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Organisationseinheit der BAM
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In den vergangenen 10 Jahren hat die Errichtung von Windkraftanlagen zur Deckung des zukünftigen Energiebedarfs stark zugenommen. Dabei bilden vor allem Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) den Hauptanteil im Bereich der erneuerbaren Energien. Aufgrund der einfachen Installation werden hierbei Grout-Verbindungen sowohl bei Monopile als auch bei Jacket-Konstruktionen zwischen den gerammten Gründungsrohren und einem Adapterstück (Transition Piece) ausgeführt. Die Bemessung der Grout-Verbindung stellt aktuell im Bereich von OWEA weitgehendes Neuland ohne Langzeiterfahrung dar. Lediglich im Bereich der Offshore Erdöl- und Erdgasindustrie kann man auf über 30 Jahre Erfahrung mit dieser Verbindungstechnologie zurückblicken. Hier wurden jedoch für vergleichbare Strukturen Schädigungen und Setzungen während des Betriebs festgestellt. Gleichzeitig sind die Bedingungen bei der Montage Offshore sehr schwierig und die eingesetzten Materialien sind aufgrund ihrer technischen Merkmale in Verbindung mit den Verarbeitungsbedingungen nicht unproblematisch. Dies betrifft insbesondere den Fall, wenn sich die Verbindung unterhalb des Meerwasserspiegels befindet oder das Grout-Material im jungen Alter dynamisch beansprucht wird.
Vor diesem Hintergrund sollen Strategien zur Instandsetzung schadhaft installierter oder im Betrieb geschädigter Grout-Verbindungen mit Hilfe von zementgebundenen Injektionsstoffen entwickelt werden. Hierzu werden zunächst die grundlegenden Schädigungsmechanismen und deren Auswirkung auf die Rissbildungsprozesse untersucht, da diese entscheidend für die Entwicklung eines geeigneten Instandsetzungskonzeptes sind. In diesem Zusammenhang werden Schädigungsmechanismen im Rahmen eines Modellversuchs anhand einer skalierten Grout-Verbindung untersucht. Des Weiteren werden potenzielle Instandsetzungsmaßnahmen und deren Grenzen diskutiert.
Die Grout-Verbindung stellt die Nahtstelle zwischen Gründungsbauwerk und aufgehender Tragstruktur sicher. Die Funktion und Dauerhaftigkeit dieser Verbindung ist essentiell für die sichere Betriebsphase von Offshore-Windenergieanlagen. Die Bemessung der Grout-Verbindung stellt aktuell weitgehendes Neuland ohne Langzeiterfahrung dar. Gleichzeitig sind die Bedingungen bei der Montage Offshore sehr schwierig und die eingesetzten Materialien sind aufgrund ihrer technischen Merkmale in Verbindung mit den Verarbeitungsbedingungen nicht unproblematisch. Demzufolge stellen Grout-Verbindungen ungeregelte Bauarten und die hierfür verwendeten Mörtel (Grouts) ungeregelte Bauprodukte dar. Im Rahmen der Genehmigung ist daher beim Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) als zuständiger Genehmigungsbehörde für jedes Bauvorhaben eine projektbezogene Zustimmung im Einzelfall (ZiE) zu beantragen.
Vor diesem Hintergrund sollte im DIN-Arbeitsausschuss NA 005-51-07 AA "Windenergieanlagen" eine geschlossene Normenreihe für Tragstrukturen von Windenergieanlagen und Plattformen erarbeitet werden. Anhand der Normenreihe soll allen bei der Planung, Errichtung und dem Betrieb von Windkraftanlagen Beteiligten ein Regelwerk für Bemessung, Baustoffe und deren Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Ein Verweis auf die Normenanforderungen bzgl. der stofflichen Anforderungen, Bemessung und Ausführung durch den betreffenden BSH-Standard ist möglich, da eine ZiE weiterhin notwendig ist. Jedoch kann der Genehmigungsprozess aufgrund der vereinheitlichten Randbedingungen vereinfacht werden. Nach der erfolgreichen nationalen Einführung der DIN 18088 soll die Harmonisierung auf europäischer Ebene erfolgen.
Mit dem generellen Ziel, die Anwendbarkeit und Funktionalität des Verfahrens der stochastischen subspace-basierten Schadensdetektion für Strukturen von Offshore-Windenergieanlagen nachzuweisen, wurden experimentelle und numerische Untersuchungen an einer Laborstruktur sowie anschließend numerische Untersuchungen an einer OWEA-Gründungsstruktur durchgeführt.
Das zugrundeliegende Verfahren verwendet einen Ansatz, in weder modale Kenngrößen noch andere benutzerdefinierte Eingaben erfordert, nachdem einmalig der Referenzzustand aufgenommen wurde. Dabei werden ausschließlich dem Belastungsprozess inhärente stochastische Anregungen der betrachteten Struktur genutzt.
Auf der Basis experimentell erzielter Detektionsergebnisse aus einem Ermüdungsversuch an einer Laborstruktur aus Stahl wurden numerische Modelle und Berechnungsalgorithmen entwickelt und getestet. In einem zweiten Schritt wird diese Analysemethodik auf eine fiktive OWEA-Jacketstruktur realer Größe angewendet. An den simulierten Strukturantworten im Ungeschädigten und geschädigten Zustand wird der Detektionsalgorithmus angewendet, um den Einfluss von Sensorposition und Abtastrate auf die Schadensdetektion festzustellen. Unter Berücksichtigung einzelner vereinfachender Annahmen zeigten die Ergebnisse der Anwendung der vorgestellten Detektionsmethodik an den numerisch erzeugte Antwortdatensätzen eine beachtliche Empfindlichkeit des x2-Testwert basierten Schadensindikators. Obwohl nicht unter allen Umständen in einem frühen Stadium nachweisbar, typische Ermüdungsrisse in Schweißverbindungen von aufgelösten Tragwerken haben ab einer Restbiegesteifigkeit von ca. 80% einen signifikanten und detektierbaren Einfluss auf den Schadensindikator.
Künftige Forschungsaktivitäten in diesem Bereich sollten neben der Erkennung von Schäden auch die Lokalisierung und ggf. auch die Quantifizierung zum Ziel haben. Erforderlich dazu ist die Berücksichtigung und Verarbeitung der strukturellen Parameter und ihrer Sensitivitäten im zugrunde liegenden mathematischen Modell.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Zukünftig soll durch die Installation von Windparks in der ausschließlichen Wirtschaftszone und deren Betrieb ein wesentlicher Anteil des Strombedarfs in Deutschland gedeckt werden. Für die zugehörige Realisierung der Windenergieanlagen hat die zuständige Behörde, das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Standards veröffentlicht, über deren Inhalte im Hinblick auf die zu errichtenden Stahlkonstruktionen von Windenergieanlagen berichtet wird. Über die zu absolvierenden Freigabephasen und deren Bestandteile sowie über die Anforderungen, die die Genehmigungsbehörde an die Art und den Umfang der zu erbringenden Nachweise für die Tragstrukturen stellt, wird im Rahmen des Aufsatzes berichtet. Bei der zuständigen Genehmigungsbehörde durchlaufen derzeit die ersten Anträge das Genehmigungsverfahren. Über die hierbei gesammelten Erfahrungen wird aus Sicht der zuständigen Behörde und deren Fachgutachtern berichtet. Speziell hierbei auftretende Diskussionspunkte werden benannt und Hinweise gegeben.
Das Ziel des Verbundforschungsvorhabens KKS-Gründung war die Entwicklung eines Monitoringsystems zur Erfassung von Korrosion an Gründungsstrukturen im Labormaßstab. Dafür war eine umfassende Bewertung und Beschreibung korrosionsbeeinflussender Faktoren und der Korrosionssysteme notwendig. Im Vorhaben KKS-Gründung wurde die Gründungsstruktur unterhalb der Wasserlinie betrachtet bis hin zum anaeroben Bereich im Sediment. Insbesondere der Sedimentbereich wurde bisher nur unzureichend betrachtet. Da die komplexen Mechanismen in der Sedimentzone noch nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht wurden, mussten Möglichkeiten entwickelt werden, um diese zu bewerten.
Im Verbundforschungsvorhaben KKS-Gründung agierte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als Forschungsstelle. Die Hauptziele des Teilvorhabens der BAM waren die Bereitstellung einer Messumgebung für das von den Partnern entwickelte Monitoringsystem, die umfassende wissenschaftliche Beschreibung der Korrosionssysteme im Unterwasserbereich und Sediment sowie die Gewinnung von Messdaten zur Verifizierung und Überführung in die Simulation. Als Forschungsstelle war die BAM der Ansprechpartner für die Verbundpartner bei wissenschaftlichen Fragestellungen.
Die Hauptziele des Vorhabens wurden erreicht und es wurden grundlegende Erkenntnisse zum Korrosionsverhalten von Offshore-Stahl im Unterwasser und Sedimentbereich gewonnen. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse zum Betrieb eines Laborcontainers und zur Nachstellung von Korrosionssystemen in Meerwasserbecken bei Verwendung von künstlichem Meerwasser und Sand als Sediment gewonnen. Eine Beschreibung und Bewertung der Korrosivität und ablaufender Reaktionen in den einzelnen Belastungszonen wurde mittels elektrochemischer und gravimetrischer Verfahren vorgenommen.