MakroWind - Entwicklung eines Makroelementmodells zur gekoppelten Simulation der Baugrund-Bauwerks-Interaktion von Windenergieanlagen

 

Laufzeit:	01.01.2023 - 31.12.2023
Gefördert durch:	Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen, Förderrichtlinie „Programm für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen – progres.nrw – Programmbereich Research“, Förderkennzeichen 005-2206-0039_0208
Bearbeiter:	Andra Ebener, M.Sc.

 

Kurzbeschreibung:

Die Berücksichtigung der Baugrund-Bauwerk Interaktion hat einen signifikanten Einfluss auf das dynamische Verhalten einer Windenergieanlage (WEA). So ist bspw. die Eigenfrequenz abhängig von der resultierenden Systemsteifigkeit. Bisher wird bei Onshore Windenergieanlagen (OnWEA) die Interaktion zwischen Baugrund und Gründung in der dynamischen Strukturanalyse durch vereinfachte Federmodelle (z.B. dynamische Ersatzdrehfeder) abgebildet. Die Parameter dieser Federmodelle werden in einer geotechnischen Berechnung ohne direkte Kopplung mit der Strukturdynamik kalibriert, weshalb die Lastermittlung iterativ erfolgen muss. Die dadurch bedingte Unschärfe in der Bestimmung der dynamischen Kennwerte kann zu einer Anlagenauslegung auf der unsicheren oder der sicheren Seite führen. Bei zukünftig größeren Nennleistungen und damit höheren dynamischen Lasten von OnWEA ist eine solch starke Vereinfachung nicht mehr akzeptabel. Am Lehrstuhl für Geotechnik der Universität Siegen wurde im Rahmen von Forschungsarbeiten zu Offshore WEA eine Schnittstelle in dem Open Source Code OpenFAST zur expliziten Kopplung der dynamischen Strukturanalyse mit der Analyse des Fundamenttragverhaltens für eine schwimmende WEA entwickelt. Im Rahmen des vorliegenden Projekts soll nun erkundet werden, wie diese Schnittstelle auf die Auslegung von OnWEA übertragen werden kann. Bisher wird in der Schnittstelle eine 3D Finite-Elemente (FE) Modellierung der Substruktur mit der Dynamikanalyse der WEA gekoppelt. Allerdings ist eine FE-Modellierung für OnWEA zu aufwändig. Es soll deshalb untersucht werden, ob stattdessen ein Makroelement der gesamten Gründung implementiert werden kann. Über ein Makroelement wird eine Beziehung zwischen allen Lastkomponenten und zugehörigen Verschiebungs-/Verdrehungskomponenten des Gründungskörpers formuliert, womit die Boden-Bauwerksinteraktion in der dynamischen Strukturanalyse realitätsnah, aber mit vertretbarem Aufwand erfasst werden kann. Dies ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Auslegung zukünftiger, leistungsstarker OnWEA.