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Hochschule Bremen - University of Applied Sciences

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OWIWE

Grundlage einer Richtlinie zum Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen
Zielsetzung
In der insgesamt noch jungen Technik für Offshore-Windenergieanlagen sind spezifische Normungen in Form von DIN-Vorschriften bisher nicht verfügbar. Die direkte Übertragung von Onshore-Daten ist nur bedingt möglich; insbesondere die Größe der geplanten Anlagen, der Baugrund, die stärkere Wind- sowie die Welleneinwirkung schaffen gravierende Unterschiede zu WEA an Land.

Ziel ist die Erarbeitung praxistauglicher Konzepte zur vereinfachten Berechnung von Offshore-Anlagen. Notwendig sind umfangreiche statistische Auswertungen sowie Berechnungen an ausgewählten Tragwerksystemen. Betrachtet werden die drei Substrukturen Anlagenturm (über dem Wasser), Stützkonstruktion (im Wasser) und Gründung (im/auf dem Meeresboden) im Hinblick auf die jeweilige Beanspruchung durch Wind und Wellen, die Möglichkeiten ihrer separaten Entwurfsbearbeitung und die Notwendigkeiten der Interaktionsmodellierung. Ein Schwerpunkt liegt auf der geotechnischen Modellierung für Tripod-Konstruktionen.

Ergebnisse der Arbeit werden derzeit in die Arbeitsgruppe des Bundesamtes für Seeschiffahrt und Hydrographie (BSH) zur Entwicklung einer Richtlinie für den Entwurf von Offshore-WEA (Standard Konstruktion) eingebracht.
Zusammenfassung
Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Frage praxistauglicher Berechnungs- und Bemessungsansätze und -methoden für die Planung und den Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Windenergieanlagen sind hybride Anlagen, teils Maschine, teils Bauwerke. Maschinen werden traditionell typengeprüft und in Serie gefertigt, Bauwerke hingegen insbesondere Ingenieurbauwerke werden zweck- und standortbestimmt als Unikate errichtet. Der derzeitige Stand der Technik sieht zwangsläufig individuelle Entwürfe durch umfangreiche standortspezifische numerische Simulationen und Berechnungen für jede einzelne WEA vor, weil einerseits die Standortbedingungen eine bedeutende Entwurfskomponente bilden und andererseits Erfahrungen als Grundlage für Verallgemeinerungen fehlen. Eine einheitlich anwendbare Richtlinie existiert nicht, und die Richtlinien von privatrechtlich organisierten Klassifizierungsgesellschaften führen zumindest teilweise zu unterschiedlichen Ergebnissen.

An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel einen ganzheitlichen Überblick über alle Aspekte des Bauwerkes Offshore-Windenergienanlage zu geben. Dazu werden Ergebnisse der Grundlagenforschung gesichtet, zusammengestellt und nötigenfalls ergänzt. Die für die Entwurfsplanung von Offshore-Windenergieanlagen benötigten Annahmen über die äußeren Umweltbedingungen werden benannt und ihre Auswirkungen auf die Dimensionierung der Turm-, Stütz- und Gründungskonstruktion untersucht und zusammengestellt. Für einen Großteil der Problemstellungen werden geeignete vereinfachte Ansätze und Methoden, die meist ohne großen numerischen Aufwand anwendbar sind, vorgestellt und erläutert.

Im ersten Teil des Berichtes werden die maßgebend vorherrschenden äußeren Offshore-Bedingungen und ihre statistischen Auswertungen im Vergleich mit bestehenden Normen und Richtlinien beschrieben und erläutert. Dazu werden die relevanten Einwirkungsgrößen, wie Windverhältnisse, Seegang, Meeresströmung, Eis, Kolk und die Kombination der Belastungen anhand von statistischen Daten ausgewertet und mit verfügbaren Vorschriften verglichen. Mit Hilfe der statistischen Daten werden konkrete Vorschläge für die Annahmen zu den maßgebenden Umgebungsbedingungen formuliert. Unterschieden wird dabei zwischen Betriebs- und Extremlasten. Wie die einzelnen Belastungen für die Dimensionierung von OWEA anzusetzen sind, wird ebenfalls detailliert angegeben.

Im zweiten Teil werden die geotechnischen Aspekte von Offshore-Windenergieanlagen und ihre Besonderheiten behandelt. Dabei werden, ausgehend von den derzeit diskutierten Gründungsvarianten, die Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung erläutert, die gängigen Verfahren zur Bemessung von verschiedenen Gründungsstrukturen vorgestellt und die ihren zu Grunde liegenden Annahmen im Hinblick auf die Anwendung zur Dimensionierung von OWEA geprüft.

Anschließend wird ein numerisches Boden-Pfahl-Modell vorgestellt und zur Validierung der vereinfachten analytischen Verfahren verwendet. Dabei werden zunächst die für das numerische Modell notwendigen Einflussparameter variiert und deren Auswirkungen auf das System untersucht und ausgewertet. In den folgenden Abschnitten werden die analytischen Berechnungsmethoden und deren Parameter mit denen des FE-Modells verglichen. Die Ergebnisse werden gegenübergestellt sowie entsprechende Anwendungshinweise für den Offshore-Bereich gegeben.

In einer umfangreichen Parameterstudie werden die Auswirkungen variierender Modellgeometrien, unterschiedlicher Annahmen über Umweltlasten und Bodenverhältnisse an zwei Gründungsvarianten (Tripod, Monopile) und Modellen studiert und bewertet. In einem weiteren Schritt werden die analytischen Verfahren mit den Berechnungen des FE-Modells verglichen.

Im letzten Abschnitt werden die Besonderheiten und Einflüsse auf die Lebensdauerberechnung der Windenergieanlage untersucht. Hierfür wird zunächst das für die Berechnung der Lebensdauer entscheidende Schwingungsverhalten für unterschiedliche Gründungstrukturen untersucht. Im weiteren Verlauf werden die Konzepte zur Bewertung der Lebensdauer hinsichtlich unterschiedlicher Vorschriften und Berechnungsverfahren gegenübergestellt und bewertet.
Veröffentlichungen
Harder, H.
Bellmer, H.
Bringezu, D.
Rakers, H.
2006

Grundlagen einer Entwurfsrichtlinie für Offshore-Windenergieanlagen
Forschungsbericht, Eigenverlag (IGBre)

Als Download:
Zielsetzung, Inhaltsverzeichnis und Zusammenfassung.
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Name Telefon E-Mail
Harder, Harry, Prof. Dr.-Ing. +49 421 5905 2331  senden

 

 

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