Det Norske Veritas (DNV) hat zusammen mit führenden Unternehmenen der Windindustrie einen Bericht über das Tragstrukturendesign von Monopile Verbindungen bei Offshore-Windenergieanlagen veröffentlicht.

Dieser Bericht enthält die Ergebnisse eines Joint-Industry-Projects (JIP), das zur Aufgabe hatte, die Grundlage auf der die Axiallastbeanspruchungen kalkuliert werden zu verbessern und gleichzeitig bestehende Konstruktionen zu prüfen.

Im Herbst 2009 bewertete DNV die gängigen Methoden der Industrie für das Design vom Tragstrukturen an Offshore-Windenergieanlagen. Der Fokus lag auf der Berechnungsgrundlage der Axiallastbeanspruchungen bei großen Durchmessern von Grout-Verbindungen ohne Schubrippen (Shear Keys).Es wurde herausgefunden, dass die bestehenden Konstruktionsmethoden das physikalische Verhalten solcher Verbindungen nicht richtig beschreiben.Auf dieser neuen Erkenntnis basierend, wurde von DNV mit führenden Unternehmen der Windindustrie ein Joint-Industry-Project (JIP) angestoßen um die bestehenden Berechnungen der Axiallastbeanspruchungen zu überarbeiten, zu verbessern und die aktuellen Konstruktionsmethoden zu überprüfen. Die Zusammenarbeit zwischen DNV, Windparkeigentümer, Betreibern, Grout-Herstellern und Entwicklern beinhaltete physikalische Tests im DNV Laboratotorium sowie zusätzliche Strukturanalysen, Vor-Ort-Beobachtungen und Erfahrungsaustausch. Die Gruppe besteht aus 12 Teilnehmern, die nun einen Bericht zu diesem Projekt veröffentlicht hat.

Hintergrund

Eine Grout-Verbindung wird genutzt um die Verbindung zwischen Monopile und dem Übergangssstück des Turms herzustellen (s. Figur 1). Ein Anschlussstück wird auf den Monopile aufgesetzt, und provisorisch durch Klammern gestützt. Während der Errichtung wird das Anschlussstück vertikal ausgerichtet bevor es mit Vergußmörtel (Grout) befüllt wird. Nach dem Aushärten werden die Klammern entfernt und hinterlassen zentimetergroße Lücken im Mörtel der Tragkonstruktion.

Ein Absenken nach dem Entfernen der Klammern kann zu einer nicht vorhergesehenen Kraftverteilung auf die Tragstruktur führen anders als in der Planung vorgesehen. Somit kann eine unbeabsichtigte Kraftübertragung innerhalb der Verbindung aufteten. Dies kann zu Rissen durch Materialermüdung in der Tragstruktur führen und letztendlich eine Reparatur erfordern.

Verbindungen aus Vergußmörtel

Ein Ergebnis des JIP war, dass eine zylindrisch geformte Ausführung der Grout-Verbindungen ohne zusätzliche Vorkehrungen zur Aufnahme der Axiallast nicht zu empfehlen ist. Die gefundene Hauptursache ist, dass die bisher angenommene Axiallastbeanspruchung geringer ist. Dies führt bei großen Durchmessern zum Verlust der Toleranzkontrolle, welche zusätzlich auf die Axiallastbeanspruchung einwirkt. Hierdurch entsteht Verschleiß in Form von Abrieb an gleitenden Oberflächen, hervorgerufen durch große Biegemomente bei Bewegungen von Wind und Wellen.

D.h., dort wo bereits zylindrisch geformte Vergußmörtel Verbindungen offshore genutzt werden und die Konstruktion eine solche Abweichung vermuten lässt, sollten zusätzliche Maßnahmen in Betracht gezogen werden um die Axiallast aufzunehmen. Solche schadensmindernde Methoden für existierende Anlagen wurden entwickelt und werden bereits bei einigen Konstruktionen angewandt.

Vergußmörtel Verbindungen mit Schubrippen (Shear Keys)

Die neuen Erkenntnisse werden auch die Bauweise von großen Vergußmörtel Verbindungen mit Schubrippen beeinflussen. Schubrippen sind umlaufend geschweißte Versteifungen an der Außenseite des Monopiles und am Anschlussstück im gemörtelten Bereich. Die Schubrippen sollen den Gleitwiderstand zwischen Mörtel und Stahl erhöhen, so dass keine Einlagerungen entstehen. Die bestehenden Design Standards für solche Verbindungen basieren auf begrenzten Daten für alternative dynamische Belastungen. Bevor diese Lösung empfohlen werden kann, soll eine praxisgerechte Schubrippenform entwickelt und in die Design Standards integriert werden. DNV hat hierfür ein ergänzendes JIP gegründet, um das bestehende Wissen über Bauformen für Verbindungen mit Vergußmörtel und Schubrippen zu aktualisieren.

Kegelförmige Verbindungen

Auf Grundlage des JIP`s wurde eine Kontruktion entwickelt, um große, dynamische Biegemomente bei Monopiles aufzunehmen. Dies wird durch ein kegelförmiges Design des Anschlussstückes ermöglicht. Bei dieser Konstruktion wird der Monopile und das Anschlussstück mit einem konischen Winkelstück im Vergußmörtelbereich angefertigt.

Wird die Verbindung zwischen Mörtel und Monopile während der Betriebsdauer brüchig, führt dies zu einer geringen Absenkung. Das bewirkt eine formschlüssige Verbindung zwischen Stahl und Mörtel und ermöglicht so die Aufnahme von Kräften. Zusammen mit der entstehenden Reibung wird ausreichend Widerstand gegen weiteren Abrieb gegeben.(s. Figur 2)

Teilnehmer:

Anerkennung gebührt den Projektpartnern für ihre Unterstützung und ihren Beitrag zu dieser Arbeit:

Ballast Nedam Engineering, BASF Construction Chemicals Denmark A/S, Centrica Renewable Energy Limited, Densit A/S, DONG Energy, DNV, GustoMSC, MT Højgaard a/s, Per Aarsleff A/S, RWE Innogy GmbH, Statoil ASA, Statkraft AS and Vattenfall Vindkraft A/S.

Aktualisierung der Standards

Der Offshore Wind Standard DNV_OSJ101 „Design of Offshore Wind Turbine Structures“wurde während der Projektphase bereits verbessert. Eine überarbeitete Version ist für zweite Quartal 2011 geplant.

Datum: 01 March 2011