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Gut aufgestellt: Methode zur Betriebsfestigkeitsanalyse von Gussknoten entwickelt

29.08.2011
Wo sich viele Meter hoch über den Wellen große Rotoren von Windkraftanlagen drehen, muss unter der Wasseroberfläche alles auf sicheren Beinen stehen.

Bei der Gründung von Offshore-Windkraftanlagen kommen auch Großgussbauteile zum Einsatz, bei deren Entwicklung die betriebsfeste Auslegung eine wesentliche Rolle spielt. Das Fraunhofer LBF hat im Forschungsprojekt „OGOWin – Optimierung aufgelöster Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen“ eine Methode zur Betriebsfestigkeitsbewertung von Gussknoten entwickelt. Damit nutzt das Institut seine traditionelle Expertise, um auch Produkte für vielversprechende Zukunftsmärkte wie den Energieanlagenbau fit zu machen.


Finite-Element-Modell einer Teilstruktur und des Gussknotens. Grafik: Fraunhofer LBF

Ziel des Fraunhofe LBF im Verbundforschungsprojekt „OGOWin“ war die Methodenentwicklung zur Betriebsfestigkeitsbewertung von Gussknoten in der Gründungsstruktur unter Berücksichtigung der korrosiven Umgebungsbedingungen. In einer Betriebsfestigkeitsanalyse wird die Beanspruchung mit der Beanspruchbarkeit eines Bauteils verglichen. Beide Aspekte hat das Fraunhofer LBF in diesem Projekt betrachtet.

Die numerische Analyse mit der Finite-Elemente-Methode ermöglichte es den Forschern, die lokalen Beanspruchungen am Gussknoten zu ermitteln. Die Gussknoten sind im Fachwerk der Gründungsstruktur als Verbindungselemente der Rohre verbaut. Mehraxiale Belastungen wirken auf sie ein. Die Wissenschaftler bauten ein hinreichend realitätsnahes Finite-Elemente-Modell der Struktur auf, lokalisierten schädigungsrelevante Bereiche des Gussknotens und schufen die Basis zur Festlegung der Qualitätsanforderungen an den Gusswerkstoff. In experimentellen Untersuchungen ermittelten sie die Beanspruchbarkeit des Gusswerkstoffes.

Künstlicher Nebel
Da die Gussknoten auch im Übergangsbereich vom Meerwasser zur Luft, der so genannten „Splash-Zone“, verbaut sind, wurde auch der Korrosionseinfluss auf die Schwingfestigkeit analysiert, indem die Proben im Versuch einem Sprühnebel aus künstlichem Meerwasser ausgesetzt wurden. Um im Sinne der angewandten Forschung auch die Auswirkungen einer Beschädigung der Korrosionsschutzlackierung beurteilen zu können, wurden ebenfalls Versuche mit einer beschädigten Beschichtung durchgeführt.

Im Rahmen der Methodenentwicklung verglichen die Wissenschaftler die experimentell erzielten Schwingfestigkeitskennwerte mit Werten aus bekannten Standards, wie der Richtlinie des Germanischen Lloyds oder auch des Det Norske Veritas. Neben dem Stand der Technik und der praxisüblichen Vorgehensweise im Zertifizierungsprozess konnte so auch das fallweise notwendige Potenzial hoher Abgussgüten für eine betriebsfeste Bemessung aufgezeigt werden.

Ganzheitliche Analyse
Die rechnerische Betriebsfestigkeitsanalyse von Großgussbauteilen basierend auf dem experimentell ermittelten, bauteilgebundenen Werkstoffverhalten hat im Fraunhofer LBF eine lange Tradition. Unternehmen aus dem Energieanlagenbau, der rohstofffördernden Industrie, dem Motorenbau und dem Bauwesen können hier auf eine ganzheitliche Betriebsfestigkeitsanalyse von Großgussbauteilen zurückgreifen. Dazu gehört die methodische Vorgehensweise nach richtlinienkonformen und erweiterten Prozessen, die realitätsnahe Modellierung und numerische Analyse der lokalen Beanspruchungen. Auch die experimentelle Ermittlung von Schwingfestigkeitskennwerten, die gezielte Definition notwendiger Abgussqualitäten und deren Berücksichtigung in der Betriebsfestigkeitsbewertung sind Bestandteile des ganzheitlichen Ansatzes.

Anke Zeidler-Finsel | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.lbf.fhg.de/

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