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Für die Installation von Offshore-Windenergie-Anlagen der 5-Megawattklasse vor der Küste Deutschlands in der Nordsee ist es erforderlich, Gründungsstrukturen in hoher Stückzahl wirtschaftlich herstellen zu können. Für den Wassertiefenbereich der Nordsee wird im Rahmen dieses Aufsatzes der Konstruktions-typ Jacket hinsichtlich dynamischer Eigenschaften untersucht.
Darüber hinaus wird über Stahlgussbauteile berichtet, die in den hochbelasteten Knotenpunkten des Jackets verbaut werden. Derzeit ist es üblich, Jackets aus handelsüblichen Stahlhohlprofilen zu fertigen, die an den Enden zu einer Knotenverbindung miteinander verschweißt werden. Diese Lösung besitzt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen, über die nachfolgend berichtet wird.
Bauteile aus Stahlguss hingegen weisen unter anderem die Vorteile auf, universell einsetzbar und in Form bzw. Gestaltung völlig frei wählbar zu sein. Um das komplexe Tragverhalten dieser Stahlgussbauteile bewerten zu können, wurden neben Simulationsrechnungen auch Laborversuche durchgeführt. Es wurde das Tragverhalten unter statischer Belastung am Stahlgussbauteil im 1:1-Modell und das Ermüdungsverhalten an Stahlgussproben getestet.
Load bearing behaviour of cast steel components in offshore wind turbines under fatigue and static loads.
The installation of offshore wind turbines of the 5-megawatt class in deep water of the North Sea makes it economically necessary to build foundations in high quantities.
Constructions of this kind are a major technical challenge in terms of design, manufacturing and operation. In this paper the dynamic behaviour of jacket constructions in the North Sea are investigated. Currently jacket structures are constructed with steel pipes that are welded at the connecting nodes. This procedure implies several disadvantages.
In contrast cast steel elements are universally applicable and designable. To verify the load bearing behaviour numerical simulations and laboratory tests are done. Laboratory tests include the testing of the ultimate load bearing capacity. In a large scale setup and fatigue tests at small cast steel specimen.
Tragverhalten von Offshore Gründungskonstruktionen - Rechnerische und messtechnische Untersuchungen
(2012)
Dieser Artikel enthält eine Zusammenfassung von Ergebnissen des Forschungsverbundvorhabens 'OGOWIN: Optimierung aufgelöster Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen hinsichtlich Materialeinsatz, Montageablauf und neuer Fertigungsverfahren'. Die Ergebnisse umfassen (1) eine Untersuchung des dynamischen Verhaltens der verschiedenen Gründungsvarianten Monopile, Tripod und Jacket, (2) die Ermittlung einer Wöhlerlinie für den Grundwerkstoff eines Stahlgussknotens, (3) die Ermittlung der Traglast eines Stahlgussknotens in einem 1:1-Versuch sowie (4) Berechnungen zur Form- und Materialoptimierung. Zur Überwachung der Gebrauchstauglichkeit während des Betriebes wurden relevante Parameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die ersten Eigenfrequenzen der o. g. Gründungskonstruktionen rechnerisch untersucht. Untersuchungen der Ermüdungsfestigkeit und die erstmalige experimentelle Ermittlung der Traglast eines Gussknotens tragen zu einem optimierten Entwurf durch genaue Kenntnis des Materialverhaltens und der höchstbeanspruchten Bereiche bei. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine geometrische Optimierung des Stahlgussknotens unter konstruktiven Randbedingungen zu einer Verringerung des Materialaufwandes bzw. zu einer Erhöhung der Traglast führen kann. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
This paper contains a summary of the joint research project 'OGOWIN: Optimisation of support structures for offshore wind turbines regarding the material consumption, the construction and production sequence as well as new production methodologies'. The results comprise (1) a modal analyses of various types of offshore wind turbine support structures, (2) the fatigue strength testing of the cast steel material, (3) a large scale ultimate capacity test of a cast steel tube connection and (4) an optimisation of the tube connection aiming at material and stress reduction. The sensitivity of the relevant parameters on the first natural frequencies was quantified and the most influencing parameters were identified. The analyses of the fatigue strength and of the ultimate capacity of the cast steel tube connection support an optimised design by precise knowledge of the failure mechanisms and material behaviour. Moreover, it is shown that optimising the cast steel node can reduce the material use and stress concentration.
Beim Schweißen wird durch die induzierte Kerbschärfe und die Eigenspannungen die Gefahr eines Sprödbruchs erhöht. Aufgrund der verringerten Zähigkeitseigenschaften von alten Flussstählen im Vergleich zu heutigen Baustählen ist daher eine Bewertung der Sprödbruchgefahr von Flussstählen nach dem Schweißen erforderlich. Für eine Bewertung auf bruchmechanischem Niveau wird der Spannungsintensitätsfaktor auf der Beanspruchungsseite mit der Bruchzähigkeit auf der Widerstandsseite verglichen. Für einen Großteil der früher verbauten Bleche bis 11 mm Dicke kann gezeigt werden, dass kein Sprödbruch zu erwarten ist. Darüber hinaus werden für größere Blechdicken Daten aufbereitet, die auf Basis der tatsächlich vorliegenden Materialbeanspruchbarkeiten und rechnerisch ermittelten Beanspruchungen eine Bewertung ermöglichen.
Welding of existing steel structures - brittle fracture behaviour of welded mild steel.
Welding processes cause notch effects and residual stresses. Therefore the risk of brittle fracture grows. In comparison with modern steels, old mild steels have a lower ductility. So it is necessary to evaluate brittle fracture behaviour of mild steel after welding. This evaluation is done by means of fracture mechanics parameters. The results show that for plate thicknesses of mild steel up to 11 mm there is no risk of brittle fracture. For higher plate thicknesses a procedure to evaluate brittle fracture behaviour is described taking the actual state of stress and actual material properties into consideration.
Beim Schweißen wird durch die induzierte Kerbschärfe und die Eigenspannungen die Gefahr eines Sprödbruchs erhöht. Aufgrund der verringerten Zähigkeitseigenschaften von alten Flussstählen im Vergleich zu heutigen Baustählen ist daher eine Bewertung der Sprödbruchgefahr von Flussstählen nach dem Schweißen erforderlich. Für eine Bewertung auf bruchmechanischem Niveau wird der Spannungsintensitätsfaktor auf der Beanspruchungsseite mit der Bruchzähigkeit auf der Widerstandsseite verglichen. Für einen Großteil der früher verbauten Bleche bis 11 mm Dicke kann gezeigt werden, dass kein Sprödbruch zu erwarten ist. Darüber hinaus werden für größere Blechdicken Daten aufbereitet, die auf Basis der tatsächlich vorliegenden Materialbeanspruchbarkeiten und rechnerisch ermittelten Beanspruchungen eine Bewertung ermöglichen.
Welding of existing steel structures - brittle fracture behaviour of welded mild steel.
Welding processes cause notch effects and residual stresses. Therefore the risk of brittle fracture grows. In comparison with modern steels, old mild steels have a lower ductility. So it is necessary to evaluate brittle fracture behaviour of mild steel after welding. This evaluation is done by means of fracture mechanics parameters. The results show that for plate thicknesses of mild steel up to 11 mm there is no risk of brittle fracture. For higher plate thicknesses a procedure to evaluate brittle fracture behaviour is described taking the actual state of stress and actual material properties into consideration.
Für die Sanierung und Ertüchtigung bestehender, vorwiegend nicht ruhend beanspruchter Stahltragwerke mittels Schweißen ist bei der ingenieurmäßigen Bemessung neu eingebrachter Schweißverbindungen der Nachweis der Betriebsfestigkeit zu führen. Um für die Restlebensdauerermittlung den Anteil der vergangenen ermüdungsrelevanten Belastung abschätzen zu können, wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Hierbei erfolgte u.a. die Einprägung einer definierten Vorbelastung in einen äußerlich ungekerbten Grundwerkstoff, anschließend die Kerbung und die Ermüdungsbeanspruchung der Probe bis zum Bruch. Dieses Vorgehen repräsentiert einen bereits vorbelasteten Altstahl, an dem nachträglich eine Reparatur durchgeführt wurde. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die aufgebrachten Vorbelastungen in der Regel keinen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Lebensdauer ausüben, wenn eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt und ein ausreichender Einbrand gewährleistet wird. Dies bedeutet, dass die eingeprägte Vorgeschichte bestehender Konstruktionen beim Nachweis der Betriebsfestigkeit von neu eingebrachten Schweißkerbdetails vernachlässigt werden kann.
Welding of existing steel structures - Effect of prior load cycles.
When existing structures under fatigue load are to be strengthened or refurbished by welded joints fatigue assessment is required for new welds. For the analysis of existing structures or determining of their remaining fatigue life, experimental investigations were carried out in order to estimate the effect of prior load cycles on the material. Mild steel specimens were preloaded cyclically, then surface treatment was applied and a notch representative for a real weld of a structure was introduced. The results of fatigue tests were compared with fatigue tests on similar non-preloaded specimens. It has been found that there is no significant effect of prior load cycles if the surface is treated prior to welding and enough fusion penetration depth is given. Therefore, fatigue assessment of new welds on old materials does not need to take into account prior load cycles.
Schweißen an Altstahl
(2007)
Projektvorstellung OGOWin
(2007)