Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, IGF-Vorhaben (18662 N) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)
Projektpartner: CWD – Center for Wind Power Drives
Optimierte Dimensionierung hoher Gittermasttürme für Windenergieanlagen unter realistischer Berücksichtigung der aerodynamischen Einwirkungen, des Ermüdungsverhaltens und des Stahlsorteneinflusses
Beschreibung:
Zur Erreichung großer Höhen setzen viele Industriezweige, wie beispielsweise die Mobilfunk- oder Windenergiebranche, häufig Gittermastkonstruktionen ein. Diese Konstruktionen haben sowohl aus ökonomischer Sicht als auch aufgrund der unproblematischen Transportmöglichkeiten große Vorteile gegenüber klassischen Stahlrohrtürmen oder Hybridlösungen. Aufgrund der hohen Anzahl an Tragelementen ist jedoch der Grad der Strukturoptimierung in der Regel begrenzt, zumal die geometrische Ausgestaltung in der Regel manuell vorgegeben werden muss. Im vorliegenden Beitrag werden Grundzüge einer automatischen Strukturoptimierung der Tragwerksgeometrie vorgestellt und an einem Beispiel vorgeführt. Dabei wird nicht nur das semi-probabilistische Sicherheitskonzept, sondern ein voll-probabilistischer Ansatz verwendet. Sowohl die geometrische Optimierung als auch die voll-probabilistische Berechnung sollen später bei der Planung von neuen Türmen sowie zur Sicherheitsbewertung von bestehenden Türmen eingesetzt werden.
Parametrisch formulierte Module von Fachwerksektionen zur Ermöglichung einer automatischen Optimierung
Ziel des Vorhabens ist die Optimierung von Fachwerktürmen für die Windenergietechnik hinsichtlich Struktur und Topologie. Mithilfe der zu entwickelnden Optimierungsmethoden soll die Auswirkung des Einsatzes höherfester Stahlsorten und unterschiedlicher Querschnittsformen bewertet werden. Die Untersuchungen zielen somit auch darauf ab, für die zukünftige Planung von vergleichbaren Anlagen die wirtschaftliche Bedeutung der Stahlsorten- und Querschnittswahl im Vorfeld bewertbar zu machen.
Zur Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Anlagen in den Betriebszuständen wird ein spektraler Bewertungsmechanismus aufgebaut und mit den Ergebnissen klassischer MKS-Rechnungen verglichen. Das spektrale Berechnungsmodul wird Teil des Optimierungsalgorithmus. Die für die Bemessung von schlanken Turmstrukturen geforderten dynamischen Nachweise der Tragfähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und der Gebrauchstauglichkeit sind Ziel der Optimierungsstrategie. Mit den entwickelten Werkzeugen kann letztlich auch ein ökonomischer Vergleich zwischen unterschiedlichen Ausgestaltungsformen von Fachwerktürmen für WEA erfolgen. Zudem kann gegenüber den heutigen Verfahren mit den erarbeiteten Projektergebnissen eine sehr viel tiefere Optimierung der Tragstruktur unter Berücksichtigung der Betriebszustände vorgenommen werden.
Potentiellen Anwendern aus der Praxis werden die Projektergebnisse in Form eines Berechnungswerkzeuges zur Verfügung gestellt. Die Projektdokumentation umfasst Vergleichsrechnungen und Anwendungsempfehlungen.
Beispiel für eine automatisch generierte Struktur eines Fachwerkturmes