Projekt WinConFat-Structure – Bauteilermüdung von Windenergieanlagen

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderung

Türme für Windenergieanlagen sind starken und turbulenten Windbeanspruchungen und damit zyklisch veränderlichen Beanspruchungen ausgesetzt. In deren Bemessung werden die Ermüdungsnachweise häufig maßgebend bei der Querschnittsdimensionierung der Betontürme. Das derzeit sehr konservative Bemessungskonzept wirkt insbesondere beim Einsatz von hochfesten Betonen als Innovationsbremse und verhindert eine emissions- und materialschonende Turmherstellung. Hierfür werden zusätzlich zu reinen Materialuntersuchungen auch Analysen an Bauteilen verlangt.

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Weiterentwicklungen des Bemessungskonzepts für Betonermüdung durch die noch ausstehende Übertragung der Forschungsergebnisse von der Materialebene auf die Bauteil- bzw. Bauwerksebene. Ziel des Teilvorhabens der BAM ist die im vorangegangenen Vorhaben WinConFat untersuchten Methoden zum Monitoring der Schädigungsevolution (Ultraschall, Schallemissionen, etc.) in praxisgerechte, anwendbare Messsysteme zur lebensdauerbegleitenden Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen in Betonbauweise zu überführen.

Ein Schwerpunkt des Vorhabens liegt in der Untersuchung und Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Beton auf Bauteilebene anhand von umfangreichen Bauteilversuchen, inklusive Validierung und Optimierung von Messmethoden. Zentraler Bestandteil des Vorhabens ist ein modulares Monitoringsystem, mit dem an einer Windenergieanlage im Berliner Umland die Betonstruktur überwacht wird. Auf Grundlage der Messdaten des Monitoringsystems soll mit Hilfe von zuverlässigkeits- und risikobasierten Methoden eine optimierte Inspektionsplanung abgeleitet werden.

Projektkoordination:

Technische Universität Dresden (TUD), Institut für Massivbau

Partner:

Bundesanstalt für Materialforschung und – prüfung (BAM), Abteilung 7 Bauwerkssicherheit
Leibniz Universität Hannover (LUH), Institut für Massivbau
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH), Institut für Massivbau

Industrie:

verschiedene assoziierte Industriepartner (z.B. Vallen Systeme GmbH, e.disnatur Erneuerbare Energien GmbH)

Förderung:

BMWK, Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH

Bauteilermüdung von Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

In dem vorangegangenen Verbundforschungsvorhaben WinConFat (FKZ 0324016) wurde das Ermüdungsverhalten von Beton, Betonstahl und deren Verbund auf der Materialebene adressiert. Ziel war es, durch Ermüdungsuntersuchungen bis in den Bereich von sehr hohen Lastwechselzahlen (> 10E7) die Verbesserung des derzeitigen Bemessungskonzepts zu ermöglichen. In WinConFat wurden in bisher noch nie dagewesenem Umfang Materialuntersuchungen an normal- und hochfestem Beton unter Druckschwellbeanspruchung realisiert. Diese umfangreichen Forschungsarbeiten bilden die essenzielle Grundlage für Weiterentwicklungen des Bemessungskonzepts für Betonermüdung. Jedoch werden von den regelwerksgebenden Gremien, wie zum Beispiel dem Sachverständigenausschuss Windkraftanlagen beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt), zusätzliche, über die reinen Materialuntersuchungen hinausgehende, Analysen an Bauteilen verlangt. Diese liegen derzeit nicht vor, was zur Folge hat, dass sich die bisherigen Erkenntnisse noch nicht in die Bemessungspraxis übertragen lassen. Das aktuelle Vorhaben „WinConFat-Structure“ macht sich diese noch ausstehende Übertragung der Ergebnisse von der Materialebene auf die Bauteil- bzw. Bauwerksebene zum Schwerpunkt. Folgende Ziele sollen dabei erreicht werden

• Klärung des Zusammenwirkens von Beton und Bewehrung bei Ermüdungsbeanspruchung von Bauteilen
• Entwicklung von Bemessungsmodellen zur Berücksichtigung der Ermüdungsbeanspruchung in trockenen Fugen von Betonfertigteilsegmenten
• Weiterentwicklung von numerischen Modellen und Ingenieurmodellen zur Ermüdungsberechnung von Windkrafttürmen aus Beton
• Entwicklung von Methoden zur in-situ-Beobachtung von ermüdungsbedingten Schädigungsprozessen in Windkrafttürmen aus Beton
• Zusammenfassung der Ergebnisse aus WinConFat und WinConFat-Structure zu einem probabilistisch basierten Bemessungsmodell für Betonermüdung

Erst mit dem Erreichen der genannten Projektziele lassen sich die regelgebenden Gremien zu Anpassungen der derzeitigen Bemessungsmodelle gegen Ermüdung von Beton in Windkrafttürmen befähigen.

Monitoring von Schädigungsprozessen in Windenergieanlagen und deren Fugen sowie messwertgestützte Lebensdauerbewertung

Das Teilvorhaben der BAM hat zum Ziel, Methoden zum Monitoring der Schädigungsevolution im Beton in praxisgerechte Messsysteme zur lebensdauerbegleitenden Überwachung von Windenergieanlagen (WEA) in Betonbauweise zu überführen. Dabei steht vor allem auch die Bauteilfuge von Betonfertigteilen als Schwachstelle im Fokus der Überwachung. Auf Grundlage der geplanten Zustandsüberwachung soll auch das Potential von Lebensdauerverlängerungen von Bestandsanlagen analysiert werden. Die Hauptarbeitsziele können wie folgt untergliedert werden:

• Entwicklung und Validierung geeigneter Sensorik für die messtechnische Erfassung von ermüdungsbedingter Schädigung in Betonbauwerken unter realen Klimabedingungen, speziell für WEA-Türme
• Entwicklung und Validierung von Methoden für die Zustandsbewertung und Restlebensdauerabschätzung von WEA-Türmen in Beton-/Hybridbauweise auf Grundlage von lebensdauerbegleitenden Monitoringdaten
• Erstellung eines modularen Musterkonzeptes für ein lebensdauerbegleitendes Monitoring an WEA-Türmen in Beton-/Hybridbauweise
• Zusammenführung aller Erkenntnisse zum lebensdauerbegleitenden Monitoring und zum modularen Musterkonzept in einem Leitfaden für die Überwachung von WEA-Türmen in Beton-/Hybridbauweise
• Überführung bzw. Umsetzung der relevanten Erkenntnisse in entsprechende Regelungstexte (Richtlinien und Standards) mit Bezug zu Windenergie und Monitoring von Betontragwerken, in enger Abstimmung und Zusammenarbeit mit allen Verbundpartnern

Um diese Projektziele erreichen zu können, arbeitet die BAM sehr eng mit zwei assoziierten Industriepartnern zusammen, die das Projekt intensiv unterstützen. Die Firma Vallen Systeme GmbH bringt dabei ihr Knowhow in Bezug auf Monitoringsysteme und die Überwachung von Bauteilen mit akustischer Sensorik ein. Der Anlagen Betreiber e.disnatur Erneuerbare Energien GmbH stellt dem Projekt nicht nur Windenergieanlagen zur Messung zu Verfügung, sondern bringt außerdem sein Wissen und Erfahrungen zum Betrieb von WEA sowie der praxisrelevanten Fragestellungen und Herausforderungen ein.

Projektleitung

TUD Technische Universität Dresden
Institut für Massivbau

Partner

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Abteilung Bauwerkssicherheit
LUH Leibniz Universität Hannover
Institut für Massivbau
RTWH Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Institut für Massivbau

Förderung

Das Projekt "WinConFat - Structure" (Förderkennzeichen 03EE3060D) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter dem Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH gefördert.