Aufgrund der hohen dynamischen Lastanteile aus Wind- und Wellenbeanspruchungen bei Offshore-Windenergieanlagen erweist sich der Nachweis der Betriebsfestigkeit in vielen Fällen als bestimmender Faktor für die Auslegung der Tragstrukturen. Hierdurch wird in der aktuellen Bemessungspraxis insbesondere die Nutzung wirtschaftlicher Vorteile aus der Anwendung höherfester Stähle behindert. Gerade unter dem Aspekt der Serienfertigung ist jedoch die wirtschaftliche Optimierung der Bauteile für die Firmen ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil. In diesem Beitrag werden verschiedene Möglichkeiten für Einsparungen bei Entwurf und Bemessung von Offshore-Gründungsstrukturen aufgezeigt und am Beispiel der Übergangskonstruktion für eine Jacket-Struktur dargestellt. Die Einsparpotentiale werden durch optimale Formgebung der Konstruktion, richtungsabhängige Last-ermittlung, eine verfeinerte Nachweismethodik sowie durch moderne Verfahren der Schweißnahtnachbehandlung ermöglicht.

Offshore wind energy development is lagging far behind the ambitious targets that the German government set at a time when an energy turnaround was propounded. Interest in using monopile foundations in a wider field is therefore growing because this type of foundation has proved to be the most economical solution. Their benefits lie in their simple design, favourable fabrication conditions with a considerable automation potential, and short installation times. Concepts and technologies are being developed to be able to produce and install monopile foundations for water depths down to at least 40 m. The necessary design concepts have to be adapted and extended for these requirements. Approaches are presented in this paper.

A study into the feasibility of monopile foundations at sites in the North Sea with water depths as great as 35 m has been carried out in which various options for the geometric configuration and the selection of material were considered. In parameter studies, simplified design methods were applied to assess the effects of the individual load components at the draft design stage. The fatigue limit state becomes more and more relevant as the water depth increases; therefore, dynamic effects must be examined with special care. Turbine concepts with low RNA mass and low rated speed help to achieve the desired design in the soft-stiff regime. As a result, it can be said that monopile foundations with their great manufacturing advantages can be constructed for water depths beyond the current limits of practical experience if the logistical challenges in handling large masses are solved.

Der folgende Beitrag stellt ein praxisorientiertes Bemessungskonzept für Grout-Verbindungen von Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen vor. Es werden zylindrische Verbindungen mit Schubrippen betrachtet. Die kombinierte Einwirkung von Biegemomenten und Normalkräften wird in dem Konzept direkt berücksichtigt und die übliche Nachweisführung über empirische Bemessungsformeln verlassen. Die wirklichkeitsnahe Abbildung der physikalischen Effekte in den Kontaktfugen erfolgt in zwei aufeinander abgestimmten Finite-Elemente-Modellen. Nach einer detaillierten Betrachtung der auftretenden Tragmechanismen in einer Verbindung ohne Schubrippen werden die vorhandenen physikalischen Effekte beim Vorhandensein von Schubrippen in einem Submodell untersucht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse über die Kraftverteilung zwischen Druckstreben und Reibverbund werden anschließend über vereinfachte Federmodelle in das globale numerische Modell integriert. Auf diese Weise kann mit vertretbarem numerischem Aufwand das reale Tragverhalten einer Grout-Verbindung mit Schubrippen zuverlässig nachgewiesen werden.

Design of grouted joints of structures for offshore wind turbines taking the loading situation into consideration.
The following article presents a practical design concept for grouted joints of structures for offshore wind turbines. Cylindrical connections with shear keys are considered. In this concept the combined action of bending moments and normal forces is directly taken into account thus the usage of empirical design formulas can be omitted. The realistic representation of physical effects in the contact joint is carried out in two complementary finite element models. After a detailed examination of the structural mechanisms that occur in a connection without shear keys, the existing physical effects in the presence of shear keys are examined in a sub model. The knowledge about the force distribution between the struts and the friction stresses is subsequently integrated in the global numerical model using simplified spring models. In this way the design calculations for a grouted joint with shear keys can be carried out with reasonable numerical effort taking into account the real structural behaviour.

Aufgrund rechnerischer Defizite in der Ermüdungstragfähigkeit der orthotropen Fahrbahnplatte wurde an der Theodor-Heuss-Brücke ein Monitoringsystem installiert, um Dehnungen an maßgebenden Stellen für ein Jahr zu messen. In Teil 1 dieses Beitrags wurden das Monitoringsystem und Erkenntnisse zum Tragverhalten anhand der Messdaten beschrieben. Dieser zweite Teil schließt mit messwertgestützten Ermüdungsnachweisen und der Lebensdauerprognose an. Grundlage der Auswertungen ist ein numerisches Berechnungsmodell, welches anhand von zwei Probebelastungen in Sommer und Winter kalibriert wird. Unter Berücksichtigung verschiedener Laststellungen werden Übertragungsfaktoren abgeleitet, die die Differenz zwischen Messstelle und maßgebender Nachweisstelle kompensieren. Damit werden die gemessenen Schwingbreitenhistogramme in maßgebende Belastungsspektren transformiert, mit denen schließlich die Lebensdauerprognose erfolgt. Die Auswertungen zeigen, dass für die meisten Bauteile weitere Tragreserven vorhanden sind und eine deutliche Verbesserung gegenüber der Nachrechnung erreicht wird. Einzig die Ecken der Querträgerausnehmungen (Querträgerstegzähne) weisen deutliche Defizite auf, die sich auch im vorhandenen Rissbild widerspiegeln. Über die Zukunft der Theodor-Heuss-Brücke, die von weiteren Faktoren abhängt, wird derzeit entschieden.

Monitoring of the Theodor Heuss bridge in Düsseldorf - part 2: modelling and model improvements for a measurement-based fatigue analysis
Due to calculated deficits in the fatigue bearing capacity of the orthotropic deck, a monitoring system was installed at the Theodor Heuss bridge to measure strains at significant locations for one year. Part 1 of this paper describes the monitoring system and findings on the load-bearing behavior resulting from the measured data. This second part follows with data-based fatigue evaluations and the lifetime prediction. The basis of the evaluations is a structural model, which is calibrated based on two load tests in summer and winter. From this, transfer factors are derived, taking into account different load positions, which compensate the distance of the measuring points to the decisive design points. In this way, the measured stress range histograms are transformed into representative load spectra, which are finally used for the lifetime prediction. The evaluations show that further load reserves are available for most components and that a significant improvement is achieved compared to the recalculation. Only the corners of the floor beam cut-out (cross girder tooth) still show significant deficits, which are also confirmed by the existing cracks. A decision on the future of the Theodor Heuss bridge, which depends on further factors, is currently pending.

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Stiftförmige Verbindungsmittel im Holzbau werden gemäß aktueller Normung europaweit einheitlich nach der rechenaufwendigen Johansen -Theorie bemessen. Deren effiziente Umsetzung verlangt eine Auswertung mit der EDV. Dadurch kann der Blick für die Zusammenhänge erschwert werden. In diesem Beitrag wird eine Auswertung mit Hilfe von Diagrammen vorgestellt, die als Ergänzung und Alternative den Umgang mit den neuen Regelungen erleichtern soll.

Das neue Sicherheitskonzept ist mit dem Weißdruck der DIN 1052 auch im Holzbau Stand der Technik geworden. Gerade die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit bringen dabei die deutlichsten Veränderungen gegenüber dem bisherigen Vorgehen. Der vorliegende Beitrag soll als Arbeitshilfe dienen und das Nachweisverfahren für die wichtigsten Lastfälle transparenter und übersichtlicher machen.

Aufbauend auf einer Arbeit von Blaß/Romani (2000) wird ein vereinfachtes Verfahren zur Bemessung eines Biegeträgers aus BS-Holz mit einer Längsbewehrung aus einer faserverstärkten Kunstharzlamelle (FVK) auf der Zugseite entwickelt. Bei einer innenliegenden Bewehrung (Typ N) kann die Bemessung auf der Grundlage der Verbundtheorie erfolgen und bei einer außenliegenden (Rand-)Bewehrung (Typ R) sollte sowohl nach der Verbundtheorie als auch näherungsweise analog zu einem gerissenen Stahlbetonquerschnitt vorgegangen werden. Das vorgeschlagene Rechenmodell wird dem von Blaß/Romani (2000) entwickelten Berechnungsverfahren gegenübergestellt. Es zeigt sich, daß durch einige wesentliche Vereinfachungen bei in der Regel vernachlässigbarem Einfluß auf die Rechenergebnisse der Rechenaufwand geringer und die Übersichtlichkeit größer werden. Im Vergleich mit Versuchsergebnissen aus der Arbeit von Blaß/Romani liefert der erweiterte Ansatz beim Typ R zudem eine deutlich bessere Übereinstimmung.

Querzugbeanspruchungen greifen Holz an seiner schwachen Stelle an. Eine Gegenmaßnahme stellen Verstärkungen dar, beispielsweise in Form eingeleimter Gewindestangen aus Stahl. Nach umfangreichen Vorarbeiten während der letzten 25 Jahre besteht heute bezüglich Konstruktion und Berechnung solcher Sicherungsmaßnahmen eine große Übereinstimmung. Allerdings sind gerade bei der Bemessung noch Divergenzen beobachtbar. In dem vorliegenden Aufsatz werden die aktuellen Ansätze zur Bemessung einer Querzugbewehrung mit eingeleimten Gewindestangen in gekrümmten Trägern oder Satteldachbindern vereinheitlicht dargestellt und gegeneinander abgewogen. Auf dieser Grundlage werden dann Bemessungshilfen erarbeitet und die diesbezüglichen Regelungen im aktuellen Entwurf zur Neufassung der DIN 1052 vom Mai 2000 kritisch beleuchtet.

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In diesem Beitrag wird auf Besonderheiten bei der Berechnung und Auslegung von Offshore-Tragstrukturen in aufgelöster Bauweise (Jackets) eingegangen, wie sie in den letzten Jahren für Offshore-Windenergieanlagen geplant und gebaut wurden. Zu den Besonderheiten zählen die Sensitivität dieser Tragstrukturen auf die Richtungsverteilung der Wellen in Kurzzeitseegangszuständen sowie die Knotennachgiebigkeiten, die einen Einfluss auf das Gesamttragverhalten und damit auf die Ermüdungsbeanspruchung der Tragstrukturen haben. Es wird gezeigt, wie sich durch die Berücksichtigung dieser beiden Effekte die Ermüdungsbeanspruchung einiger Tragstrukturdetails signifikant reduzieren lässt.

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.

In diesem Beitrag werden die Hintergründe der DASt-Richtlinie 019 "Brandsicherheit von Stahl- und Verbundbauteilen in Büro- und Verwaltungsgebäuden" erläutert. Das Konzept basiert auf dem Verfahren der äquivalenten Branddauer und dem probabilistischen Sicherheitskonzept und setzt schutzzielorientierte Bemessungsverfahren mit Naturbrandszenarien um. Im Detail wird dargestellt, wie die Festlegungen der maßgebenden Parameter wie z. B. Sicherheitsbeiwerte und Brandbelastungen in der Richtlinie begründet sind. Ein stark vereinfachter Ansatz wird für einen bestimmten Gebäudetyp geringer Höhe verfolgt, für den keine Anforderungen an den Feuerwiderstand der Bauteile gestellt werden. In einer Parameterstudie werden exemplarisch Anforderungen an den Feuerwiderstand nach der neuen Richtlinie für unterschiedliche Gebäudegrößen und -höhen ermittelt und mit den zur Zeit gültigen Festlegungen der Landesbauordnungen verglichen. Dadurch werden die Bereiche identifiziert, in denen die neue DASt-Ri 019 Erleichterungen bringen kann.

Mit einem hochfrequenten Hämmerverfahren kann die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte grundsätzlich nur gesteigert werden, wenn die Nahtübergänge dafür maßgebend sind. Zum Beispiel ergibt sich bei einseitig geschweißten Stumpfstößen keine signifikante Steigerung der Lebensdauer, weil sich die ermüdungskritische Stelle an die unbehandelte Nahtwurzel verlagert. Im vorliegenden Beitrag wird über Ergebnisse von experimentellen und numerischen Untersuchungen an un- und nachbehandelten Schweißverbindungen berichtet. Die Experimente erfolgten an stumpf geschweißten Stahlblechen, die anschließend an den Nahtübergängen mit einem hochfrequenten Hämmerverfahren nachbehandelt wurden. Die Schweißversuche dienten ferner als Verifikation für numerische Schweißsimulationen, die mit einem Hämmerprozess gekoppelt wurden. Ziel der Untersuchungen war es, die Effekte des Hämmerns zu erfassen, um hinsichtlich der Lebensdauer den Unterschied zwischen un- und nachbehandelten Schweißverbindungen numerisch aufzuzeigen. Dafür wurden das Kerbdehnungs- und Rissfortschrittskonzept in die Schweißsimulation implementiert, womit lokale Ermüdungsberechnungen im FE-Modell möglich waren. Letztendlich liegen als Ergebnis nicht nur Spannungsplots, sondern auch Ermüdungsplots für die gesamte Schweißkonstruktion unter Berücksichtigung der Effekte des Schweißens und Hämmerns vor.

Numerical welding simulation coupled with a hammer peening procedure and local fatigue assessments.
Due to the post weld treatment the fatigue strength of welded joints can be enhanced in principal, if the weld toes are the most critical hot spots. But the fatigue life can not be increased significantly when the crack initiation starts at the untreated weld root. This paper provides detailed information about experimental and numerical investigations of an arc welding process followed by a process of hammer peening. The experiments were carried out on steel plates with single side butt welds. After welding the weld toes were treated by highfrequency hammer peening. However, the welding and fatigue tests were used as verifications for numerical welding simulations coupled with a hammer peening procedure and local fatigue calculations. The objective was to analyze the difference in fatigue strength between as welded and treated conditions. Therefore the change of residual stresses and notch geometry are the most important effects on the fatigue life for welded joints with and without post weld treatment. Within a fatigue tool the residual stresses and geometry of the notch can be considered in numerical simulations with local fatigue approaches. The total fatigue life was assessed by adding crack initiation life calculated with notch strain approach and crack propagation life calculated with crack propagation approach. Finally the coupled simulation provides not only stress plots but also fatigue plots for the whole welded joint under consideration of as welded and treated conditions after hammer peening.

In diesem Beitrag wird über Ergebnisse von experimentellen und numerischen Untersuchungen an vergrouteten Rohr-in-Rohr-Verbindungen berichtet, die am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover durchgeführt wurden. Diese sogenannten “Grouted Joints” kommen z. B. als Verbindungselemente zwischen dem im Boden eingerammten Pfahl und dem Turm einer Offshore-Windenergieanlage zum Einsatz. An deutlich kleineren Prüfkörpern wurden Axialdruckversuche im Labor durchgeführt, um den Unterschied zwischen glatten und gerippten Stahlrohrmantelflächen im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Ermüdung aufzuzeigen. Dabei kamen auch verschiedene Füllmaterialien für den Ringspalt zum Einsatz. Die Tragfähigkeit bei den Prüfkörpern mit glatten Rohrmantelflächen ist hauptsächlich von der Haftfestigkeit des Füllmaterials auf den Stahloberflächen und deren Beschaffenheit abhängig. Durch die Anordnung von Schubrippen kann die Trag- und Ermüdungslast um ein Vielfaches gegenüber der glatten Variante gesteigert werden. Dies ist hauptsächlich auf die Wirkung von Druckstreben zwischen den Schubrippen zurückzuführen, deren Tragfähigkeit sich mit zunehmender Druckfestigkeit des Füllmaterials erhöht. Mit einem Bemessungsmodell kann unter Berücksichtigung der Druckstrebentragfähigkeit und Anzahl der Schubrippen die Traglast von Grouted Joints abgeschätzt werden.

Static and dynamic axial compression tests on grouted tube-in-tube connections with various grout materials.
This paper summarises static and dynamic axial compression tests on small scale grouted joints for offshore wind energy converters. The connection is mostly used between driven monopiles and tower sections as tube-in-tube connection. The gap between the tubes is filled with grout materials. The test series comprises grouted joints with smooth and ribbed surfaces of the tubes which are loaded by axial compression. The ultimate and fatigue limit state of the connection can be increased with shear keys along the overlapped length of the tubes to get a ribbed contact surface to the grout. In this case the axial load is transferred by compression struts between the shear keys. The bearing capacity depends mainly on the compressive strength of the grout and the geometry of the shear keys. In addition to the experimental results an analytical design concept is presented within this paper for grouted joints with shear keys. With the analytical model the axial load capacity of the grouted joint can be determined under consideration of the compression struts and number of shear keys.

Als Alternative zu stählernen Kreiszylinderschalen wird ein Sandwichzylinder mit einem neuen Elastomer als Verbundwerkstoff im Hinblick auf die Stabilität untersucht. Die Sandwichschale besteht dabei aus einem inneren und einem äußeren Stahlblech, die mit einem dazwischen liegenden Polyurethan-Elastomerkern dauerhaft verbunden sind. In Zusammenarbeit mit Krupp Stahlbau Hannover GmbH wurde am Institut für Stahlbau der Uni Hannover untersucht, ob die Anwendung dieser Sandwichtechnologie bei Türmen von Windenergieanlagen technisch sinnvoll ist. Insbesondere die Kombination mit höherfesten Stählen ist dabei von Interesse. Anhand von numerischen Beulanalysen wird die Gültigkeit einer Schalentheorie für laminierte Kreiszylinderschalen für den vorliegenden Verbundtyp überprüft. Abschließend folgt die Bewertung der Stabilität der Sandwichkonstruktion gegen Schalenbeulen infolge Axialdruck und Torsionsschub. Die Ergebnisse werden mit denen von stählernen Kreiszylinderschalen verglichen.

In dem Beitrag wird über Ergebnisse von experimentellen und numerischen Untersuchungen von Knotenverbindungen eines Tripods für Offshore-Windenergieanlagen berichtet. Unter Annahme eines Referenzstandortes in der Ostsee (Kriegers Flak I) und einer Anlagengröße von 2 MW werden dazu repräsentative Berechnungen mit Hilfe von numerischen Modellen vorgestellt. Neben geschweißten Rohrknotenverbindungen werden auch Konstruktionsvarianten in Stahlguss analysiert und für die statischen und dynamischen Beanspruchungen dimensioniert. Im experimentellen Teil wird über die Durchführung und Auswertung von Ermüdungstests an Y-Knoten mit und ohne Schweißnahtnachbehandlung berichtet. Dabei wird die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit durch eine Nahtnachbehandlung mittels Ultrasonic Impact Treatment (UIT) bewertet. Die Versuchsergebnisse werden im Anschluss bei einer Neubewertung der Tripodknoten berücksichtigt.

Vor dem Hintergrund der FE-Berechnungen von Flanschverbindungen werden unterschiedliche Modellierungsmöglichkeiten für Schrauben vorgestellt, die in Abhängigkeit der Genauigkeit der Geometrieabbildung und der Elementierungsfeinheit in Klassen eingeteilt werden. Anhand von exemplarischen Vergleichen von FE-Berechnungen mit Versuchsergebnissen wird aufgezeigt, daß sich mit verhältnismäßig geringem Modellierungsaufwand gute Ergebnisse für Schraubenkräfte, -momente und -verlängerungen erzielen lassen. Außerdem wird verdeutlicht, wie sich das geringe Verformungsvermögen von HV-Schrauben auf Traglastberechnungen von Flanschverbindugen auswirken kann.