Die Berechnung der Restlebensdauer einer Windenergianlage (WEA) geschieht für jede der dynamisch belasteten Komponenten gesondert und ist deswegen stark abhängig von der Bauweise der WEA.
In der Regel bestehen die Türme von WEA aus kostengünstigen Stahlring- oder Stahlfachwerkkonstruktionen, größere Anlagen werden auch in Stahlbetonbauweisen durchgeführt. Innerhalb dieser unterscheidet man weiter zwischen Stahlbeton-, Spannbeton- und Hybridtürmen. Die zu führenden Nachweise sind hier getrennt für den Beton, die eingesetzte schlaffe Bewehrung sowie die
Spannstahlglieder des Systems zu erbringen.
Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf den Spannstahl und somit auf das Bauteil, von dem aufbauend aus Erfahrungen aus dem Brückenbau, vermutlich das höchste Gefahrenpotential für Langzeitschäden ausgeht.
Gemäß des derzeit gültigen Eurocode 2 wird für die Bemessung der Dauerschwingfestigkeit von Spannstahl die Wöhler-Linie in Verbindung mit der Palmgren-Miner-Schadensakkumulationshypothese herangezogen. Im Rahmen dieser Arbeit wird dieser Vorgehensweise folgend ein auf Microsoft Excel basierendes Tool entwickelt, das die Restlebensdauer von Spannstahlgliedern einer WEA durch Verwendung von am Turmkopf erfassten Beschleunigungdaten prognostiziert.
Hierfür wird in Kapitel 2 auf die Geschichte von WEA sowie die verschiedenen Konstruktionsarten der WEA-Türme eingegangen. In Kapitel 3.1 werden zunächst die Anforderungen an die Messdaten und Verfahren zum Pre-Processing beschrieben, bevor in Kapitel 3.2 die Erläuterung der gesamten Berechnungskette vom klassierten Schwingungskollektiv bis hin zur Restlebensdauerabschätzung erfolgt. Den Abschluss bilden in Kapitel 4 Zusammenfassung und Fazit sowie in Kapitel 5 ein Ausblick auf weitere Entwicklungsmöglichkeiten innerhalb des Themengebietes.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Windenergieanlagen
2.1 Grundlagen
2.2 Turm-Konstruktionsarten
2.2.1 Stahlfachwerk
2.2.2 Stahlrohr
2.2.3 Stahlbeton
2.2.4 Spannbeton
2.2.5 Sonstige
3 Restlebensdauerprognose
3.1 Eingangsdaten
3.1.1 Anforderungen
3.1.2 Pre-Processing
3.2 Berechnung der Restlebensdauer
3.2.1 Berechnung der Dehnung
3.2.2 Berechnung der Spannungsschwingbreite
3.2.3 Berechnung der ertragbaren Schwingungszyklen
3.2.4 Abschätzen der Restlebensdauer
4 Zusammenfassung und Fazit
5 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, einen theoretischen Berechnungsansatz für ein Lebensdauerprognosetool für Spannbetontürme von Windenergieanlagen zu entwickeln, das auf Basis von Beschleunigungsdaten am Turmkopf die Restlebensdauer des verbauten Spannstahls abschätzt.
- Aufbau und Konstruktionsarten von Windenergieanlagen-Tragstrukturen
- Methodische Anforderungen an Messdaten und Pre-Processing
- Ermüdungsberechnung mittels Wöhler-Ansatz und Palmgren-Miner-Regel
- Konzeption eines rechnerischen Modells zur Restlebensdauerprognose
Auszug aus dem Buch
3.2.4 Abschätzen der Restlebensdauer
In der Regel setzt sich eine Belastung aus mehr als nur einer Schwingungsbreite zusammen. Die lineare Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner [vgl. Palmgren 1924, S. 341; DIN EN 1992-1-1 2011, S. 123] ermöglicht die Berechnung der Gesamtschädigungssumme DEd gemäß der Formel:
DEd = Summe(n(delta_sigma_i) / N(delta_sigma_i)) < 1
Wobei n(delta_sigma_i) die Anzahl der ertragbaren und N(delta_sigma_i) die der tatsächlich ertragenen Schwingspiele gemäß Kapitel 3.2.3 sind. Erst wenn die so berechnete Summe der Schadensanteile aller Schwingbreiten einen Wert größer oder gleich Eins erreicht, wird von einer Schädigung des Bauteils ausgegangen.
Für die Anwendung als Instrument der Restlebensdauerprognose wird dieser Ansatz wie folgt angewandt: Die Belastung, die die Struktur während der Messung ertragen musste wird extrapoliert und das Bauwerksalter abgezogen. So kann festgestellt werden, zu welchem Zeitpunkt unter gleichbleibenden Bedingungen mit einer Schädigung zu rechnen ist. Die verbleibende Restlebensdauer tRestlebensdauer kann gemäß Formel 3.5 berechnet werden:
tRestlebensdauer = (tMess / DEd) - tAlter
mit: tMess Dauer des Messzeitraums; DEd Schädigungssumme während der Messung; tAlter Alter der WEA
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung thematisiert die gesetzlichen Rahmenbedingungen für Windenergieanlagen und die Notwendigkeit, nach Ablauf der Bemessungslebensdauer die Restlebensdauer von Tragstrukturen mittels Prognoseverfahren zu bestimmen.
2 Windenergieanlagen: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der Windkraftnutzung und erläutert verschiedene Konstruktionsarten von Windkrafttürmen sowie deren spezifische Anforderungen und Eigenschaften.
3 Restlebensdauerprognose: Das Kapitel beschreibt den technischen Prozess der Restlebensdauerberechnung, von der Validierung der Eingangsdaten und dem Pre-Processing bis hin zur rechnerischen Bestimmung der Schädigungssumme nach der Palmgren-Miner-Hypothese.
4 Zusammenfassung und Fazit: Das Fazit resümiert die Entwicklung eines Tabellenkalkulationstools zur Prognose der Restlebensdauer von Spannstahl in Windkrafttürmen und bestätigt die prinzipielle Eignung des gewählten theoretischen Ansatzes.
5 Ausblick: Hier werden mögliche Erweiterungen der Methode diskutiert, darunter der Einsatz von Ersatzlasten, die Berücksichtigung nichtlinearer Schädigungseffekte sowie die Anwendung statistischer Verfahren wie Markov-Chain-Monte-Carlo.
Schlüsselwörter
Windenergieanlagen, Restlebensdauerprognose, Spannbeton, Spannstahl, Tragstruktur, Ermüdungsfestigkeit, Wöhlerlinie, Palmgren-Miner, Beschleunigungsdaten, Schadensakkumulation, Bauingenieurwesen, Zustandsüberwachung, Lastkollektiv, Lebensdauerabschätzung, Monitoring
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit im Kern?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines theoretischen Konzepts, um die Restlebensdauer von Spannstahl in Spannbetontürmen von Windenergieanlagen zu prognostizieren.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Konstruktion von Windkrafttürmen, der Analyse von Belastungsdaten und der mathematischen Modellierung der Ermüdungsfestigkeit.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, ein Modell bzw. ein Excel-basiertes Tool zu entwerfen, das auf Basis von am Turmkopf gemessenen Beschleunigungsdaten eine realistische Abschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer der Struktur ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Zur Berechnung der Restlebensdauer werden die Wöhler-Linie zur Ermittlung ertragbarer Zyklen und die lineare Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine Übersicht der Turmkonstruktionen, eine Beschreibung des Pre-Processing von Sensordaten und die detaillierte mathematische Herleitung der Spannungsänderungen im Spannstahl.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Zentrale Begriffe sind Restlebensdauerprognose, Spannbeton, Spannstahl, Ermüdungsfestigkeit, Schadensakkumulation und Windenergieanlagen.
Warum konzentriert sich die Arbeit speziell auf Spannstahl?
Der Autor wählt den Spannstahl, da aus Erfahrungen im Brückenbau dieses Bauteil ein besonders hohes Gefahrenpotenzial für Langzeitschäden aufweist.
Welche Einschränkungen werden für das Prognosetool genannt?
Da die für die Arbeit bereitgestellten Messdaten eine zu geringe zeitliche Auflösung aufwiesen, wurde die Anwendung des Tools für den praktischen Teil der Arbeit nur theoretisch konzipiert.
Welche Zukunftsperspektiven werden für die Methode aufgezeigt?
Im Ausblick werden Verfahren wie die Anwendung von Equivalent Loads, die Einbeziehung nichtlinearer Schädigungseffekte und die Nutzung von Markov-Chain-Monte-Carlo-Verfahren vorgeschlagen.
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- Jens Habegger (Author), 2014, Die Lebensdauerprognose für die Tragstruktur von Windenergieanlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/277600
