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Geotechnik der Abfallstoffe, Teilprojekt: Berechnung der Standsicherheit und des Verformungsverhaltens von Deponien mittels konventioneller Verfahren und FE-Berechnungen

Beim Entwurf von Siedlungsabfalldeponien muessen die Standsicherheit der Deponie, die Verschiebungen in Muellkoerper und Untergrund sowie die auf die Abdichtung wirkenden Belastungen untersucht werden. Dazu bieten sich numerische Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode an, die es ermoeglichen, den Einfluss der Muelleigenschaften, der Deponiegeometrie sowie des Aufbaus Dichtungselemente, der Eigenschaften der einzelnen Komponenten der Abdichtung sowie des Untergrundes zu beruecksichtigen. Siedlungsabfaelle unterscheiden sich in ihrem Spannungs-Verformungsverhalten stark von Lockergesteinen. In diesem Forschungsprojekt werden deshalb verschiedene bodenmechanische Stoffgesetze auf ihre Eignung zur Beschreibung des Spannungdehnungsverhaltens von Siedlungsabfaellen untersucht und neue Ansaetze zu einer verbesserten Beschreibung der inneren Lastabtragung entwickelt. Auf der Basis dieser Stoffgesetze werden in Finite-Elemente- Berechnungen die in Deponiekoerper und Abdichtung entstehenden Spannungen und Verformungen untersucht.

Standsicherheits- und Bodeneigenschaften von Rekultivierungssubstraten, Teil 1

Das Forschungsvorhaben 'Standsicherheits-und Bodeneigenschaften von Rekultivierungssubstraten' (L7515003 und L7515009) beschäftigt sich mit der Herstellung von Deponie-Rekultivierungsschichten als Komponenten des Oberflächenabdichtungssystems unterschiedlicher Deponieklassen. In vorangegangenen Forschungsvorhaben auf der Hausmülldeponie Leonberg wurden mit zwei Großlysimeterfeldern günstigere Eigenschaften einer beispielhaft unverdichtet eingebauten Rekultivierungsschicht aus Lösslehm im Vergleich zu einer konventionell mehrlagig verdichteten Schicht belegt und die Standsicherheit des verwendeten Bodenmaterials exemplarisch für die gegebene Böschungsneigung nachgewiesen. In Baden-Württemberg werden aber aufgrund der komplexen Geologie sehr unterschiedliche Bodenmaterialien für die Herstellung von Rekultivierungsschichten verwendet. Für fast alle dieser Materialien steht der entsprechende Nachweis noch aus. Standsicherheitsfragen sind bei der Deponierekultivierung stets relevant, für den unverdichteten Einbau notwendige Untersuchungen sind aber in der Baupraxis nicht kurzfristig durchführbar. Daher wird das Bodenmaterial aufgrund mangelnder Daten sicherheitshalber meist verdichtet oder zumindest teilweise verdichtet eingebaut. So wird die weitere Übertragung der Ergebnisse der Leonberger Versuche in die Baupraxis durch das Fehlen geeigneter Grundlagen zum Standsicherheitsverhalten unverdichteter Bodenmaterialien erschwert. Anforderungen an Rekultivierungs-oder Wasserhaushaltsschichten nach heutigem Stand der Technik sind aber praktisch nur noch mit unverdichtetem oder gering verdichtetem Einbau zu erfüllen. Ziel des Vorhabens ist es daher, für Deponierekultivierungen in Frage kommende Bodenmaterialien Baden-Württembergs zu ermitteln und an repräsentativen Bodenproben die Parameter für die Standsicherheit der Rekultivierungsschicht (Schereigenschaften) in unverdichtetem Zustand zu erheben. Weiterhin werden die Parameter, welche die Wasser-und Nährstoffversorgung der zukünftiger Vegetation beeinflussen (Bodenart, nutzbare Feldkapazität, pH-Wert und Nährstoffgehalte) ermittelt. Die Ergebnisse werden zu einem Kompendium der rekultivierungsrelevanten Eigenschaften baden-württembergischer Böden verarbeitet und in einer praxisorientierten Handlungshilfe zum Bau unverdichteter Rekultivierungsschichten veröffentlicht.

Teil 1^Standsicherheits- und Bodeneigenschaften von Rekultivierungssubstraten, Teil 2

Das Forschungsvorhaben 'Standsicherheits-und Bodeneigenschaften von Rekultivierungssubstraten' (L7515003 und L7515009) beschäftigt sich mit der Herstellung von Deponie-Rekultivierungsschichten als Komponenten des Oberflächenabdichtungssystems unterschiedlicher Deponieklassen. In vorangegangenen Forschungsvorhaben auf der Hausmülldeponie Leonberg wurden mit zwei Großlysimeterfeldern günstigere Eigenschaften einer beispielhaft unverdichtet eingebauten Rekultivierungsschicht aus Lösslehm im Vergleich zu einer konventionell mehrlagig verdichteten Schicht belegt und die Standsicherheit des verwendeten Bodenmaterials exemplarisch für die gegebene Böschungsneigung nachgewiesen. In Baden-Württemberg werden aber aufgrund der komplexen Geologie sehr unterschiedliche Bodenmaterialien für die Herstellung von Rekultivierungsschichten verwendet. Für fast alle dieser Materialien steht der entsprechende Nachweis noch aus. Standsicherheitsfragen sind bei der Deponierekultivierung stets relevant, für den unverdichteten Einbau notwendige Untersuchungen sind aber in der Baupraxis nicht kurzfristig durchführbar. Daher wird das Bodenmaterial aufgrund mangelnder Daten sicherheitshalber meist verdichtet oder zumindest teilweise verdichtet eingebaut. So wird die weitere Übertragung der Ergebnisse der Leonberger Versuche in die Baupraxis durch das Fehlen geeigneter Grundlagen zum Standsicherheitsverhalten unverdichteter Bodenmaterialien erschwert. Anforderungen an Rekultivierungs-oder Wasserhaushaltsschichten nach heutigem Stand der Technik sind aber praktisch nur noch mit unverdichtetem oder gering verdichtetem Einbau zu erfüllen. Ziel des Vorhabens ist es daher, für Deponierekultivierungen in Frage kommende Bodenmaterialien Baden-Württembergs zu ermitteln und an repräsentativen Bodenproben die Parameter für die Standsicherheit der Rekultivierungsschicht (Schereigenschaften) in unverdichtetem Zustand zu erheben. Weiterhin werden die Parameter, welche die Wasser-und Nährstoffversorgung der zukünftiger Vegetation beeinflussen (Bodenart, nutzbare Feldkapazität, pH-Wert und Nährstoffgehalte) ermittelt. Die Ergebnisse werden zu einem Kompendium der rekultivierungsrelevanten Eigenschaften baden-württembergischer Böden verarbeitet und in einer praxisorientierten Handlungshilfe zum Bau unverdichteter Rekultivierungsschichten veröffentlicht.

Beanspruchung von tiefen Schaechten in Deponien

Um ueber die Wechselwirkung zwischen Abfallkoerper und einem starren Sickerwassersammelschacht bessere Erkenntnisse zu erhalten, werden an der Ruhr-Universitaet Bochum Modellversuche im erhoehten Beschleunigungsfeld einer Geotechnischen Grosszentrifuge durchgefuehrt. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, Grundlagen fuer ein Bemessungskonzept zu schaffen, da es auch heute insbesondere bei Sanierungs-massnahmen nicht immer zu vermeiden ist, Schaechte innerhalb von Deponien anzulegen. In Zentrifugen-Modellversuchen werden Schachtkonstruktionen mit einem steifen Ausbau (Beton) modelliert. Die Beanspruchung dieses Schachtausbaus wird ohne Anordnung eines Kiesmantels und mit unterschiedlich dicken Kiesmaenteln beobachtet. Ziel ist es, die Wirkungsweise des Kiesmantels und seinen Einfluss auf das Schachtsystem zu beschreiben. Von besonderem Interesse ist hierbei das Verhalten der negativen Mantelreibung, die durch grosse Setzungen im Abfallkoerper hervorgerufen werden. Ebenfalls untersucht wird die Beanspruchung durch radialsymmetrisch angreifende Spannungen aus horizontalem Erddruck. Um speziell eine asymmetrische radiale Belastung zu simulieren, wird mit Hilfe eines Druckkissens eine einseitige horizontale Last aufgebracht und der Schachtquerschnitt somit durch Biegemomente beansprucht. Im Lastfall der symmetrischen Radialbeanspruchung lassen sich keine belastungsabmindernden Effekte durch den Kiesmantel beobachten. Die Zentrifugen-Modellversuche zeigen hier eine Zunahme der Vertikal-beanspruchung durch negative Mantelreibung. Im asymmetrischen Lastfall hingegen ist ein eindeutiger lastmindernder Einfluss festzustellen. Biegemomente, die sowohl durch Kruemmung der Schachtachse als auch durch elliptische Verformung des Schachtquerschnittes hervorgerufen werden, koennen bei Anordnung eines ausreichend dicken Kiesmantels um bis zu 60 Prozent reduziert werden.

Validierung eines Nachweisverfahrens für hochzyklisch beanspruchte Flachgründungen von Offshore-Windenergieanlagen anhand von Messdaten eines Großversuches^Validierung eines Nachweisverfahrens für hochzyklisch beanspruchte Flachgründungen von Offshore-Windenergieanlagen anhand von Messdaten eines Großversuches, Validierung eines Nachweisverfahrens für hochzyklisch beanspruchte Flachgründungen von Offshore-Windenergieanlagen anhand von Messdaten eines Großversuches

Für Offshore-Windenergieanlagen werden, neben Pfahlgründungen, Schwerkraftgründungen als Gründungsstrukturen eingesetzt. Bisher fehlen dafür genormte Nachweise der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit. In BMU-geförderten Vorläuferprojekten (0325175 bzw. 0327618) hat die Ed. Züblin AG in Cuxhaven ein Testfundament im Originalmaßstab offshore-typischen zyklischen Belastungen unterzogen, während das IBF Rechenmodelle entwickelt und durch Modellversuche im kleinen Maßstab gestützt hat. Im aktuellen Verbundprojekt werden die Messdaten aus dem Großversuch ausgewertet, mit den Rechenmodellen verglichen und letztere validiert und weiterentwickelt. Die verifizierten Nachweiskonzepte sollen dazu beitragen, neue Kenntnisse zu erlangen und Hürden bei der Genehmigung solcher Fundamente abzubauen

Grundwasser- und Wärmetransportmodelle

Zur Beantwortung von Grundwasserfragestellungen im Rahmen der Projektbearbeitung und der normativen Tätigkeiten werden im Referat G3 unterschiedliche Programmsysteme zur numerischen Grundwasserströmungsmodellierung und teilweise auch zur Wärmetransportmodellierung eingesetzt. Die Modellierungen dienen dabei - zur Ermittlung der Auswirkungen von Baumaßnahmen auf die Grundwasserverhältnisse sowie zur Erarbeitung geeigneter Maßnahmen zur Minimierung schädlicher Auswirkungen, - zur Ermittlung der grundwasserhydraulischen Belastung von Bauwerken und Bauhilfseinrichtungen sowie zur Planung geeigneter Maßnahmen zur Durchführung von Baumaßnahmen im grundwasserdurchströmten Untergrund (Abdichtungen und Grundwasserabsenkungen), - zur Ermittlung der Dammdurchströmung als Grundlage für Standsicherheitsberechnungen, insbesondere bei Leckagen in Kanaldichtungen sowie im Bereich von Bauwerken in Dämmen und - zur Beurteilung der Auswirkungen von Dichtungsleckagen mittels Simulation der Grundwasserströmung und Wärmeausbreitung im Untergrund. Das Forschungsvorhaben dient zur Erprobung von Programmsystemen und Berechnungsansätzen für die unterschiedlichen Grundwassermodellierungsaufgaben und zur Festlegung geeigneter Vorgehensweisen. Ziel ist dabei, mit möglichst geringem Modellierungsaufwand eine für die jeweilige Aufgabenstellung ausreichende Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Zur Festlegung geeigneter Vorgehensweisen bei der Grundwassermodellierung werden Berechnungen unter Verwendung verschiedener Programmsysteme und unterschiedlicher Modellansätze (vertikal-eben/dreidimensional, gesättigt/ungesättigt, stationär/instationär) durchgeführt und die Ergebnisse bewertet. Insbesondere wurden Untersuchungen zur Festlegungung einer geeigneten Vorgehensweise bei der Untersuchung der Standsicherheit von Dämmen mit innenliegenden Bauwerken durchgeführt. Die Aufgabe bestand dabei in der Festlegung geeigneter Modellierungsansätze, die eine ausreichende Berücksichtigung von möglichen erhöhten hydraulischen Wegsamkeiten an den Grenzflächen zwischen den Bauwerksteilen und dem Dammmaterial ermöglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen dienten als Grundlage für das Kapitel 7 (Bauwerke in Dämmen) des MSD (2005).

Entwicklung eines anwendungsorientierten Bemessungs- und Überwachungsmodells für Offshore Gründungskonstruktionen unter zyklischer Belastung^Boden-Pfahl^Entwicklung eines anwendungsorientierten Bemessungs- und Überwachungsmodells für Offshore Gründungskonstruktionen unter zyklischer Belastung^Gründungen von Windenergieanlagen unter zyklischer Belastung, Geotechnische Robustheit und Selbstheilung bei der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen

Ziel: Beitrag zu einer sicheren, nachhaltigen und ökonomischen Auslegung der Gründung von OWEA-1. Mitbetrachtung relevanter Entfestigungsvorgänge im Baugrund, die durch die derzeitige Bemessungspraxis nicht abgedeckt sind; 2. Entwicklung begründeter numerischer Prognose- und Bemessungskonzepte für die hochzyklische Beanspruchung in der gesamten Lebensdauer der Anlage; 3. Integration bisher nicht qualifizierbarer Selbstheilungsprozesse im Baugrund in die Bemessung. Arbeitsplanung: TP1 - 'Ermüdung und Selbstheilung des Baugrunds durch zyklische Langzeitbeanspruchung insbesondere bei Flachgründungen von OWEA. - 1. Aufarbeitung von Fallstudien, 2. Eigene Modellversuche, 3. Numerische Validierung, 4. Offshore-Feldmessungen, 5. Anleitung zur Nachweisführung. TP 2 - 'Gebrauchstauglichkeit von Monopile-Gründungen für OWEA' - 1. Gezielte Verbesserung des Bochumer Akkumulationsmodells, 2. Verbesserung der Implementierung, 3. Validierung des FE-Modells, 4. FE- Parameterstudien. Ergebnisverwertung: 1. Bemessungsvorschriften/Richtlinien, 2. Richtung 'Sturmbetrieb', 3. Wirtschaftliche Flachgründungen, 4. Langzeitprognosen, 5. Support für Monitoring, 6. Wissensausbau zyklische Bodenmechanik

Teilvorhaben: Bergaufsicht, Planung und Koordination (Brandschutz und Sicherheitstechnik), Bestandsaufnahme und Prognose von Haldenschwelbränden^Klimaschutz: Thermische Nutzung von Haldenschwelbränden^Teilvorhaben: Technische Beratung (Feldlabor, Wärmegewinnung, Datenerfassung), Standortkoordination, Wirtschaftlichkeitsanalyse, Teilvorhaben: Feldlaborexperimente, Modellierung und Simulation von Haldenschwelbränden, Standardsicherheitsanalyse

Teilprojekt: Entwicklung von innovativen Montage- und Installationskonzepten für die Errichtung von Offshore Gründungsstrukturen^Teilprojekt: Untersuchung hinsichtlich des Einsatzes von standardisierten Rohren und Beschichtungssystemen für seriell zu fertigenden Offshore-Gründungsstrukturen^Teilprojekt: Anpassung der Berechnungsmodelle aufgelöster Gründungsstrukturen von OWEA mit Hilfe von Messwerten an die Wirklichkeit^OGOWin - Optimierung aufgelöster Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen^Teilprojekt: Schaffung der Grundlagen sowie Adaption der Berechnungsmodelle zur Optimierung aufgelöster Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen, Teilprojekt: Entwicklung von Methoden zur beanspruchungsgerechten Optimierung, Montagesimulation, Best-Fit-Analyse sowie zur Entwicklung eines Structural-Health-Monitoring-Systems

Optimierung von Konstruktion und Installation von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen in tiefem Wasser für eine Multi-Megawatt-Anlage und begleitend die Errichtung eines Prototyps im Raum Bremerhaven und eine Kostenreduktion bis zu 25 Prozent. Entwicklung von Methoden zur Optimierung des Montageablaufs auf See, zur transparenten Prozessvisualisierung, zur innovativen 'Best-Fit-Analyse' für Bauteilanpassung und -paarung, Bauplatzsimulation. Verbesserung der Auslegungsmethodik zur Optimierung des Designs der Struktur, Weiterentwicklung numerischer Werkzeuge zur Beanspruchungssimulation. Auslegung und Bewertung von Gussknoten. Einsatz eines faseroptischen Messsystems, Online-Datenaufbereitung. Entwicklung und eines Structural Health Monitoring Systems zur Zustandsbewertung und Ermittlung der Resttragfähigkeit. Verifikation an der realen Struktur on- und offshore.

Entwicklung geotechnischer Methoden und eines gewonnenen Modells zur Beurteilung der Standsicherheiten von Kreidesandsteinen bei fortschreitender Verwitterung zur Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit

Am Beispiel des Felsmassivs 'Großer Wehlturm' in der Sächsischen Schweiz soll eine Methodik entwickelt und getestet werden, die mittels einer geologisch-markscheiderischen Aufnahme, felsmechanische Laboruntersuchungen und eines numerischen Berechnungsmodells die Standsicherheitsanalyse einer Sandsteinformation erlaubt. Dazu wird moderne 3D-Laserscantechnik sowie 3D-Numerik eingesetzt. Ziel ist es ebenfalls, den Verwitterungsprozess als standsicherheitsreduzierenden Prozess im numerischen Berechnungsmodell abzubilden. Die entwickelte Methodik soll auf andere Sandsteinformationen innerhalb und außerhalb der Sächsischen Schweiz übertragbar sein.

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