und umwelttechnische Aspekte von Off-shore Windenergieanlagen ...

4 Schallabstrahlung und -ausbreitung Abschlussbericht GIGAWIND
werden die maximalen Kraftamplituden bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten, sodass
das Spektrum der E112 nur überschlägig als Eingangsgröße für die Betriebsphase angesehen
werden kann.
Werden Stahlpfähle oder Monopiles in den Boden gerammt, so werden im Boden
Schwingungen angeregt. Ein Teil der Rammenergie wird verwandt, um das Rammgut auf
Tiefe zu bringen und ein Teil der Energie wird über den Meeresboden in die Umgebung
transportiert. Wird der Meeresboden während der Rammarbeiten zu Schwingungen angeregt,
so erfolgt gleichzeitig eine Energieeinleitung in das Meereswasser. Die Schwingungen des
Meeresbodens führen zu Druckänderungen im Meereswasser.
Das Curt-Risch-Institut hat ein Prognoseverfahren entwickelt, mit dem die
Schwingungsamplituden auf der Halbraumoberfläche berechnet werden können. Die
Berechnung kann unabhängig von der Einbringmethode (Impulsramme, Rüttler) durchgeführt
werden. Die prognostizierten Schwingungsamplituden auf dem Meeresboden mit einem, aus
Messungen ermittelten, typischen Zeitverlauf sind die Eingangsgrößen für die Berechnung
des Schalldruckes.
4.5 Modelle
Für die Beschreibung der Ausbreitung der akustischen Wellen im Meereskörper wird das
Modell des kreiszylindrischen Flachwasserkanals mit konstanter Wassertiefe und konstanter
Schallgeschwindigkeit verwendet. Dieses Modell entspricht einem Kreiszylinder mit einem
unendlichen Radius, in dessen Längsachse ein Stahlzylinder (Pfahl, Monopile) angeordnet ist.
Der Stahlzylinder kann in mehrere Sektionen mit konstanter Wanddicke aufgeteilt werden.
Am unteren Rand des Zylinders kann der Einfluss des Bodens mit Federkonstanten
berücksichtigt werden (im FE-Modell). An der Unter- und Oberseite des Wasserzylinders
bzw. am Meeresboden und an der Wasseroberfläche wird der Schall vollständig reflektiert.
Für die Berechnung wird nur ein Ausschnitt des Wasserzylinders betrachtet
(Rotationssymmetrie). Die Lösung der Wellengleichung mit den entsprechenden
Randbedingungen aus den Eingangsgrößen erfolgt analytisch (als stationäre Lösung für eine
periodische Erregung mit der modalen Methode) oder numerisch mittels FEM. Bei der
Berechnung der Schallabstrahlung des Stahlzylinders wird die Interaktion zwischen Struktur
und Wasser berücksichtigt. In der Bauphase (Rammvorgang) wird nur der erste Schlag
berechnet. Damit erfolgt die Berechnung unabhängig von der Eindringtiefe des Pfahles. Bei
der Berechnung der Schallabstrahlung des Meeresbodens wird die Schwinggeschwindigkeit
bzw. der Schwingweg als Randbedingung formuliert. Im FE-Modell wird das Schallfeld zur
Begrenzung der Rechenzeit nur bis zu einem Radius kleiner 100m berechnet. Der Schalldruck
in größeren Entfernungen zur Schallquelle kann näherungsweise mit dem Ausbreitungsgesetz
für Zylinderwellen berechnet werden.
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