Ganzheitliches Dimensionierungskonzept für OWEA-Tragstrukturen anhand von Messungen im Offshore-Testfeld

(Verbundprojekt der Leibniz Universität Hannover und der Fraunhofer-Gesellschaft)

Homepage: www.gigawind.de

Hauptfragen der Forschung

  • Wie können OWEA-Tragstrukturen verbessert werden, damit das Massenprodukt OWEA wirtschaftlich wird?
  • Welche Lasten wirken auf OWEA und wie können sie gemessen und überwacht werden?
  • Wie kann die Lebensdauer von Offshore-Bauwerken verlängert werden?
  • Welche Veränderungen bewirken Rammpfähle am Meeresbodens und wie viel “Wind” kann abgetragen werden?

Bei der Projektierung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) stellt die Tragstruktur im Vergleich zu Onshore-Anlagen einen sehr wesentlichen Kostenfaktor dar. Vor dem Hintergrund mehrerer tausend geplanter Anlagen in Nord- und Ostsee gewinnt dieser Aspekt weiter an Bedeutung.


Bild 1: Teilprojekte GIGAWIND alpha ventus

Beschreibung und Ziele des Projektes

Als vorrangiges Ziel verfolgt dieses Projekt die Kostenminimierung von OWEA-Tragstrukturen, d.h. Türme, unterschiedliche Gründungsstrukturen und Gründung. Auf der einen Seite bedeutet dies die Entwicklung leichterer Tragstrukturen (Materialkosten) und auf der anderen Seite die Optimierung des Entwurfsprozesses (Personalkosten). Das Projekt ist interdisziplinär ausgerichtet und umfasst daher alle relevanten Aspekte des Bauingenieurwesens.

Unterschiedliche Arbeitspakete spiegeln dies wieder:

  1. Lastmodelle für Wind und Wellen und deren Korrelation,
  2. Einfluss fertigungstechnischer Aspekte auf die Lebensdaueranalyse,
  3. Korrosionsschutz für Stahlstrukturen im Offshore-Bereich,
  4. zuverlässige Beanspruchungsüberwachung an globalen und lokalen Tragelementen,
  5. Entwicklung innovativer Kolkschutzsysteme und lokales Kolkmonitoring,
  6. Modellierung des Tragverhaltens von Offshore-Rammpfählen und
  7. automatisierte Validierung von Gesamtstrukturmodellen.

Es werden Algorithmen, neuartige Methoden und Software-Tools entwickelt, die anhand von Messdaten aus dem Testfeld validiert werden. Durch eine effizientere Entwurfsphase und die Ausnutzung der Bemessungsreserven können die Tragstrukturen sehr viel kostengünstiger entwickelt werden.

Der Bemessungsaufwand wird durch die Integration unterschiedlicher Software-Tools in ein nutzerfreundliches Simulations- und Bemessungspaket mit den erforderlichen Schnittstellen erheblich reduziert. Die Implementierung von Erweiterungen wird durch einen modularen Aufbau im ganzheitlichen Dimensionierungskonzept ermöglicht.


Bild 2: Beispiel für eine Schnittstelle zwischen Lastmodell und Gesamtstrukturmodell

Die Dimensionierung von OWEA-Tragstrukturen stellt aufgrund der großen Anzahl von Einflussparametern hohe Ansprüche an den Konstrukteur. Auswahl und Optimierung der Gesamtstruktur müssen bezüglich der Dimensionierung zwei Hauptanforderungen erfüllen:

  • Sicherheit
  • Wirtschaftlichkeit

Für gewöhnlich liegt der Optimierung ein Iterrationsprozess zugrunde, welcher sehr effiziente Simulations- und Bemessungswerkzeuge erfordert, wie oben aufgezeigt.

Beispiel für Software-Schnittstelle

In den Teilprojekten des Forschungsvorhabens GIGAWIND werden verschiedene Software-Tools für spezifische Bemessungsaufgaben, entwickelt. Diese umfassen z.B. Lastmodelle und validierte Gesamtstrukturmodelle. Das Software-Paket bietet Schnittstellen zwischen den verschiedenen Tools, um einen zeiteffizienten Bemessungsprozess zu ermöglichen.

In diesem Beispiel soll eine OWEA hinsichtlich des Lastfalles “Seegang” bemessen werden. Basierend auf der Modellierung der Gesamtstruktur mittels FEM oder MKS werden die bekannten Geometrieinformationen und Knotenkoordinaten automatisch an das sog. Tool WaveLoads übergeben. Durch interne Algorithmen ermittelt WaveLoads Knotenlasten auf Basis einer Bemessungswelle oder eines definierten Seegangs und gibt die Ergebnisse als Knotenlasten an das Strukturmodell zurück. Anschließend kann die Analyse mit den dynamischen Lasten aus WaveLoads durchgeführt werden.

Literatur

  • Woltering, S.; Daemrich, K.-F.: Nonlinearity in irregular waves from linear LAGRANGEian superposition. Proceedings of 29th International Conference on Coastal Engineering, Lisbon, Portugal, ASCE, 2004.
  • Momber A.W.; Stenzel V.; Plagemann P.; Schneider M.: Combined Field - Laboratory Studies on Corrosion protection Conceptions for Offshore Windenergy Towers. 4th Intern. Symp. On Protective Coatings, Bombay, Nov. 2006.
  • Rolfes, R.; Lynch, J.; Gerasch, W.-J.; Haake, G.; Reetz, J.; Zerbst, S.: Integral SHM-System for Offshore Wind Turbines Using Smart Wireless Sensors. Proceedings of the 6th International Workshop on Struktural Health Monitoring, Stanford, 11.-13. September 2007, DEStech Publications, Inc., 2007.

Homepage: www.gigawind.de

Kontakte und Partner

Leibniz Universität Hannover

Fraunhofer-Gesellschaft

Senvion SE (Kooperationspartner)
Adwen GmbH (Kooperationspartner)

Publikationen des Projektes

Die Publikationsliste von RAVE GIGAWIND alpha ventus finden Sie hier: GIGAWIND - LUH & Fraunhofer IWES