Windräder sind sehr spezielle Bauwerke. Nicht nur wegen ihrer Funktion und Rolle für die Energiewende, sondern auch aus bautechnischer Sicht, im Hinblick auf die der Errichtung vorausgehende Baugrunderkundung sowie in Bezug auf die Ansprüche, die an Gründungen zu stellen sind, wie wir im Folgenden zeigen.
Bei der Planung von Onshore-Windenergieanlagen (WEA) und Windparks mit der Analyse der Windgüte zu beginnen, ist naheliegend. Eine nicht minder wichtige, im wahrsten Sinne des Wortes sogar grundlegende Maßnahme ist die Baugrunderkundung. Sie dient der Bewertung der Eignung von Böden und gliedert sich in mehrere Schritte respektive Verfahren. Dazu zählen geotechnische Untersuchungen, welche Bohrungen, Sondierungen und geophysikalische Messungen beinhalten, um Bodenschichten, deren Tragfähigkeit sowie eventuelle Hohlräume oder andere geologische Risiken zu bestimmen, die ein Projekt erschweren oder ganz verhindern könnten.
Bei der Bodenklassifizierung werden außerdem Böden hinsichtlich Faktoren wie Dichte, Korngröße, Wassergehalt und Konsistenz analysiert. Für die Beurteilung, ob die dynamischen Lasten von WEA getragen werden können, ist all das ebenfalls elementar. Zudem sind für die Festlegung der Gründungsart und -tiefe bodenmechanische Parameter wie die Bodensteifigkeit und das Setzungsverhalten zu ermitteln.
Gründe für besondere Beanspruchungen
Die Gründung ist beim Bau von Windrädern deshalb so kritisch, weil teils erhebliche statische Kräfte aufgenommen werden müssen. Nicht zuletzt sind aber auch die aus den Windkräften resultierenden dynamischen Kräfte zu berücksichtigen, die für Turmbewegungen sorgen.
„Spezifische Herausforderungen bei der Gründung von Windkraftanlagen sind neben vertikalen Lasten durch das Eigengewicht die besonderen horizontalen Lasten. Diese sind dadurch charakterisiert, dass sie sich mit dem Wechsel der Windrichtung permanent ändern. Aus dieser ungleichmäßigen Beanspruchung ergeben sich zum Teil extreme Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit von Gründung und Boden“, so HDT-Journal Chefredakteur Michael Graef.
Welche Gründungsarten kommen für Onshore-Windenergieanlagen zum Einsatz?
Je nach Bodenbeschaffenheit und Lastanforderungen kommen für Onshore-Windenergieanlagen verschiedene Gründungsarten in Frage. Zu unterscheiden ist hier zwischen Flachgründung, Tiefgründung und den Hybridgründungen. Die Flachgründung wird häufig bei tragfähigem Boden gewählt. Sie besteht in der Regel aus einer kreisrunden oder achteckigen Betonplatte, die eine große Kontaktfläche bietet, um die Lasten gleichmäßig in den Boden abzuleiten.
„Ist der oberflächennahe Boden nicht tragfähig genug, können Pfahlgründungen erforderlich sein, bei denen Lasten in tiefere Schichten abgeleitet werden. Man spricht dementsprechend auch von Tiefgründungen“, erklärt Michael Graef.
Und schließlich kann es von Fall zu Fall sinnvoll sein, auf Hybridgründungen zu setzen, bei denen eine Kombination aus Flach- und Tiefgründungen eine effiziente Verteilung der Lasten erlaubt.
Weitere Herausforderungen auf der Suche nach festem Grund
Die zyklische Beanspruchung wechselnder Windlasten, die langfristig zu einer Materialermüdung der Fundamente führen kann, haben wir bereits angesprochen. Unabhängig davon können Bodenveränderungen die Stabilität der WEA zusätzlich beeinträchtigen. Ursächlich kommen hierfür etwa Witterungseinflüsse und geologische Prozesse in Betracht. Setzungen oder Hebungen sind mögliche Folgen.
Nicht übersehen werden darf darüber hinaus die Bewegung der großen Rotorblätter als Quelle von Schwingungen, die auf das Fundament übertragen werden. Die Gründung muss daher so gewählt beziehungsweise dimensioniert sein, dass sie die auftretenden Schwingungen effektiv absorbiert.
Know-how ist entscheidend
Um es zusammenzufassen: Baugrunderkundung und die Wahl der richtigen Gründung sind entscheidend, um die Standfestigkeit und Langlebigkeit von Onshore-WEA zu gewährleisten. Der laufende Zuwachs bei den Nabenhöhen und Rotorkreisdurchmessern rückt gründungs- und geotechnisches Fachwissen sowie Know-how in Sachen Baugrundverbesserung nur immer weiter in den Mittelpunkt.
Abschließend gesagt gibt es mit dem Standsicherheitsnachweis noch einen weiteren Aspekt, der in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung ist. Und zwar muss die Standsicherheit von Windkraftanlagen wiederkehrend in regelmäßigen Abständen – mehrmals pro Jahrzehnt – überprüft und nachgewiesen werden. Das ist ganz normaler Teil der Genehmigungen.
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Unser Titelbild entstand unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz.
