23.08.2018

Stahlgittermast

Stahlgittermasten und Leitungen sind oft starken Winden ausgesetzt

Quelle: BAM

Für das Gelingen der Energiewende ist der Ausbau der Stromnetze entscheidend. Um den Windstrom aus dem Norden in andere deutsche Regionen zu transportieren, werden Stromautobahnen mit Hochspannungsleitungen benötigt. Die Freileitungen müssen jedoch oft extremen Wind- und Wetterbelastungen standhalten. An der BAM untersuchten Dr. Dominik Stengel und seine Kolleginnen und Kollegen aus dem Fachbereich Ingenieurbau gemeinsam mit dem Institut für Stahlbau der TU Braunschweig und zwei Partnerunternehmen die Krafteinwirkungen des Windes auf Hochspannungsleitungen. Das Projekt trägt den Namen MOSYTRAF. Die Abkürzung steht für "Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung".

Hintergrund des Projekts war, dass zur Berechnung von Bauwerken die zu erwartenden extremen Windbelastungen für die Nutzungsdauer geschätzt werden müssen. Fachleute bezeichnen dies als Windlastannahme. Sie gehen in der Regel vom sogenannten 50-Jahreswind aus: einem Sturm, der statistisch betrachtet alle 50 Jahre vorkommt. Berücksichtigt wird dabei die in dem Sturm auftretende Spitzenböe zuzüglich einer Sicherheitsreserve. Allerdings ist es nicht immer einfach, die mögliche Bauwerksbelastung durch starke Winde realitätsnah vorauszuberechnen, weil außer der Windgeschwindigkeit noch andere Effekte eine Rolle spielen. Der Zusammenhang zwischen Wind und resultierenden Bauwerksbelastungen ist äußerst komplex.

Leiterseile tragen Kräfte in die Fundamente

Nicht nur die Stahlgittermasten von Freileitungen müssen den Windkräften standhalten. Auch die Belastungen des auf die Leiterseile treffenden Windes werden in die Fundamente der Masten abgeleitet und sind konstruktiv zu berücksichtigen. Die meist aus Stahl und Aluminium bestehenden Leitungen bieten mit Querschnitten von 25 bis 300 Millimetern der auf sie einwirkenden Windkraft gehörige Angriffsflächen. Vor allem sind es die mehrere hundert Meter langen Spannweiten, die den Wind geradezu einsammeln. „Die Belastung aus Wind auf die Leiterseile kann abhängig von der Spannweite ein Vielfaches der Belastung aus Wind auf den Gittermast betragen“, sagt Stengel.

Stahlgittermast, Leitungsseile, Isolator

Links: Stahlgittermast mit Leitungsseilen und Isolatoren, rechts: Hochspannungsseile werden mit Isolatoren an der Hochspannungsleitung befestigt

Quelle: BAM

Ableiten allgemeingültiger Bemessungsregeln

So war das wichtigste Ziel von MOSYTRAF, aus Messungen und Rechenmodellen mithilfe von standortspezifischen Parametern allgemeingültige Bemessungsregeln im Freileitungsbau abzuleiten. Um dies zu erreichen, konzentrierten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf drei Ebenen: Erstens wurden aus umfangreichen und kontinuierlichen Messungen an Mast und Seil eine Vielzahl von Daten zusammengetragen. Derartige Messungen sind weltweit bisher einzigartig. Zweitens gab es Untersuchungen im Windkanal. Und drittens wurden Computerberechnungen und -simulationen durchgeführt.

Wind verursacht Kräfte von über einer Tonne

In der Nähe von Rostock wurde ein etwa 800 Meter langes Teilstück einer 380 Kilovolt-Hochspannungsleitung für die Versuche ausgewählt und mit Sensoren ausgestattet. Ergebnisse der dort vorgenommenen Messungen zeigten, wie leicht eine mittlere Windgeschwindigkeit von 50 Kilometern pro Stunde die über zwei Tonnen schweren Stromleitungen bewegt. „Die auf die Leitungen wirkende Windbelastung muss natürlich von dem Mast getragen werden können“, sagt Dr. Milad Mehdianpour, Geschäftsführer der IPU Ingenieurgesellschaft Berlin mbH, und ehemaliger Projektleiter der BAM. Bei höheren Windstärken können leicht Kräfte von über einer Tonne auftreten – und zwar pro Leiterseil, von denen meist sechs an einem Mast hängen.

Aus rund 20.000 Messwerten haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsprojekt eine Grafik erstellt, die beispielhaft die Windverteilung in einem kurzen Moment von einer Minute zeigt. Der natürliche Wind kommt nie gleichmäßig; umso stärker er ist und umso unregelmäßiger das Gelände ist, desto größer sind die Schwankungen.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen ist es möglich, die Sicherheit des Stromleitungsnetzes realitätsnäher als bislang abzuschätzen. Viele bestehende Freileitungen in Deutschland sind 60 und mehr Jahre alt. Besonders kritische Abschnitte können dank der Erkenntnisse des Projekts MOSYTRAF sinnvoll saniert werden. Auch für den Neubau von Leitungstrassen sind die gewonnenen Erkenntnisse unerlässlich. Damit leistet die BAM einen wichtigen Beitrag zur erfolgreichen Energiewende.