Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung der DIN EN 1993-1-10 auf Offshorebedingungen für Kerbfälle an Hohlprofilverbindungen für den Jacketbau

Durch die Energiewende hat sich die Zahl der neu gebauten und betriebenen Windenergieanlagen drastisch vervielfacht. Insbesondere im Bereich der Offshore-Windenergieanlagen (Offshore-WEA) sind diese Bauten anspruchsvollsten Lasten bei gleichzeitig schwieriger Wartungszugänglichkeit ausgesetzt. Bislang gibt es im Offshorebereich allerdings keine einheitlichen Regeln zur Definition von Zähigkeitsanforderungen. Stattdessen werden die Zähigkeitsanforderungen jeweils individuell zwischen Produzenten, Betreibern und benannten Stellen festgelegt. Dies führt zu unwirtschaftlich großem Bemessungsaufwand, eingeschränkten Freiheitsgraden bei der Auswahl von Werkstoffen und Fertigungsverfahren sowie zu Unsicherheiten in der Projektierung von Bauvorhaben. Das Projekt hat zum Ziel, Zähigkeitsanforderungen für Jacket-Gründungen von Offshore-WEA zu definieren. In Anlehnung an das erfolgreiche Konzept des Eurocodes sollen diese Anforderungen in Form von Regeln für die Werkstoffwahl formuliert werden. Im Projekt werden zunächst anerkannte bruchmechanische Konzepte eingesetzt, um diese Regeln abzuleiten. Perspektivisch werden darüber hinaus auch schädigungsmechanische Ansätze verfolgt. Diese sind zwar noch nicht so etabliert wie die Konzepte der Bruchmechanik, weisen aber bedeutende Vorteile gegenüber der Bruchmechanik auf, die zu präziseren Grenzzustandsbetrachtungen und damit zukünftig zu wirtschaftlichem und ressourcenschonendem Bauweisen genutzt werden können. Das Projekt ermöglicht damit die Erweiterung der möglichen Marktteilnehmer im Bereich der Bemessung von Offshorekonstruktionen auf alle derzeitigen Nutzer der EN 1993-1-10.

Damit würden für KMU in Deutschland, die insbesondere aufgrund ihres hohen Qualifikationsniveaus einen Wettbewerbsvorteil besitzen, europaweit neue Absatzmöglichkeiten ihrer Produkte geschaffen. Identische Effekte würden auch für kleinere Betriebe aus dem Bereich des Schweißens und der Verfahrensprüfung erzielt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde als Ausgangspunkt ein Beanspruchungsszenario definiert, wobei Jacket-spezifische Kollektive untersucht, entsprechend weiterverarbeitet und ausgewertet wurden. Somit wurde eine möglichst genaue Approximation der komplexen Beanspruchungskonfiguration am Jacket möglich. Weiterhin fanden Simulationen zur Identifizierung einer Referenzgeometrie statt, welche als umhüllendes Detail die relevanten Knotenkonfigurationen und Kerbfälle des Jacket-Baus abdeckt. Auf dieser Grundlage wurden bruchmechanische Betrachtungen angestellt, um Zähigkeitsanforderungen abzuleiten und diese anschließend in anwendungsorientierte Regel der Werkstoffwahl zu überführen. Anhand der Definition eines eindeutigen Bemessungsszenarios und durch die Anpassung und Übertragung des etablierten sowie in der Baupraxis verbreiteten Konzepts nach DIN EN 1993-1-10 auf Gründungselemente von Offshore-Windenergieanlagen, ist es möglich, die Werkstoffwahl bei Jacket-Konstruktionen praxisbezogen, mit vertretbarem Zeitaufwand und geringem Fehlerpotential sicherzustellen, ohne im konkreten Anwendungsfall bruchmechanische Untersuchungen vornehmen zu müssen. Darüber hinaus werden die Einflüsse der anliegenden Spannung, erhöhter Dehnraten und Kaltumformungen im Bereich der Werkstoffwahl bei Gründungselementen von Offshore-Windenergieanlagen quantifiziert und direkt inkludiert. Hierdurch können auch günstig wirkende Effekte, wie ein niedriges Spannungsniveau, bei der Werkstoffwahl berücksichtigt werden, sodass eine wirtschaftliche und umweltschonende Systemauslegung realisiert werden kann. Ferner wird im Projekt erstmalig eine Methodik entwickelt, mit Hilfe eines Schädigungsmechanischen Modells Zähigkeitsanforderungen am Bauteil im spezifischen Anwendungsfall abzuleiten. Eingesetzt wird das modifizierte Bai-Wierzbicki Modell, welches Plastizität, duktile Schädigung und sprödes Versagen in Abhängigkeit vom Spannungszustand, Dehnrate und Temperatur abbilden kann.