Ermüdung bei WEA

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht aus dem Jahrbuch 2023
      3. Bericht aus dem Jahrbuch 2022
      4. Kurzfassung

Projektdaten

Titel | Title TP Ermüdungsverhalten von druckschwellbeanspruchtem Beton sowie Stahl- und Spannbetonbauteilen mit und ohne trockene Fugen im Verbundvorhaben WinConFat-Structure: Bauteilermüdung von Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung | Subproject Fatigue behavior of concrete subjected to compressive fatigue loads as well as reinforced and prestressed concrete components with and without dry joints within the joint research project WinConFat-Structure: Fatigue of components of wind turbines made of reinforced and prestressed concrete under high cyclic loading Förderer | Funding Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) Zeitraum | Period 05/2022 – 04/2026 Verbundvorhaben- und Teilprojektleiter | Leader of joint and subproject Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Team | Team Dennis Birkner, M.Sc., Dipl.-Ing. Clara Schramm, Dipl.-Ing. Florian Fürll Projektpartner | Project partners Institut für Massivbau, Leibniz Universität Hannover, | Institut für Massivbau, RWTH Aachen University | Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Abteilung 7 Bauwerkssicherheit, Berlin Assoziierte Partner | Associated partners Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Berlin | Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (DBV), Berlin | e.disnatur GmbH, Potsdam | H+P Ingenieure GmbH, Aachen | Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG, Neumarkt | Nordex SE & Co. KG, Hamburg | TÜV Nord EnSys GmbH & Co. KG, Hamburg | Vallen Systeme GmbH, Icking

Bericht aus dem Jahrbuch 2023

Ermüdungsversuche an Tragstrukturelementen von Windenergieanlagen

Ein Kernelement der weltweiten Bestrebungen zur Reduktion von CO₂-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, wobei die Windenergie eine tragende Rolle einnimmt. Während der Anteil der Windenergie am erzeugten Strom in Deutschland vor 15 Jahren noch 6 % betrug, lag er im Jahr 2022 bereits bei 22 % und soll weiter zunehmen.

Bei Onshore-Windenergieanlagen sind Hybridtürme die häufigste Konstruktionsart. Diese bestehen aus einem Stahlbetonfundament, auf das bis zu 2/3 der Nabenhöhe Stahlbetonsegmente gestapelt werden. Über eine Adapterkonstruktion wird im oberen Drittel ein Stahlturm angeschlossen, auf dem die Gondel platziert ist. Die Betonsegmente sind Fertigteile mit geschliffenen Fugen, die vor Ort ohne Verbindungsmittel und Verfüllmaterial aufeinandergestellt und mit im Turminneren liegenden Spanngliedern extern vorgespannt werden. Da die Segmente mit zunehmender Turmhöhe größer werden, werden sie oft als Halb- oder Drittelschalen ausgeführt. Bei dieser Bauweise macht der Stahlbeton etwa 75 % der Gesamtmasse einer durchschnittlichen Windkraftanlage aus. Da diese Bauteile oft in großen Stückzahlen hergestellt werden, lassen sich mit geringen Querschnittsoptimierungen erhebliche Materialeinsparungen erzielen.

Um die Potenziale im Tragverhalten zu analysieren, sind experimentelle und numerische Untersuchungen von Stahlbetonstrukturen mit und ohne trockene Fugen geplant. Im ersten Schritt wird, aufbauend auf den Ergebnissen des abgeschlossenen Vorhabens „WinConFat“, das Ermüdungsverhalten von vorgespannten Stahlbetonbalken mit verschiedenen Bewehrungsgraden untersucht. Als Besonderheit sind in mehreren Balken faseroptische Sensoren an die Längsbewehrung geklebt sowie zwischen den Bewehrungslagen frei im Beton eingebracht. Mit diesen quasi-kontinuierlichen Sensoren sollen die Dehnungs- und Spannungsumlagerungen im Querschnittsinneren infolge der Materialdegradation erfasst werden. Dieser Blick ins Innere der Bauteile liefert wertvolle Informationen für die Kalibrierung des numerischen Modells. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen Empfehlungen für eine Anpassung des derzeitigen Bemessungskonzeptes für ermüdungsbeanspruchte Stahlbetonbauteile sowie zyklisch druckschwell- und schubbeanspruchte Fugen formuliert werden.

Bericht aus dem Jahrbuch 2022

Ermüdung von Windenergieanlagen

Ein zentraler Baustein für die Reduktion von Treibhausgasemissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, wobei die Windenergie eine tragende Rolle einnimmt. Dabei ist nicht nur die effiziente Funktionsweise der Windenergieanlage von Bedeutung, sondern auch die ressourceneffiziente Herstellung der Turmstrukturen. Die im vorangegangenen Verbundforschungsvorhaben WinConFat (FKZ 0324016) durchgeführten umfangreichen Ermüdungsuntersuchungen an normal- und hochfestem Beton waren auf die Materialebene ausgerichtet. Jedoch werden von den regelwerksgebenden Gremien zusätzliche, über die reinen Materialuntersuchungen hinausgehende Analysen an Bauteilen verlangt. Im 2022 gestarteten Teilvorhaben des Verbundvorhabens WinConFat-Structure wird diese noch ausstehende Übertragung der Ergebnisse von der Materialebene auf die Bauteil- bzw. Bauwerksebene adressiert.

Dabei liegt der Fokus auf drei Schwerpunkten. Im ersten Forschungsschwerpunkt werden der Einfluss der Bewehrung auf die Ermüdungsfestigkeit bei überdrückten Bauteilen an großformatigen Betonbalken experimentell untersucht und die Ergebnisse in numerische Modelle übertragen. Der zweite wesentliche Forschungsschwerpunkt liegt in der Betrachtung des Ermüdungsverhaltens von trockenen Bauteilfugen. Hierzu werden ebenfalls experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss von ermüdungsbeanspruchten horizontalen und vertikalen Fugen in Windenergieanlagen auf das Tragverhalten zu analysieren. Zum Erreichen der notwendigen hohen Lastwechselzahlen wird die erprobte Resonanzprüftechnik verwendet. Es werden Balken- und quaderförmige Prüfkörper mit trockenen und durch Vorspannung überdrückten Fugen untersucht. Im dritten Forschungsschwerpunkt wird eine stochastisch begründete Auswertung des Ermüdungsverhaltens von druckschwellbeanspruchtem Beton durchgeführt, um daraus eine Optimierung des bestehenden Sicherheitskonzepts anzustreben.

Aus allen drei Forschungsschwerpunkten sollen am Ende des Vorhabens Empfehlungen für Bemessungskonzepte hinsichtlich der jeweiligen Schwerpunkte entstehen. Durch die Einbindung des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) und des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins E.V. (DBV) als assoziierte Partner wird die Überführung der Empfehlungen in die Bemessungspraxis sichergestellt.

Kurzfassung

Ein zentraler Baustein für die Reduktion von Treibhausgasemissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, wobei die Windenergie eine tragende Rolle einnimmt. Dabei ist nicht nur die effiziente Funktionsweise der Windenergieanlage von Bedeutung, sondern auch die ressourceneffiziente Herstellung der Turmstrukturen. Die im vorangegangenen Verbundforschungsvorhaben WinConFat (FKZ 0324016) umfangreichen durchgeführten Ermüdungsuntersuchungen an normal- und hochfestem Beton waren auf die Materialebene ausgerichtet. Jedoch werden von den regelwerksgebenden Gremien zusätzliche, über die reinen Materialuntersuchungen hinausgehende, Analysen an Bauteilen verlangt. Im nun genehmigten Teilvorhaben des Verbundvorhabens „WinConFat-Structure“ wird diese noch ausstehende Übertragung der Ergebnisse von der Materialebene auf die Bauteil- bzw. Bauwerksebene adressiert.

Dabei liegt der Schwerpunkt auf drei Arbeitspaketen. Im ersten Forschungsschwerpunkt wird sich mit dem Einfluss der Bewehrung auf die Ermüdungsfestigkeit bei überdrückten Bauteilen befasst. Der zweite wesentliche Forschungsschwerpunkt liegt in der Betrachtung des Ermüdungsverhaltens von trockenen Bauteilfugen. Hierzu sollen systematische experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einfluss von ermüdungsbeanspruchten horizontalen und vertikalen Fugen in Windenergieanlagen auf das Tragverhalten zu analysieren. Im dritten Forschungsschwerpunkt soll eine stochastisch begründete Auswertung des Ermüdungsverhaltens von druckschwellbeanspruchtem Beton durchgeführt werden, um daraus eine Optimierung des bestehenden Sicherheitskonzepts anzustreben. Aus allen drei Forschungsschwerpunkten sollen am Ende des beantragten Vorhabens Empfehlungen für Bemessungskonzepte hinsichtlich der jeweiligen Schwerpunkte entstehen. Durch die Einbindung des DAfStb und DBV als assoziierte Partner wird die Überführung der Empfehlungen in die Bemessungspraxis sichergestellt.