themaMonopaal van beton5201050themaHet concept is ontwikkeld voor het in de Oostzee gelegenZweedse offshore windpark Kriegers Flak. Een geprefabri-ceerde betonnen monopaal wordt met behulp van een verti-cale boortechniek in de zeebodem geboord. Dit principebestaat uit de installatie van een geprefabriceerde monopaaldoor middel van verticaal boren. De boortechniek is geba-seerd op de horizontale tunnelboortechniek op land.Dit concept heeft enkele voordelen ten opzichte van eengeheide stalen monopaal:? beton als basismateriaal is goedkoper en kan in groterehoeveelheden worden geproduceerd vergeleken met hetMonopaalvan betonFundering voor offshore windturbines in zeebodem geboordEen veel gebruikte methode voor het funderen vanoffshore windturbines is de geheide stalenmonopaal. Deze palen zijn ?4 ? 5 m en 40 ? 60 mlang en worden vanaf het water ongeveer 30 m inde zeebodem geheid. Als alternatief hiervoor heeftBallast Nedam in samenwerking met MT Piling degeboorde betonnen monopaal ontwikkeld.Monopaal van beton 52010 51InstallatieUitgaande van een installatie met de Svanen op een locatie waarijsbelastingen optreden (Baltische Zee / Oostzee) worden bij hetinstalleren van de betonnen monopaal de volgende stappen door-lopen (op andere locaties zijn ook andere varianten mogelijk):? Svanen positioneert zich op locatie en fixeert zich met behulpvan ankers. De ijsconus en de monopaal worden drijvendaangevoerd naar de Svanen, waarna de monopaal in verticalepositie wordt gebracht (fig. 2). Het toepassen van eenijsconus is typisch voor een locatie in de Baltische Zee.? De monopaal wordt op de zeebodem gezet en zal door zijneigen gewicht enkele meters in de zeebodem penetreren. Desnijtand aan de onderzijde van de paal zorgt ervoor dat ereen oversnijding van de ondergrond ontstaat. Hierdoor is dewrijving tussen paal en grond minimaal en zakt de paalgemakkelijker naar beneden (fig. 3).? Vervolgens wordt de boor afgelaten in de paal en op dezeebodem gezet. De boor fixeert zich aan de binnenzijde vande paal en door het boren wordt de grond in de paal verwij-derd en zakt de paal geleidelijk naar beneden. Terwijl de paalnaar beneden zakt, wordt de ruimte tussen paal en grond,veroorzaakt door de oversnijding, gevuld met een langzaamverhardende grout (fig. 4).? Wanneer de paal op diepte is gekomen, wordt de boor uit depaal verwijderd en de ijsconus ge?nstalleerd. Daarna kan dewindturbine worden geplaatst (fig. 5).BoormachineDe boormachine fixeert zichzelf aan de binnenzijde van debetonnen monopaal met behulp van horizontale vijzels. Doorde verticale vijzels kan de druk op het boorfront worden gere-geld en zal de monopaal gelijkmatig gaan zakken.In geval van harde grondlagen kan de boorkop verder naarbuiten worden gedrukt en kunnen de hydraulisch uitklapbareboortanden ook de grond onder de paalrand verwijderen,waardoor ook in deze lagen de paal verder in de grond zalzakken. De boortanden reiken niet buiten de snijrand onder depaal. In noodgevallen kan de boor omhooggetrokken wordenen klappen de tanden weer naar binnen.De boorsnelheid bedraagt - afhankelijk van de grondsoort -circa 30 tot 50 millimeter per minuut, zodat na ongeveer tienuur boren de paal op diepte is gekomen.1ir. Ralph Luiken enir. Patrick van OsBallast Nedam Engineering1 Ter illustratie: assembleren vanprefab betonnen ringelementen(Bahrain Causeway, 1984)specifieke staal dat voor stalen monopalen wordt gebruikt;? in tegenstelling tot het heien van stalen palen genereert hetboren van betonnen palen nauwelijks geluid. Vanwege demogelijke schade aan het zeeleven vormt lawaai meer enmeer een obstakel bij het verkrijgen van een vergunning;? de duurzaamheid van beton in een mariene omgeving isbeter dan van een stalen paal. Er behoeft geen gebruikge-maakt te worden van kathodische bescherming encoatings;? de economische aantrekkelijkheid van geboorde betonnenpalen hangt af van de projectspecifieke omstandigheden.Bij grotere windturbineparken wordt deze methode steedsaantrekkelijker, omdat de investering van de boor overmeer fundaties te verdelen is;? de geboorde monopaal kan ook worden geplaatst op loca-ties waar harde grondlagen voorkomen en heien niet meermogelijk is.FabricatieDe monopaal is opgebouwd uit geprefabriceerde betonnenringen van circa ?6 m en 6 m lang (foto 1). Deze ringenworden in elkaars verlengde geplaatst met enkele centimeterstussenruimte. De tussenruimte wordt gevuld met grout, zodateen gelijkmatig contactoppervlak tussen de elementen ontstaat.Daarna worden de elementen tegen elkaar aangespannen en demantelbuizen volgegrout. Aan de onderzijde van de monopaalwordt een stalen ring bevestigd die als een snijtand de onder-grond indringt. De boven- en onderzijde van de paal wordenvoorzien van een tijdelijke afdichting, zodat de betonnenmonopaal drijvend naar de uiteindelijke locatie kan wordenvervoerd.themaMonopaal van beton5201052zeebodem-30.0 [m]gem. zeeniveauBK monopaal gem. zeeniveautoren5 MW turbine+86.0 [m]gem. zeeniveauteen monopaalzandkleikalksteenscourijsconus2 Opstellen monopaal3 Snijtand aan onderzijde paal4 Installatie boor5 Installatie ijsconus6 Totale systeem windturbinegeven dan de som der delen. Ook ijs kan een dynamische belas-ting geven, omdat het bezwijkgedrag van ijs zowel plastisch alsbros kan zijn, afhankelijk van de reksnelheid. In bepaaldegevallen `stemt' het ijs het bezwijkgedrag af op de eigenfrequen-tie van de constructie, waarna er een `interlock'-verschijnselontstaat met resonantie tot gevolg. Om de ijsbelasting te beper-ken is gekozen voor een ijsconus.Krachtswerking & modelleringVoor het globale ontwerp van de totale constructie wordtgebruikgemaakt van een liggermodel. De grond wordt in demodellering geschematiseerd als discrete niet-lineaire veerka-rakteristieken, de zogenoemde PY-krommen (fig. 7). Ditbetreffen rechtlijnige benaderingen ? in verschillende takken ?van het werkelijke gekromde verloop van de veerkarakteristie-BelastingenDe belastingen op het totale systeem, bestaan voornamelijk uitgolven, stroming, wind, ijs en voorspanning. Een monopaal-fundatie vormt een slanke constructie, die gevoelig is voorresonantie met de optredende dynamische belastingen, voorna-melijk afkomstig uit de windturbine, golven en - indien vantoepassing - ijs. Het ontwerp van de fundatie moet daaromplaatshebben in een nauw gedefinieerde eigenfrequentieband,om te sterke resonantieverschijnselen te voorkomen. Nu is debelasting niet een optelsom van de onafhankelijke delen; debelastingen be?nvloeden elkaar ook. Zo geeft een draaiendewindturbine veel meer aerodynamische demping dan een stil-staande en dus zullen bijvoorbeeld tegelijk optredende wind-en golfbelastingen samen een lagere response van het systeem24356Monopaal van beton 52010 53Y [m]0024681012141618200,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5P[MN/m]VT7 Geschematiseerd grondgedrag in een PY-kromme8 Krachtswerking voegvrijwel geheel wordt aangewend voor het wegspannen van trek-spanningen door de buigbelasting. Dit resulteert in een hogevoorspangraad met als gevolg ook relatief hoge voorspanverliezen.Door niet alle voorspankabels over de gehele paallengte door tezetten is het mogelijk de voorspanning te reduceren in zones metlagere momenten.De betonsegmenten worden in principe aan elkaar geregen doorde voorspankabels, zonder verdere koppelingen tussen de elemen-ten. De voeg tussen de elementen moet alle schuifspanningen uitdwarskracht en torsie op wrijving en mechanische interlocktussen de segmenten overdragen (fig. 8). Ook de axiale belasting,uit voornamelijk voorspanning en buiging, geeft een zware belas-ting op de voeg. De voeg wordt daarom uitgevoerd met een hoog-waardige expanderende grout op een zodanige wijze dat vrijwelvolledige voegvulling kan worden bereikt, met tot gevolg een voegdie sterker is dan de betonsegmenten.Na de globale analyse van de monopaal worden lokale effectenbeschouwd in een volledige 3D eindige-elementensom metcontinue bedding ter plaatse van de grond. Deze effectenbestaan voornamelijk uit ovalisatie van de monopaal en moge-lijk lokale plooi. Dit geldt met name aan de paalpunt, alwaar dedwarskracht zijn maximum bereikt. De segmenten van demonopaal worden daarom ook verschillend gewapend. ken. Berekening van de paal op stabiliteit, sterkte en stijfheid isvanwege het niet-lineaire karakter van de grond een iteratievehandeling. Omdat het grondgedrag plastisch kan worden enhet een monopaal betreft met geen enkele mogelijkheid vaneen tweede draagweg, moet er een veilig paalpuntniveauworden gekozen om de stabiliteit te garanderen en ook omexcessieve blijvende vervormingen te voorkomen. Ook be?n-vloedt het paalpuntniveau het dynamische gedrag van deconstructie. De inbeddingsdiepte en de diameter kunnenworden bijgesteld om de totale constructie binnen de vereisteeigenfrequentiebanden in te passen.Door het dynamische karakter van de belastingen is een mono-paalfundatie vooral ook een constructie belast op vermoeiing.Voor de vermoeiingsberekening is gebruikgemaakt van dePalmgren-Miner methodiek in combinatie met spanning-wisselingdiagrammen ontwikkeld voor offshore betoncon-structies onder water, het geen een ongunstiger vermoeiings-beeld geeft dan constructies boven water. Uiteraard moet ookde wapening op vermoeiing worden gecontroleerd.De monopaal is een voorgespannen gesegmenteerde betoncon-structie die volledig is voorgespannen om blootstelling van hetvoorspanstaal aan het zoutwatermilieu te voorkomen. Omdat heteen verticale constructie betreft, betekent dit dat de voorspanning7 8