Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und dynamisches Schwingungsverhalten großformatiger Offshore-Megastrukturen werden neben direkter Einwirkung durch Strömung und Wellen auch durch Wechselwirkungen zwischen Wellen und Strömung und der Strömung im Meeresboden und damit einhergehenden Verformungen des Bodens beeinflusst. Auf großen Zeitskalen (Jahre, Jahrzehnte) stattfindende Bewegungen der Bodenstruktur (z. B. langsame Verlagerung von Dünen) erzeugen Veränderungen des Meeresbodens im Strukturumfeld. Diese überlagern sich auf kleinen Zeitskalen (Stunden, Tage) mit der Ausbildung von Kolk. Als Kolk werden hier Veränderungen der Einbettung der Offshore-Megastruktur bezeichnet, die durch Reduktion der Lagerungsdichte und Einbindetiefe des Bodens entstehen. Insbesondere ist der lokale Abtrag von Bodenmaterial vor und um eingebettete Strukturen gemeint. Kolk kann zu erheblichen Stabilitätsproblemen bis hin zum Bauwerksversagen führen. Die übergeordneten Ziele von TP A04 fokussieren auf ein besseres Verständnis und einer verbesserten Vorhersage dieser Prozesse an großskaligen Offshore-Strukturen.

An meerestechnischen Strukturen entstehen Kolke einerseits an einzelnen Pfeilen und Auflagern (lokal) und andererseits am Gesamtsystem (global) infolge der weiträumigen Interaktion der Strömung mit der Gesamtstruktur unter typischerweise quasistationärer Anströmung, die von Wellen zyklisch überlagert wird. Die Entstehung, die wesentlichen Treiber und die Auswirkungen von Kolk sind zumeist mit stark vereinfachten Einwirkungsparametern in zahlreichen Studien untersucht und ingenieurpraktische Gegenmaßnahmen für das Design von Kolkschutzmaßnahmen entwickelt worden. Vorhersagen von Kolk und Projektionen der Entwicklung von Kolk infolge sich verändernder Einwirkungen über den Lebenszyklus einer Offshore-Megastruktur hinweg an Strukturen, die von den konventionellen, hydrodynamisch transparenten Monopilestrukturen abweichen, sind bislang jedoch kaum möglich. Hydrodynamisch transparente Strukturen sind solche, die Wind- und Fernwellen sowie Strömungen nicht primär beeinflussen. Die Abschätzung und Vorhersage zur Kolkentstehung an komplexeren Strukturen mit numerischen Modellen wird nur selten umgesetzt, da die Modellparameter keine allgemeinen Gültigkeitsbereiche haben. Auch die Einschätzung der Notwendigkeit, Eignung und Dauerhaftigkeit sowie das praktische Design von Kolkschutzmaßnahmen für meerestechnische Konstruktion sind daher eine Herausforderung. Vor diesem Hintergrund stützen sich Struktur, Methoden und Zielstellungen von TP A04 auf die Arbeitshypothesen, dass sich die Entwicklung von Kolk an Offshore-Megastrukturen, wie etwa mit fachwerksartigen Tragstrukturen als Jacket-Konstruktion, unter realen Lasteinwirkungen von der an schlanken und hydraulisch transparenten meerestechnischen Konstruktionen (i. d. R. Monopiles), für die Kolkmodelle existieren, maßgeblich unterscheidet. Anhand gezielter experimenteller Untersuchung mit Modellen in kleineren (Labor-)Maßstäben ist es jedoch möglich, weiterentwickelte numerische Modelle so zu validieren, dass sie für Vorhersagen zu Kolkbildung an realen, großen Strukturen verwendet werden können. Dies geht auch unter Variation der Einwirkungsparameter, wie Spektrum, Kombination und Richtungsabhängigkeit von Strömung und Wellen. Auch die Vorhersage der Notwendigkeit und Wirksamkeit von Kolkschutzmaßnahmen ist auf diese Weise möglich.

Hieraus leiten sich die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen ab:

- In wie weit sind bekannte, für Monopilestrukturen und kleine räumliche Abmessungen validierte numerische Modelle zur Entwicklung von Kolk auf andere, insbesondere Jacket-, Strukturen, auf größere Längenskalen auf Offshore-Megastrukturen anwendbar und wie skalieren dabei die Modellparameter?
- Worin und in welchem Maß unterscheiden sich die Entwicklung von Kolk durch Strömung mit beliebig variierender Strömungsrichtung in Kombination mit Seegang von denen in einer uniformen Strömung?
- Sind Prognosen und Empfehlungen zur Notwendigkeit, Eignung und Wirksamkeit von Kolkschutzmaßnahmen mit kleinskaligen physikalischen Modellen möglich und bis zu welchen Wellenbelastungen und Anströmgeschwindigkeiten sind diese Prognosen für Offshore-Megastrukturen belastbar?

Die Innovation von TP A04 besteht in der konsistenten Untersuchung der Möglichkeiten und Limitierung von numerischen Modellen zur Vorhersage der Initialisierung von Kolk. Insbesondere die Übertragbarkeit von Modellparametern soll untersucht werden. Weiterhin sollen dann die Projektionen der Entwicklung von Kolk infolge sich verändernder Einwirkungen über den Lebenszyklus erarbeitet werden. Andererseits leistet TP A04 belastbare Studien von Szenarien zur Notwendigkeit, Eignung und Dauerhaftigkeit sowie Empfehlungen für das praktische Design von Kolkschutzmaßnahmen für meerestechnische Konstruktionen.

Das Teilprojekt gehört zum Cluster Einbindung in den Meeresboden. Es interagiert stark mit TP A03, A06 und B04. Es sollen verlässliche Vorhersagen für die Initialisierung und zeitliche Entwicklung von Kolk im Nahfeld von Offshore-Megastrukturen ausgearbeitet werden, die von TP B04 als Randgeometrie verwendet werden. TP B04 bestimmt damit die Randspannungen und Verschiebungen für das Gesamtmodell des Digitalen Zwillings.