Ein CEL-Simulationsansatz zur Penetrationsnivellierung von Mehr-Eimer-Fundamenten unter Einbeziehung der Temperaturanalogiemethode

Türme auf See gerade halten

Offshore-Windparks und -plattformen sind auf belastbare Fundamente angewiesen, die in weiche Meeresbodensedimente verankert sind. Neigen diese Fundamente während der Installation, sinken Tragfähigkeit und Sicherheit — eine Korrektur auf See ist jedoch teuer und schwer zu testen. Diese Studie zeigt, wie Computersimulationen kostengünstig und zuverlässig vorhersagen können, wie sich eine spezielle Fundamentart, bestehend aus mehreren großen „Eimern“, auf dem Meeresboden setzt und selbst nivelliert, einschließlich der Bewegung von Meerwasser durch den Sand während dieses Vorgangs.

Warum Mehr-Eimer-Fundamente wichtig sind

Statt viele lange Pfähle in den Meeresboden zu treiben, können Ingenieure Mehr-Eimer-Fundamente verwenden, die wie ein Bündel umgedrehter Dosen aussehen, verbunden durch einen Rahmen. Diese Systeme sind attraktiv, weil sie schneller zu installieren sind, teils wiederverwendbar sein können und den Meeresboden weniger stören als traditionelle Methoden. Ungleichmäßige Bodenzustände oder lokal variierende Festigkeit können das gesamte Fundament jedoch beim Einsinken schief stellen. Vorschriften für Offshore-Strukturen begrenzen diese Neigung auf wenige Grad, weshalb Monteure genau steuern müssen, wie jeder Eimer mithilfe von Absaugung — einem leichten Vakuum innerhalb der Eimer — ins Watt gedrückt wird. Bisher beruhte die meiste Anleitung auf kleinen, zeitaufwändigen Versuchen in Versuchswannen.

Strömung wie Wärme im digitalen Sandkasten nutzen

Die Simulation dieses Prozesses ist schwierig, weil sich der Boden um die Eimer stark verformt, während gleichzeitig Meerwasser durch die Poren sickert. Übliche numerische Werkzeuge haben Probleme, wenn das Bodennetz zu stark gedehnt oder verdreht wird, und viele behandeln Wasserströmung bei großen Deformationen nicht direkt. Die Autoren verwenden die gekoppelte Eulerisch-Lagrangesche Methode (CEL), bei der der Boden durch ein festes Gitter „fließen“ darf, während die Stahleimer sich darin bewegen. Um die Wasserbewegung ohne spezielle Fluidelemente zu erfassen, nutzen sie eine mathematische Übereinstimmung: Die Gleichungen der stationären Durchströmung durch den Boden haben dieselbe Form wie die der Wärmeleitung in einem Festkörper. Indem sie den Porenwasserdruck als Temperatur und den Fluss als Wärmefluss behandeln, können sie die Durchströmung mit dem Wärmetransportmodul der Software verfolgen.

Überprüfung der Analogie und des Modells

Bevor sie sich auf diesen Trick verlassen, überprüfen die Forschenden ihn an zwei klassischen Problemen: Wasserströmung durch eine hohe Sandsäule und Wasserbewegung um eine undurchlässige Wand im Boden. In beiden Fällen stimmen die „temperaturbasierten“ Simulationen mit herkömmlichen Durchströmungsberechnungen hinsichtlich Spannungen, Druckänderungen und Strömungsmustern überein, was zeigt, dass die Analogie für langsame, gesättigte Flüsse tragfähig ist. Anschließend bauen sie eine detaillierte virtuelle Version eines zuvor im Labor getesteten Vier-Eimer-Fundaments. Durch das Abstimmen nur weniger Bodenparameter innerhalb realistischer Grenzen reproduziert die Simulation die gemessene Eindringtiefe unter Eigengewicht, die zusätzliche Kraft, die nötig ist, um das Fundament auf eine Zieltiefe zu treiben, und wie viel Neigung entfernt wird, wenn an dem höher liegenden Eimer eine sanfte Absaugung angelegt wird.

Ein Blick in den Meeresboden während der Nivellierung

Mit gewonnener Modellzuverlässigkeit nutzen die Autoren die Temperaturanalogie, um während der Nivellierung in den Boden zu blicken — etwas, das im Labor nicht möglich ist. Sie frieren die Eimerbewegung zu mehreren Schlüsselmomenten ein und berechnen das stationäre Durchströmungsmuster um ein Eimerpaar. Die Ergebnisse zeigen, dass Änderungen des Porenwasserdrucks unterhalb und nahe dem Eimer konzentriert sind, an dem die Absaugung anliegt, und sich tiefer nach unten als seitlich ausbreiten. Die höchsten Wassergeschwindigkeiten treten an der Eimerkante auf, besonders entlang der Innenwand, während der Fluss im mittleren Bereich innerhalb des Eimers viel langsamer ist. Mit zunehmender Eindringtiefe nehmen diese Durchströmungsgeschwindigkeiten allmählich ab, was darauf hindeutet, dass eine tiefere Einbettung eine etwas stärkere Absaugung erlaubt, ohne Bodenausfälle auszulösen.

Was das für die Offshore-Planung bedeutet

Kurz gesagt liefert die Studie eine schnelle und praktische Methode, Nivellierungsstrategien für Mehr-Eimer-Fundamente am Computer „trocken“ durchzuspielen, anstatt sich ausschließlich auf teure Wannenversuche zu verlassen. Innerhalb ihrer Grenzen — langsame, gesättigte Bedingungen und ein vereinfachtes Bodenmodell — kann der Ansatz vorhersagen, wie weit sich ein gekipptes Fundament bewegt, wenn die Absaugung angepasst wird, und wo im umgebenden Sand die Durchströmung am stärksten ist. Das gibt Ingenieuren ein Werkzeug, Installationpläne zu verfeinern, das Risiko übermäßiger Neigung oder lokaler Bodenerosion zu reduzieren und das Verständnis dafür zu verbessern, wie diese Eimerbündel mit dem Meeresboden interagieren, während Offshore-Wind und andere marine Strukturen in tiefere Gewässer vordringen.

Zitation: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Schlüsselwörter: Fundamente für Offshore-Windanlagen, Mehr-Eimer-Fundament, Bodendurchströmung, numerische Simulation, Meeresbodeningenieurwesen