Lebensdauerprognose bei Offshore-Windenergieanlagen

Bis zu 50 Windparks sind vor der deutschen Nord- und Ostseeküste geplant und der Bau soll bald beginnen. Da zeigt sich, dass Methoden und Richtlinien fehlen, um die Fundamente unter den speziellen Bedingungen sicher zu bemessen.

Weil mit zunehmender Schiefstellung der Gründung die Anlagen auszufallen drohen, bringen Ingenieure um Prof. Dr.-Ing. Theodor Triantafyllidis (TU Karlsruhe) mit Hochdruck ihre Ergebnisse aus dem SFB 398 an der Ruhr-Universität Bochum zur Anwendung für die Lebensdauer-Prognose von Offshore-Windenergieanlagen.

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Ratlose Bauherren: wenn die Normen fehlen
Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) versprechen hohe Energieausbeuten und mehr Akzeptanz als ihre Pendants auf dem Lande (onshore). Für 17 Parks in der Nordsee sowie drei in der Ostsee gab das zuständige Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) bereits grünes Licht. Doch die Auslegung der OWEA-Fundamente in der Deutschen Bucht stellt die Geotechnik-Ingenieure vor schwerwiegende, bisher ungelöste Probleme. Während der erwünschten Mindestlebensdauer von zwanzig Jahren wirken Milliarden Lastspiele mit unterschiedlicher Amplitude (Zyklen) auf die Gründungen ein. Doch lassen sich weder die Erfahrungen von anderen Offshore-Windparks (geringere Wassertiefe) noch die konventioneller Offshore-Bauwerke wie Ölbohrplattformen auf die neuen Anlagen übertragen.

Meeresboden im Labortest

Aufbauend auf den Ergebnissen des Bochumer Sonderforschungsbereichs (SFB 398) prognostizieren Prof. Triantafyllidis und sein Team nun mögliche Langzeitverformungen mit dem Ziel, die Lebensdauer von OWEA-Gründungen mittels Computersimulation vorauszusagen. „Wie im Zeitraffer wollen wir auf diese Weise mehrere Jahrzehnte des Betriebs einer Anlage innerhalb weniger Stunden am Rechner abbilden“, sagt Dr.-Ing. Torsten Wichtmann. Die Grundlage dafür bildet die Methode der Finiten Elemente und ein Materialmodell, das über die Beziehung zwischen Spannungen (Lasten) und Dehnungen (Verformungen) die wesentlichen Aspekte des Bodenverhaltens bei zyklischer Belastung beschreibt. Dafür führten die Ingenieure sog. Elementversuche durch, bei denen „Bodenelemente“ (die das Umfeld der Gründung widerspiegeln) im Labor unter definierten Randbedingungen zyklisch belastet wurden.

Praxisziel: unkomplizierte Lebensdauerschätzung

Das entwickelte Finite-Elemente-Modell einer OWEA-Monopile-Gründung (Einzelpfahl-Gründung) entspricht einem realen Bauprojekt. Die gewählte Methode erwies sich als prinzipiell für die Prognose von Langzeitverformungen von OWEA-Gründungen geeignet. Sie wird nun sukzessive verbessert, indem etwa die Zyklenanzahl erhöht wird (Versuche bisher mit 2 Mio. Lastspielen) und auch ein Richtungswechsel von Wind- und Wellenbelastung berücksichtigt werden soll. Zudem werden Modellversuche mit einer im Maßstab 1:100 verkleinerten Windenergieanlage durchgeführt. Die Ergebnisse sollen schließlich Diagramme für die Praxis liefern, die eine einfache Abschätzung der Lebensdauer einer OWEA ermöglichen.

Weitere Themen im SFB-RUBIN

Weitere Themen in RUBIN: „Garantiert sicher – planen, bauen, überwachen“, Interview mit Prof. Dr. Friedhelm Stangenberg (Sprecher des SBF 398); „Simulierte Alterung: Referenzbauwerke präzisieren Lebensdauerprognose“ (Lehrstuhl für Stahl- und Spannbetonbau); „Straßen im Stress: Wie Betonbauwerke auf dynamische Belastung reagieren“ (Lehrstuhl für Baustofftechnik); „Der Beton lebt: Lebensdauerprognose von Betontragwerken“ (Baumechanik/Baudynamik, Universität Kassel, Lehrstuhl für Statik und Dynamik, Ruhr-Universität Bochum); „Eigendynamik unerwünscht: Wie Druckwellen von Hochgeschwindigkeitszügen wirken“ (Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, Ingenieurbüro Niemann&Partner, Bochum); „Müde Metalle: Lebensdaueranalysen zyklisch beanspruchter Stahltragwerke“ (Lehrstuhl für Statik und Dynamik), „Mit Zufällen rechnen: Stochastische Strukturoptimierung bei der Lebensdauerprognose“; SFB 398: Projekt-Überblick. RUBIN „SFB 398“ ist erhältlich am Lehrstuhl für Entwurf und Konstruktion – Massivbau der Ruhr-Universität, Sekretariat: Tel. 0234/32-25980, E-Mail: gisela.wegener@ruhr-uni-bochum.de

Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Theodor Triantafyllidis, Dr.-Ing. Torsten Wichtmann, Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF), TU Karlsruhe, Tel.: 0721/608-2220, -2235, E-Mail: triantafyllidis@ibf.uka.de, torsten.wichtmann@ibf.uka.de

Redaktion: Barbara Kruse