Grouted Joints werden als Rohr-in-Rohr-Steckverbindungen vielfach für die Verbindung der Gründungspfähle mit den Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen eingesetzt. Für Monopile- Tragstrukturen wird hierfür ein Stahladapter, das Transition Piece, über den Monopile gefädelt und der Zwischenraum zwischen den Stahlrohren mit einem hochfesten Vergussbeton verfüllt. Mit Grouted Joints können Rohrschiefstellungen ausgeglichen und Offshore-Installationszeiten verkürzt werden. Im Jahr 2009 wurden an Grouted Joints in Monopiles mit glatten Stahlrohren vertikale Setzungen festgestellt. Das Versagen konnte auf fehlerhafte Bemessungsverfahren und zu geringe Axialtragfähigkeiten zurückgeführt werden. Zukünftige Grouted Joints werden deshalb mit Schubrippen als zusätzliche Oberflächenprofilierungen ausgeführt, die zu einer Erhöhung der axialen Tragfähigkeit führen sollen. Es ist jedoch bislang ungeklärt, wie sich die Schubrippen bei kurzen Übergreifungslängen der Stahlrohre und reduzierten Vergussbetondruckfestigkeiten auf das Trag- und Ermüdungsverhalten auswirken.

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zum Trag- und Ermüdungsverhalten biegebeanspruchter Grouted Joints in Offshore-Windenergieanlagen durch Anwendung experimenteller und numerischer Methoden durchgeführt. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden an großmaßstäblichen Versuchen Erkenntnisse zum Einfluss der Übergreifungslänge, der Schubrippenanzahl und der Vergussbetondruckfestigkeit auf das Tragverhalten biegebeanspruchter Grouted Joints unter Extrem- und Ermüdungslasten gewonnen. Zusätzlich wurden die axialen Resttragfähigkeiten der Großversuchskörper ermittelt und mikroskopische Untersuchungen zur lokalen Abrasion sowie Oberflächenrauigkeiten im Bereich der Verbundfuge zwischen Stahlrohr und Grout durchgeführt.

Die numerischen Untersuchungen umfassten die Weiterentwicklung eines vorliegenden Materialmodells für Beton speziell auf die Besonderheiten hochfester Vergussbetone und Grouts. In diesem Zusammenhang wurden Kalibrierparameter für Vergussbetone festgelegt, das Materialmodell mit einer nichtlinearen Plastizitätsfunktion gekoppelt und mit Schädigungsvariablen für Ermüdungsbeanspruchungen erweitert. Die abschließende Implementierung des Modells in ein numerisches Programmsystem erlaubte die Ableitung von vereinfachten mehraxialen Wöhlerlinien für hochfeste Vergussbetone. Das entwickelte Modell wurde an Versuchsergebnissen für Betone, hochfeste Vergussbetone und Grouts validiert und bildete die Grundlage der numerischen Parameterstudien. Darin wurden zunächst numerische Modelle der Großbiegeversuche entwickelt und auf die erzielten Versuchsergebnisse kalibriert. In Rahmen der Parameterstudien wurde das neu entwickelte Materialmodell für die Ermittlung der lokalen Grout-Spannungszustände im Bereich der Schubrippen verwendet und die Anwendbarkeit des Modells für Ermüdungsbeanspruchungen überprüft.

Es gezeigt werden, dass durch den Einsatz des entwickelten Materialmodells sich bemessungsrelevante mehraxiale Spannungszustände in der Grout-Schicht realistisch abbilden lassen. Zudem konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass Zugschwelllasten das Grout-Ermüdungsversagen im Schubrippenbereich dominieren. Der Einsatz der entwickelten vereinfachten mehraxialen Wöhlerlinien im Schädigungsmodell führte zu einer rechnerischen Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit des Grouts im Bereich der Schweißnahtwurzel, die auf mehraxiale Druckspannungszustände zurückgeführt werden konnten. Es ließ sich erstmals ein bereits versuchstechnisch festgestelltes Ermüdungsversagen im Bereich der Druckstreben numerisch abbilden.

Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigten, dass die Übergreifungslänge und die Vergussbetondruckfestigkeit signifikant das Langzeitverformungsverhalten biegebeanspruchter Grouted Joints dominieren.

Schlagwörter: Grouted Joints; Offshore-Windenergie; Materialermüdung; Materialmodellierung; hochfester Vergussbeton

Schriftenreihe des Instituts für Stahlbau der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover