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Das Bestimmen von Restnutzungsdauer wird bereits in vielen Bereichen des Bauwesens praktiziert. Die Windenergiebranche als relativ junger Wirtschaftszweig hat mit dieser Problematik noch keine Erfahrungen gesammelt, doch die ersten Windenergieanlagen werden kurzfristig den Zeitraum der geplanten Nutzungsdauer überschreiten, so daß hier Handlungsbedarf entsteht. Es wird ein Einblick in das Problemfeld gegeben. Die von der Germanischen Lloyd WindEnergie GmbH angestellten Untersuchungen werden zusammengefaßt. Ein Konzept zum gene-rellen Vorgehen wird dargestellt, einige Schwerpunkte daraus werden diskutiert.

Im Beitrag wird die Anwendung der Bruchmechanik zur Bewertung von Rissen an Stahlrohrtürmen von Windenergieanlagen (WEA) diskutiert. Ein Konzept für die Ermittlung der Restnutzungs-dauer von WEA wird daraus abgeleitet. Und im Rahmen der bruchmechanischen Bewertung werden maximal zulässige Rißabmessungen bestimmt. Die Dauer des Rißwachstums von angenommenen Ris-sen in der Größenordnung des technischen Anrisses bis zu den maximal zulässigen Rißabmessungen wird ermittelt. Exemplarisch wird ein ausgewähltes Strukturdetail untersucht. Es handelt sich um die Schweißnaht zwischen Türzarge und Turmblech. Halbelliptische Oberflächenrisse werden angenommen. Die Beschreibung der Rißspitzenbeanspruchung erfolgt mit vorhandenen Lösungen für den Spannungsintensitätsfaktor. Die dabei eingehenden Spannungen werden mittels linearelastischer Finite-Element-Rechnung ermittelt. Für die Bestimmung kritischer Rißabmessungen kommt das Failure Assessment Diagram (FAD) zur Anwendung. Der Rißfortschritt wird unter Berücksichtigung der Abhängigkeit von Spannungsverhältnis (R-Abhängigkeit) und s-förmigem Verlauf der Rißfortschrittsgeschwindigkeit abgeschätzt.

In diesem Beitrag werden aktuelle Ergebnisse von Untersuchungen zur Lebensdauerberechnung wellenbelasteter Tragstrukturen vorgestellt. Nach der Darstellung der verwendeten Methoden zur Strukturberechnung im Zeitbereich erfolgt ein Vergleich von Simulationsergebnissen mit vorhandenen Meßdaten einer Forschungsplattform in der Deutschen Bucht. Am Beispiel einer für die geplanten Offshore-Windparks in größeren Wassertiefen typischen aufgelösten Tragstruktur wird über die Anforderungen an Lebensdaueranalysen mit lokalen Konzepten berichtet.

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Die Bemessung von Windenergieanlagen und anderen vorwiegend nicht ruhend belasteten Stahlkonstruktionen wird maßgeblich durch die Ermüdungsfestigkeit kritischer Kerbdetails, insbesondere von Schweißnähten, bestimmt. Durch gezielte Anwendung geeigneter Schweißnahtnachbehandlungsverfahren kann die Ermüdungsfestigkeit und damit die Lebensdauer dieser Kerbdetails deutlich erhöht werden. Am Institut für Bauwerkserhaltung und Tragwerk der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina Braunschweig werden derzeit die Verfahren shot peening und ultrasonic peening näher untersucht. Beide Nachbehandlungsmethoden scheinen durch die Kombination von geometrischen und mechanischen Effekten deutliche Erhöhungen der Ermüdungsfestigkeiten geschweißter Verbindungsdetails zu bewirken. Erste Ergebnisse aus Zugschwellversuchen bestätigen dies für geschweißte Ringflanschsegmente. Das ultrasonic peening wurde darüber hinaus auf die Möglichkeit der Ertüchtigung bestehender Bauteile untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, daß bei Anwendung des Verfahrens an bis zum Ende der rechnerischen Lebensdauer vorgeschädigten Proben eine Anhebung der Restermüdungsfestigkeit auf das Niveau von unmittelbar nach der Fertigung behandelten Bauteilen möglich ist.

In dieser Darstellung wird zum Thema Offshore-Windenergieanlagen ein Forschungsprojekt vorgestellt, das sich im Speziellen mit unterschiedlichen Konstruktionsvarianten und dem Einsatz hochfester Stähle befaßt. Zusammen mit dem allgemeinen Aufbau und der Präsentation der Aufgabenbereiche der einzelnen Beteiligten werden die ersten Schritte des Projektes erläu-tert und die Zielrichtung der Forschungsarbeiten präsentiert.

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Die mechanisch-technologischen Anforderungen an Stähle sind beim Einsatz in Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen hoch. Durch die Weiterentwicklung der Stahlherstellungsverfahren stehen dem Konstrukteur heutzutage neben den klassischen Güten S235 und S355 sowohl normalisierend oder thermomechanisch gewalzte Stähle bis 460 MPa Mindeststreckgrenze als auch wasservergütete Baustähle mit Mindeststreckgrenzen von 520 bis 1100 MPa zur Verfügung. Baustähle bis 460 MPa haben sich bereits für die Herstellung von Windenergieanlagen etab-liert, wobei die Werkstoffeigenschaften und das Verarbeitungsverhalten bekannt sind. Hoch-feste Baustähle können dem Konstrukteur weitere Möglichkeiten eröffnen. Diese Stahlsorten zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit sowie exzellenter Verarbeitbarkeit aus. Durch eine bruchmechanische Bauteilbewertung auf Basis moderner Sicherheitskonzepte kann selbst bei Annahme kritischer Beanspruchungsbedingungen eine hohe Sicherheit gegen sprödes Versagen gewährleistet werden.

Die Windenergie geht Offshore. Im Vergleich zu den existierenden Onshore-Anlagen entstehen daraus neue Anforderungen an die Stahlkonstruktion von Fundamentierung und Mast dieser Anlagen und die darin verwendeten Stahlprodukte. Hier können die Entwickler aber stark von den Erfahrungen anderer Offshore-Konstruktionen wie Öl- und Gasplattformen profitieren. Die Stahlentwicklung im klassischen Offshore-Bereich wurde vor allem durch besonders hohe Anforderungen an die Bauteilsicherheit und den widrigen Anwendungsbedingungen und eine effi-ziente Verarbeitungstechnik geprägt. Hier kommen bevorzugt thermomechanisch gewalzte Stähle zum Einsatz, deren Eigenschaftsprofil detailliert beschrieben wird. Abschließend wird der heutige Stand der Fertigungstechnolgie in diesem Bereich vorgestellt.

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Die rauhen maritimen Einsatzbedingungen bedingen bei Offshore-Windenergieanlagen höhere Belastungen als bei Windenergieanlagen im Binnenland. Deshalb werden an die mechanisch-technologischen Gütewerte der verwendeten Werkstoffe und ihrer Schweißverbindungen besonde-re Anforderungen gestellt. Eingesetzt werden Stähle mit Streckgrenzen ab 355 MPa mit rela-tiv großen Wanddicken und entsprechend großen Nahtvolumina. Die Wirtschaftlichkeit der Fertigung erfordert deshalb den Einsatz von Hochleistungsschweißverfahren mit hohen Abschmelzleistungen. Ziel der Untersuchungen ist die Optimierung aller Verfahrensparameter hinsichtlich Leistung und Wirtschaftlichkeit des Schweißprozesses bei gleichzeitiger Erfüllung der hohen Anforderungen an die Qualität der Verbindung.

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Die Ermüdungslebensdauer der Schrauben in vorgespannten Ringflanschverbindungen kann drastisch abfallen, wenn die Kontaktflächen der Flansche vor dem Vorspannen der Schrauben nicht einwandfrei aneinander liegen, sondern teilweise klaffen ("Flanschimperfektionen"). Vorgespannte Ringflanschverbindungen werden häufig als Baustellenstöße in turmartigen Stahlbauten eingesetzt, z. B. in Rohrtürmen von Windenergieanlagen (WEA). Der ermüdungsschädliche Einfluß der Flanschimperfektionen wurde an der Universität Essen experimentell und numerisch eingehend untersucht. Die daraus zu ziehenden baupraktischen Schlußfolgerungen für eine ermüdungssichere Bemessung werden im Aufsatz anhand der entsprechenden Regelungen in der neuen DIBt-Richtlinie für WEA dargestellt und erläutert. Zwei Berechnungsmodelle zur näherungsweisen Erfassung der Flanschimperfektionen bei der Ermüdungsbemessung werden vorgestellt. Die Methode, Baustellenstöße, die sich bei der Montage als zu imperfekt herausstellen, durch Ausfuttern der Klaffungshohlräume zu sanieren, wird diskutiert.

Die Ermüdungsbeanspruchung bei vorgespannten Schrauben wie sie bei Flanschverbindungen von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, wird von geometrisch bedingten Imperfektionen sehr stark beeinflußt. Sie können zum vorzeitigen Versagen der Verbindung führen, da die Schrauben die hohen dynamischen Kräfte nicht in ausreichendem Maße übertragen können. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, zu untersuchen, wie sich Imperfektionen unterschiedlicher geometrischer Abmessung auf die Schädigung der Schrauben auswirken. Hierzu wurden numerische Untersuchungen mit imperfekten L-Flanschverbindungen durchgeführt, bei denen die Imperfek-tionsabmessungen variiert wurden. Aus den Ergebnissen wurde ein möglichst allgemeines Kriterium entwickelt, mit dessen Hilfe eine Beurteilung von geometrischen Imperfektionen des untersuchten Typs hinsichtlich der Lebensdauer der Schraubenverbindungen vorgenommen werden kann. Gerade im Hinblick auf die praktische Nutzung der Ergebnisse kann die Arbeit dazu beitragen, die Hersteller für diese Thematik zu sensibilisieren und wichtige Anhaltspunkte etwa in bezug auf zulässige Toleranzen bei Imperfektionen liefern.

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