Warum die Bodenbedingungen für die Gestaltung von Solarfundamenten wichtig sind

Von SPW | 14. November 2017

Von Joseph W. Houk, PG, Ingenieurgeologe; und Thomas J. Berglin, PE, Geostrukturingenieur für kalte Regionen für Solar FlexRack

Das Verständnis der Bodenverhältnisse eines potenziellen Solarprojekts kann viele Entwurfsüberlegungen beeinflussen, vor allem die Wahl des Fundaments. Das wirtschaftlichste Fundamentdesign kann von der geografischen Lage, der Bodenart, den örtlichen Bauvorschriften, dem Grundwasserspiegel, dem Korrosionspotenzial und der Topographie abhängen.

Fundamentpfosten mit Direktantrieb:Direkt angetriebene Fundamentpfosten sind möglicherweise die gebräuchlichste Solarfundamentkonstruktion sowohl für Projekte mit fester Neigung als auch für Nachführprojekte und umfassen W-Profilträger unterschiedlicher Größe, C-Kanäle, Hutkanäle und Rundrohre.

Spiralpfosten, Erdschrauben:Spiralpfosten und Erdschrauben sind in Regionen mit schwach körnigen Böden beliebt und basieren auf der Drehmoment-Achsen-Beziehung zwischen den Schaft- und Gewindekomponenten der Spirale/Schraube und der Reibungskapazität, die innerhalb des Bodenregimes oder des Aggregats im Bohrloch entwickelt wird.

Betonballast:Ob vorgefertigt oder vor Ort gegossen, Betonballast ist eine praktische Fundamentlösung für umgewidmete Brachflächen, Deponien mit Membrankappen, umweltsanierte/stillgelegte Standorte und in einigen Bundesstaaten auch ausgewiesene Feuchtgebiete der Klasse II, in denen minimalinvasive Fundamentkonstruktionen erforderlich sind .

Eine umfassende geotechnische Untersuchung kann hilfreich sein, um zu verstehen, wie sich die Bedingungen unter der Oberfläche auf das Projektdesign und die langfristige Gebrauchstauglichkeit auswirken können. Ebenso können umfassende Belastungstests zur Validierung eines Fundamententwurfs beitragen.

Geotechnische Untersuchungen können Probebohrungen, Feldversuche vor Ort und/oder Probegrubenaushub umfassen.

Eine Standortuntersuchung bestehend aus Bodenbohrungen und Labortests wird in den meisten Fällen ein repräsentatives Querschnittsprofil des Untergrunds des Solaranlagenstandorts liefern. Die Anzahl der Bohrungen hängt in der Regel von der Erreichbarkeit des Standorts und der Größe des Projekts ab.

Testbohrungen umfassen Standard-Penetrationstests (SPT), die standardisierte Schlagzahlen oder N-Werte liefern. Die N-Werte sind ein Maß für die relative Dichte bindiger Böden (Sande) und die relative Konsistenz bindiger Böden (Tone), und diese Werte können zuverlässig mit der axialen und seitlichen Pfostenkapazität für einen bestimmten Standort korreliert werden.

Testgrubenaushubarbeiten sind auch eine wertvolle Alternative zu Bodentestbohrungen. Die Aushubeigenschaften des Bodens können bewertet werden, Aushubseitenwände werden die Grenzen der Bodenschichtung freilegen, Messungen des Bodendurchdringungswiderstands können mit einem handgehaltenen Penetrometer-Instrument erhalten werden, hochgelegenes saisonales Grundwasser kann beobachtet werden und repräsentative Massenbodenproben für Labortests können gesammelt werden aus den Ausgrabungsresten.

Auch technische Softwareprodukte können Abhilfe schaffen. Der Grad der Genauigkeit des Softwareprodukts hängt von der Anzahl spezifischer Bodentechnik-Indexeingaben ab, die in das Programmmodell geladen werden, um Untergrundbedingungen zu simulieren. Das Modell kann den Befestigungspunkt des im Fundamententwurf berücksichtigten Strukturabschnitts sowie eine konservative Pfosteneinbettungstiefe und die daraus resultierende Gesamtpfostenlänge vorhersagen.

Das Korrosionspotenzial des Bodens sollte ebenfalls bewertet werden, um festzustellen, ob ein zusätzlicher Korrosionsschutz über die standardmäßige 3-mil-Verzinkungsbeschichtung hinaus erforderlich ist, die verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Fundamentpfosten die geplante Lebensdauer des Projekts erreichen oder überschreiten.

Vollständige Belastungstests, die zusammen mit einer Fahrbarkeitsuntersuchung durchgeführt werden, sind die genaueste Methode zur vollständigen Validierung eines Fundamententwurfs. In Nestern sollten drei Prüfposten installiert werden. Einer der Pfosten sollte bis zur angestrebten Einbettungstiefe des Fundaments installiert werden, während einer zum Leistungsvergleich tiefer und ein anderer flacher eingetrieben wird.

Ein axialer Belastungstest (mit freundlicher Genehmigung von Solar FlexRack)

Die statische axiale Tragfähigkeit von Pfählen ändert sich typischerweise im Laufe der Zeit nach der Installation des Testpfostens, abhängig von den Boden-/Gesteinseigenschaften, dem Porenwasserdruck und den durch die Installation verursachten Störungen der Bodenstruktur. Zwischen der Installation und dem Belastungstest sollte eine Bodenerholungszeit zwischen drei und 30 Tagen berücksichtigt werden.

Belastungstestlasten werden aus der Größe und Art des Regals, der Anzahl der Fundamentpfosten pro Regal und den örtlichen Gebäudeanforderungen für Windlasten, Schneelasten und Adfrostbindungsspannungen (Frostkonstruktionen) abgeleitet. Die Testpfähle werden in fünf Lastschritten axial und seitlich belastet und pro Schritt vier Minuten lang gehalten. Die ersten vier Stufen entsprechen 25 %, 50 %, 75 % und 100 % der Auslegungslast. Die fünfte Last ist eine faktorisierte Bemessungslast, die 150 % der Bemessungslast entspricht, was einem Sicherheitsfaktor von 1,5 entspricht.

Axiale Kompressionsprüfungen von Testpfosten werden normalerweise in extrem kalten Klimazonen durchgeführt, in denen ein Frostschutzkonzept für Verbindungsbrüche in die Fundamentkonstruktion integriert wurde, wodurch die maßgeblichen Lasten von der axialen Hebung auf die Kompression nach unten übertragen werden. Als Reaktionsbalken für die axiale Zugprüfung dient ein Kettenbagger geeigneter Größe. Die Schaufel wird zur seitlichen Prüfung verwendet und das Gegengewicht der Maschine wird zur axialen Prüfung unter Druck eingesetzt. Ein Raupenbagger eignet sich ideal für Belastungstests aufgrund seiner Geschwindigkeit und Mobilität beim Zugang zu schwierigem Gelände, seiner Fähigkeit, mehr als 50.000 Pfund Kraft aufzubringen, und für die Testpfahlentfernung nach Abschluss des Belastungstests.

Die Fahrbarkeitsstudie wird in Verbindung mit der Installation des Testpfostennestes durchgeführt. Befahrbarkeitsanzeigepfosten werden in der Regel in einem Rastermuster in verschiedenen Einbettungstiefen über und unter der geplanten Tiefe des Fundaments eingerammt, um die Eintreibzeiten aufzuzeichnen und Hindernisse, Felsbrocken und/oder Grundgestein unter der Oberfläche zu dokumentieren. Die Daten der Befahrbarkeitsuntersuchung sind wertvoll für die Schätzung der Fahrzeiten in der Produktion und für Budgetzwecke, um Bereiche mit schwierigem Fahrverhalten oder unterirdischen Hindernissen zu quantifizieren.

Die Einhaltung der ASTM-Standards bei Belastungstests ist sowohl für die Wiederholbarkeit als auch für die Transparenz des Designs von entscheidender Bedeutung. Viele Solar-Montageunternehmen führen Belastungstests mit einer Reihe unabhängiger Methoden durch, von denen einige möglicherweise nur vom Montageunternehmen selbst interpretiert werden können.

Hersteller guter Regale können Solarunternehmen bei der Auswahl des besten Fundaments und der besten Regale für ihr Projekt unterstützen. Solar FlexRack verfügt beispielsweise über Erfahrung in der Entwicklung von Solarfundamenten in Klimazonen vom arktischen Wassereinzugsgebiet im Norden Ontarios bis zu den Hawaii-Inseln. Mit der richtigen Hilfe können Solarinstallateure auf die Integrität ihrer Solarsysteme vertrauen.