Analyse der transienten Schallemissionen während der Offshore-Einrammung von Monopiles

In der schnell wachsenden Offshore-Windindustrie gewinnt die Berücksichtigung von Schallemissionen zunehmend an Bedeutung. Um den Spitzenschalldruck an bestimmten Standorten im Voraus zu bestimmen, ist eine detaillierte numerische Simulation des transienten Fahrstoßes und der damit verbundenen Hydroakustik notwendig. Als Beispiel wurde ein großer Monopile in konischer Form (Gesamtlänge 50 m, Durchmesser 3 m - 4,75 m, Wandstärke 50 mm) untersucht, der mit dem hydraulischen MENCK-Hammer MHU 800S eingebracht wurde. Die Schlagenergie beträgt 820 kJ, was eine Schlagkraft von 85 MN erzeugt. Die endgültige Eindringtiefe des Monopiles beträgt 20 m bei einer Wassertiefe von 22 m.

Die Simulation machte schnell die Ursachen für den Spitzenschalldruck aus, was die Entwicklung geeigneter Lärmschutzsysteme vereinfachte, wie z. B. das Umgeben des Monopiles mit einem Vorhang aus Luftblasen, die Verwendung eines Hilfs-Monopiles mit Luftkammern, die Veränderung der Monopile-Oberfläche oder andere Lösungen.

Mit der Ansys Workbench-Umgebung wurde ein flexibles Dynamikmodell erstellt, um die Unterwasser-Geräuschemission zu bewerten, die vom Hammerschlag ausgeht und sich über den Monopile in der Umgebung ausbreitet.
FE-Modell:

• Nichtlineare Kontakte.
• Ansys Acoustic Elements simuliert die Wasserumgebung.
• Ein Zwei-Wege-Algorithmus (stark, Matrix-Kopplung) berechnet gleichzeitig die Interaktion von Fluid & Struktur (FSI) zur Ermittlung der strukturellen Verschiebungs- und Schalldruckwerte.

Ergebnisse:

• Axiale Verschiebungen erzeugen radiale Biegeschwingungen im Monopile. Die Schallschwingungen innerhalb des Monopiles sind für die Schallemission verantwortlich.
• Bild 2 zeigt die Simulation der Schalldruckwelle vom Hammerschlag bis zum Meeresboden zu einem frei wählbaren Zeitpunkt.
• Im Diagramm auf Bild 3 sind die Verläufe der drei simulierten Mikrofonsignale zu sehen.