Numerische Untersuchung der Auswirkungen von Bodenparametern auf die axiale Auftriebs-Tragfähigkeit neuartiger photovoltaischer kreisförmiger Helikoidpfähle

Stärkere Solarstützen gegen den Wind

Mit der Ausbreitung von Solaranlagen über Felder und Wüsten müssen ihre Metallstützen starken Winden widerstehen, die versuchen, sie aus dem Boden zu ziehen. Ingenieure setzen zunehmend eine neue Form von spiralartigen Stahlfundamenten ein, die sogenannten kreisförmigen Helikoidpfähle, um Photovoltaikgestelle zu verankern. Wie verschiedene Bodentypen diese Pfähle fördern oder hemmen, war jedoch bislang unklar. Diese Studie nutzt Computersimulationen, um zu klären, wie zentrale Bodenkenngrößen die Auftriebsfestigkeit dieser speziellen Pfähle steuern, und liefert damit Hinweise für sicherere und zuverlässigere Solarinfrastrukturen weltweit.

Eine neue Art von Spiralfundament

Traditionelle Spiralpfähle ähneln einem Stahlträger mit einer oder mehreren flachen Platten, vergleichbar mit einer Riesen- schraube. Der kreisförmige Helikoidpfahl ersetzt diskrete Platten durch eine kontinuierliche Spirale, die um den Schaft gewickelt ist. Diese Form kann enger oder weiter gewickelt sein und entweder durch Rotation, Einpressen oder eine Kombination beider Verfahren eingebracht werden. Feldprojekte in Japan, China und Südkorea haben gezeigt, dass kreisförmige Helikoidpfähle deutlich höhere vertikale und Auftriebslasten aufnehmen können als einfache Gerade- pfähle. Dennoch basierten viele frühere Untersuchungen auf Laborversuchen in Sandkästen, sodass offen blieb, wie reale Böden mit Ton, Kohäsion und unterschiedlicher Steifigkeit ihre Leistung beeinflussen.

Virtuelle Prüfungen in realistischem Untergrund

Um diese Fragen zu untersuchen, erstellten die Autoren ein detailliertes dreidimensionales Computermodell eines einzelnen kreisförmigen Helikoidpfahls, umgeben von Boden. Sie nutzten industrielle Software, um den Stahlpfahl als elastisches Material und den Untergrund durch ein übliches geotechnisches Modell mit sowohl Festigkeit als auch Verformung darzustellen. Der simulierte Pfahl wurde installiert und anschließend schrittweise nach oben gezogen, entsprechend großmaßstäblichen Feldversuchen in vulkanischer Asche und Meereslehm. Als das Team die berechneten Kraft-Weg-Kurven mit sieben Messreihen vor Ort verglich, stimmten die Ergebnisse gut überein, sodass Vertrauen bestand, dass sich der virtuelle Pfahl wie der reale verhielt.

Wie der Pfahl seine Festigkeit mobilisiert

Sowohl die Tests als auch die Simulationen zeigten, dass der Auftriebswiderstand nicht plötzlich ansteigt und dann abfällt. Stattdessen steigt die Kraft, die zum weiteren Herausziehen benötigt wird, gleichmäßig an, während sich der Kopf nach oben bewegt, wobei die Zunahme allmählich abnimmt. Es gibt keinen scharfen Versagenspunkt. Für die Auslegung bedeutet dies, dass die ultimative Tragfähigkeit nicht aus einem einzelnen Maximalwert abgelesen werden kann; sie muss mittels vereinbarter Verformungsniveaus oder Kurvenanpassung definiert werden. Die Studie untersuchte mehrere praktische Definitionen und fand heraus, dass sich der Pfahl im ultimativen Zustand befindet, wenn die Aufwärtsbewegung am Kopf etwa ein Zehntel des Pfahldurchmessers beträgt. Die Last bei dieser Verschiebung stimmt gut mit dem Wert überein, der durch eine weit verbreitete Kurvenschnittmethode ermittelt wird, sodass die Kraft bei einem Zehntel des Durchmessers als sinnvolle Näherung für die ultimative Auftriebsfähigkeit angesehen werden kann.

Welche Bodeneigenschaften am meisten zählen

Nachdem ihr Modell validiert war, variierten die Forschenden systematisch wichtige Bodenparameter innerhalb realistischer Bereiche für Standorte von Solarparks. Sie veränderten die Bodensteifigkeit, das seitliche Zusammenziehen bei Kompression (Poisson-Verhalten), die innere Bindung (Kohäsion), den Reibungswiderstand und die Rauheit der Kontaktfläche zwischen Pfahl und Boden. Für jeden Fall zogen sie den Pfahl auf mehrere Verschiebungsstufen und zeichneten die Widerstandskraft auf. Über alle Szenarien hinweg erhöhte stärkere oder steifere Erde stets die Auftriebsfähigkeit. Allerdings waren die Parameter nicht gleich wichtig. Mithilfe mehrerer komplementärer Sensitivitätsmethoden — von einfachen Einzelparameter-Änderungen über strukturierte Testpläne bis zu statistischen Ähnlichkeitsmaßen — stellten sie konsistent fest, dass die Bodenkohäsion den größten Einfluss hat, gefolgt von Steifigkeit und Reibungswinkel. Das seitliche Zusammenziehverhalten und die direkte Reibung an der Pfahl-Boden-Oberfläche hatten deutlich geringeren Einfluss.

Hinweise für sichere Solarfundamente

Einfach ausgedrückt zeigt diese Arbeit, dass kreisförmige Helikoidpfähle im Boden besser greifen, wenn der Boden selbst gut gebunden und ausreichend steif ist, und dass ihre ultimative Festigkeit nach einer moderaten, aber nicht vernachlässigbaren Auftriebsbewegung erreicht wird. Für Ingenieure, die Photovoltaikstützen planen, heben die Ergebnisse hervor, welche Bodentests am wichtigsten sind, und schlagen ein praktisches Zielverschiebungsmaß vor, das eine komplexere Versagensdefinition ersetzen kann. Indem man Kohäsion an erster Stelle, Steifigkeit und Reibung an zweiter Stelle und andere Parameter als nachrangig betrachtet, können Planer Unsicherheiten in den Bodenverhältnissen besser steuern und diese vielversprechende Pfahlbauweise effizienter beim Ausbau der Solarenergie einsetzen.

Zitation: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Schlüsselwörter: kreisförmiger Helikoidpfahl, Auftriebs-Tragfähigkeit, photovoltaische Fundamente, Sensitivität gegenüber Bodenparametern, Finite-Elemente-Analyse