Strukturoptimierte Türme für Offshore-Windenergieanlagen aus UHFFB in Segmentbauweise

Mitentscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) ist die Wirtschaftlichkeit der verwendeten Tragstruktur, die derzeit überwiegend aus Stahl hergestellt werden. Der wesentliche Vorteil von Stahlkonstruktionen ist das relativ geringe Eigengewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. Nachteilig sind allerdings die hohen Herstellungskosten der Stahlsegmente, der aufwendige und kostspielige Korrosionsschutz sowie die hohe Kosten verursachende Erneuerung der Korrosionsschutzbeschichtung, welche bei Tragwerken aus Stahl innerhalb der Nutzungsdauer einer OWEA, die üblicherweise bei 20 Jahren liegt, mindestens einmal von Nöten ist.
Eine wirtschaftlich vielversprechende Alternative zu Turmtragwerken aus Stahl stellen extern vorgespannte Turmtragwerke aus dem Hochleistungswerkstoff ultrahochfester Faserfeinkornbeton (UHFFB) in Segmentbauweise dar. Das Ziel des Forschungsprojekts war es, die Machbarkeit dieses innovativen Turmkonzeptes nachzuweisen sowie durch eine Minimierung der Wandungsstärke des Turmtragwerks den Materialverbrauch zu reduzieren.
Zunächst wurden die geologischen und maritimen Bedingungen sowie die Windverhältnisse für einen Standort in der ausschließlichen Wirtschafszone der deutschen Nordsee ermittelt und in der Design Basis zusammengefasst. Unter Berücksichtigung der Anforderungen an OWEA und eines von der Zentralen Technik der Ed. Züblin AG entwickelten Logistikkonzepts wurde dann ein extern vorgespanntes Turmtragwerk aus UHFFB in Segmentbauweise entworfen. Für die Lastermittlung wurde eine gesamtdynamische Berechnung durchgeführt, die die stochastischen Einflüsse aus den Umgebungsbedingungen, der Strukturdynamik und der aktiven Betriebsführung der Windenergieanlage berücksichtigt. Im Rahmen einer überschlägigen Bemessung konnte die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit des Turmtragwerks prinzipiell nachgewiesen werden. Für die Ableitung der Bemessungswerte wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zum Materialverhalten von UHFFB vorgenommen. Weitere experimentelle Untersuchungen befassten sich mit dem Tragverhalten von Trockenfugen, wie sie zwischen den Turmsegmenten vorgesehen sind. Mithilfe eines aufeinander abgestimmten Versuchsprogramms wurde die Tragfähigkeit von Trockenfugen sowohl unter statischer als auch zyklischer Belastung bestimmt. Dabei wurde die Fugengeometrie variiert und unter zyklischer Belastung zusätzlich das Belastungsniveau.
Das Forschungsprojekt wurde federführend vom Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart sowie den Industriepartnern Ed. Züblin AG und Lafarge durchgeführt.