Beschreibung
P 1043 – Optimierte Dimensionierung hoher Gittermasttürme für Windenergieanlagen unter realistischer Berücksichtigung der aerodynamischen Einwirkungen, des Ermüdungsverhaltens und des Stahlsorteneinflusses
In dem durchgeführten Forschungsvorhaben wurden grundsätzliche Aspekte zur Wirtschaftlichkeit und Optimierbarkeit von Gittermasten für hohe Türme mit und ohne Windkraftanlagen untersucht. Die Arbeiten fokussierten dabei sowohl die aerodynamischen Eigenschaften von Gittermastkonstruktionen als auch die strukturbezogenen Aspekte für diese Bauform. Mit Blick auf letztgenanntes waren es dabei insbesondere die Topologie, d.h. die geometrische Anordnung der Stabelemente, der Einfluss der Querschnittsgestaltung und die verwendeten Stahlsorten, die im Rahmen eines Optimierungsprozesses unter Wirtschaftlichkeitskriterien variiert wurden.
Im Rahmen der durchgeführten Berechnungen wurden Kennwerte für die Modellierung der aerodynamischen Lasteinwirkung im Grenzschichtwindkanal ermittelt, die speziell für die relevanten hohen Öffnungsgrade der Gittertürme gültig sind. Für diese Untersuchungen wurden Modelle hergestellt, die als realistisch in Bezug auf die Verwendung bei besonders hohen Türmen angesehen werden können. Zudem wurde die Windlastwirkung mit Bezug auf die Veränderlichkeit von Windgeschwindigkeit und – richtung realistisch abgebildet. Hierdurch wurden auch probabilistische Nachweisführungen möglich, da die gewonnenen Lastdaten erstmalig eine ausreichend statistische Aussagekraft für die konkrete Geometrie hatten.
Die Nachweisführung für die Struktur erfolgte auf vollständig probabilistischer Basis. Hierzu wurden die Streugrößen in das Berechnungsmodul implementiert. Alle notwendigen Nachweise wurden auf Basis der aktuellen Eurocode Normung durchgeführt. Besonders herausfordernd für Strukturauslegung von Gittermasten ist die durch die Nutzung als Windkraftanlage induzierte Belastungssituation. Die hochgradig dynamischen Lasteinträge müssen einerseits durch entsprechend valide Lastrechnung ermittelt werden und andererseits dann in geeigneter Form mit Blick auf die Tragwerksantwort modelliert werden. Hierzu sind in der Regel zeitbasierte Berechnungsverfahren (Mehrkörpersimulation, Zeitschrittrechnung) nötig. Solche Lastrechnungen wurden für die definierte Referenzanlage und den zugehörigen Gittermastturm mit anerkannten Berechnungswerkzeugen berechnet.
Aufgrund des hohen Berechnungsaufwandes, begründet durch die Zeitberechnung und durch die Komplexität des Tragwerkes, wurde zudem untersucht, inwiefern vereinfachte spektralbasierte Verfahren von Vorteil sein könnten. Im Ergebnis zeigte sich, dass dies lediglich für Vorbemessungen in Frage kommen kann, was sich jedoch im Rahmen des iterativen Optimierungsprozesses schon als vorteilhaft erwiesen hat. Schließlich wurden mithilfe der genannten Werkzeuge Optimierungsrechnungen durchgeführt, um zu bewerten, welche Turm-, und Querschnittsgeometrien und Stahlsorten aus wirtschaftlichen Betrachtungen vorteilhaft sind. Hier konnte im Rahmen unterschiedlicher Berechnungsbeispiele gezeigt werden, dass die Verwendung einer höherfesten Stahlsorte S460 gegenüber S355 bei den besonders hohen Türmen ein signifikantes Einsparpotential mit sich bringt.
Veröffentlichung:
Januar 2021
Autoren:
Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. M. Feldmann, Prof. Dr.‐Ing. F. Kemper, Dipl.‐Ing. M. Friehe, Prof. Dr.‐Ing. R. Schelenz, Dipl.‐Ing. A. Werkmeister
