Windenergieanlagen

G - 12 Entwurf eines Resonanzversuchsstandes als Rahmenschwingsystem

Um die zukünftige Forschung an Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen 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. Das Thema kann als Projektarbeit, Bachelorarbeit oder auch als Diplomarbeit (bzw. Masterarbeit) bearbeitet werden. Entsprechend der Interessen und des Kenntnisstandes der Studierenden wird die Aufgabenstellung gemeinsam formuliert.

Ansprechpartnerin:
Dipl.-Ing. Clara Schramm
Telefon: +49 351 463-41117
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G - 11 Großformatige Turmversuche zum Tragverhalten von segmentierten Betontürmen von Windenergieanlagen

Windenergieanlagen leisten schon heute den größten Anteil an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Um die Leistungsfähigkeit von Windenergieanlagen 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
Telefon: +49 351 463-32317
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G - 10 3D-Scan von Betonsegmentringen von Windenergieanlagen

Windenergieanlagen leisten schon heute den größten Anteil an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Um die Leistungsfähigkeit von Windenergieanlagen 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. Aufgrund der trockenen Fugenausbildung zwischen den Segmenten können Unebenheiten auf den Segmentoberflächen das Tragverhalten der Turmkonstruktion erheblich beeinflussen. Um größere Unebenheiten zu vermeiden, werden die Segmente daher während der Herstellung mit einer CNC-gesteuerten Schleifmaschine bearbeitet. Jedoch kann trotz des Schleifvorgangs keine ideale Ebenheit der Segmentoberflächen gewährleistet werden. Aus diesem Grund soll mittels eines hochpräzisen 3D-Scans die tatsächliche Oberflächengeometrie von Modellsegmenten von Windenergieanlagen (Maßstab 1:10) erfasst werden und darauf basierend eine Untersuchung der Auswirkungen von Imperfektionen erfolgen. Im Rahmen der Arbeit sind dabei speziell die folgenden Punkte zu bearbeiten:

• Unterstützung beim 3D-Scan der Segmente
• Auswertung der 3D-Scan-Daten bezüglich vorhandener Imperfektionsmuster
• Untersuchung von Möglichkeiten zur Implementierung von Imperfektionen in FE-Modelle
• Numerische Untersuchungen zum Einfluss der Imperfektionen auf das (Fugen-)Tragverhalten (keine Vorkenntnisse zur numerischen Modellierung erforderlich)

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Fürll
Telefon: +49 351 463-32317
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G - 9 Reibuntersuchungen an trocken gestoßenen Betonsegmenten

Die Betonsegmentbauweise ist bereits seit einigen Jahrzehnten eine etablierte Bauweise und findet vor allem im Segmentbrückenbau und beim Bau von Windenergieanlagen Anwendung. Durch die Vorfertigung der Segmente im Fertigteilwerk entstehen besonders im Vergleich zur Ortbetonbauweise zahlreiche Vorteile, wie verkürzte Bauzeiten, eine höhere Bauteilqualität sowie die Realisierbarkeit von komplexeren Schalungsgeometrien. Die zwangsläufig zwischen den einzelnen Segmenten auftretenden Fugen werden üblicherweise verklebt oder trocken ausgeführt. Dabei erfährt speziell die Ausbildung von Trockenfugen mit plan geschliffenen Bauteiloberflächen, d. h. ohne Anordnung einer Schubverzahnung in den letzten Jahren eine wachsende Bedeutung. Dadurch wird ein vereinfachter Rückbau sowie eine Wiederverwendung der Segmente ermöglicht und somit ein Beitrag zum ressourcenschonenden und nachhaltigen Bauen geleistet.

In der Praxis ist die Ausführung von trockenen Betonsegmentfugen zwar bereits verbreitet, doch besonders das Tragverhalten derartiger Fugen unter zyklischen Beanspruchungen ist bisher weder vollständig verstanden noch kann es zuverlässig modelliert werden. Daher werden statische und dynamische Reibversuche an Betonschubkörpern durchgeführt, die im Rahmen der Arbeit näher betrachtet werden sollen. Dabei sind speziell die folgenden Punkte zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zum Stand der Technik und Forschung der Betonsegmentbauweise mit trockener Fugenausbildung
• Dokumentation und Unterstützung bei der Durchführung der statischen Reibversuche
• Auswertung der Versuchsergebnisse
• Ggf. numerische Vergleichsuntersuchungen (keine Vorkenntnisse zu numerischen Simulationen erforderlich)

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Fürll
Telefon: +49 351 463-32317
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G - 5 Untersuchung der Ausbreitungsverhältnisse der aus Spanndrahtbrüchen resultierenden akustischen Signale in der Schallemissionsanalyse (SEA)

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 (SE-features) wie Peak-Amplitude, 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 Studierenden und der Art der studentischen Arbeit (Projekt- oder Diplomarbeit) 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
Telefon: 0351-463-33776
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G - 3 Entwicklung eines Versuchs- und Messkonzepts für großmaßstäbliche Turmversuche an Modellsegmenten von Windenergieanlagen

Um die Ausbauziele im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen, ist die weitere Kostensenkung der Windstromerzeugung bei Herstellung und Betrieb unumgänglich. Bei den derzeitigen Turmhöhen gehen in etwa 45 % der Gesamtbaukosten auf die Turmkonstruktion zurück. Daher ist die weitere Optimierung der Tragstruktur für eine wirtschaftlichere Stromerzeugung zwingend erforderlich. Insbesondere für große Nabenhöhen haben sich in den letzten Jahren sogenannte Hybridtürme als die wirtschaftlichste Variante etabliert. Mit der neuen modularen Turmgeneration zerlegen zusätzliche vertikale Fugen die Betonsegmente in kleinere Komponenten, sodass Halb-, Drittel- oder Viertelschalen gegenüber anderen Konzepten einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung der Transportkosten und des Montageaufwands leisten. Die Zerlegung der Turmkonstruktion in einzelne Betonfertigteilsegmente führt jedoch zu einem komplexen Tragverhalten, das bisher weder vollständig verstanden ist noch zuverlässig modelliert werden kann. Im Rahmen der Arbeit soll ein Versuchs- und Messkonzept zur Untersuchung des Einflusses von Vertikalfugen auf das Tragverhalten segmentierter Turmkonstruktionen entwickelt werden. Ziel ist es, mit den Versuchen das tatsächliche Tragverhalten der Turmkonstruktion unter verschiedenen Belastungssituationen erfassen zu können.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Fürll
Telefon: +49 351 463-32317
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G - 1 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
Telefon: +49 351 463-32317
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