-12: Porenwasserdruckgeber ................................................................. 76
Abbildung 5-13: Porenwasserdruckgeber mit Betonprobe ....................................... 76
Abbildung 5-14: Messbox mit Verstärkereinheit ....................................................... 76
Abbildung 5-15: Messrechner ................................................................................... 77
Abbildung 5-16: Aufbau des Experiments ................................................................ 77
Abbildung 5-17: Messeinrichtung ............................................................................. 78
Abbildung 5-18: Füllstand des Beckens ................................................................... 78
Abbildung 5-19: Beton-, Aluminium-, und Kunststoffprobe ....................................... 79
Abbildung 5-20: Abstand Probe Sensor ................................................................... 80
V
Abbildung 5-21: Experimentelle Druckverläufe für drei radiale Abstände ................. 81
Abbildung 5-22: Vergleich berechnete und experimentelle Werte ............................ 83
Abbildung 5-23: Experimentell bestimmter Druckverlauf .......................................... 84
Abbildung 5-24: Rechnerisch bestimmter Druckverlauf ............................................ 84
Tabellenverzeichnis
VI
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1: Pfahldaten der Firma Walinco............................................................... 13
Tabelle 2-2: Pfahldaten der Firma Alphabeton ......................................................... 13
Tabelle 2-3: Pfahldaten der Firma Centrum.............................................................. 13
Tabelle 3-1: Überblick Materialeigenschaften ........................................................... 37
Tabelle 3-2: Standardkennwerte für Meereswasser ................................................. 40
Tabelle 3-3: Lautstärkevergleichstabelle .................................................................. 43
Tabelle 3-4: Gemessene Spitzen- und Einzelereignis-Schalldruckpegel .................. 47
Tabelle 5-1: Messwerte aus dem Druckversuch ....................................................... 80
Tabelle 5-2: Standardabweichung bei unterschiedlichen Abständen ....................... 82
Symbolverzeichnis
VII
Symbolverzeichnis
Symbol Bezeichnung Dimension
C Schallgeschwindigkeit m/s
E Elastizitätsmodul N/m²
E Energie W
f Frequenz Hz bzw. kHz
F Kraft N bzw. kN
G Schubmodul N/m²
l Abstand cm bzw. m
Leq äquivalenter Dauerschallpegel dB
LE Einzelereignispegel dB
LI Schallintensitätspegel dB
Lp Schalldruckpegel dB
Lpeak Spitzenpegel dB
Lr Eingangsschallstärke dB
Ls Quellpegel dB
LW Schallleistungspegel dB
m Masse kg
P Druck mbar bzw. bar
t Zeit s
T Temperatur °C
ρ Dichte kg/m3
τ Impulsdauer s
Ø Durchmesser m
Abkürzungsverzeichnis
VIII
Abkürzungsverzeichnis
ausschließliche Wirtschaftszone AWZ
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie BSH
finite Elemente FE
Fluid Stuktur Interaktion FSI
Hydroschalldämpfer HSD
offshore Windpark OWP
offshore Windenergieanlage OWEA
Permanent Threshold Shift PTS
Polyethylen PE
Porenwasserdruckgeber PWD
schwimmendes Offshorefundament SOF
Sound Exposure Level SEL
Technische Universität TU
Temporary Threshold Shift TTS
transmission loss TR
Umweltbundesamt UBA
Verein Deutscher Ingenieure VDI
Windenergieanlage WEA
Danksagung
IX
Danksagung
Ich danke Herrn Dipl.-Ing. Frank Adam für die ausgezeichnete Betreuung und die
nützlichen Hilfestellungen beim Anfertigen dieser Arbeit, Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank
Dahlhaus für die Bereitstellung des Arbeitsplatzes und allen Mitarbeitern des Instituts
für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg für die Unterstützung
bei dieser Arbeit.
Insbesondere danke ich Herrn Prof Dr.-Ing. Andreas Malcherek für die Betreuung
seitens der Universität der Bundeswehr München und Herrn Hauptmann Rene Ernst
für die Ermöglichung der Dienstreise nach Freiberg.
Desgleichen danke ich meiner Partnerin Jana für die moralische Unterstützung und
das Ertragen meiner Launen während der Bearbeitungszeit.
Robert Mersiowsky
August 2013
Einleitung
1
1 Einleitung
Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Grundlagen der vorliegenden Arbeit.
Des Weiteren wird das Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau der TU
Bergakademie Freiberg sowie das Vorgehen bei dieser Masterarbeit vorgestellt.
1.1 Beschreibung der Thematik
Zunächst werden Gründe für nachhaltige Energiegewinnung aufgezeigt und die
Bedeutung von Windenergiegewinnung auf dem Meer begründet. Im weiteren
Verlauf wird der Bedarf an Schallschutz im Meer erläutert.
1.1.1 Hintergrund der nachhaltigen Energiegewinnung
Fossile Rohstoffe werden nicht ewig zur Verfügung stehen. Des Weiteren muss der
Kohlendioxidausstoß zum Schutz der Umwelt reduziert werden. Jedoch wächst der
Energieverbrauch Jahr für Jahr, wodurch die Energiepreise steigen. Nachhaltige
Energiegewinnung erfreut sich demnach stetig wachsender Bedeutung. Die
Klimaschutzstrategie der Bundesregierung sieht vor, den Anteil erneuerbarer
Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf 35 % zu erhöhen
[Gasch 2011].
Windenergie spielt bei der Gewinnung erneuerbarer Energien eine entscheidende
Rolle. Auf dem Festland (onshore) gerät jedoch vor allem in Gebieten mit hoher
Bevölkerungsdichte der Ausbau der Windenergie immer mehr ins Stocken
[Gasch 2011]. Demgegenüber sind auf hoher See (offshore) immense
Windressourcen verfügbar. Aufgrund des großen Raumangebotes und hoher
Windgeschwindigkeiten sind diese Gebiete äußerst attraktiv für die
Energieerzeugung. Doch die Windräder vor den Küsten bringen neue
Umweltprobleme mit sich. Eines der zentralen Herausforderungen ist der
Schallschutz während der Errichtung.
1.1.2 Gründe für Schallschutz im Meer
Bei der Fundamentgründung von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) werden
Pfähle unter Verwendung des sogenannten Impulsrammens in den Meeresboden
eingebunden. Durch die Rammschläge entstehen hohe Schalldrücke, die sich über
Einleitung
2
große Entfernungen auf die Meeresumwelt auswirken. Dieser Rammschall kann zur
Beeinträchtigung von Meeressäugern, insbesondere zur Schädigung ihres Gehörs
führen [Böttcher 2013]. Daher gilt es bei Impulsrammungen die Schallimmission in
Meeresökosysteme zu vermeiden oder zumindest zu verringern, um die
Meeressäuger zu schützen.
In der Bauphase treten durch das Rammen wesentlich größere Schalldrücke auf als
beim Betrieb der OWEA. Die Beeinträchtigung der Meeressäuger beim späteren
Betrieb der Anlage ist auch Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Dabei
stellen nicht die hohen Schallspitzen, sondern die permanente Schallbelastung durch
Hintergrundgeräusche ein Problem dar. Dies soll hier jedoch nicht weiter betrachtet
werden.
Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hat dazu im Juli 2010
Leitsätze für die Anwendung der Eingriffsregelung innerhalb der ausschließlichen
Wirtschaftszone (AWZ) und auf dem Festlandsockel im Rahmen von § 58 Abs. 1
Satz 2 BNatSchG herausgegeben. In diesen Leitsätzen wird der vom
Umweltbundesamt (UBA) genannte Vorsorgewert von 160 dB (SEL) / 190 dB
(peak‐to‐peak) in 750 m Entfernung zur Emissionsstelle als verbindlicher
Lärmgrenzwert beim Rammen von Offshore-Fundamenten festgelegt. Der
Schallereignispegel (SEL) beschreibt die logarithmische Umsetzung von
Schallexposition in Dezibel. Der Abstand zwischen positivem und negativem
Spitzenpegel wird als peak-to-peak bezeichnet. Diese Größen werden unter 3.2.3
ausführlich erläutert.
In der vorliegenden Masterarbeit sollen primäre Schallschutzmaßnamen für das
Rammen von Pfählen im Offshore-Bereich untersucht werden. Primäre
Schallschutzmaßnamen sind Vorkehrungen, durch die der Schall bereits bei seiner
Entstehung gemindert wird. Sekundäre Schallschutzmaßnahmen hingegen mindern
die Schallausbreitung.
Sekundäre Schallschutzmaßnahmen werden derzeit erforscht und haben bald die
Marktreife erreicht (siehe Kapitel 2.5). Bei der praktischen Erprobung beispielsweise
an der Fino 3 Plattform, stellten sich diese Maßnahmen als sehr aufwendig und nur
bedingt tauglich heraus [Grießmann 2009].
Einleitung
3
Durch die Verbesserung des primären Schallschutzes können Kosten, die beim
Errichten von sekundären Schallschutzmaßnahmen entstehen, eingespart werden.
1.2 Das Projekt Offshorewindenergieanlage des Instituts für Bergbau
und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg
Am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg wurde ein
schwimmendes Offshorefundament (SOF) konstruiert. Dieses soll durch in den
Meeresboden gerammte Pfähle, sogenannte Monopiles, verankert werden. Um beim
Rammen dieser Pfähle die vom UBA herausgegebenen Vorsorgewerte einzuhalten,
soll ein völlig neuer Ansatz des primären Schallschutzes untersucht werden.
Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bereits die Auswahl des Pfahl-Werkstoffes
einen großen Einfluss auf die Schallminderung hat. Somit können sehr viel
wirksamere Schallminderungen erzielt werde als mit sekundären Maßnahmen
[Dombrowski, K., et al. 2007]. Man geht davon aus, dass Beton aufgrund seiner
Dichte eine geringere Schallgeschwindigkeit als Stahl hat (siehe Kapitel 3.4).
Demnach würden Betonrammpfähle geringere Schallemissionen in das Meerwasser
aufweisen als Rammpfähle aus Stahl.
Im folgenden Kapitel werden die Zielsetzungen des Instituts, sowie Aufgaben-
stellung, Zielsetzung und Ablauf dieser Masterarbeit beschrieben.
1.2.1 Zielsetzung des Projektes
Beim Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau an der TU Bergakademie
Freiberg handelt es sich um die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Gründungs-
varianten für OWEA zur Minderung von Schallemissionen.
Damit soll erreicht werden, dass der Ausbau und die Nutzung erneuerbarer Energien
umweltverträglich gestaltet werden. Denn durch eine Reduzierung der Schall-
emissionen werden Meeresökosysteme beim Bau der Windenergieanlagen weniger
stark belastet.
Konkret soll im Rahmen einer Machbarkeitsstudie aus einem druck- und
schlagfesten Verbundwerkstoff auf Basis von Zementbeton ein neuartiger
Rammpfahl mit schallreduzierender Wirkung entwickelt werden. Dieser soll sowohl
Einleitung
4
hochtragfähige als auch schallreduzierende Komponenten beinhalten. Damit soll
eine große Schallminderung bei zugleich hoher Schlagfestigkeit erreicht werden. Der
Verbundwerkstoff muss unter der Beanspruchung durch Umweltbedingungen
(Meerwasserangriff, Wassertemperaturen um 0°C, Strömung) und Lastwechsel
durch den Betrieb der WEA beständig bleiben.
Parallel dazu soll ein Finite Elemente (FE) Berechnungsmodell zur Prognose der
Hydroakustik im Nah- und Fernfeld der Rammstelle entwickelt werden. Die
Validierung des Modells soll durch Laborexperimente erfolgen. Durch diese
Simulation können Entwicklungskosten eines primär schallgedämpften Rammpfahles
reduziert werden.
1.2.2 Aufgabenstellung, Zielsetzung und Ablauf der Masterarbeit
Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Prognose
der Hydroakustik beim Rammen von Pfählen mittels Impulsramme. Im Fokus der
Betrachtungen steht das akustische Nahfeld. Das Modell soll den Schalldruck in
unterschiedlichen Abständen berechnen. Die Validierung dieses Modells erfolgt
mittels eines Experimentes im Labormaßstab. Nach Vollendung der Masterarbeit soll
das Berechnungsmodell dazu verwendet werden, offshore Rammungen im
Realmaßstab zu simulieren und sowohl Werte für Schallemission als auch Festigkeit
der Rammpfähle zu ermitteln.
Diese Masterarbeit gliedert sich entsprechend des Forschungsablaufes der
Schallschutzuntersuchungen. Zu Beginn werden in Kapitel 2 Grundlagen der
Betontechnik, Rammmethoden und Rammpfähle erarbeitet. Kapitel 3 dient dazu,
akustische Grundlagen zu erläutern, sowie die Auswirkung von Schallemissionen auf
Meeresbewohner aufzuzeigen. Im 4. Kapitel werden die Entstehung des
Berechnungsmodells beschrieben und die Ergebnisse ausgewertet. Dabei wird die
Vorgehensweise zur Modellbildung genau erklärt. In Kapitel 5 folgt die Validierung
des Berechnungsmodells mittels Ultraschall- und Drucksensorversuch sowie der
Vergleich zwischen den Ergebnissen der Berechnung mit denen der Validierung.
Abschließend gibt Kapitel 6 einen Ausblick auf das weitere Vorgehen mit dem
Berechnungsmodell.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
5
2 Literaturrecherche zum Stand der Technik
Das folgende Kapitel dient dazu, dem Leser ein Grundlagenwissen zur Thematik
dieser Masterarbeit zu vermitteln. Zu Beginn erfolgt eine Unterscheidung zwischen
Windenergieanlagen auf dem Festland und auf der See.
Des Weiteren soll dem Leser der Werkstoff Beton, speziell Leichtbeton, näher
gebracht werden. Weiterhin wird ein detailliertes Hintergrundwissen zu Rammpfählen
und diversen Methoden der Einbringung in den Boden dieser Rammpfähle gegeben.
Außerdem wird die Messung der Schallausbreitung im Meereswasser erläutert. Auch
werden unterschiedliche Methoden zum sekundären Schallschutz ausführlich
beschrieben.
2.1 Windenergieanlagen
Der größte Unterschied zwischen offshore und onshore Windenergieanlagen liegt in
ihrer Fundamentierung. Gründungen auf dem Meeresboden, wie Pfahlturm oder
abgesteifter Turm, lassen sich mit Schwerkraft- oder Pfahlverankerung kombinieren.
Bevorzugt eingesetzt werden derzeit in den Meeresgrund gerammte oder gebohrte
Monopilekonstruktionen aus Stahl (Abbildung 2-1). Für größere Wassertiefen
verwendet die offshore-Industrie Tripod- (Abbildung 2-2) oder Fachwerk-
konstruktionen, so genannte Jackets (Abbildung 2-3) [Gasch 2011].
In dieser Arbeit sollen ausschließlich gerammte Betonpfähle betrachtet werden.
Stahlrammpfähle bezeichnet man in der Fachsprache auch als Monopiles. Diese
können sowohl als alleinige Gründungsstruktur als auch zur Verankerung
schwimmender Fundamente genutzt werden.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
6
Abbildung 2-1: Monopilegründung
Quelle: FH-Kiel 2013
Abbildung 2-2: Tripodgründung
Quelle: BMU 2013
Abbildung 2-3: Jacketgründung
Quelle: Vertikal.net 2013
Literaturrecherche zum Stand der Technik
7
2.2 Grundlagen des Leichtbetons
Für die Betonrammpfähle soll Leichtbeton verwendet werden. Dieser zeichnet sich
durch hohe Festigkeitswerte bei zugleich geringer Dichte aus. Er ist definiert mit
einer Trockenrohdichte von unter 2000 kg/m3. Je nach ihrer Zusammensetzung
werden Leichtbetone in folgende Gruppen unterteilt [Thienel 2011]:
konstruktiver (gefügedichter) Leichtbeton
haufwerksporiger Leichtbeton
Schaumbeton
Porenbeton.
Druckfestigkeit und Rohdichte des Leichtbetons werden entscheidend von der
eingesetzten Gesteinskornart und der Betonzusammensetzung bestimmt. Die
verringerte Betonrohdichte reduziert das Eigengewicht, die Wärmeleitfähigkeit und
die Schallgeschwindigkeit [Schließl 2006].
Mehr als 80 % der Leichtbetone sind haufwerksporige Leichtbetone, die wegen ihrer
guten wärmedämmenden Eigenschaften für Mauersteine, Wandtafeln etc. eingesetzt
werden [Weigler 1972]. Der Einsatz gefügedichten Leichtbetons stellt ein verhältnis-
mäßig kleines Marktsegment des Betonbaus dar.
Als Ortbeton wird gefügedichter Leichtbeton, gemessen an seinem
Leistungspotenzial, relativ wenig eingesetzt. Die Gründe sind hauptsächlich eine
gegenüber Normalbeton anspruchsvollere Technologie und die höheren
Materialkosten [Thienel 1997].
Abbildung 2-4 veranschaulicht die Bandbreite des Festigkeits- und
Rohdichtebereichs, der von Beton abgedeckt wird.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
8
Abbildung 2-4: Festigkeits- und Rohdichtebereich von Beton
Quelle: Thienel 1997
2.3 Stand der Technik von Rammpfählen
Das folgende Kapitel stellt diverse Methoden der Pfahlgründung vor. Auch werden
die unterschiedliche Geometrie und Tragfähigkeit von Pfählen ausgewählter
Hersteller aufgezeigt und auf Richtlinien und Normen von Pfahlgründungen
eingegangen.
2.3.1 Methoden der Pfahlgründung
Konstruktive Lösungen, um Stützlasten auf den Baugrund zu übertragen, sind
Flächengründungen oder Pfahlgründungen. Die Art der Gründung hängt von der
Lage der tragfähigen Bodenschicht ab. Dabei wird für Flächengründungen zwischen
Flachgründung, Tiefgründung oder schwimmender Gründung unterschieden. Die
Auswahl der Gründungsform hängt von folgenden Kriterien ab [Möller 2006]:
Größe der Belastung
Standsicherheit
Größe der zu erwartenden Setzungen
Wirtschaftlichkeit.
Wenn die tragfähige Gründungsschicht weit unterhalb des Bauwerkes liegt und eine
Stabilisierung des überlagernden Baugrundes aus technischen oder wirtschaftlichen
Literaturrecherche zum Stand der Technik
9
Gründen nicht sinnvoll ist, oder wenn das Bauwerk über freiem Wasser herzustellen
ist, kommen Pfahlgründungen zum Einsatz [Möller 2006]. Dadurch werden die
Lasten von Tragwerken durch den weichen oder wässrigen Baugrund in tiefere,
tragfähige Bodenschichten übertragen. In Abbildung 2-5 ist das Prinzip der
Pfahlgründung zur Abtragung der Bauwerkslasten in tragfähigen Baugrund
dargestellt.
Abbildung 2-5: Pfahlgründung
Quelle: Möller 2006
Das Gründen mit Pfählen ist eine Variante der Tiefgründung und neben der
Flachgründung eine der ältesten Gründungsformen, denn bereits im Altertum wurden
bei schlechten Bodenverhältnissen Holzpfähle in den Boden gerammt. Auf
schlechtem Baugrund ist es ungünstig, flachliegende Gründungen zu errichten. Denn
auf solchem Untergrund setzen sich Bauwerke stark, stellen sich schief, reißen oder
versinken im Boden [Seitz, Schmidt 2000].
Bei diesem Gründungsverfahren werden Pfähle in den Baugrund gebohrt oder
gerammt, bis eine ausreichend tragfähige Boden- oder Gesteinsschicht erreicht ist.
Diese Form des Tragwerks überträgt die Lasten dann zum einen durch die Reibung
des Pfahls mit dem Baugrund (Mantelreibung) und zum anderen über den
Spitzendruck der Pfähle.
Welches Verfahren zum Rammen der Pfähle verwendet wird, hängt insbesondere
von der Bebauung der Umgebung ab. In Innenstädten ist es aufgrund der
Erschütterungen nicht möglich, Pfähle rammend einzubringen. An solchen Orten
Literaturrecherche zum Stand der Technik
10
kommen Bohrpfähle zum Einsatz, wobei vorgebohrte Löcher mit Beton verfüllt
werden. In dicht bebauten Gebieten ist es notwendig, auch auf schlechtem Baugrund
bauen zu können. Die Standortfrage ist für die Industrie von größerer wirtschaftlicher
Bedeutung als die Mehrkosten, welche sich durch den Ausgleich schlechter
Baugrundverhältnisse ergeben [Seitz, Schmidt 2000].
Je nach Einsatzzweck und Umgebungsbedingungen können die Pfahlgründungen
aus verschiedenen Materialien bestehen bzw. auf unterschiedliche Weisen
hergestellt werden. Man unterscheidet Fertigpfähle, Ortbetonpfähle und
Verbundpfähle [Baunetzwissen 28.07.2013]. Fertigpfähle werden in voller Länge
hergestellt und montiert (Abbildung 2-6).
Abbildung 2-6: Rammung von Fertigpfählen
Quelle: Arkil Spezialtiefbau 2013
Bei Ortbetonpfählen wird ein Stahlrohr in den Boden eingerammt und nach
Erreichen der erforderlichen Absetztiefe mit Beton verfüllt. Das Rammrohr wird
anschließend herausgezogen (Abbildung 2-7).
Bei Verbundpfählen wird ein vorgefertigtes Tragglied (Stahl oder Beton) in ein
Bohrloch eingeführt und dort mit Zementmörtel verpresst. Dadurch entsteht ein
Verbund von Baugrund und Tragglied.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
11
Handelt es sich um dauerhafte Bauwerke, sind Stahlbetonpfähle aufgrund der
Materialkosten vorteilhaft. Bei temporären Bauwerken können Stahlpfähle nach Ihrer
Benutzung gezogen und wiederverwendet werden
Offshore wurden bereits vor einigen hundert Jahren Pfahlgründungen durch die
Verwendung von Holzpfählen eingesetzt. Denn Holz ist unter dem Wasserspiegel,
ohne mit Luftsauerstoff in Berührung zu kommen, nahezu unendlich lange haltbar
[Seitz/Schmidt 2000]. Beispielsweise erfolgte die Errichtung der Stadt Venedig auf
Holzpfählen. Die Kirche „Santa Maria de Salute“ steht auf 1 000 000 Pfählen
[Seitz/Schmidt 2000].
Abbildung 2-7: Prinzip der Gründungsmethode mit Ortbetonpfählen
Quelle: Friedrich 2013
Im Onshorebereich sind Betonrammpfähle weit verbreitet. Beim Vorgang einer
Offshore-Pfahlrammung werden entweder ein Monopile als Tragkonstruktion oder
mehrere kleinere Pfähle zur Verankerung eines so genannten Tripods oder Jackets
in den Meeresboden eingebracht. Dazu wird der Pfahl auf dem Meeresboden
abgestellt und durch einer Folge von Einzelschlägen periodisch belastet. Durch den
Wasserauftrieb besteht der Vorteil, einen Monopile in einem Stück einzurammen.
Diese Monopiles sind onshore Pfählen gegenüber, sehr groß und schwer.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
12
Abbildung 2-8: Rammhammer der Firma Menck im Offshore Einsatz
Quelle: Energiesprektrum 2011
Betonpfähle haben einige Vorteile gegenüber Stahlpfählen. Zum einen sind sie
wesentlich kostengünstiger (Stahlpfähle erhält man oft nur zum vier- bis fünf-fachen
Preis der Betonpfähle). Zum anderen sind sie wesentlich haltbarer. Da außerdem
keine Reaktion mit Meerwasser auftritt, ist kein kathodischer Korrosionsschutz
erforderlich [Van de Brug, E. 2011].
2.3.2 Geometrie und Tragfähigkeit von Betonpfählen diverser Hersteller
Einige Hersteller von Betonrammpfählen stellen Daten ihrer Produkte im Internet frei
zur Verfügung. Daten von Abmessungen und Tragfähigkeiten ausgewählter
Hersteller sind in den folgenden Tabellen gegenübergestellt.
Die aufgeführten Pfahldurchmesser entsprechen zwar nicht denen der offshore
Rammpfähle, geben aber einen guten Überblick über das Angebot diverser
Hersteller von Betonpfählen.
Die Firma Walinco aus den Niederlanden führt jährlich zirka 300 Projekten in den
Niederlanden, in Belgien und Deutschland aus. Die Firma unterscheidet zwischen
Standard- und hochwertigem Betonpfahl.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
13
Tabelle 2-1: Pfahldaten der Firma Walinco
Standard Betonpfahl: Hochwertiger Betonrammpfahl:
Betongüte C30/37 C45/55 oder C60/75
Belastung bis 400 kN bis 1500 kN
Abmessungen Ø 210 mm, Ø 280 mm Ø 280 mm, Ø 310 mm
Quelle: Walinco 2000
Die schweizerische Firma Alphabeton hat ihr Spezialgebiet in linearen
Tragkonstruktionen aus Hochleistungsbeton. Folgende Daten wurden von
Alphabeton bereitgestellt. Alphabeton stellt runde Pfahlformen her.
Betongüte: C 60/75
Tabelle 2-2: Pfahldaten der Firma Alphabeton
Pfahldurchmesser [mm] Tragfähigkeit [kN]
200 1195
250 1844
300 2634
Quelle: Alphabeton 2013
Der deutsche Pfahlhersteller Centrum führt deutschland- und europaweit pro Jahr
etwa 200 Baustellen aus.
Betongüte: C50/60
Tabelle 2-3: Pfahldaten der Firma Centrum
Pfahlquerschnitt [mm] Tragfähigkeit [kN]
200 x 200 50 bis 250
250 x 250 250 bis 650
300 x 300 650 bis 1000
350 x 350 1000 bis 1400
400 x 400 1400 bis 2000
450 x 450 2000 bis 2400
Quelle: Centrum 2013
Literaturrecherche zum Stand der Technik
14
Entsprechend den Empfehlungen von Frau Dr. Katja Dombrowski-Daube1 soll beim
Projekt des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau Beton der Güte LC 55/60
verwendet werden [persönliches Gespräch am 23.05.2013]. Demnach würde die
Herstellerwahl auf die Firma Centrum fallen.
2.3.3 Richtlinien und Normen
Die folgenden Normen enthalten Empfehlungen zur Berechnung der Beton- und
Stahlbetonfundamente:
DIN 1045-1 (Juli 2001)
DIN 1045-3 (Juli 2001)
DIN ENV 1992-1-6 (Dezember 1994).
Richtlinien für geotechnische Untersuchungen sind folgenden Normen zu
entnehmen:
DIN 1054 (Januar 2005)
DIN 4019 (April 1979).
Weitere Normen sind unter [Möller 2006] aufgeführt.
2.4 Methoden des Rammens
Das Einbringen der Monopilegründungen kann über zwei unterschiedliche Verfahren
erfolgen. Im folgenden Kapitel werden diese ausführlich beschrieben. Das ältere
Verfahren durch Impulsrammung wird zunehmend durch die Vibrationsrammung
ersetzt, da dieses wesentlich weniger Schallabstrahlung verursacht. Auch
Kombinationen dieser Verfahren sind beispielsweise bei wechselnden Baugrund-
schichten möglich bzw. nötig.
2.4.1 Impulsrammung
Die Impulsrammung als Art Pfähle in den Boden einzubringen, erfolgte seit dem
16. Jahrhundert durch Handrammen. Erst im 19. Jahrhundert wurden aus diesen
sogenannten Freifallbären Schlagbären entwickelt [Seitz, Schmidt 2000]. Dabei fällt
ein Gewicht auf das Rammgut und schlägt dieses so nach und nach in den Boden
ein. Die einzelnen Rammstöße bestehen aus kurzen (50‐100 ms) Pulsen
1 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg
Literaturrecherche zum Stand der Technik
15
[ITAP 2010]. Dieses schlagende Verfahren kann in nahezu allen Geologien genutzt
werden.
Um das Gewicht des Hammers anzuheben, werden Druckluft, Explosionsgase,
Hydraulikflüssigkeit oder selten auch Dampf genutzt [Seitz, Schmidt 2000]. Die dabei
entstehende Schlagenergie ergibt sich aus:
2-1
Mit W für Energie, G für das Gewicht des Hammers und h für die Fallhöhe. Wenn der
obere Totpunkt beim Anheben erreicht ist, entweicht das Medium und das Gewicht
fällt auf das Rammgut. Die dabei abgegebene kinetische Energie ergibt sich aus:
2-2
Eine von oben auf das Fallgewicht wirkende Beschleunigung erhöht die kinetische
Energie. Diese Beschleunigung erfolgt durch die gleichen Energieträger, wie für das
Anheben des Gewichts.
Muss ein Tragfähigkeitsnachweis der Rammung erbracht werden, sind schlagende
Verfahren unbedingt erforderlich [ABI Gruppe 2013a].
Die ABI Gruppe ist ein Unternehmen, welches sich auf Pfahlgründungen spezialisiert
hat. Bei der Impulsrammung wird hier mit Schlagzahlen von 0-100 Schlägen/Minute
und einer Schlagenergie von 0-118 kNm gearbeitet [ABI Gruppe 2013b].
2.4.2 Herkömmliches Vibrieren
Die Impulsrammung ist eine äußerst schallintensive und bodenerschütternde
Variante um Pfähle in den Boden einzubringen. Daher hat sich in den letzten
50 Jahren die Vibrationsrammtechnik im Bauwesen etabliert [Kleibl/Heichel 2004].
Diese soll geringere Schallemissionen in die Meeresumwelt abgeben. Denkbar ist
dabei eine Kombination von Rütteln und Rammen.
Zwei gegenläufig rotierende Gewichte, die so angeordnet sind, dass sie die
Horizontalkomponente FH der Fliehkraft aufheben und die Vertikalkomponente FV
addieren, lassen dabei den Pfahl vibrieren und rütteln diesen so ein
[Seitz/Schmidt 2000]. Diese Technik erzeugt einen sinusförmigen Kraftverlauf,
durch den das Rammgut vor- und zurückbewegt wird.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
16
Die Schwingungen setzen die Reibung zwischen Rammgut und Boden herab, so
dass der Pfahl leichter absinken kann. Es muss aber eine statische Auflast, ohne die
kein Rammfortschritt möglich ist, vorgegeben sein [Kleibl/Heichel 2004].
Bisher ist nicht erforscht, bis zu welchem Pfahldurchmesser das Verfahren
einsetzbar ist. [Schultz‐von Glahn et al. 2006] gehen davon aus, dass dieses
Verfahren nur bei Pfahl‐Durchmessern bis ca. 2 m funktioniert.
Erfahrungen bestehen durch Referenzprojekte mit Pfahldurchmessern von
ca. 2,5 bis 3 m, wie z.B. der Gründung einer Test‐ und Demonstrations‐WEA in der
Jade vor Hooksiel durch die BARD Engineering GmbH und dem Projekt alpha
ventus. Selbst wenn nur ein geringer Teil der Einbindetiefe durch Vibration erzielt
wird, werden so die Rammschläge weniger.
Dadurch lassen sich die Verletzungszonen für Meeresbewohner reduzieren. Dieser
Effekt beruht darauf, dass sich die Schadenswirkung impulshaften Schalls mit der
Anzahl der Impulse erhöht. Denn die Schallenergie im Ohr der Organismen
akkumuliert sich über die Zeit [NMFS 2007, Southhall et al. 2007].
Bei Experimenten in Richmond/Kalifornien ergaben sich bei der Verwendung von
Vibrationsrammen Werte von max. 181 dB peak-to-peak und 167 dB SEL In 10 m
Entfernung [Caltrans 2007]. Überträgt man diese Werte auf Nord‐ oder Ostsee,
ergeben sich ein Einzelereignis‐Schalldruckpegel von 139 dB SEL und ein
Spitzenschallpegel von 153 dB peak-to-peak in einer Entfernung von 750 m. Die
Werte wurden entsprechend folgender Formel ermittelt:
2-3
Wobei Lr die Eingangsschallstärke beim Objekt, Ls der Quellpegel und R der Abstand
von der Quelle in Meter ist [Koschinski, Lüdemann 2011].
Hydroschallemissionen der Vibrationsrammung lagen dabei im Normalbetrieb etwa
15‐20 dB unter den Schallpegeln der Impulsrammung. Die Vibrationsrammung ist
allerdings bei festen Tonschichten nur bedingt einsetzbar, da es zum Fest-
fressen des Rammpfahls im Boden kommen kann. Dabei zeigt sich kein
weiteres Vorantreiben des Pfahls und die Schallemissionen verstärken sich
[Elmer et al. 2007].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
17
Man geht davon aus, dass bei einer Kombination von Rütteln und Rammen in den
Meeresboden etwa die Hälfte der benötigten Einbindetiefe von 44 m durch das
Rüttelverfahren erreicht werden kann und nur die restlichen 22 m gerammt werden
müssen [Koschinski, Lüdemann 2011].
Eine Halbierung der Anzahl der Schallimpulse bedeutet für den SEL-Wert 3 dB
weniger. Die rechnerisch. ermittelte Verletzungszone für Fische wird dadurch nicht
wesentlich geringer [Southall et al. 2007]. Dabei sinkt jedoch auch die Zeit der
Störeinwirkungen, da das Verfahren des Vibrationsrammens weniger Zeit
beansprucht als das Impulsrammen [Lammertz 2008].
Beim Bau des Offshore Windparks alpha ventus kam ebenfalls eine Vibrationsramme
zum Einsatz. Die Unterwasserschallpegel variierten dabei stark, lagen aber in
Summe um 142 dB in 750 m Entfernung, was deutlich leiser als bei der
Schlagramme mit 167 dB ist. In Abbildung 2-9 sind die Spektren beim Einsatz der
Vibrationsramme im OWP alpha ventus beim Umspannwerk AV0 im Vergleich zur
Schlagramme und zum Hintergrundgeräusch, gemessen in 1,2 km Entfernung,
dargestellt [Betke & Matuschek 2009].
Die berechneten Spitzenpegel für Impulsrammen liegen etwa 24 dB re 1 μPa höher
als die entsprechenden Werte für Vibrationsrammen [BfN 2011]. Der Zusatz „re“
bedeutet, dass die Beschallung relativ zu 1 μPa erfolgte.
Vibrationsrammen sind auch für den Offshore-Bereich auf dem aktuellen Stand der
Technik und wirtschaftlich einsetzbar. Da allerdings die erreichbare Einbindetiefe von
unterschiedlichen Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Pfahldurchmesser,
Wandstärke und Schwingungsverhalten des Pfahls sowie Größe der
Vibrationsramme abhängig ist, können nicht alle Pfähle auf diese Weise in
signifikante Tiefen gebracht werden. Demnach ist diese Art der Rammung nur in
Kombination mit Impulsrammen anwendbar.
Somit lassen sich laute Schallimpulse noch nicht vollständig vermeiden. Mitunter
werden ausgeschriebene Rammtiefen mit Vibrationstechnik allein nicht erreicht
[Kleibl/Heichel 2004].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
18
Abbildung 2-9: Spektren beim Einsatz der Vibrationsramme im OWP alpha ventus
Quelle: BETKE & MATUSCHEK 2009, ITAP 2010
Nach der Ansicht von Verfechtern des Impulsrammverfahrens haben gerüttelte
Pfähle eine geringere Standfestigkeit. Andere Fachleute behaupten wiederum, dass
mit dem Einrütteln dieselbe Standfestigkeit wie mit der Impulsrammung erzielt
werden kann.
In einer Dissertation von [Lammertz 2008] wurde das Tragverhalten dieser Systeme
verglichen. Dazu wurden benachbarte Bauwerkspfähle auf Tiefe gerammt bzw.
vibriert. Ihre Tragfähigkeit wurde durch Probebelastungen mithilfe von
Drucksondierungen bestimmt [Lammertz 2008]. Mittels Vibration in locker bis
mitteldicht gelagertem Sand ließen sich sogar höhere Tragfähigkeiten erzielen als
durch Schlagrammen [Lammertz 2004].
Generell muss beachtet werden, dass die letzten Schläge immer mit einer
Impulsramme erfolgen müssen. Denn nur so können Aussagen über das
Tragvermögen der Pfähle gemacht werden [Bauphysikkalender 2009].
Die ABI-Gruppe arbeitet bei der Vibrationsrammung mit einer maximalen Fliehkraft
von 750 - 1500 kN und einem statischen Moment von 0 - 30 kgm. Bei den Vibratoren
kommen dynamische Massen von 2105 – 3995 kg zum Einsatz [ABI Gruppe 2013c].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
19
2.4.3 Gerichtetes Vibrieren
Wie unter 2.4.2 beschrieben, wird beim herkömmlichen Vibrieren ein sinusförmiger
Kraftverlauf erzeugt. Dabei strebt der Boden auch eine harmonische Schwingung an.
Der dadurch entstehende Gleichklang zwischen Boden und Rammgut begünstigt,
dass speziell bindiger Boden leicht am Rammpfahl haften bleibt.
Somit würde sich die schwingende Masse vergrößern und die Amplitude der
Schwingung verkleinern. Im Extremfall kommt der Rammprozess zum Erliegen. Dies
hätte zur Folge, dass die eingebrachte Energie vollständig in Bodenschwingung
umgesetzt werden würde [Kleibl/Heichel 2004].
Um diese Probleme zu kompensieren, wurde das gerichtete Rütteln entwickelt.
Dabei wird der generierte Kraftverlauf so modifiziert dass eine ausgeprägte
Kraftspitze in Vortriebsrichtung dem Rammprozess die Bewegungsrichtung vorgibt
[Kleibl/Heichel 2004]. In Abbildung 2-10 wird die Kraftwirkung durch gerichtetes
Vibrieren mit der durch herkömmliches Vibrieren verglichen.
Um diese Kennlinienform zu erreichen wurden bisher zwei Konzepte zur Anregung
der Vibration untersucht. Das erste Konzept beruht auf der Anregung durch
unterschiedlich schnell rotierende Unwuchten. Dadurch wird das gerichtete Vibrieren
relativ einfach erreicht (Abbildung 2-11). Die Überlagerung der beiden sinusartig
verlaufenden Kraftwirkungen baut die Kraftspitze in einer Richtung ab und verstärkt
sie in der anderen (Abbildung 2-12).
Abbildung 2-10: Krafteintag beim herkömmlichen und Gerichteten Vibrieren
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Literaturrecherche zum Stand der Technik
20
Abbildung 2-11: Vibrator mit unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaaren
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Abbildung 2-12: Kraftwirkung der unterschiedlich schnell rotierenden Unwuchtpaare
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Die Vibrationsanregung durch rotierende Kurbelschleifen stellt das zweite Konzept
dar. In Abbildung 2-13 ist das Prinzip der rotierenden Kurbelschleife dargestellt. Die
Unwuchtmasse (1) wird über eine Gleitführung (2) vom rotierenden Antrieb (3)
bewegt. Durch den Versatz zwischen den Drehpunkten von Antrieb und Unwucht
bewegt sich diese mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit.
Um Horizontalgeschwindigkeiten zu kompensieren, werden zwei gegenläufig
drehende Unwuchtmassen verbaut. In Abbildung 2-14 wird die für die Wirkrichtung
relevante Komponente der Fliehkraft bei unterschiedlichen Exzentrizitäten gezeigt.
Die ABI Gruppe hat mit dem Versuchsvibrator RZVG40 (Abbildung 2-15) einen
baustellentauglichen Vibrator mit verstellbarer Kennlinie entwickelt. Beim Umschalten
der Maschine auf gerichtete Vibration trat eine signifikante Steigerung der
Vortriebsgeschwindigkeit auf.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
21
Abbildung 2-13: Prinzipskizze einer rotierenden Kurbelschleife
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Abbildung 2-14: Idealisierte Kraftverläufe bei unterschiedlicher Exzentrizität
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Mit der gerichteten Arbeitsweise lassen sich mit gleicher Antriebsleistung bei
geringerem Energieverbrauch größere Rammaufgaben erfüllen. Durch die geringere
Energieübertragung sind auch die Schwingungen im Boden bzw. Wasser kleiner. In
Vortriebsrichtung wirkt eine höhere Kraft als in Gegenrichtung. Daher reißt das
Rammgut vom Boden ab und die Umgebung wird weniger stark durch Vibration
belastet [Kleibl/Heichel 2004].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
22
Abbildung 2-15: Versuchsvibrator RZVG40
Quelle: Kleibl/Heichel 2004
Man kann sagen, dass die Methode des gerichteten Vibrierens ein
vielversprechendes System ist, welches mit baustellentauglicher Technik weiter
erprobt werden sollte [Kleibl/Heichel 2004].
2.4.4 Aus der Praxis ermittelte Vergleichswerte für die Rammmethoden
Die Rammarbeiten an der Anlage FINO 1 erfolgten mit einer maximalen Impulskraft
von F0 = 3,5 MN. Die wesentliche Schallabstrahlung wurde in einem
Frequenzbereich von
[Hz] 2-4
mit τ für die Impulsdauer in Sekunden gemessen. Für τ = 0,004 s liegt die
Grenzfrequenz des Erregerspektrums bei f = 375 Hz.
Bei Vibrationsrammen wird nahezu harmonisch mit einer Frequenz von
[Hz] 2-5
gerammt.
Die berechneten Spitzenpegel für Impulsrammen liegen etwa 24 dB re 1 μPa höher
als die entsprechenden Werte für Vibrationsrammen [Bauphysikkalender 2009].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
23
2.5 Stand der Technik zum sekundären Schallschutz beim Rammen von Pfählen
Da es bisher noch keine marktreifen Instrumente gibt, die gewährleisten können,
dass der Grenzwert von 160 dB eingehalten wird, darf dieser bei offshore
Rammarbeiten noch überschritten werden. Das gilt aber nur, wenn sich die Branche
aktiv an der Erforschung von Unterwasser-Schallschutzmethoden beteiligt
[Deutschlandfunk 2011].
Die Durchmesser der gerammten Pfähle werden immer größer. Dadurch sind
größere Schlagenergien nötig, was wiederum höhere Schallpegel verursacht.
Demzufolge wird eine immer stärkere Schalldämpfung nötig.
Folgende Schalldämpfungsmaßnahmen befinden sich derzeit in der Phase der
Entwicklung und Erprobung.
Blasenschleier
Zwischen Wasser und Luft besteht ein großer Dichteunterschied, der einen
erheblichen Impedanzsprung mit sich bringt. Aufgrund der Kompressibilität der Luft
wird durch Gasblasen im Wasser die Kompressibilität des Wassers und damit die
Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Medium verändert (Abbildung 2-16).
Durch Streuungs- und Absorptionseffekte werden die Schallamplituden ebenfalls
gedämpft, wenn die Schallanregung in der Nähe der Resonanzfrequenz erfolgt. Der
Blasenschleier ist erfolgversprechend, da die direkte Übertragung des Körperschalls
ins Wasser stärker ist als die indirekte Übertragung über Sediment und Luft (über alle
betrachteten Frequenzen 100 Hz bis 1 kHz).
Durch das Sediment ins Wasser übertragene Schallwellen können durch einen
ausreichend großen Blasenschleier ebenfalls gedämpft werden [Elmer et al. 2007a,
Grießmann et al. 2009].
Aufgrund dieser Effekte werden Blasenschleier als Schallminderungssysteme
verwendet. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen großem, kleinem und
geführtem Blasenschleier.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
24
Abbildung 2-16: Konzept des großen Blasenschleiers
Quelle: ISD 2010
Der große Blasenschleier besteht aus einem perforierten Leitungsring, der um die
zu rammende Gründungsstruktur auf den Meeresboden gelegt wird. Durch
Druckluftkompressoren wird in diesen Ring Luft gepumpt, welche in Form von Blasen
aufsteigt und einen Mantel um die Gründungsstelle erzeugt.
Die mit diesem System einhergehende Schallminderung ist stark frequenzabhängig.
In Abbildung 2-17 ist diese Frequenzabhängigkeit bei den Rammarbeiten zur FINO
3-Plattform mit und ohne Blasenschleier zu sehen.
Damit die Dämpfung nicht durch Schallbrücken vermindert wird, ist es wichtig, dass
der Pfahl vollständig umschlossen ist. Schallbrücken können durch Verdriftung der
Blasen aufgrund von Strömung entstehen. Der große Blasenschleier muss eine weite
Fläche umschließen, um seismische Wellen, welche den Schall in das Wasser
übertragen, zu verringern.
Erfahrungen mit dem großen Blasenschleier haben gezeigt, dass eine signifikante
Schallminderung zu verzeichnen ist. Zurzeit ist die Ausbringung dieses Systems sehr
aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Auch wird der Bauablauf stark
verzögert.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
25
Abbildung 2-17: Einzelereignis‐Schalldruckpegel (SEL)
Quelle: Grießmann et al. 2009
Ein neues System, welches es ermöglicht, den Blasenschleier mittels einer Trommel
direkt vom Schiff auszulegen, ist bezüglich des Installierens schneller und somit
wirtschaftlicher [Koschinski, Lüdemann 2011, Cay Grunau, Hydrotechnik Lübeck
GmbH, pers. Mitt.].
Der kleine oder auch gestufte Blasenschleier ist aus perforierten Luftleitungen in
mehreren Ebenen aufgebaut (Abbildung 2-18).
Die Schallminderungswerte entsprechen denen des großen Blasenschleiers. Auch
beim kleinen Blasenschleier können, besonders bei starker Strömung, Verdriftungen
und damit effektivitätsmindernde Schallbrücken entstehen.
Seismische Schallübertragung wird nicht aufgefangen, da der Durchmesser dieses
Systems dafür nicht ausreicht. Die nötigen Komponenten des kleinen
Blasenschleiers sind bereits serienreif [Grießmann 2009].
Blasenschleier sind grundsätzlich wassertiefen- und strömungsanfällig. Dadurch wird
ihr Einsatz in der Nordsee aufgrund der Tide auf ein kleines Zeitfenster begrenzt,
wodurch sie für die AWZ der Nordsee weniger effizient sind.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
26
Abbildung 2-18: Konzept des gestuften Blasenschleiers
Quelle: ISD 2010
Eine Abhilfe dazu soll der geführte Blasenschleier bringen. Dieses System zeichnet
sich dadurch aus, dass der Bereich der Luftblasen von einer festen Hülle umgeben
ist. Das hat den Vorteil, dass eine Verdriftung vermieden wird. Die Hülle bietet je
nach Material eine zusätzliche Schalldämpfung.
Wegen des geringen Durchmessers ist keine seismische Dämpfung möglich. Das
System ist zu geringen Kosten marktverfügbar, jedoch für große Wassertiefen und
Küstenentfernungen nicht geeignet. Dadurch besteht keine Relevanz für Projekte in
der AWZ [Caltrans 2009].
Ein senkrecht vor den Pfahl in die Strömung gehaltener Blasenstab bietet eine
weitere Möglichkeit, den Schall mittels Luftblasen zu dämpfen. Die Blasen sollen so
um den Pfahl herum transportiert werden. Es werden Dämpfungen wie beim
gestuften Blasenschleier erwartet. Allerdings gibt es noch keine Erprobung zu
diesem System.
Insgesamt lässt sich über Blasenschleier sagen, dass die durch dieses System
erbrachte Schalldämpfung bald den marktreifen Stand der Technik erreichen wird.
Bei Praxistests wurde im Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz die beste
Wirksamkeit erzielt.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
27
Abbildung 2-19: Konzept des geführten Blasenschleiers
Quelle: ISD 2010
Schallschutzmantel
Ein über den Pfahl gestülptes Stahlrohr ist Hauptbestandteil dieses sekundären
Schallschutzsystems. Dieses kann mit verschiedenen lufthaltigen Materialien gefüllt
werden (z.B. Schaumstoff oder Blasenfolie).
Für die Schalldämpfung sind die Reflexionseffekte im Rohr verantwortlich. Je größer
der Impedanzunterschied des Hüllmaterials ist, desto stärker ist die Schalldämpfung.
Werden mehrschichtige Konstruktionen verwendet, ist der Effekt noch größer.
Das System lässt sich auch mit einem Blasenschleier kombinieren. In Abbildung 2-20
ist ein Schallschutzmantel („isolation casing“) mit Blasen zwischen Pfahl und
Mantelrohr beim Rammen eines 2,4 m Pfahls an der Benicia-Martinez Brücke in
Kalifornien dargestellt.
Bei Untersuchungen an einem Schallschutzmantel, der aus einer 20 mm starken
PE-Blasenfolie bestand, die außen auf ein Stahlrohr aufgebracht war, betrug die
Schallminderung bei 1 kHz etwa 10 dB und oberhalb von 20 kHz über 20 dB. Wegen
der großen Gefahr der Beschädigung ist Blasenfolie jedoch nicht praxistauglich
[Elmer et al. 2007].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
28
Abbildung 2-20: Schallschutzmantel
Quelle: Caltrans 2007
Bei weiteren Versuchen wurde ein doppelwandiges, mit Montageschaum verfülltes
Kunststoffrohr mit einem Piezo‐Schallsender beschallt. Es wurden Schall-
dämpfungen von > 30 dB bis > 50 dB erzielt. An einem Pfahl mit 0,9 m Durchmesser
wurde eine Dämpfung von 20‐27 dB gemessen.
Bei Rammarbeiten an der Benicia-Martinez Brücke in Kalifornien wurden
Schallschutzmäntel in unterschiedlichen Ausführungen getestet. Ein mit Wasser
gefülltes über den Pfahl gestülptes Rohr brachte nur eine Dämpfung von 0,2 dB mit
sich.
Durch das Wasser geführte Blasen, was einem geführten Blasenschleier entspricht,
ergaben eine Dämpfung von 21 dB. Ein leer gepumptes Rohr ergab eine ähnlich
hohe Dämpfung, was einem Kofferdamm gleichkommt [Elmer et al. 2007].
Kofferdamm
Der Kofferdamm umhüllt ähnlich wie der Schallschutzmantel den Pfahl. Allerdings ist
dabei der Zwischenraum leer gepumpt, was eine akustische Entkopplung zur Folge
hat. Damit erfolgt die Rammung praktisch „an der Luft“. Das bringt eine sehr effektive
Schallminderung mit sich.
Wenn das Leerpumpen bei großen Wassertiefen nicht möglich ist, werden teilweise
Blasenschleier zur Schalldämpfung eingesetzt, was wiederum einem geführten
Blasenschleier gleichkommt. Der SEL-Wert von 160 dB wurde bereits nach 200 m
unterschritten, allerdings nur für Wassertiefen < 10 m [Koschinski, Lüdemann 2011].
Literaturrecherche zum Stand der Technik
29
In flachem Wasser werden oft Spundwände als Kofferdamm eingesetzt. Für tiefes
Wasser ist dies nicht möglich.
Um die Notwendigkeit komplizierter Kransysteme bei der Installation des
Kofferdamms zu reduzieren, wurde ein teleskopierbares System aus drei ineinander
liegenden gegeneinander abgedichteten Rohren entwickelt.
Es wurde kein direkter Vergleich der Rammungen mit und ohne Kofferdamm
durchgeführt. Aber zwischen 100 und 500 m Entfernung zur Rammstelle ergaben
sich, verglichen mit Werten aus der Verwendung eines Blasenschleiers, jeweils
2‐5 dB geringere Werte. Messungen ergaben Dämpfungen von mindestens 7‐10 dB
und maximal 25 dB. Bei einem Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz wurde die
beste Wirkung erzielt.
Hydroschalldämpfer (HSD)
Dieses System ist an elastischen, mit Gas gefüllten Ballons zur Schalldämpfung
erkennbar. Die Ballons werden an Netzen fixiert, die frei durchströmbar sind. Die
Anordnung der Ballons ist sehr variabel und hat ein geringes Gewicht.
Mit dem Hydroschalldämpfer lassen sich Nachteile des Blasenschleiers
kompensieren, denn die Ballons können nicht mit der Strömung driften und haben
eine konstante Größe. Dadurch lassen sich gezielt bestimmte Frequenzen dämpfen.
In einem Versuch wurden Ballons mit einem Durchmesser von ca. 6 cm verwendet,
die gezielt den Frequenzbereich 100 ‐ 300 Hz dämmen. Die dabei erzielte
Schallreduzierung betrug 19 dB (peak) bzw. 20‐22 dB (SEL). Mit HSD ist ebenfalls
eine Schalldämpfung des seismischen Übertragungsweges möglich, sofern diese
entlang des Meeresbodens aufgespannt werden [Betke 2008].
Es wurden noch keine Untersuchungen unter Praxisbedingungen durchgeführt.
Abbildung 2-21 zeigt schematisch die Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an
einem Rammpfahl.
Literaturrecherche zum Stand der Technik
30
Abbildung 2-21: Ausbringung eines Hydroschalldämpfers an einem Rammpfahl
Quelle: Offshore Stiftung 2011
Verlängerung der Impulsdauer
Numerische Untersuchungen von Elmer et al. (2007) ergaben, dass eine
Verlängerung der Dauer eines Rammstoßes die Schallemissionen verringert. Durch
die Verteilung der Schlagenergie auf eine längere Zeit werden die maximale
Stoßkraft und damit die Amplitude der Querdehnung verringert.
Gleichzeitig ergibt sich eine Verschiebung zu tieferen Frequenzen, weil die
Schwingungsdauer verlängert wird. In einer Modellierung eines FINO 1 Pfahls mit
etwa 1,5 m Durchmesser und 36 m Länge ergab die Verdoppelung der Schlagdauer
eine Reduzierung des Schallpegels um rund 9 dB (peak) [Elmer et al. 2007].
Weitere sekundäre Schallschutzmaßnahmen sind BEKA-Schale und Schlauchhülle.
Ausführliche Erläuterungen dazu sind unter [Koschinski, Lüdemann 2011] zu finden.
Modellierungen haben gezeigt, dass die direkte Übertragung des Körperschalls
gerammter Monopiles in die Wassersäule in beinahe allen betrachteten Frequenzen
(100 Hz bis 1 kHz) gegenüber den indirekten Übertragungswegen über das
Sediment und die Luft überwiegt (Abbildung 2-22).
Literaturrecherche zum Stand der Technik
31
Abbildung 2-22: Primäre Übertragungswege ohne Minderungsmaßnahmen
Quelle: Applied Physical Sciences 2010
Alle diese Verfahren zur sekundären Schallminderung haben einen Einfluss auf die
Offshore‐Logistik, da sie vor Beginn der Rammarbeiten installiert werden müssen.
Eine bestmögliche Integration in die Arbeitsabläufe vor Ort ist hier zwingend
notwendig, um den Ablauf nicht zu verzögern.
Der zusätzliche Zeitaufwand beim großen Blasenschleier sollte minimiert werden.
Denn diese Art der Schalldämpfung wird voraussichtlich als erste den marktreifen
Stand der Technik erreicht haben.
Es ist anzumerken, dass mit keinem der vorgestellten Systeme eine beliebig hohe
Dämpfung erzielbar ist [Koschinski, Lüdemann 2011]. Eine Kombination mehrerer
Systeme, um eine bestmögliche Minimierung der Schallemission zu erzielen, sollte
erprobt werden.
Beim Übertragungsweg über das Sediment ist für eine signifikante Schallminderung
nur ein primärer Schallschutz effektiv [Applied Physical Sciences 2010]. Um den
durch das Sediment übertragenen Schall zu minimieren und den logistischen
Aufwand beim Errichten sekundärer Maßnahmen zu vermeiden, sollen die in dieser
Arbeit erfolgenden Voruntersuchungen getätigt werden.
Akustik
32
3 Akustik
Um dem Leser ein Hintergrundwissen zu Schallausbreitung, Schallpegelgrößen und
Rammschallentstehung zu geben, werden diese Themen hier kurz erläutert.
3.1 Grundlagen der Schallausbreitung
Nach Michael Möser ist ein Schallereignis eine Wirkungskette, die er wie folgt
beschreibt. Eine Schallquelle versetzt das sie umgebende Medium in kleine Druck-
und Dichteschwingungen, diese werden in Folge von Kompressibilität und Masse
des Mediums übertragen und gelangen zum Ohr des Hörers [Möser 2007].
Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz des Tones und ein Maß
für die Tonhöhe mit der Maßeinheit Hertz (Hz). Je höher ein Ton ist, desto öfter
schwingt er und desto höher ist seine Frequenz. Die Lautstärke hängt dabei direkt
proportional von der Schwingungsamplitude ab und wird in Dezibel (dB) angegeben.
Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium innerhalb eines
Schallfeldes von der Schallquelle her symmetrisch in alle Richtungen aus. An den
Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Medien ändern sich die Eigenschaften der
Schallwelle.
In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten breitet sich der Schall longitudinal aus, da in
diesen Medien keinerlei Scherviskositäten auftreten. Dabei gibt es Verdünnungs-
fronten mit minimalem und Verdickungsfronten mit maximalem Druck. Die Wellen
breiten sich mit der, dem Medium entsprechenden, Schallgeschwindigkeit aus. Ist
kein Medium vorhanden, wie in einem Vakuum, gibt es auch keinen Schall
[Möser 2007].
3.2 Zentrale Größen der Akustik
Hörbarer Schall deckt mehrere Größenordnungen ab. Zur Veranschaulichung dient
die Logarithmische Darstellung. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Größen zur
Beschreibung des Schalls erläutert.
Akustik
33
Schalldruckpegel
Der Schalldruckpegel ist eine wichtige Größe in der Akustik. Er wird zur
Beschreibung der Lautstärke benötigt und ist als logarithmisches Maß für das
Verhältnis zwischen dem gemessenen Schalldruck und einem Bezugsschalldruck
definiert [Universität Wuppertal 2013]. Er wird durch folgende Formel beschrieben
[Möser 2007].
(
)
3-1
Mit LP für Schalldruckpegel, p für gemessenen Druck und p0 für den Referenzdruck.
Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) p0 = 2*10-5 Pa
Schallintensitätspegel:
3-2
Mit LI für den Schallintensitätspegel, I für die gemessene Intensität und I0 für die
Referenzintensität [Möser 2007].
Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) I0 = 10-12 W / m2
Schallleistungspegel:
3-3
Mit LW für den Schallleistungspegel, P für die gemessene Leistung und P0 für die
Referenzleistung [Möser 2007].
Bezugsgröße (menschliche Hörschwelle bei f = 1000 Hz) p0 = 10-12 W
Die drei beschriebenen Pegelgrößen werden in Dezibel [dB] angegeben.
Akustik
34
Abbildung 3-1: Zusammenhang zwischen Schallleistung, -druck und -pegel
Quelle: Kuttner 2012
Zur Vorstellung der Größe Dezibel [dB] gelten folgende Richtwerte [Universität
Wuppertal 2013]:
3dB entspricht Leistungsverdopplung
6 dB entspricht Schalldruckverdopplung
10 dB entspricht Verdopplung der empfundenen Lautstärke.
Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit in Gasen ist sowohl von der Temperatur als auch vom
Druck und dem Adiabatenexponent des Gases abhängig. Das liegt darin begründet,
dass die Ausbreitung einer Druckwelle in einem Gas zur Kompression des Volumens
führt und somit zu einer Dichteänderung. Für ein ideales Gas bei einer Temperatur
von 20 °C und einem Luftdruck von 1013 hPa gilt:
√
3-4
mit der Schallgeschwindigkeit C, der Dichte und dem Adiabatenexponent
[Universität Göttingen 2011].
In Flüssigkeiten hängt die Schallgeschwindigkeit von der Dichte ρ und dem
Kompressionsmodul M ab. Dabei gibt das Kompressionsmodul den Druck an. Die
Kompressibilität ist der Kehrwert dieses Moduls ( = 1/K).
Akustik
35
Dadurch ergibt sich für die Flüssigkeit [Universität Göttingen 2011]:
√
3-5
mit
3-6
Da Flüssigkeiten ein höheres Kompressionsmodul als Gase haben, ist bei ihnen
auch die Schallgeschwindigkeit höher. Für die meisten Flüssigkeiten liegt die
Schallgeschwindigkeit bei 1100-2000 m/s (Wasser 1480 m/s, Salzwasser 1530 m/s)
[Übersicht Schallgeschwindigkeiten 2013].
Im Gegensatz zu anderen Medien hängt die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern
neben der Dichte auch vom Elastizitätsmodul und der Querkontraktionszahl ab. Des
Weiteren unterscheidet man zwischen longitudinalen und transversalen Wellen.
Für Longitudinalwellen gilt:
√
3-7
Diese Formel gilt allerdings nur für einen langen Stab, in welchem Querkontraktionen
vernachlässigt werden können. Der Durchmesser des Stabes muss dann kleiner sein
als die Wellenlänge der durchlaufenden Schallwelle [Universität Göttingen 2011].
Für Transversalwellen ergibt sich:
√
3-8
mit dem Schubmodul G [Universität Göttingen 2011].
Bei anisotropen Festkörpern hängt die Schallgeschwindigkeit von der
Ausbreitungsrichtung ab. Für Longitudinalwellen gilt:
√
3-9
Akustik
36
Für eine Transversalwelle ergibt sich:
√
3-10
Die Querkontraktionszahl bezeichnet man auch als Poissonzahl und ist wie folgt
definiert:
3-11
mit der Durchmesseränderung und Längenänderung des Körpers [Universität
Göttingen 2011].
3.2.1 Vergleich der Schallgeschwindigkeiten in Beton und Stahl
Für Stahl und Beton ergeben sich mit Formel 3-7 für Longitudinalwellen eines
isotropen Werkstoffes rechnerisch folgende Werte für die Schallgeschwindigkeiten.
Stahl:
√
Werte für Stahl aus [Roloff/Matek 2009]. Beim Projekt Riffgat in der deutschen
Nordsee wurde Stahl der Sorte S 355 NL eingesetzt.
Beton:
√
Werte für Beton aus [Schneider Bautabellen 2008].
Erkennbar ist hier, dass Beton rein rechnerisch eine geringere Schallgeschwindigkeit
vorweist als Stahl.
3.2.2 Überblick der Materialien des Berechnungsmodells
Nachfolgend dargestellt ist eine Übersicht der im Berechnungsmodell verwendeten
Materialien mit ihren entsprechenden Dichten und Schallgeschwindigkeiten.
Akustik
37
Tabelle 3-1: Überblick Materialeigenschaften
Material Dichte [kg/m³] Schallgeschwindigkeit [m/s]
Sand 1745,6 852,1
dichter Sand 2086,3 1721,7
sehr dichter Sand 2574,0 3000,0
Lehm 1000,0 1500,0
dichter Lehm 1400,0 1440,0
Wasser 1025,0 1512,0
Quelle: Göttsche 2012
3.2.3 Schallpegelgrößen
Im folgenden Kapitel werden die eingangs erwähnten Grenzwerte erläutert.
(Energie-) äquivalenter Dauerschallpegel Leq
Der Leq ist die gebräuchlichste Messgröße in der Akustik und wird zur akustischen
Beschreibung von diversen Umwelt-Lärmquellen (z.B. Flug-, Eisenbahn- oder
Straßenlärm) verwendet. Beim Prinzip der Energieäquivalenz geht man davon aus,
dass die mittlere Schallenergie eines diskontinuierlichen Geräuschs in einem
Zeitraum T die gleiche Wirkung hat wie die eines kontinuierlichen Geräusches
gleicher Energie [Deutsche Gesellschaft für Akustik 2007].
Der energieäquivalente Dauerschallpegel wird definiert durch:
∫
3-12
Wobei p(t) den zeitlich verändernden Schalldruck, p0 den Bezugsschalldruck (bei
Unterwasserschall 1 µPa) und T die Mittelungszeit beschreiben [BioConsult SH
GmbH & Co.KG 2012].
Akustik
38
Einzelereignispegel LE bzw. SEL
Um Rammereignisse besser zu charakterisieren wird der Einzelereignispegel LE bzw.
engl. sound exposure level (SEL) verwendet. Der Leq allein ist kein ausreichendes
Maß, da er nicht nur von der Stärke der Rammschläge abhängt, sondern auch von
der Mittelungszeit und von den Pausen zwischen den Rammschlägen. Der
Einzelereignispegel ist folgendermaßen definiert:
∫
3-13
mit T1 und T2 für Anfangs- bzw. Endzeit der Mittelungen und T0 als Bezugswert für
eine Sekunde [BioConsult SH GmbH & Co.KG 2012].
Der Einzelereignispegel eines Schallimpulses (Rammschlag) ist damit der Pegel (Leq)
eines kontinuierlichen Schalls von 1 s Dauer und der gleichen Schallenergie wie der
Impuls. Der SEL bzw. LE ist schwieriger direkt zu messen als der Leq, wobei sich die
beiden Größen jedoch einfach ineinander umrechnen lassen:
( )
3-14
mit n als Anzahl der Schallereignisse, also der Rammschläge, innerhalb der Zeit T,
T0 = 1 s und Lhg für Stör- bzw. Hintergrundpegel zwischen den einzelnen
Rammschlägen.
Die obere Gleichung liefert somit aus einer Leq-Messung den mittleren
Einzelereignispegel SEL bzw. LE von n Schallereignissen (Rammschlägen). Für den
Fall, dass der Hintergrundpegel zwischen den Rammschlägen deutlich geringer als
der Rammschall ist (z. B. > 10 dB), kann mit hinreichender Genauigkeit mit einer
Vereinfachung von der obigen Gleichung folgendermaßen gerechnet werden
[Projekt Hydroschall Borkum West II 2012b]:
3-15
Spitzenpegel Lpeak
Der Spitzenpegel Lpeak ist ein Maß für Schalldruckspitzen. Im Gegensatz zu Leq
und LE bzw. SEL gibt es keine Mittelwertbildung.
Akustik
39
Der Spitzenpegel wird mithilfe der maximalen Druckamplitude berechnet
[Bauphysik Kalender 2009]:
| |
3-16
Wobei ppeak den maximal festgestellten positiven oder negativen Schalldruck angibt.
In Abbildung 3-2 ist das typische Verhalten des gemessenen Zeitsignals des
Unterwasserschalls bei einem Rammschlag in einigen 100 Metern Entfernung
dargestellt. Der Spitzenpegel Lpeak ist stets höher als der Einzelereignispegel. In der
Regel beträgt der Unterschied zwischen dem Lpeak und dem SEL bei Rammarbeiten
20 dB bis 25 dB.
Einige Autoren bevorzugen statt des Lpeak die Größe Peak-to-Peak-Wert. In der
Abbildung 3-2 ist ebenfalls eine Definition dieser Größe dargestellt.
Abbildung 3-2: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls
Quelle: Projekt Hydroschall Borkum West II 2012c
Vor dem eigentlichen Schallereignis kommt eine meist sinusförmige Schallwelle mit
ca. 0,05 s Vorlauf an das Hydrophon. Diese Schallwelle wird oftmals Preblow
genannt und ist vermutlich der durch den Rammschlag über den Pfahl ins Sediment
eingeleitete und vom Sediment ins Wasser abgestrahlte Anteil.
Dieser Schallanteil ist „schneller“ als der eigentliche Rammschlag, da die
Schallgeschwindigkeit des Pfahls und des Sediments (dichter bzw. sehr dichter
Sand) in der Regel deutlich höher sind als im Wasser. Bei dem in der Abbildung
gezeigten Beispiel ist der Preblow besonders stark ausgeprägt, da der bei dieser
Messung verwendete Pfahl bereits mit dem Sediment verwachsen war
Akustik
40
(Brodtener Pfahl). In der Regel ist der Preblow einen Faktor 3 bis 10 kleiner als der
eigentliche Rammschall [Projekt Hydroschall Borkum West II 2012].
3.3 Rammschall
Im Folgenden sollen dem Leser die Entstehung des Rammschalls und seine
Auswirkungen auf Meeressäuger nähergebracht werden.
3.3.1 Entstehung des Rammschalls
Die radiale Schwingungskomponente der Dehnschwingungen des Pfahls ist
verantwortlich für die Schallübertragung. Die Übertragung des Körperschalls erfolgt
in das Wasser, die Luft und den Boden. Ist die Einbindetiefe im Vergleich zur
Wassertiefe sehr groß, tritt vor allem Schallemission in den Boden auf.
Die Schallausbreitung im Wasser hängt vor allem von der Schallgeschwindigkeit, der
Wassertiefe und der Beschaffenheit der Grenzflächen zwischen Luft und Wasser
sowie Wasser und Boden ab. Die Schallgeschwindigkeit wird dabei vom
Druck, der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers beeinflusst
[Bauphysik Kalender 2009]. In Tabelle 3-2 werden die durchschnittlichen Kennwerte
von Meereswasser aufgezeigt.
Tabelle 3-2: Standardkennwerte für Meereswasser
Temperatur
T [°C]
Dichte ρ0
[kg/m3]
Salzgehalt
s [%]
Tiefe z
[m]
Schallgeschwindigkeit
c [m/s]
Schallkennimpedanz
Z0 [Ns/m3]
13 1023,4 3,48 10 1500 1,535*106
Quelle: Furrer/Lauber 1972
3.3.2 Auswirkungen des Rammschalls auf Meeresökosysteme
Was das menschliche Ohr an der Wasseroberfläche wahrnimmt, ist unter Wasser
aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit wesentlich lauter.
Abbildung 3-3 zeigt die Einwirkzonen einer Geräuschquelle für marine Säugetiere.
Der äußere Rand der Einwirkzone Hörbarkeit beschreibt die Hörschwelle eines
Lebewesens. Diese ist kein fester Wert sondern frequenzabhängig. Die Zonen der
Reaktion und Maskierung (Gebiet in dem die Schallquelle die Kommunikation der
Akustik
41
Säuger behindert) sind weniger deutlich abgegrenzt. Im Nahbereich einer
Schallquelle kann bei sehr starken Pegeln eine Zone der Schädigung entstehen.
Abbildung 3-3: Einwirkzonen einer Schallquelle
Quelle: Bauphysik Kalender 2009
Die erste Stufe der Schädigung ist die Anhebung der Hörschwelle (TTS, Temporary
Threshold Shift). Diese kann neben Stressreaktionen auch zu Orientierungs- und
Kommunikationslosigkeit führen. Durch sehr hohe Schallpegel können die Tiere eine
permanente Anhebung der Hörschwelle (PTS, Permanent Threshold Shift)
davontragen.
Biologen haben in den letzten Jahrzehnten herausgefunden, dass der Hörbereich
von Schweinswalen von unter 1 kHz bis etwa 150 kHz reicht. Dabei liegt die größte
Empfindlichkeit in dem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. In diesem Bereich liegt die
Hörschwelle bei 40 bis 50 dB re 1 μPa.
Mit tieferen Frequenzen nimmt die Hörempfindlichkeit stark ab. Bei Seehunden liegt
die Hörschwelle bei tieferen Frequenzen zum Beispiel niedriger als bei
Schweinswalen. In Abbildung 3-4 und Abbildung 3-5 sind die Hörschwellen von
Schweinswalen und Seehunden dargestellt.
Am besten untersucht ist das Auftreten von TTS bei Meeressäugern. Allerdings sind
die Daten noch sehr lückenhaft. Eine direkte Übertragung des Hörschwellenverlaufes
auf den Verlauf des Schwellenwertes für TTS ist nicht möglich. Denn dieser ist
Akustik
42
weitaus weniger frequenzabhängig als die Hörschwelle. Um eine bessere
Abschätzung der Gefährdung durch TTS zu treffen, ist nicht nur die Pegelhöhe
sondern auch die Einwirkzeit der Schallereignisse zu betrachten.
Abbildung 3-4: Hörschwellen des Schweinswals
Quelle: Bauphysik Kalender 2009
Abbildung 3-5: Hörschwellen des Seehundes
Quelle: Bauphysik Kalender 2009
Akustik
43
Zum Einbringen der Monopiles sind einige tausend Rammimpulse nötig. Über die
summierte Wirkung dieser hohen Anzahl von Impulsen sind derzeit noch große
Unsicherheiten vorhanden. Man kann allerdings mit Sicherheit sagen, dass sich ein
einzelner Schweinswal niemals für längere Zeit und schon gar nicht für die Dauer
eines gesamten Rammvorganges im Nahbereich aufhalten wird.
Da davon ausgegangen wird, dass die Meeressäuger bei 750 Metern eine
Hörschwellenverschiebung haben, hat das BSH für diese Entfernung einen
Grenzwert von 160 dB (SEL) festgelegt. Hörschwellenverschiebung bedeutet, der
Schweinswal wäre in dieser Entfernung eine Zeit lang betäubt und könnte nicht mehr
kommunizieren. Selbst das wäre gefährlich für diese Tiere, da sie sich durch ihr
Gehör sowohl orientieren und verständigen als auch Nahrung suchen.
Dadurch ist der Rammschall für Schweinswale durchaus lebensgefährlich.
Maßnahmen zur Minderung des Rammschalls werden derzeit entwickelt. Eine
Auswahl diverser Projekte des sekundären Schallschutzes wird unter 2.5
beschrieben.
Tabelle 3-3: Lautstärkevergleichstabelle
Lärm-Schallquellen Beispiele Schalldruckpegel LE in dB(A)
Blätterrascheln in der Ferne 10
Normale Wohnung, ruhige Ecke 50
Dieselmotor, 10 m entfernt 90
Disco, 1 m vom Lautsprecher 100
Unwohlseinsschwelle 120
Schmerzschwelle 130
Düsenflugzeug in 30 m Entfernung 140
Geschützknall in 20 m Entfernung 160
Quelle: Tontechnik-Rechner 2013
Zur Veranschaulichung des Grenzwertes von 160 dB SEL sind in Tabelle 3-3 Werte
für Schalldruckpegel des menschlichen Empfindens aufgeführt. Dabei ist zu
beachten, dass eine Erhöhung des Schalldruckes um 10 dB eine Verdoppelung der
empfundenen Lautstärke bedeutet (siehe 3.1). Diese Tabelle soll zeigen, dass ein
Wert von 160 dB in 750 m Entfernung immer noch als sehr laut einzustufen ist.
Akustik
44
3.4 Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen
Für die Berechnung der Schalldrücke in unterschiedlichen Entfernungen ist die
Kenntnis der Abnahme der Schallamplituden mit steigender Entfernung zum Erreger
von Bedeutung. Die Größe des Schalldrucks ist direkt proportional zum Kehrwert der
Entfernung von der Schallquelle. Zur Berechnung der Abnahme des Pegels kommt
folgende Formel zum Einsatz:
3-17
mit r1 und r2 als Entfernungen von der Schallquelle und k als Faktor, der die Art der
Wellenfront berücksichtigt. Für den Grenzfall der freien Schallausbreitung im
unbegrenzten Medium wird k = 20 verwendet. Dabei entspricht die Wellenfront einer
Kugeloberfläche und beschreibt näherungsweise die Ausbreitungsverhältnisse im
Tiefwasser bei relativ kleinen Entfernungen [Bauphysikkalender 2009].
Für einen Schallknall mit ideal reflektierender oberer und unterer Grenzfläche in sehr
flachem Wasser ist k = 10 zu verwenden. Die Schallwellenfront entspricht dabei der
Oberfläche eines Zylinders.
Bei der Wahl des Faktors k ist grundsätzlich zu entscheiden, ob es sich um flaches
oder tiefes Wasser handelt. Für diese Entscheidung wird die Formel
3-18
mit f für die Frequenz, c für die Wellengeschwindigkeit und λ als Wellenlänge
benutzt. Abhängig von Wassertiefe und Frequenz lässt sich beurteilen, ob
Schallausbreitungsverhältnisse für Flach- oder Tiefenwasser vorliegen. Liegen tiefe
Frequenzen vor, beträgt die Wellenlänge einige Hundert Meter. Für hohe
Frequenzen im kHz-Bereich treten Wellenlängen von λ < 1,5 m auf
[Bauphysikkalender 2009].
Mit folgenden Formeln können dazu Abschätzungen getroffen werden.
Flachwasser: ht * f < 100 3-19
Tiefwasser: ht * f ≥ 100 3-20
In den Formeln (3-19) und (3-20) ist f die Frequenz in kHz und ht die Wassertiefe in
Metern.
Akustik
45
Die Abnahme der Schalldruckamplitude wird in der semi-empirischen Formel von
Thiele zu
3-21
mit TL = „transmission loss“ (Abnahme des Schalldruckes gegenüber einer
Refernzentfernung von der Quelle von 1m), FL = 10 log (f in kHz) und r = Entfernung
in km angegeben [Bauphysikkalender 2009].
Für eine Entfernung von 1 m entspricht TL der Schalldruckpegeldifferenz aus
Gleichung (3-17). Diese Beziehung ist nach [Elmer 2007] für sandige Böden in der
Nordsee, Entfernungen zwischen 1 m und 80 km, Wassertiefen bis 100 m und
Frequenzen zwischen 100 Hz und 10 kHz gültig.
Sofern eine Wassertiefe von 30 m nicht überschritten wird, kann in Nord- und Ostsee
von Flachwasser ausgegangen werden. Die wesentliche Energie liegt hier im
Frequenzbereich f < 2 kHz.
Anhand zahlreicher Messungen und Gleichung (3-17) kann für die Nordsee k =15
und für die Ostsee k = 17 als gute Näherung angenommen werden. In der Ostsee ist
die Amplitudenabnahme vermutlich aufgrund stärkerer Dämpfung durch Absorption
größer. Dies kann bei einer vereinfachten Berechnung mit Gleichung (3-17) nur
durch einen erhöhten k Faktor berücksichtigt werden.
Beim Rammen bzw. Rütteln von Pfählen wird der Meeresboden ebenfalls zu
Schwingungen angeregt. Durch das Sediment wird dadurch Sekundärschall in das
Meereswasser übertragen [Bauphysikkalender 2009].
3.5 Messungen der Schalldrücke im Meereswasser
Zur Ermittlung der Schalldrücke beim Rammvorgang werden Hydrophone eingesetzt.
Der zu erfassende Frequenzbereich liegt zwischen 10 Hz und 80 kHz. Bei
Rammvorgängen von Pfahlgründungen werden im Meereswasser maximale
Schalldrücke von ppeak ≤ 1500 kPa erwartet.
Natürliche Schalldrücke, die durch Wind, Wellen, Regen und Schiffsverkehr
entstehen, werden als Hintergrundgeräusche definiert. Für diese Schalldrücke gelten
Werte von etwa ppeak ≤ 10 Pa.
Akustik
46
Abbildung 3-6 zeigt Spektren gemessener Hintergrundgeräuschpegel aus
unterschiedlichen Offshore-Projekten. Die Kurven beschreiben den äquivalenten
Dauerschallpegel Leq, der jeweils aus einer Mittelungsdauer von 10 s erreicht wurde.
Die Messeinrichtungen können vom Schiff aus im Wasser hängen oder am
Meeresboden verankert werden bzw. als autonomes Messsystem, welches die
Schalldrücke über mehrere Tage durchgehend erfassen kann agieren
(Abbildung 3-7). Es wird geraten, die Hydrophone etwas unterhalb der mittleren
Wassertiefe anzuordnen [Bauphysikkalender 2009].
Zu beachten ist, dass der hydrostatische Druck mit der Wassertiefe zunimmt. Darum
sollten die Hydrophone für Vergleichsmessungen in gleichen Wassertiefen
angebracht werden.
3-22
In der Akustik wird die Lautstärke meist nicht in Druckamplituden sondern in
Schalldruckpegeln angegeben. Prms ist dabei der quadratische Mittelwert des
Druckes und p0 der Bezugsdruck, welcher für Luftschall bei p0 = 2* 10-5 N/m2 und für
Wasserschall bei p0 = 1* 10-6 N/m2 liegt.
Luftschallpegel und Wasserschallpegel sind aufgrund der stark abweichenden
Referenzdrücke schwer zu vergleichen. Außerdem fehlen beim Hydroschall
Bewertungen, die beim Luftschall die Abhängigkeit der Hörempfindung von
Frequenz, Intensität und Zeitdauer berücksichtigen [Ambekar 2006].
In der Nord- und Ostsee wurden bei Pfahlrammungen in unterschiedlichen
Abständen zur Rammstelle die Schallpegel gemessen. Es wurden dabei
Impulsrammen mit einer maximalen Energie von E ≤ 800 kNm verwendet.
Tabelle 3-4 zeigt die Schalldruckpegel, die sich in einer Entfernung von
750 m ergaben.
Wenn man unterschiedliche Einbringenergien vergleicht, liegt beispielsweise bei
einer Energie von E = 750 kNm der Schalldruckpegel um Δ L ≈ 6 dB re 1 μPa höher
als bei einer Energie von 150 kNm [Bauphysikkalender 2009].
Das Maximum in der spektralen Verteilung lag bei den Rammarbeiten an den
Forschungsplattformen FINO 1 und 2 in Frequenzbändern zwischen 125 und 300 Hz.
Akustik
47
Am Messpfahl von Amrumbank West bzw. im Projekt alpha ventus betrug dieser
Wert 200 Hz [ITAP 2010].
Tabelle 3-4: Gemessene Spitzen- und Einzelereignis-Schalldruckpegel
Angaben zu Rammpfahl, Wassertiefe und Einbringenergie Lpeak
[dB re μPa]
LE
[dB re 1 μPa]
Monopile mit D = 3,50 m; Wassertiefe ht = 20 m;
Emax = 800 kNm
198 174
Pfahl für Tripod / Jacketgründung (FINO1) mit
1,50 ≤ D ≤ 2,50; Wassertiefe ht = 30 m; Emax = 280 kNm
192 162
Quelle: Bauphysikkalender 2009
Zwischen der Schlagenergie E der Ramme und dem Spitzenschalldruck ppeak besteht
annähernd der Zusammenhang [Bauphysikkalender 2009]:
√ 3-23
Abbildung 3-6: Hintergrundgeräuschpegel Leq (Medianwerte)
Quelle: Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Hrsg.)
Abbildung 3-7:Schallmessung vom Schiff (links) und mit autonomem Messsystem
Quelle: Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Hrsg.)
Akustik
48
Abbildung 3-8 zeigt den charakteristischen Verlauf des Schalldrucks bei
Rammarbeiten.
Abbildung 3-8: Charakteristischer Verlauf des Schalldrucks
Quelle: Nehls 2011
Computersimulation des Rammvorganges
49
4 Computersimulation des Rammvorganges
Die wesentliche Aufgabe dieser Masterarbeit bestand darin, den Schall, der beim
Rammen von Betonpfählen im Meereswasser entsteht, numerisch zu simulieren.
Dazu wurde mit der Software Ansys (Version 14.5) ein zweidimensionales
axialsymmetrisches Berechnungsmodell entwickelt, um den Druck in unter-
schiedlichen Abständen zur Symmetrieachse zu berechnen.
Im folgenden Abschnitt erfolgt die Erklärung zu den Grundlagen von
Computersimulationen. Anschließend wird die Modellbildung der Simulation erläutert.
4.1 Grundlagen der Simulation
Besonders in frühen Phasen der Entwicklung ist es oftmals notwendig,
Machbarkeitsstudien zu erstellen um zu einer schnellen Einschätzung bestimmter
Eigenschaften zu gelangen. Sind exakte Daten der Produkteigenschaften notwendig,
um sie beispielsweise mit feinen Toleranzen zu vergleichen, können Berechnungen
durchgeführt werden.
Wenn allerdings Eigenschaften untersucht werden sollen, die nicht mittels einer
analytischen Berechnung erfasst werden können, bietet es sich für diese Probleme
an, Simulationen durchzuführen. Die Bedeutung des Wortes Simulation ist nach der
VDI Norm 3633 die Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen
in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die
Wirklichkeit übertragbar sind. Vor allem durch die stark zunehmenden
Rechnerleistungen steigt die Bedeutung von Computersimulationen zur Ermittlung
von Eigenschaften an.
Um risikolos Erfahrungen zu sammeln und Einflussfaktoren mit geringem Aufwand
zu variieren, nutzt man numerische Simulationen. Dabei besteht die Möglichkeit,
viele Eingangsgrößen, wie statische beziehungsweise dynamische Lastfälle oder
unterschiedliche Lagerungs- bzw. Randbedingungen, vorzugeben.
Wenn mehrere Lösungsideen vorliegen, kann die Geometrie des Simulationsmodells
im Gegensatz zu der eines realen Bauteils schnell verändert werden. Dies ermöglicht
eine umfassende Informationsbeschaffung. Ein weiterer Vorteil ist, dass
Simulationsmodelle wiederverwendbar sind. Somit bietet die numerische Simulation
Computersimulation des Rammvorganges
50
eine weniger aufwendige Alternative zu kostspieligen Versuchsreihen
[Lindemann 2009].
Allerdings ist anzumerken, dass es relativ aufwendig sein kann numerische
Computersimulationen zu erstellen. Bei der Interpretation der Ergebnisse erhöht sich
ebenso der Aufwand, da diese vom Modell in die Realität zurückgeführt oder durch
Versuche im Labor verifiziert werden müssen.
Durch die richtige Anwendung von Simulationen kann der Anteil notwendiger
Versuche gesenkt und die Gesamtentwicklungszeit reduziert werden. In
Abbildung 4-1 ist der prognostizierte Anteil von Simulationen und Versuchen an der
gesamten Entwicklungszeit dargestellt. Ein weiterer Vorteil von
Computersimulationen sind automatisierte Optimierungsalgorithmen.
Abbildung 4-1: Prognostizierter Anteil von Simulationen und Versuchen
Quelle: Gruber 2012
4.2 Modellbildung
Das Berechnungsmodell wird mit der Software Ansys erstellt. Im Anschluss an die
Vorbereitung des numerischen Modells, das sogenannte Pre-Processing, erfolgt die
Berechnung. Für dieses Berechnungsmodell wurde zum Zeitpunkt t = 2 s ein
einzelner Schlag simuliert.
Als Ausgabe wird die Dehnung und der Spannungsverlauf im Pfahl sowie die
Druckausbreitung im Fluid generiert. Eine Darstellung des Berechnungsmodells ist in
Abbildung 4-2 gezeigt. Das Koordinaten-System ist wie folgt definiert. Die
x-Koordinate im globalen kartesischen Koordinatensystem entspricht dem Radius,
respektive der r-Koordinate im zylindrischen Koordinatensystem. Die y-Koordinate
Computersimulation des Rammvorganges
51
entspricht der Hochachse, welche gleichzeitig die z-Koordinate des zylindrischen
Koordinatensystems ist.
Das Modell zur Untersuchung des Schallpegeldrucks wird auf ein zylindrisches Profil
aus Beton begrenzt. Bei der Berechnung der Schwingungsantwort des
Betonzylinders und des Schalldruckpegels in einem Abstand r zum Lasteintrag
müssen die Wellengleichungen und die Bewegungsgleichungen der Struktur unter
Ansatz der erforderlichen Rand- und Übergangsbedingungen gelöst werden. Die
Schallausbreitung erfolgt dabei in einem Prüfbecken.
Zur numerischen Berechnung wird der Zylinder auf eine axialsymmetrische
Eigenschwingungsform reduziert, woraus sich ein zweidimensionales Modell ergibt.
Somit ist der Schall nur von der Wassertiefe z und dem Abstand zur Schallquelle
abhängig [Bauphysikkalender 2009].
Das erste Rechenmodell zur Validierung und Kalibrierung der Software besteht aus
einem senkrecht auf Sand stehenden Kreiszylinder und einem an den Zylinder
anschließenden Prüfbecken.
Das gesamte Berechnungsmodell besteht aus sogenannten Fluid 29, Fluid 129 und
Plane 42-Elementen. Diese Elementtypen werden unter 4.2.2 erläutert. Im Zuge
dessen werden auch die Rand- und Übergangsbedingungen beschrieben.
Um die Struktur des Pfahles mit dem Fluid zu verbinden, muss eine
Übergangsbedingung generiert werden. Diese Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) wurde
über Koppelelemente zwischen den Plane 42-Elementen des Pfahles und den
Fluid 29-Elementen des Wassers generiert (Abbildung 4-2).
Zur Belastung des Pfahls erfolgt der Lasteintrag an der Oberkannte der
Plane 42-Elemente durch einen transienten Stoß. Der Kraftbetrag und die
Periodendauer sind dabei den Belastungsbedingungen des in Kapitel 5 folgenden
Validierungsexperiments nachempfunden.
Der Pfahl selbst ist in Y-Richtung gelagert und kann sich in radialer Richtung
verformen (Abbildung 4-3). Durch diese radiale Verformung erfolgt eine Kompression
des Fluids. Somit ist eine Übertragung von Druck an das umgebende Medium bei
Computersimulation des Rammvorganges
52
Verformung des Pfahls möglich. Entsprechende Ergebnisse sind im folgenden
Abschnitt dargestellt.
Abbildung 4-2: 2D axialsymmetrisches Berechnungsmodell des Rammpfahls
Abbildung 4-3: Lagerung des Rammpfahls und Krafteinleitung
Computersimulation des Rammvorganges
53
4.2.1 Geometrie und Vernetzung
Zu Beginn wurde mit dem Design Modeler der Ansys Workbench die Geometrie des
Modells erstellt. Ein Labortechniker des Bergbauinstituts der TU Bergakademie
Freiberg fertigte Betonproben der Abmessungen Ø 0,05 x 0,1 m an. Der
Betonrammpfahl der Computersimulation sollte diesen Abmessungen entsprechen.
Aufgrund der Axialsymmetrie des Modells beträgt die Abmessung des Pfahles
0,025 x 0,1 m. Der Pfahl befindet sich zu 0,09 m unter Wasser. Die weiteren
Abmessungen des berechnungsmodells sind Abbildung 4-4 zu entnehmen. Das
Modell hat diese Größe, da es den Druck im Fluid an den gleichen radialen
Abständen wie im späteren Druckexperiment ausgeben sollte.
Abbildung 4-4: Abmessungen des Modells
Die kleinen Bereiche zwischen dem Pfahl und dem Sand sowie zwischen dem Pfahl
und dem Wasser beschreiben das FSI.
Computersimulation des Rammvorganges
54
Im Hintergrund der Computersimulation werden Differentialgleichungen gelöst.
Grundlage dafür können z.B. akustische Grund- oder Kontinuitätsgleichungen sein.
Dieses Thema soll in dieser Arbeit nicht behandelt werden. Ausführliche
Erläuterungen dazu sind in [Lecheler 2011] zu finden.
Die Differentialgleichungen können nur an definierten Stützstellen bzw. Knoten
berechnet werden [Lecheler 2011]. Hierfür muss ein Rechennetz erstellt werden,
welches das Gebiet in dem der Druck berechnet werden soll, vollständig ausfüllt.
Die Genauigkeit der Lösung hängt entscheidend von der Qualität des Rechennetzes
ab. Dabei gilt die Devise, dass das Netz so fein wie nötig und so grob wie möglich
erstellt werden soll. Zum einen sollen wichtige Berechnungsdetails genau erfasst
werden. Auf der anderen Seite soll sich der Rechenaufwand in akzeptablen Grenzen
befinden.
Moderne Programme zur Rechennetzerzeugung werden immer benutzerfreundlicher.
Dennoch kann es großen Aufwand bedeuten, die globalen und lokalen Parameter so
zu wählen, dass die Anforderungen an Genauigkeit und Rechenzeit erfüllt werden.
Bei der vorliegenden Arbeit wurde das Rechennetz mit dem Tool Ansys Mechanical
der Ansys Workbench erstellt. Der Netzgenerator erstellte zuerst ein automatisches
Netz, welches anschließend durch Werkzeuge bearbeitet wurde.
Um Unstetigkeiten am FSI auszugleichen und bessere Rechenergebnisse zu
erzielen, war eine Verfeinerung des Netzes erforderlich. Diese erfolgte durch das
Werkzeug Netzsteuerung. Ein strukturiertes Netz über den Elementen des Pfahls
sorgte für einen weichen Übergang an der Fluid-Struktur-Kopplung.
Daraufhin erfolgte die Festlegung der Elementgröße des Modells. Diese Größe
beträgt 0,001 m und entspricht der Breite des Kopplungselements des FSI zwischen
Pfahl und Wasser sowie zwischen Pfahl und Sand.
Damit ist gegeben, dass nicht zwei Kopplungselemente nebeneinander im Netz
liegen, da dies gegen die Definition des Fluid 29 verstoßen würde
[Ansys Manual 14.5.7]. Das fertiggestellte Rechennetz ist unter Abbildung 4-2 und
Abbildung 4-3 zu sehen.
Computersimulation des Rammvorganges
55
4.2.2 Verwendete Elementtypen
Fluid 29
Der Elementtyp Fluid 29 wird zur Modellierung flüssiger Medien benutzt. Durch
Variation der Elementdefinition kann das Element als Koppelelement zwischen
Festkörperstruktur und Flüssigkeit, ein sogenanntes Fluid Struktur Interaktion (FSI)
oder als Flüssigkeitselement selbst dienen.
Typische Anwendungsbereiche des Fluid 29-Elements sind akustische Berech-
nungen. Wie in Abbildung 4-5 gezeigt, hat das Element vier Eckknoten mit drei
Freiheitsgraden pro Knoten (Bewegung in x - und y - Richtung sowie Druck).
Wenn keine strukturelle Bewegung vorhanden ist, können mit dem Element auch
statische, modale und reduzierte harmonische Analysen getätigt werden. Die
Materialeigenschaften des Elements sind als kompressibel und dünnflüssig definiert.
Dichte und Druck sind innerhalb des Elementes einheitlich.
Abbildung 4-5: Elementskizze des Fluid29
Quelle: Ansys Hilfe 2013
Im Modell wurden mit dem Fluid 29-Element die Bereiche von Wasser und Sand
sowie die Grenzflächen zwischen Rammpfahl und Wasser bzw. Rammpfahl und
Sand beschrieben (Abbildung 4-6).
Computersimulation des Rammvorganges
56
Abbildung 4-6: Elemente, die durch Fluid29 beschrieben wurden
Fluid 129
Fluid 129 ist ein Begleitelement zu Fluid 29. Es wird zur Simulation des
Berechnungsrandes benutzt (Abbildung 4-7) und definiert eine periodische
Randbedingung ohne Effekte der Reflektion.
Dabei wird die zweidimensionale Grenze des Fluidbereichs abgebildet
(Abbildung 4-7). Dies kann sowohl ebenflächig als auch axialsymmetrisch erfolgen.
Das Element besitzt zwei Knoten mit dem Druck als Freiheitsgrad für jeden Knoten
(Abbildung 4-8). Fluid 129 ist durch symmetrische Steifigkeit und eine
Dämpfungsmatrix definiert.
Das Element muss grundsätzlich kreisförmig definiert sein. Dabei muss sich das
Zentrum des Kreises auf der Struktur, also hier auf dem Betonpfahl befinden. Darum
hat das Modell die Form eines Tortenstücks. Der Übergang zur Luft muss nicht rund
sein, da an diesem keine Absorption sondern Reflektion vorherrscht
[Ansys Hilfe 2013].
Computersimulation des Rammvorganges
57
Abbildung 4-7: Rand- und Übergangsbedingungen des FE-Modells
Abbildung 4-8: Elementskizze des Fluid 129
Quelle: Ansys Hilfe 2013
Computersimulation des Rammvorganges
58
Plane 42
Das Element Plane 42 wird für die zweidimensionale Modellierung fester Strukturen
verwendet. Es kann entweder als Flächenelement, für ebene Spannungen, ebene
Verzerrung, oder als axialsymmetrisches Element genutzt werden. Das Element wird
durch vier Knoten mit je zwei Freiheitsgraden (Translation in X und Y Richtung)
definiert.
Mit Plane 42 können Plastizität, Kriechen, Schwellung, Spannungsversteifung, große
Durchbiegung und große Verzerrung berechnet werden. Es besteht die Möglichkeit,
zusätzliche Verschiebungsformen zu unterdrücken.
Der Lasteintrag kann bei Plane 42 als Flächenlast oder Einzellast erfolgen. Wobei
die Element-Spannungs-Richtungen dem Koordinatensystem des Elements
entsprechen.
Abbildung 4-9: Elementskizze des Plane 42
Quelle: Ansys Hilfe 2013
In dieser Arbeit wurde das Plane 42 Element zur Beschreibung des zylindrischen
Betonrammpfahles verwendet (Abbildung 4-10).
Computersimulation des Rammvorganges
59
Abbildung 4-10: Elemente, die durch Plane 42 beschrieben wurden
4.3 Numerische Berechnung
Im späteren Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells wurde mit einer
Last von 10 kg gearbeitet, da kein anderer Freifallhammer zur Verfügung stand. Die
Computersimulation mit dieser Last brachte eine sehr geringe Verformung des
Pfahles und somit keine Druckausbreitung im Fluid mit sich. Demnach musste iterativ
die Last ermittelt werden, die den im Experiment ermittelten Messwerten für den
Druck entspricht.
Es wurde festgestellt, dass die Dämpfungseigenschaften der Materialien einen
erheblichen Einfluss auf die Rechenergebnisse haben. In Ansys kann die
Materialdämpfung in Abhängigkeit der massenproportionalen Dämpfung (α) und der
steifigkeitsproportionalen Dämpfung (β) gesteuert werden. In [Bundesamt für Wasser
und Geologie 2003] wurde für Beton folgende Werte angenommen: α = 0,5353 und
β = 0,0032. Die Größenordnung dieser Werte wurde für die iterative Berechnung
verwendet.
Die durchgeführten Berechnungen wurden durch Last- und Dämpfungswerte
parametrisiert. Der Einfluss der massenproportionalen Dämpfung führte zu keiner
Änderung der Drücke im Fluid oder Spannungen am Betonpfahl. Allerdings war
durch eine Steigerung der steifigkeitsproportionalen Dämpfung eine Abschwächung
Computersimulation des Rammvorganges
60
der Fluiddrücke zu bemerken. Des Weiteren verlaufen dadurch der Anstieg und der
Abfall der Verformungskurve der Betonprobe flacher (Abbildung 4-11).
Nachdem für eine Kombination aus Last- und Dämpfungsparameter eine gute
Korrelation zwischen den berechneten und gemessenen Werten zu erkennen war,
wurde die Berechnung eingestellt. Dies war hier bei den iterativ bestimmten
Parameterwerten von 42 kN für die Last und 0,006 für den steifigkeits-proportionalen
Dämpfungsfaktor der Fall.
Diese hohe Belastung wird folgendermaßen begründet: Da es sich hier um ein
Zweidimensionales Modell handelt und somit keine Fläche aufgespannt wird, hat der
Druck an den Knoten einen maximalen Wert. Dadurch ist auch eine maximale Last
bedingt.
Der Validierungsversuch ergab Druckwerte an drei radialen Abständen l (8,5 cm,
9 cm, 10 cm). Die Abstände aus dem Validierungsversuch waren somit Vorgabe für
das Berechnungsmodell. Bei jedem der drei Abstände zur Probenmitte wurden sechs
zusammenhängende Elemente ausgewählt. Der Mittelwert der berechneten Drücke
an diesen sechs Elementen diente als Referenzwert für die jeweiligen Abstände. Die
ermittelten Werte für den Druck im Fluid sind den folgenden Dateien zu entnehmen:
out_matrix_fluid_pres-8.5_-42000_0.5_3.E-03.txt
out_matrix_fluid_pres-9_-42000_0.5_3.E-03.txt
out_matrix_fluid_pres-10_-42000_0.5_3.E-03.txt.
Der Dateiname beschreibt den radialen Abstand, die aufgebrachte Last, den Einfluss
der Masse auf die Dämpfung und die Dämpfung proportional zur aktuellen Steifigkeit.
Die errechneten Werte sind unter 4.4 grafisch dargestellt.
Den Dateien:
out_matrix_pile_-42000_0.5_3.E-03.txt
out_matrix_pile_-42000_0.5_5.E-03.txt
out_matrix_pile_-42000_0.5_7.E-03.txt.
Computersimulation des Rammvorganges
61
sind die äquivalenten Verformungen des Pfahls (strain_EQV), welche im folgenden
Diagramm dargestellt sind, zu entnehmen.
Abbildung 4-11: Abhängigkeit der Verformung von der Dämpfung über Dauer des Lasteintrages
In den Ausgabedateien des Piles ist zu sehen, dass für die Dauer des
Rammschlages von 0,1 Sekunden eine äquivalente Verformung des Pfahles auftritt.
Die so berechneten Werte wurden anschließend mit denen des Experiments
verglichen (5.3.4).
Aufgrund des großen Umfanges der Thematik wurde in dieser Arbeit keine
Betrachtung der Berechnungsgleichungen durchgeführt. Eine Implementierung der
Akustik in Ansys wurde bereits bei der Programmierung der Anwendersoftware
durchgeführt. Für theoretische Hintergründe der Berechnungen ist daher die Ansys
Dokumentation zu studieren.
Unter MA-RoMer\BeMo\ ist das vollständige Berechnungsmodell mit allen
Quelltexten zusammengefasst. Zum Starten der Simulation muss die Datei
„_system.dat“ in der Ansys ADPL eingelesen werden. Die Ausgabewerte sind unter
MA-RoMer\BeMo\Ausgabewerte zu finden.
4.4 Ermittelte Werte
Es war festzustellen, dass die Zeitschrittweite einen enormen Einfluss auf die
Ergebnisse der Berechnung hat. Kleinere Zeitschrittweiten brachten plausiblere
Ergebnisse mit sich. So war bei einer Zeitschrittweite von 0,01 Sekunden nur eine
Computersimulation des Rammvorganges
62
kleine Druckspitze und ein deutliches Nachschwingen im Fluid zu erkennen
(Abbildung 4-12).
Wurde die Zeitschrittweite kleiner gewählt (0,0001 Sekunden), war kurz nach dem
Rammschlag eine deutlich größere Druckspitze im Fluid, zu erkennen
(Abbildung 4-13). Dies liegt vermutlich darin begründet, dass die Druckspitze bei
großen Zeitschrittweiten zwischen den Zeitschritten liegt und somit nicht ausgegeben
werden kann. Im weiteren Verlauf schwingt der Druck kurz nach. Das Modell muss in
Bezug auf die Zeitschrittweitensteuerung noch weiter optimiert werden. Der
berechnete Verlauf des Schalldruckpegels für diese kleine Zeitschrittweite entspricht
etwa dem der bei Rammarbeiten gemessen wurde (Abbildung 3-8).
Abbildung 4-12: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,01 s
In Abbildung 4-13 wird der Druckverlauf für einen einzelnen Rammschlag bei einer
Zeitschrittweite von 0,0001 s abgebildet. Das Diagramm zeigt den Druckverlauf in
Millibar [mbar]. Gut zu erkennen sind die Druckspitze zum Zeitpunkt des Schlages
und das Abklingen der Druckschwingung.
Computersimulation des Rammvorganges
63
Abbildung 4-13: Druckverlauf für einen Einzelschlag bei einer Zeitschrittweite von 0,0001 s
In Abbildung 4-14 werden die numerisch berechneten Druckverläufe an den drei
Messpunkten für eine Zeitschrittweite von 0,0001 s dargestellt. Aufgrund der hohen
Schallgeschwindigkeit in Wasser tritt an allen drei Messpunkten optisch gleichzeitig
eine Druckspitze auf.
Auch hier würde eine kleinere Zeitschrittweite Abhilfe schaffen, um eine
Verschiebung der Druckspitzen über die Messpunkte festzustellen. Auch müsste das
Modell größer skaliert und der Druck an weiter auseinander liegenden Punkten
berechnet werden.
Das Diagramm stellt die Ergebnisse in Millibar [mbar] dar. Aufgetragen werden die
Druckverläufe an den Elementen der radialen Abstände von 8,5 cm; 9 cm und 10 cm.
Deutlich zu erkennen ist, dass der erste Ausschlag in positiver Richtung verläuft.
Dies entspricht auch den experimentell ermittelten Werten aus 5.3.3.
Experimente zur Validierung der Simulation
65
5 Experimente zur Validierung der Simulation
Um die berechneten Ergebnisse von FE-Analysen zu kontrollieren, sollten diese
validiert werden. Das heißt, es muss eine Prüfung auf plausibles Verhalten des
Modells erfolgen [Deger 2008]. Ist das nicht der Fall, soll die Validierung zur
Ermittlung des Fehlers dienen. Für die Validierung von FE-Modellen gibt es
unterschiedliche Varianten.
Die erste Möglichkeit ist die Kontrolle durch das FE-Programm. Dabei wird die
gesamte Simulation auf fehlende Materialdaten, statische Unbestimmtheit oder
schlechte Elementformen automatisch überprüft. Diese Art der Validierung über ein
Minimalmodell bezeichnet man als physikalische Prüfung. Modellierungsfehler, wie
falsche physikalische Eingangs-daten, können nicht erfasst werden.
Die zweite Möglichkeit ist die Plausibilitätskontrolle hinsichtlich Art und Größe der
Ergebnisse mit den Erfahrungen des Ingenieurs. Überschlägige Kontrollrechnungen
einfacher Zug- und Biegebeanspruchungen stellen den dritten Weg der Validierung
dar. Eine gute quantitative und qualitative Kontrolle ergibt sich durch den Vergleich
unterschiedlich aufgebauter Modelle. Zunächst kann ein vereinfachtes Modell
berechnet und später mit dem komplizierten Berechnungsmodell verglichen werden.
Die zuverlässigste, allerdings auch meistens aufwendigste Kontrollmöglichkeit ist die
experimentelle Überprüfung. Dabei erfolgt ein Vergleich der Simulationsergebnisse
mit experimentell ermittelten Daten [Fröhlich 2005].
In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Validierung des Berechnungsmodells durch
den Vergleich unterschiedlicher Minimalmodelle und mittels Laborexperimenten.
Zur abschließenden Validierung dienten hier Experimente. In einem
Ultraschallversuch wurde die Schallgeschwindigkeit der Betonproben ermittelt. Ein
Experiment bei dem die Hammerschlagmethode zum Einsatz kam diente zur
Kalibrierung des Berechnungsmodells. Bei diesem wurde der emittierte Schalldruck
der Betonproben ermittelt. Das folgende Kapitel beschreibt diese Experimente
genauer.
Experimente zur Validierung der Simulation
66
5.1 Herstellung der Betonproben
Für die Validierung der rechnerischen Schallsimulation unter Praxisbedingungen und
zur Ermittlung von Kennwerten wurden spezielle Zylinderproben hergestellt. Dabei
wurden unterschiedliche Betonmischungen aus diversen Bestandteilen, die hier nicht
erläutert werden sollen, hergestellt. Ziel war ein fester und schallabsorbierender
Beton, der unter Meewasserbedingungen beständig ist.
Recherchen haben gezeigt, dass die Druckfestigkeitsklasse C 50/60 die Festigkeits-
anforderungen mit der geforderten Schlagfestigkeit für Rammpfahlbeton erfüllt.
Dieses Kriterium wurde zur Mischungseinstellung der schlagfesten Vergleichs-
betone herangezogen.
Die Festigkeitsklassen der Leichtbetone weichen von denen der Normalbetone ab.
Daher wurde als Zielgröße die Festigkeitsklasse LC 55/60 definiert, was der
Festigkeit eines hochfesten Leichtbetons entspricht.
Die Betonproben zur Ultraschallmessung wurden nach dem Mischplan in der Anlage
„Rezepturen Beton“ erstellt. In Abbildung 5-1 sind die Betonproben beim Aushärten
in der Form und fertiggestellt zu sehen. Die Abmessungen betragen Ø 0,05 x 0,1 m.
Diese Betonproben kamen im Ultraschallversuch und im Experiment zur Validierung
des Berechnungsmodells zur Anwendung.
Abbildung 5-1: Betonproben in der Form (links) und ausgehärtete Proben (rechts)
5.2 Ultraschallversuch
Mit dem Ultraschallmessverfahren erfolgte die experimentelle Untersuchung der
Schallemissionen. Dabei wurde der Dämpfungsgrad der Materialien ermittelt, indem
die Ultraschalllaufzeiten durch Balken der Abmessungen 8 x 8 x 25 cm erfasst und
die Ultraschallgeschwindigkeiten miteinander verglichen wurden. Dieser Dämpfungs-
Experimente zur Validierung der Simulation
67
grad ist ein Maß für die Dämpfung eines schwingfähigen Systems. Es handelt sich
dabei um eine dimensionslose Größe [Rieländer 1982].
Es sollen in dieser Arbeit die Werte für Porenleichtbeton der Güte C 50/60 und
Normalbeton der Güte LC 60/65, welchen die Firma Centrum zur Herstellung ihrer
Betonpfähle verwendet, ermittelt werden. Diese beiden Betone erfüllen die
geforderten Festigkeitswerte der Rammvorgaben. Die Beschaffung der
Dämpfungsgrade für Betone ist sehr kompliziert. Die Hersteller unterschiedlicher
Betonrammpfähle trafen keine Aussage dazu. Vermutlich war es bisher nicht nötig
diese zu ermitteln.
5.2.1 Grundlagen des Ultraschallversuchs
Ultraschall bezeichnet im Allgemeinen mechanische Schwingungen. Die Frequenz
liegt dabei oberhalb des hörbaren Bereiches. Die Grenze zwischen hörbarem Schall
und Ultraschall befindet sich etwa bei 20 kHz. Feste Stoffe weisen für
Ultraschallwellen sehr günstige Ausbreitungsbedingungen auf.
Die Wellenfronten breiten sich geradlinig aus, solange der Abstand hinreichend groß
von der Anregungsstelle ist [Macherauch 2011]. Die Ultraschallwellen werden mittels
elektrischer Wechselspannung und einem Umwandler (Piezokristall) erzeugt und
über Koppelmittel in das Werkstück eingeleitet. Die Frequenzen sind dem Werkstoff
anzupassen, da die Schwinger auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind und in
Resonanz arbeiten [Krompholz 2008].
Wie die Ultraschallwelle in den Prüfkörper eingeleitet wird hängt von der Prüfaufgabe
ab. Dies kann entweder als Longitudinalwelle senkrecht zur Oberfläche oder mittels
sogenannter Winkelprüfköpfe unter einem bestimmten Einschallwinkel zur
Oberflächennormalen geschehen.
Die reflektierte und/oder geschwächte Schallwelle wird von demselben oder einem
anderen Schwinger empfangen. Der Schwinger wandelt die Welle in ein elektrisches
Signal um und verstärkt es. Die Darstellung erfolgt als Impuls über der Zeit.
Als Verfahren zur technischen Prüfung verwendet man fast ausschließlich das
Durchschallungs- und das Impulsechoverfahren. Zu diesen Verfahren gibt es
Experimente zur Validierung der Simulation
68
zahlreiche Abwandlungen und Sonderformen zur Vermessung verschiedenster
Prüfkörper [Macherauch 2011].
Das Durchschallungsverfahren setzt voraus, dass der Prüfkörper von allen Seiten
zugänglich ist, da sich Ultraschallgeber und –empfänger direkt gegenüber stehen
müssen [Krompholz 2008]
Je nach Prüfaufgabe stehen Ultraschallprüfgeräte mit unterschiedlichen Prüfköpfen
zur Verfügung. Zur Ankopplung an die Prüfobjekte wird ein Kopplungsmittel
aufgetragen. Die Prüffrequenzen liegen für Beton bei 20-250 kHz. Der für Menschen
hörbare Schall liegt bei Frequenzen von 16 Hz bis 20 kHz.
Vor jeder Messreihe wird die Messapparatur mit einem Körper gleicher Geometrie,
von dem Messwerte bekannt sind, kalibriert. Des Weiteren wird über die Zeitdifferenz
zwischen Eingangs- und Rückwandecho für die vorliegende Schallgeschwindigkeit
eine Wegkalibrierung der Anzeige vorgenommen.
Der Prüfkopf wird auf der Werkstückoberfläche bewegt. Dabei sind die Signale auf
dem Bildschirm zu beobachten und die Entfernung zur Oberfläche zu messen.
Durch die Veränderung der Höhe der Echosignale kann man Angaben über die
flächige Erstreckung der Fehler machen. Werden mehrere Oberflächen beschallt,
können Mehrfachechos entstehen. Dies erschwert die Auswertung der Anzeige
[Macherauch 2011].
5.2.2 Beschreibung des Ultraschallversuches
Die Betonprobe wird im mit Wasser gefüllten Messkasten positioniert. Der
Ultraschallgeber auf der Kopfseite der Probe sendet den Schallimpuls durch die
Probe. Der Geber-Prüfkopf ist am Messobjekt mit Koppelmittel anzukoppeln.
Die Oberfläche der Probe muss rau sein, da sonst das Koppelmittel nicht richtig hält.
Zum Betrieb der magnetostriktiven Ultraschall-Geber sind Impulse hoher Stromstärke
erforderlich. Die piezoelektrischen Geber erfordern wiederum Impulse hoher
Spannung. Der Ultraschall-Impulsgenerator (Abbildung 5-2) erzeugt diese Impulse
[Krompholz 2003].
Experimente zur Validierung der Simulation
69
Abbildung 5-2: Ultraschallimpulsgenerator
Im Idealfall sollte die Probe mittig im Wasserbecken stehen. Dadurch werden
Randeffekte, wie Reflektionen vermieden. Die Betonproben haben einen
Durchmesser von 5 cm. Der Abstand zwischen Probe und Messaufnehmer sollte
mindestens das Dreifache des Probendurchmessers betragen [persönliches
Gespräch mit Frank Adam2 am 27.05.2013].
Leider konnte während der Zeit der Anfertigung dieser Arbeit kein Wasserbecken
beschafft werden, dass den geforderten Größenanforderungen entspricht und eine
Vorrichtung für Ultraschallnehmer hat. Das Wasserbecken des Instituts hat
Abmessungen von 18 cm x 24 cm (siehe Abbildung 5-3). Für die ersten Messungen
sollte das vorhandene Becken ausreichen.
Der von der Probe emittierte Schall wird nach Durchlauf eines definierten
Schallweges im Wasserbecken vom Schallnehmer aufgenommen und vom
Ultraschall Empfängersystem „Fluke 192B SCOPEMETER“ (Abbildung 5-4)
aufgezeichnet.
Abbildung 5-5 und Abbildung 5-6 zeigen den Messrechner mit der Software
LightHouse 2000-SM und den Versuchsaufbau der Ultraschallmessung.
2 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg
Experimente zur Validierung der Simulation
70
Abbildung 5-3: Aquabox für Ultraschallmessungen
Abbildung 5-4:Ultraschal Empfängersystem
Abbildung 5-5: Messrechner
Experimente zur Validierung der Simulation
71
Abbildung 5-6: Prinzip des Messaufbaus
Um die Schallgeschwindigkeit des durch die Probe geflossenen Ultraschalls
auszulesen, wird der erste die horizontale Null-Linie verlassende Signalabschnitt
verwendet. Dieser wird auch als „erster Einsatz“ bezeichnet. Die Berechnung der
Schallgeschwindigkeit erfolgt in der Software LightHouse 2000-SM durch die
folgende Formel [Krompholz 2003]:
5-1
5.2.3 Ergebnisse der Ultraschallversuchmessungen
Die Messungen ergaben, dass Normalbetone je nach Bindermaterial um 35 %
verminderte Schallkennwerte aufweisen als der Metallkörper (Abbildung 5-7, blau
und grün). Es handelte sich dabei um einen Aluminiumzylinder mit den gleichen
Abmessungen wie der Betonzylinder.
Abhängig von der Betonmatrix (unterschiedliche Bindertypen) ist innerhalb dieser
Betone eine Minderung von 14 %, und mit schallschluckenden Mischungs-
bestandteilen (orange bzw. braune Datenpunkte) bis zu 29 % zu verzeichnen.
Im Vergleich zu Aluminium wurde somit eine Minderung um 43 % erreicht. Weitere
strukturelle Maßnahmen bezüglich Matrix-Körnungsstruktur haben im Vergleich der
Betone untereinander eine Minderung um 58 % bzw. im Vergleich zum Metall um
68 % bewirkt (gelbe Kurve). Die 100 % Dämpfung konnte bei einem 25-cm-Balken
Experimente zur Validierung der Simulation
72
erreicht werden, jedoch sind hier noch Optimierungen bezüglich der Festigkeit
notwendig.
Abbildung 5-7: Vergleich der Ultraschallgeschwindigkeiten als Maß für die Dämpfung
Quelle: Dombrowski 2013
Diese Ergebnisse dienen als Nachweis der Möglichkeit, dass in der Schallemission
deutliche Dämpfungen durch die Materialauswahl einstellbar sind. Anhand der
erfassten Daten haben sich eindeutige Modifizierungsrichtungen ergeben, die in
aktuelle Betonmischungen eingearbeitet werden.
Mit dem erstellten Berechnungsmodell war es bis zur Fertigstellung dieser Arbeit
nicht möglich Schallgeschwindigkeiten sondern lediglich Drücke im Fluid zu ermitteln.
Mittels Ultraschallversuch konnten jedoch nur Schallgeschwindigkeiten gemessen
werden. Für die Messung des Druckes durch einen Ultraschallversuch gibt es bisher
noch keine Möglichkeit [persönliches Gespräch mit Rolf Krompholz3 am 03.07.2013].
Daher wurden mit dem Ultraschallversuch die Betone auf ihre Dämpfungs-
eigenschaften untersucht. Zur Validierung des Berechnungsmodells sollte ein
weiteres Experiment dienen, welches im folgenden Kapitel beschrieben wird.
3 Geschäftsführer der Firma Geotron Electronic (Entwickler und Hersteller von Ultraschallmesstechnik für
Forschungseinrichtungen, Industrie und Gewerbe)
Experimente zur Validierung der Simulation
73
Aufgrund des sehr guten Schallverhaltens der Mischung LB-GB-520, wurden diese
Proben für dieses Experiment weiterverwendet.
5.3 Experiment zur Validierung des Berechnungsmodells
Der Ultraschallversuch konnte nicht zur Validierung des Berechnungsmodells dienen.
Daher musste ein weiteres Experiment durchgeführt werden. Ziel war es bei diesem,
über einen Drucksensor den von der Betonprobe emittierten Druck zu messen, wenn
auf diese ein Gewicht fallen gelassen wird. Das ganze sollte in einem Wasserbecken
geschehen, um die gleichen Bedingungen, wie im Berechnungsmodell zu schaffen.
5.3.1 Aufbau des Experiments
Innerhalb dieser Masterarbeit wurde zur Ermittlung des Schalldruckpegels an einer
Betonprobe ein Versuchsstand geplant, errichtet und betrieben. Die
Beschaffungskosten für diesen Prüfstand sollten sehr gering ausfallen. Daher
erfolgte der Bau mit einfachsten Mitteln. Ein aufblasbares Kinderplanschbecken
diente als Versuchsstand.
Um eine Reflektion des Unterwasserschalls von der Beckenwand zu vermindern,
musste dieser absorbiert werden. Schaumstoff soll einen weichen Übergang
zwischen Wasser und Beckenwand schaffen (Abbildung 5-8). Zusätzlich musste der
Schaumstoff genoppt sein, da Schaumstoff mit glatter Oberfläche den Schall
ebenfalls in gewissem Maße reflektiert [persönliches Gespräch mit Frank Adam4 am
18.07.2013].
Die Schaumstoffbahnen wurden auf eine Breite von etwa 12 cm zugeschnitten und
auf einen Teppich geklebt (Abbildung 5-9). Der Teppich diente ebenfalls noch zur
Schalldämpfung, aber vor allem als tragende Schicht für den Schaumstoff.
Der Lastauftrag erfolgte mit einem Freifallhammer mit einer Masse von 10 kg
(Abbildung 5-10). Das Fallgewicht wurde über einen Führungsstab auf die
Betonprobe geführt. Zur gleichmäßigen Verteilung der Last auf die gesamte
Oberfläche der Betonprobe, diente ein Stempel mit dem gleichen Durchmesser der
Betonprobe am unteren Ende des Führungsstabes.
4 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg
Experimente zur Validierung der Simulation
74
Abbildung 5-8: Kinderplanschbecken mit Schaumstoffwand
Abbildung 5-9: Genoppter Schaumstoff auf Teppich
Ein zelliges Polyurethan-Elastomer diente als Unterlage unter der Probe, um eine
Übertragung der aufgetragene Kraft in den Boden zu verhindern (Abbildung 5-11).
Dieser dämpfte die axiale Bewegung der Betonprobe, wodurch keine Schwingung in
den Boden emittiert wurde.
Abbildung 5-10: Freifallhammer mit Führungsstab und Stempel
Experimente zur Validierung der Simulation
75
Abbildung 5-11: Schaumstoffunterlage
Der von der Betonprobe emittierte Druck sollte mit Porenwasserdruckgebern (PWD)
gemessen werden. Diese finden Verwendung bei der Messung von
Porenwasserdrücken in Dämmen und Schüttungen, Wasserständen in Bohrungen
und Brunnen und zur direkten Messung von Flüssigkeitsdrücken.
Die Porenwasserdruckgeber vom Typ „EPKE4 S2 R5 AG“ der Firma Glötzl
Baumesstechnik (Abbildung 5-12) dienen zur Messung von Porenwasserdrücken in
einem Messbereich von -0,5 bis 2 bar relativ zum Umgebungsdruck.
In einem Edelstahlgehäuse ist ein elektrischer Druckaufnehmer mit dem
Verbindungskabel wasserdicht eingegossen. Der Druckaufnehmer ist mit einer
Schwingsaite verbunden, deren druckempfindliche Membran bei Belastung durch
den zu messenden Druck eine Durchbiegung erfährt und dadurch die vorgespannte
Schwingsaite entlastet.
Die Frequenzsignale der Schwingsaite werden in ein Ausgangssignal in der Einheit
mV proportional zum Messwert gewandelt [Datenblatt der Firma Glötzl
Baumesstechnik 2013]. Der Drucksensor sitzt in einem Abstand von 5 cm vom linken
Rand des PWD, so dass dies als Mindestabstand zur Probe angenommen werden
muss.
Zur Befestigung des PWD im Wasserbecken diente ein Stativ. Aufgrund der sehr
geringen Druckänderungen durch den Schlag war ein schwingfreien Zustand des
Sensors am Stativ sehr wichtig.
Damit die Druckwelle direkt auf die Membran treffen konnte, wurde der Sensor
waagerecht im Becken befestigt. Des Weiteren musste der Sensor komplett mit
Wasser gefüllt sein. Ansonsten würde lediglich die im Sensor befindliche Luft
Experimente zur Validierung der Simulation
76
komprimiert und keine Druckänderung an der Membran ankommen. Dazu wurde mit
einer Spritze Wasser in die Öffnung gespritzt um die darin befindliche Luft
herauszupressen.
Abbildung 5-12: Porenwasserdruckgeber
Eine Unterwasseransicht des Porenwasserdruckgebers mit Betonprobe ist in
Abbildung 5-13 zu sehen.
Abbildung 5-13: Porenwasserdruckgeber mit Betonprobe
In Abbildung 5-14 werden die Messbox (unten) und Verstärkereinheit (oben) der
Messeinrichtung gezeigt.
Abbildung 5-15 zeigt den Messrechner mit dem Programm PWD Feldmessung.
Abbildung 5-14: Messbox mit Verstärkereinheit
Experimente zur Validierung der Simulation
77
In Abbildung 5-16 wird der prinzipielle Aufbau des Experiments im Querschnitt
dargestellt. Anschlusskabel, Messbox und Messrechner wurden nicht skizziert.
Abbildung 5-17 zeigt die Messeinrichtung ohne Messbox und Messrechner.
Abbildung 5-15: Messrechner
Abbildung 5-16: Aufbau des Experiments
Experimente zur Validierung der Simulation
78
Abbildung 5-17: Messeinrichtung
5.3.2 Durchführung
Das Wasserbecken wurde wie im Berechnungsmodell so gefüllt, dass die Probe
entsprechend des Modells zu 9 cm im Wasser steht (Abbildung 5-18).
Abbildung 5-18: Füllstand des Beckens
Die Betonprobe besteht aus mehreren Komponenten. Aufgrund dessen muss darauf
geachtet werden, dass die Probe bei jeder Messung die gleiche Ausrichtung hat.
Denn durch die innere Zusammensetzung des Betons besteht die Möglichkeit, dass
sich die Druckwellen bei unterschiedlicher Ausrichtung anders emittieren. Dazu
wurde die Betonprobe mit einem Kreuz versehen, welches immer in Richtung Sensor
zeigen musste.
Experimente zur Validierung der Simulation
79
Aufgrund des isotropen Verhaltens von Aluminium und Kunststoff war dieser
Vorgang bei diesen beiden Proben nicht notwendig. In Abbildung 5-19 werden die
drei für das Validierungsexperiment herangezogenen Proben dargestellt.
Abbildung 5-19: Beton-, Aluminium-, und Kunststoffprobe
Nachdem alle Instrumente platziert waren, wurde die Messung mit einer Abtastrate
von 30 kHz gestartet. Diese hohe Abtastrate war notwendig, um die Messausschläge
gut erkennen zu können. Eine größere Abtastrate war mit dem vorliegenden
Messsystem nicht möglich.
Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Ausschläge besser zu erkennen sind, wenn
zwischen dem Start der Messung und dem Hammerschlag eine Einschwingzeit von
etwa fünf Minuten liegt. Nach dieser Einschwingzeit erfolgte der Hammerschlag auf
die Betonprobe.
Die Beobachtung der Messkurve war während der gesamten Messung nötig. Direkt
nach dem Feststellen eines Ausschlages wurde die Messung beendet und Zeit und
Wert dieses Peaks notiert. Dies diente zum schnelleren Finden der entsprechenden
Messwerte in der großen Ansammlung an Daten.
Die Messung erfolgte für alle drei Probekörper in Abständen von 8,5 cm, 9 cm, und
10 cm von der Probenmitte bis zur Druckmessmembran (Abbildung 5-20). Der
Abstand von 8,5 cm war der geringste Abstand der mit den vorliegenden Sensoren
möglich war. Denn die Membran befindet sich etwa 5 cm innerhalb des Sensors. Die
anderen Abstände sind ebenfalls sehr nah gewählt, damit das Berechnungsmodell
nicht zu groß gestaltet werden musste.
Experimente zur Validierung der Simulation
80
Abbildung 5-20: Abstand Probe Sensor
Die Messungen erfolgten jeweils nach einzelnen Schlägen. Denn die Probe wurde
bei jedem Schlag leicht verrückt, was eine Änderung von Ausrichtung und Position
der Probe bewirkte. Dadurch konnte keine Folge von aufeinanderfolgenden Schlägen
gemessen werden. Um das Einrammen von Betonpfählen durch eine zyklische
Belastung zu simulieren, müsste die Betonprobe eingespannt werden.
5.3.3 Ergebnisse des Experiments
In den Tabellen des Excel Sheets „Auswertung Druckversuch“ ist jeweils ein
Messbereich von einer Sekunde aufgetragen. In den Diagrammen ist ein deutlicher
Ausschlag des Druckverlaufes zum Zeitpunkt des Schlages erkennbar. In
Abbildung 5-21 werden die Druckverläufe der drei radialen Abstände zum Zeitpunkt
des Hammerschlages dargestellt. Bei der Bestimmung der Standardabweichung
wurde jeweils der Bereich des Peaks ausgelassen. Die Messerwerttabellen und das
Excel Sheet sind auf der CD-Rom unter MA-RoMer\Validierung zu finden.
Das Mittelwertrauschen ist durch eine Wassersäule von 4 cm über dem Sensor
begründet. Anhand der ermittelten Werte ist deutlich zu erkennen, dass die
Druckimmission am Sensor mit steigendem Abstand zur Betonprobe abnimmt.
Tabelle 5-1: Messwerte aus dem Druckversuch
Abstand [cm] 8,5 9 10
Standardabweichung [mbar] 0,96 0,94 0,95
Mittelwertrauschen [mbar] - 4,01 - 3,79 - 4,13
Peak [mbar] 9,78 8,65 7,93
Experimente zur Validierung der Simulation
81
Bei jedem Schlag mit dem Hammer war ein deutlicher Ausschlag an der
Messwertkurve erkennbar. Die negativen Ausschläge wurden als Überschwingen der
Membran angenommen.
Für Beton und Aluminium wurden aufgrund ähnlicher Dichte nahezu gleiche Werte
für den emittierten Druck gemessen (siehe „Auswertung Druckversuch“). Dies
erübrigte einen genaueren Vergleich dieser Ergebnisse. Allerdings wichen die
Druckwerte für Kunststoff stark ab. Um dazu genaue Aussagen machen zu können,
muss das Schwingverhalten des vorliegenden Kunststoffes näher untersucht werden.
Nachfolgend sind die Messwerte für die drei gemessenen Abstände grafisch
dargestellt. Dafür wurde das Mittelwertrauschen für jeden Abstand mit einberechnet,
um zum Berechnungsmodell ähnliche Werte zu erhalten. Der im Diagramm
dargestellte Kurvenverlauf entspricht dem in Abbildung 3-2 beschriebenen typischen
Zeitsignal einer Unterwasserschallmessung.
Abbildung 5-21: Experimentelle Druckverläufe für drei radiale Abstände
Eine Verschiebung der Peaks im Zeitbereich ließ sich aufgrund der separaten
Messungen der drei Abstände nicht feststellen. Dafür müsste das Experiment mit
drei PWD gleichzeitig durchgeführt werden. Die Sensoren müssen dabei, aufgrund
ihrer Größe nebeneinander angeordnet sein.
Experimente zur Validierung der Simulation
82
5.3.4 Vergleich von berechneten und experimentellen Werten
Mittels des Berechnungsmodells wurde für Lasten von 42 kN und einer
Zeitschrittweite von 0,01 s die in Abbildung 5-22 dargestellte Korrelationen mit den
experimentellen Werten ermittelt. Diese Korrelation bedingt allerdings eine
Verformung des Pfahles von 5,8 % (siehe: out_matrix_pile_-42000_0.5_3.E-03.txt -
strain_EQV). Beton hat allerdings eine maximale Dehngrenze von 0,2 %
[Schneider, Klaus-Jürgen 2008]. Demzufolge ist der Wert von 5,8 % unrealistisch.
Im Diagramm sind die gemessenen Werte mit ihrer Standardabweichung sowie die
berechneten Werte zu erkennen. Die Standardabweichung wurde mit Hilfe eines
Exceltools ermittelt. Die Standardabweichung in Abhängigkeit von der radialen
Position ist in Tabelle 5-2 dargestellt.
Die berechneten Werte wurden so ermittelt, dass sie im Bereich der
Standardabweichung der jeweiligen radialen Position liegen. Dabei ist gut zu sehen,
dass die Abstände der Messwerte zwischen den einzelnen Positionen kaum
Unterschiede zwischen berechneten und experimentellen Werten aufzeigen.
Es ist zu erkennen, dass sowohl für die berechneten als auch die experimentellen
Werte eine Abnahme des Druckes mit steigendem Abstand vorliegt.
Tabelle 5-2: Standardabweichung bei unterschiedlichen Abständen
In Abbildung 5-22 ist die Abhängigkeit der Schallimmission von der radialen Position
dargestellt. Die rechnerisch ermittelten Werte wurden dafür in mbar umgerechnet.
Hierbei ist erkennbar, dass sich die rechnerischen Werte allesamt innerhalb der
Standardabweichung der experimentellen Werte befinden. Somit ist bewiesen, dass
die Intervalle der Werte aus Rechnung und Experiment, zumindest für die oben
genannten Parameter, bezüglich des radialen Abstandes im gleichen Verhältnis
zueinander liegen.
Abstand [cm] 8,5 9 10
Standardabweichung [mbar] 0,96 0,94 0,95
Experimente zur Validierung der Simulation
83
Abbildung 5-22: Vergleich berechnete und experimentelle Werte
Sowohl die experimentellen als auch die rechnerischen Grafiken zeigen, wie zuerst
ein positiver Ausschlag erfolgt und danach ein Überschwingen in negativer
Druckrichtung erfolgt. In den folgenden Abbildungen ist zum Vergleich noch einmal
der Druckverlauf für einen Abstand von 8,5 cm sowohl experimentell als auch
rechnerisch bestimmt dargestellt.
Aufgrund der Ungleichheit von Zeitschrittweite der Computersimulation und der
Abtastrate im Experiment sind die Druckverläufe nicht gleich und können nicht in
einem Diagramm dargestellt werden. Der Grund dafür liegt an der niedrigen
Sampling Rate des PWD. Die Zeitschrittweite der Berechnung darf nicht daran
angepasst werden, da sie dann zu klein wäre um plausible Messergebnisse zu
erhalten.
Vergleicht man Abbildung 5-23 und Abbildung 5-24 ist zu sehen, dass sowohl im
Experiment als auch in der Computersimulation zuerst eine positive Druckspitze und
anschließend ein negatives Überschwingen zu verzeichnen ist.
Das rechnerisch erstellte Diagramm kommt der bei offshore-Rammarbeiten
durchgeführten Messung (Abbildung 3-8) näher als das experimentell erstellte
Diagramm. Es wird davon ausgegangen, dass dies an einer feineren Abtastrate der
offshore-Drucksensoren liegt. Die für das Experiment verwendeten Porenwasser-
druckgeber sind für solche Messungen nicht optimiert. Bei einer erneuten
Durchführung des Experiments sollten spezielle Drucksensoren mit einer höheren
Abtastrate gewählt werden.
Experimente zur Validierung der Simulation
84
Abbildung 5-23: Experimentell bestimmter Druckverlauf
Abbildung 5-24: Rechnerisch bestimmter Druckverlauf
Auswertung
85
6 Auswertung
Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse aus den Ultraschallmessungen sowie
aus Berechnung und Experiment diskutiert.
6.1 Ergebnisse des Ultraschallversuches
Der Ultraschallversuch hat bestätigt, dass Betone geringere Schallwerte emittieren
als Aluminium. Da Stahl eine höhere Dichte hat als Aluminium, wird davon
ausgegangen, dass Beton auch geringere Schallemissionen als Stahl aufweist. Mit
den ermittelten Werten wurde ein guter Grundstein für die Entwicklung eines primär
schallmindernden Werkstoffes für Rammpfähle gelegt.
6.2 Fazit der Berechnungen und der Validierung
Rein physikalisch zeigt das Fluid im Berechnungsmodell das erwartete Verhalten.
Die Ergebnisse sind aber noch kritisch zu betrachten.
Die Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass das Berechnungsmodell noch
weiter optimiert werden muss. Die berechneten Werte korrelierten nur für bestimmte,
unrealistische Lasten und zu große Zeitschrittweiten mit den experimentell
bestimmten Werten.
Die Dehngrenze von Beton liegt bei 0,2 % [Schneider, Klaus-Jürgen 2008]. Um im
Fluid des Berechnungsmodells, dem Experiment entsprechende Druckänderungen
zu bemerken, waren Lasten von etwa 42 kN pro Knoten nötig. Bei diesen hohen
Lasten traten an der betonprobe Verformungen von 5,8 % auf. Da dies ein
unrealistischer Wert ist, besteht an dieser Stelle weiterer Forschungsbedarf am
Modell.
Zum Zeitpunkt des Experiments war der Einfluss der Zeitschrittweite auf das
Berechnungsmodell nicht bekannt. Demnach wurde die höchste Abtastrate gewählt
um eine gute Auflösung der Druckschwankungen im Wasser zu erhalten. Die
Zeitschrittweite muss weiter angepasst werden, um plausible Ergebnisse aus der
Berechnung zu erhalten.
Für eine gute Korrelation zwischen Messung und Berechnung, sollten spezielle
Drucksensoren mit einer höheren Abtastrate verwendet werden. Damit wäre durch
Auswertung
86
die Anpassung von Zeitschrittweite des Berechnungsmodells und Abtastrate des
Experiments eine genaue Gegenüberstellung der Druckverläufe möglich.
Weitere Überlegungen zeigten, dass die im Experiment aufgebrachte Last von 10 kg
auf eine Fläche von 0,002 m² nicht einfach auf das Zweidimensionale
Berechnungsmodell zu übertragen ist. Um äquivalente Werte zum experimentell
bestimmten Druck im Fluid zu berechnen, ist eine bestimmte Dehnung des
Betonpfahles notwendig.
In einem weiteren Experiment sollte die Dehnung der Betonprobe gemessen und mit
der berechneten verglichen werden. So könnte die entsprechende Lasteinwirkung
am Zweidimensionalen Modell bestimmt werden.
6.3 Ausblick
Primärer Schallschutz hat ein großes Potential zur Verringerung der
Schallemissionen beim Rammen von Pfählen im Offshorebereich. Dieses Potential
sollte unbedingt weiter erforscht werden.
In einer anschließenden Diplomarbeit soll eine Optimierung des Berechnungs-
modells erfolgen. Die möglichen Verbesserungen belaufen sich sowohl auf den
Dämpfungsparameter β als auch auf eine Verringerung der Zeitschrittweite. Des
Weiteren soll eine Parameterstudie der Vernetzung, eine sogenannte
Gitternetzstudie, durchgeführt und das FSI weiter optimiert werden.
Außerdem soll der Diplomand das Modell einer offshore-Rammung in Realgröße
geometrisch anpassen. Im besten Fall sollen unterschiedliche Schlag‐ und
Pfahlkombinationen verglichen werden, um mögliche Reduktionspotentiale des
Rammschalls zu erkennen.
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Inhalt der CD-Rom
94
Inhalt der CD-Rom
Masterarbeit – Robert Mersiowsky
Berechnungsmodell (BeMo)
o Quelltexte
o Ausgabewerte
Validierung
o Excel Sheets zur Auswertung
o Messwerte aus Druckversuch
Hinweis:
Um das Berechnungsmodell zu starten sind folgende Schritte auszuführen:
1. Die Berechnung erfordert einen etwa 11 GB Speicherplatz
2. Ordner „BeMo“ kopieren und in Verzeichnis mit genügend Speicherplatz
einfügen
3. _system-dat öffnen und unter „eingabepfad“ (Zeile 38) die neue
Verzeichnisstruktur einfügen
4. Ansys APDL Version 14.5 oder neuer starten unter „Working Directory“ den
Ordner „work“ im Verzeichnis „BeMo“ anwählen
5. Job Name vergeben und Run betätigen
6. Unter dem Pfad FileRead Input FromDirectories den Ordner BeMo
auswählen und unter „Read Input From“ die Datei „_system.dat“ auswählen
7. die Berechnungsdauer beträgt je nach Rechenleistung fünf bis zehn Minuten
8. die errechneten Werte sind im Verzeichnis „work“ zu finden
Anmerkung:
Der Eingabepfad hat unter Ansys eine maximale Länge von 32 Zeichen. Darum
wurde der Verzeichnisname „BeMo“ statt Berechnungsmodell gewählt.