Windenergiean­lagen (WEA)

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. G - 16 Segmentierte Bauwerke unter Torsionsbeanspruchung
      2. G - 15 Segmentbauweise im Brücken- und Ingenieurbau (Literaturrecherche)
      3. G - 14 Versuchskonzept für segmentierte Betontürme
      4. G - 13 FE-Modell für Hybridtürme von WEA
      5. G - 12 Entwurf eines Resonanzversuchsstandes
      6. G - 11 Großformatige Versuche an segmentierten Betontürmen
      7. G - 5 Analyse von Spanndrahtbrüchen anhand von Schallemissionsmessungen
      8. G - 1 Fugenunebenheiten bei Segmenttürmen von WEA

G - 16 Segmentierte Bauwerke unter Torsionsbeanspruchung

Ausführlicher Titel: Tragverhalten von segmentierten Bauwerken im Brücken- und Ingenieurbau mit trockenen, geschliffenen Fugen unter Torsionsbeanspruchung

Innerhalb der kommenden 20 Jahre ist mit einem Austausch von über 50 % der bestehenden Brücken des deutschen Autobahnnetzes durch Ersatzneubauten zu rechnen. Zur Erreichung der Ausbauziele im Bereich der erneuerbaren Energien ist die Errichtung einer steigenden Anzahl sowie leistungsstärkerer Windenergieanlagen unabdingbar. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, ist neben den bewährten Bauverfahren auch die Anwendung neuer, innovativer konstruktiver Lösungsansätze erforderlich. Eine vielversprechende Lösung stellen Segmentfertigteilkonstruktionen dar, bei denen die Tragkonstruktionen in einzelne Segmente aufgeteilt werden. Diese Segmente werden in einem Betonfertigteilwerk hergestellt, auf der Baustelle zusammengesetzt und durch nachträgliche, oftmals externe Vorspannung miteinander form- und kraftschlüssig verbunden. Die Minimierung von Herstellungsschritten auf der Baustelle ermöglicht äußerst wirtschaftliche und schnelle Bauverfahren, weshalb diese Bauweise mittlerweile weltweit mit steigender Tendenz angewendet wird. In Deutschland hingegen konnte sich diese Bauweise wegen Bedenken bezüglich der Dauerhaftigkeit der Konstruktion aufgrund der entstehenden Fugen bisher nicht gänzlich etablieren. Die ökologische Sensibilisierung der Bauindustrie sowie die Weiterentwicklung im Bereich der Automatisierung und der Digitalisierung in der Betonfertigteilherstellung eröffnen neue Möglichkeiten für die modulare Segmentbauweise.

Die Bauweise ist durch die zwangsläufig entstehenden Fugen charakterisiert. Eine Weiterentwicklung in diesem Bereich stellt die Ausführung trockener Segmentfugen ohne Verzahnung dar. Die Lastübertragung der in der Fuge wirkenden Schubspannungen erfolgt hierbei ausschließlich über Reibung. Dabei hängt der Fugenschubwiderstand von der Höhe der externen Vorspannkraft in Kombination mit dem Reibungskoeffizienten der Oberfläche ab. Bei einer Beanspruchung des Querschnitts durch Torsion entstehen neben den typischen Schubspannungen nach St. Venant zusätzliche Normalspannungen, die mit den Normalspannungen infolge Vorspannung interagieren und somit einen direkten Einfluss auf die Tragfähigkeit der trockenen Fugen haben.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen folgende Teilaufgaben bearbeitet werden:

• Literaturrecherche zur Segmentbauweise von Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen
• Initiale Auseinandersetzung mit der Theorie der Wölbkrafttorsion
• Parameterstudien an ausgewählten typischen Querschnittsformen zur Ermittlung der Höhe der zusätzlichen Normalspannungen
• Verknüpfung der Berechnungsergebnisse mit dem Fugenwiderstandes
• Auswertung und Beurteilung der Berechnungsergebnisse

Ansprechpartner:
Max Götze, M.Sc.
0351 463 35606

G - 15 Segmentbauweise im Brücken- und Ingenieurbau (Literaturrecherche)

Ausführlicher Titel: Literaturrecherche zum aktuellen Wissensstand der Segmentbauweise von Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen im Brücken- und Ingenieurbau

* nur als Projektarbeit *

In den kommenden 20 Jahren müssen über 50 % der bestehenden Brücken des deutschen Autobahnnetzes durch Ersatzneubauten ausgetauscht werden. Zur Erreichung der Ausbauziele im Bereich der erneuerbaren Energien ist die Errichtung einer steigenden Anzahl sowie leistungsstärkerer Windenergieanlagen unabdingbar. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, ist neben den bewährten Bauverfahren auch die Anwendung neuer, innovativer konstruktiver Lösungsansätze erforderlich. Eine vielversprechende Lösung stellen Segmentfertigteilkonstruktionen dar, bei denen die Tragkonstruktionen in einzelne Segmente aufgeteilt werden. Diese Segmente werden in einem Betonfertigteilwerk hergestellt, auf der Baustelle zusammengesetzt und durch nachträgliche, oftmals externe Vorspannung miteinander form- und kraftschlüssig verbunden. Die Minimierung von Herstellungsschritten auf der Baustelle ermöglicht äußerst wirtschaftliche und schnelle Bauverfahren, weshalb diese Bauweise mittlerweile weltweit mit steigender Tendenz angewendet wird. In Deutschland hingegen konnte sich diese Bauweise wegen Bedenken bezüglich der Dauerhaftigkeit der Konstruktion aufgrund der entstehenden Fugen bisher nicht gänzlich etablieren.

Die ökologische Sensibilisierung der Bauindustrie eröffnet neue Möglichkeiten für die modulare Segmentbauweise. Die Realisierung anspruchsvoller Ziele, wie die Steigerung der Ressourceneffizienz, die Minimierung von Treibhausgasen sowie die Förderung einer zirkulären Kreislaufwirtschaft, kann mittels dieser Bauweise ermöglicht werden. Ein besonderes Potenzial, dessen umfassende Nutzung noch aussteht, ist die zirkuläre Nutzung von Konstruktion als Ganzes oder einzelner Segmente. In Zukunft könnte demnach die Möglichkeit bestehen, Teile eines Tragwerks auszutauschen oder rückzubauen und an anderer Stelle wiederzuverwenden. Die Weiterentwicklung der Bauindustrie, insbesondere die Automatisierung und Digitalisierung in der Betonfertigteilherstellung sowie der Einsatz hochfester und leistungsstarker Betone, begünstigt zudem die Nutzung modularer Konstruktionen.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die folgende Teilaufgaben bearbeitet werden:

• Literaturrecherche zur Segmentbauweise von Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen
• Literaturrecherche zu Themen wie Fugenausbildung, Vorspannung und lokalen Effekten
• Klassifizierung von Segmentkonstruktionen nach ausgewählten Kriterien (wie Querschnitte, Fugen, Bauablauf, Zirkularität etc.)
• Vorstellung des Tragprinzips derartiger Konstruktionen
• Recherche zum Zirkularitätsvermögen segmentierter Konstruktionen
• Zusammenfassung des Stands der Forschung auf diesem Gebiet

Ansprechpartner:
Max Götze, M.Sc.
0351 463 35606

G - 14 Versuchskonzept für segmentierte Betontürme

Vollständiger Titel: Entwicklung eines Versuchs- und Messkonzeptes für experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten mehrfach segmentierter Betontürme von Windenergieanlagen

Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien spielen Windenergieanlagen (WEA) eine zentrale Rolle. Um die ambitionierten Ausbauziele im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen, müssen immer mehr und immer leistungsstärkere WEA errichtet werden. Die Folge sind immer höhere Türme mit immer größeren Rotordurchmessern. Gleichzeitig ist eine Reduzierung der Kosten für die Herstellung und den Betrieb der Anlagen von entscheidender Bedeutung. Aus diesen Ansätzen heraus haben sich Hybridtürme als leistungsstarke und wirtschaftliche Variante entwickelt.

Diese Türme bestehen im oberen Teil aus Stahlsektionen und im unteren Teil aus Betonfertigteilsegmenten. Die kreisrunden Betonsegmente werden üblicherweise nicht miteinander verklebt oder vermörtelt, sondern trocken übereinandergestapelt und mittels externer Spannglieder miteinander verspannt. Die Lastübertragung der in der Fuge wirkenden Schubspannung erfolgt hierbei ausschließlich über Reibung. Zusätzliche vertikale Fugen teilen die Kreisringsegmente in kleinere Komponenten. Dadurch leisten Halb-, Drittel- oder Viertelschalen im Vergleich zu anderen Konzepten einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung der Transportkosten und des Montageaufwands. Gleichzeitig führt dies zu einem komplexeren Tragverhalten. Durch die Zerteilung des Querschnittes entstehen neben den typischen Normal- und Schubspannungen auch zusätzliche sekundäre Spannungsanteile. Das Zusammenwirken der Spannungszustände hat speziell in den trocken ausgeführten horizontalen Fugen einen unmittelbaren Einfluss auf deren Tragfähigkeit, dessen Verhalten bislang weder vollständig verstanden noch verlässlich modelliert werden kann. Daher werden am Institut für Massivbau umfangreiche numerische Untersuchungen sowie Versuche an großformatigen Modelltürmen durchgeführt.

Im Rahmen dieser Arbeit soll folgende Teilaufgaben bearbeitet werden:

• Literaturrecherche zu Turmkonstruktionen von WEA und externer Vorspannung
• Literaturrecherche zu bestehenden Berechnungsmodellen zur Tragfähigkeit von trockenen Betonfugen
• Initiale Auseinandersetzung mit der Theorie der Wölbkrafttorsion
• numerische Voruntersuchungen (keine Vorkenntnisse zu numerischen Simulationen erforderlich)
• Erarbeitung eines geeigneten Versuchs- und Messkonzeptes

Ansprechpartner:
Max Götze, M.Sc.
0351 463 35606

G - 13 FE-Modell für Hybridtürme von WEA

Vollständiger Titel: Optimierung und Sensitivitätsanalyse eines FE-Modells für hybride Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen

* nur in deutscher Sprache *

Windenergieanlagen (WEA) leisten schon heute den größten Anteil an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Um die Leistungsfähigkeit von WEAweiter zu erhöhen, geht der Trend zu immer höheren Türmen und größeren Rotordurchmessern. Speziell für große Nabenhöhen haben sich sogenannte Hybridtürme erfolgreich etabliert. Dabei ist die Errichtung von Anlagen mit Gesamthöhen von 240 m und mehr keine Seltenheit.

Der obere Teil derartiger Türme wird aus mehreren Stahlsektionen zusammengesetzt, wohingegen der untere Teil aus Betonfertigteilen besteht. Die einzelnen Betonsegmente werden dabei üblicherweise nicht miteinander verklebt oder vermörtelt, sondern trocken übereinandergestapelt und mittels externer Spannglieder miteinander verspannt. Zusätzliche vertikale Fugen zerlegen die Betonsegmentringe in kleinere Komponenten, sodass Halb-, Drittel- oder Viertelschalen entstehen.

Die Zerlegung der Turmkonstruktion in einzelne Betonfertigteilsegmente führt jedoch zu einem komplexen Tragverhalten, dessen vollständiges Verständnis sowie zuverlässige Modellierung bisher nicht möglich sind. Im Rahmen dieser Arbeit sollen folgende Teilaufgaben bearbeitet werden:

• Literaturrecherche zu Turmkonstruktionen von WEA und externer Vorspannung
• Erweiterung und Validierung eines bestehenden FE-Modells
• Sensitivitätsanalyse des Modells unter realistischen Randbedingungen

Ansprechpartner:
Max Götze, M.Sc.
0351 463 35606

G - 12 Entwurf eines Resonanzversuchsstandes

Vollständiger Titel: Entwurf eines Resonanzversuchsstandes als Rahmenschwingsystem

Um die zukünftige Forschung an Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen (WEA) weiter voranzutreiben, sind insbesondere Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von großer Bedeutung. Die zyklische Beanspruchung aus Wind- und Wellenbelastung führt zu hohen Lastwechselzahlen im Laufe der Anlagenlebensdauer. Um die Ermüdungsbeanspruchung von Windenergieanlagen experimentell gut abzubilden, sind großmaßstäbliche zyklische Versuche an Tragstrukturelementen erforderlich.  

Hierfür müssen die hohen Lastwechselzahlen und große Beanspruchungskräfte realisiert werden. Die Resonanzprüfmethode ist eine effiziente Möglichkeit zur Aufbringung der erforderlichen zyklischen Belastung. Zwei gegenläufige Unwuchtmotoren dienen zur Krafterzeugung. Die Erregerfrequenz der Motoren liegt hierbei nahe der Eigenfrequenz des Systems. Somit kommt es zur Resonanz und infolgedessen zur dynamischen Vergrößerung der Kräfte. Um die vorhandene Energie im System möglichst erhalten zu können, ohne dass immer mehr Energie hinzugefügt wird, sind Dämpfungs- und Reibungsmechanismen zu reduzieren. Damit die Energiedissipation minimiert werden kann, könnte ein geschlossener Rahmen als mechanisches System für einen Resonanzversuchsstand geeignet sein.

Im Rahmen der Arbeit soll ein Entwurf für ein Rahmenschwingsystem als Resonanzversuchsstands erarbeitet werden. Zunächst erfolgt das Einarbeiten in die Resonanzprüfmethode und Rahmenschwingsysteme. Anschließend werden zwei oder drei Entwürfe ausgearbeitet, aus denen dann ein Entwurf ausgewählt wird. Dieser wird unter vorgegebenen Randbedingungen näher betrachtet. Hierfür wird ein einfaches numerischen Modell erstellt mithilfe dessen das Schwingungsverhalten analysiert und die Bauteile dimensioniert werden.

Entsprechend der Interessen und des Kenntnisstandes der Studierenden wird die Aufgabenstellung gemeinsam formuliert.

Ansprechpartnerin:
Dipl.-Ing. Clara Schramm
0351 463 41117

G - 11 Großformatige Versuche an segmentierten Betontürmen

Vollständiger Titel: Großformatige Turmversuche zum Tragverhalten von segmentierten Betontürmen von Windenergieanlagen

Windenergieanlagen (WEA) leisten schon heute den größten Anteil an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Um die Leistungsfähigkeit von WEA weiter zu erhöhen, geht der Trend zu immer höheren Türmen und größeren Rotordurchmessern. Speziell für große Nabenhöhen haben sich sogenannte Hybridtürme erfolgreich etabliert. Der obere Teil derartiger Türme wird aus mehreren Stahlsektionen zusammengesetzt, wohingegen der untere Teil aus vorgespannten Betonfertigteilringen besteht. Die einzelnen Betonsegmente werden dabei üblicherweise nicht miteinander verklebt oder vermörtelt, sondern trocken übereinandergestapelt und mittels externer Spannglieder miteinander verspannt.

Weit mehr als die Hälfte aller neu errichteten Windenergieanlagen werden in dieser Bauweise hergestellt. Dabei ist die Errichtung von Anlagen mit Gesamthöhen von 240 m und mehr keine Seltenheit. Trotz der großen praktischen Relevanz ist das komplexe Tragverhalten von derartigen Betontürmen mit trockenen Fugen bisher weder vollständig verstanden noch kann es zuverlässig modelliert werden. Daher werden am Institut für Massivbau großformatige Versuche mit Modelltürmen im Maßstab von ca. 1:10 durchgeführt. Ziel der Versuche ist es, das reale Tragverhalten von derartigen Türmen zu erfassen und darauf basierend Berechnungsmodelle zu entwickeln. Im Rahmen der Arbeit soll eine detaillierte Auseinandersetzung mit derartigen Turmkonstruktionen und den Turmversuchen erfolgen. Dabei sind speziell die folgenden Punkte zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zu Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen und deren Tragverhalten
• Dokumentation und Unterstützung bei der Durchführung der Turmversuche
• Auswertung ausgewählter Versuchsergebnisse
• Vergleich der Versuchsergebnisse mit bestehenden Berechnungsmodellen

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Fürll
0351 463 32317

G - 5 Analyse von Spanndrahtbrüchen anhand von Schallemissionsmessungen

Die Schallemissionsanalyse (SEA) ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode, welche anhand der Analyse der vom Bauwerk emittierten Schallwellen Rückschlüsse auf eine Zustandsänderung des Bauwerks schließen kann. Eine Anwendung der SEA kann u. a. in der Bauwerksüberwachung, Detektion und Lokalisierung von Spanndrahtbrüchen und Materialforschung gefunden werden. Am IMB der TUD wird erforscht, mögliche Drahtbrüche der Spannglieder in Windenergieanlagen anhand SEA zu detektieren und lokalisieren.

Um reale Randbedingungen der Windenergieanlagen auch bei Laborversuchen zu bilden, wurde ein Spannrahmen mit den Maßen von 12 m × 4 m aufgebaut, wo insgesamt vier Spannglieder jeweils mit einer Länge von ca. 10 m vorgespannt wurden. Die verbauten Spannglieder wurden künstlich mit Hilfe von Dremel durchtrennt. Die dadurch erzeugten akustischen Signale wurden von den Schallemissionssensoren gemessen, welche verteilt im Spannrahmen platziert wurden. Das beigefügte Bild zeigt beispielsweise den Trennungsprozess eines Spannglieds im Spannrahmen und die verwendete Messtechnik.

Die gemessenen Signale weisen verschiedene Charakteristiken des Ausbreitungswegs vom Bruchort des Spannglieds bis zum Messsensor und sollen bezüglich der Ausbreitungsverhältnisse analysiert werden. Bei der Analyse der Signale wird zwischen der qualitativen und quantitativen Auswertung unterschieden. Bei der vorderen werden einige Schallemissionsfeatures wie Peakamplitude oder Signalenergie extrahiert und statistisch ausgewertet. Bei der letzteren werden die ganzen transienten Wellenformen der Signale betrachtet und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich ausgewertet.

Je nach den Interessen der/des Studierenden und der Art der studentischen Arbeit kann der Arbeitsumfang individuell angepasst werden. Für eine Diplomarbeit sind Kenntnisse über Programmierung in Python oder Matlab vorausgesetzt. Eine detaillierte Aufgabenstellung wird dementsprechend ausgearbeitet.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Ronghua Xu
0351 463 33776

G - 1 Fugenunebenheiten bei Segmenttürmen von WEA

Vollständiger Titel: Auswirkungen von Unebenheiten auf den Fugenoberflächen von segmentierten Turmkonstruktionen für Windenergieanlagen

Um die Ausbauziele im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen, ist die weitere Kostensenkung der Windstromerzeugung bei Herstellung und Betrieb unumgänglich. Leistungsfähigere Anlagenklassen und die Erschließung neuer Standorte in Schwachwindregionen oder Waldgebieten erfordern die Errichtung höherer Turmkonstruktionen. Dabei haben sich in den letzten Jahren insbesondere bei großen Nabenhöhen die sogenannten Hybridtürme etabliert. Der obere Teil derartiger Türme setzt sich aus mehreren Stahlsektionen zusammen, wohingegen der untere Teil aus vorgespannten Betonfertigteilringen besteht. Die Verbindung der einzelnen Betonfertigteilringe erfolgt über externe Spannglieder, die im Turminneren verlaufen und im Fundament sowie im Zwischenadapter verankert werden. Die Übertragung von Schubkräften zwischen den einzelnen Segmenten wird durch den Reibwiderstand in den Horizontalfugen gewährleistet. Die derzeitigen Bemessungsmodelle legen ideal ebene Flanschflächen an Ober- und Unterseite der Segmente zu Grunde und gehen somit bei der Druckverbindung von einer konstanten Normalspannungsverteilung aus.

Experimentelle Untersuchungen zeigen jedoch, dass sich infolge einer reinen Vorspannungsbelastung eine stark ungleichmäßige Normalspannungsverteilung in den Fugen einstellt. Der Grund dafür liegt in auf den Fugenoberflächen auftretenden Imperfektionen. Untersuchungen zur Genauigkeit der Fugenoberflächen an realen Segmenten für Windenergieanlagen verdeutlichen, dass die Oberflächen trotz Schleifvorgängen nicht ideal eben sind, sondern Unebenheiten aufweisen. Aus numerischen Simulationen geht hervor, dass speziell die auftretenden Welligkeiten auf den Fugenoberflächen das Fugentragverhalten und die Fugentragfähigkeit erheblich beeinflussen können.

Im Rahmen der Arbeit sollen die Auswirkungen der auf den Fugenoberflächen auftretenden Welligkeiten auf das Fugentragverhalten mittels analytischer und numerischer Berechnungen untersucht werden. Dazu sind unter anderem Parameterstudien durchzuführen, um die ungünstigsten Ausprägungen der Welligkeiten bezüglich der Fugentragfähigkeit herauszufinden.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Fürll
0351 463 32317