{"id":1648,"date":"2022-04-21T13:53:22","date_gmt":"2022-04-21T13:53:22","guid":{"rendered":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/?p=1648"},"modified":"2024-05-03T08:44:36","modified_gmt":"2024-05-03T08:44:36","slug":"wie-steigern-resonanzbasierte-pruefmethoden-die-effizienz-und-lebensdauer-von-tragstrukturen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/wie-steigern-resonanzbasierte-pruefmethoden-die-effizienz-und-lebensdauer-von-tragstrukturen\/martin-kohlmeier","title":{"rendered":"Wie steigern resonanzbasierte Pr\u00fcfmethoden die Effizienz und die Lebensdauer von Tragstrukturen?"},"content":{"rendered":"\n

Ein effizienter Materialeinsatz und eine lange Lebensdauer sind wichtige Zielgr\u00f6\u00dfen bei der Optimierung von Offshore-Windenergieanlagen. F\u00fcr zuk\u00fcnftige, gr\u00f6\u00dfere Tragstrukturen, die insbesondere in Windparks gr\u00f6\u00dferer Wassertiefe zu erwarten sind, wird das Verhalten der Gr\u00fcndung, also die Bodeneigenschaften zusammen mit der Boden-Strukturinteraktion sowie dem gesamtdynamischen Verhalten der Anlage eine zentrale Rolle bei der exakten Bemessung und Absch\u00e4tzung der Lebensdauer spielen. Sowohl f\u00fcr Gr\u00fcndungs- und Tragstrukturen als auch f\u00fcr Komponenten oder Verbindungselemente der Tragstruktur k\u00f6nnen beschleunigte Lebensdauertests wichtige Erkenntnisse liefern. Bei gro\u00dfen Monopiles k\u00f6nnen sich beispielsweise unter zyklischen Belastungen Ver\u00e4nderungen im horizontalen Tragverhalten ergeben und zu Unsicherheiten in der Dauerschwingfestigkeit der Gesamtanlage f\u00fchren. Wertvolle Erkenntnisse dazu k\u00f6nnen aus gro\u00dfma\u00dfst\u00e4blichen Modellversuchen im nordseetypischen Sandboden abgeleitet werden, die das Fraunhofer IWES seit dem Jahr 2015 im Testzentrum f\u00fcr Tragstrukturen (TTH)<\/a> Hannover durchf\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Belastungseinrichtungen f\u00fcr physikalische Modellversuche<\/h3>\n\n\n\n

Das Fraunhofer IWES testet Tragstrukturen, wie etwa den Monopiles, im gro\u00dfskaligen Ma\u00dfstabsmodell. Daf\u00fcr f\u00fchren die Wissenschaftler*innen mithilfe von entsprechend leistungsf\u00e4higen servohydraulischen Aktuatoren in einer zehn Meter tiefen Grundbauversuchsgrube statische Belastungsversuche durch. Die Grundbauversuchsgrube befindet sich im Testzentrum Tragstrukturen und wird in Kooperation mit der Leibniz Universit\u00e4t Hannover genutzt.<\/p>\n\n\n\n

Bei zyklischen Belastungsversuchen an Monopiles in der Grundbauversuchsgrube liegt eine typische Belastungsfrequenz mit servohydraulischen Aktuatoren bei etwa 0,3 Hertz (Hz). F\u00fcr einzelne Belastungsstufen mit beispielsweise 100.000 Lastwechseln ergibt sich dann eine Pr\u00fcfdauer von jeweils 92,5 h. Der Zeitaufwand einer gesamten Versuchsreihe kann daher erheblich sein, sodass  gepr\u00fcft werden sollte, ob Versuchsziele auch mit niedrigeren Lastwechselzahlen erreicht werden k\u00f6nnten oder aber h\u00f6here Belastungsfrequenzen realisierbar w\u00e4ren.<\/p>\n\n\n\n

Neben servohydraulischen Aktuatoren, steht als zweite Belastungsoption der elektrodynamische Shaker zur Verf\u00fcgung (2). Er ist ausgestattet mit Linearantrieben, die eine Masse entlang eines geradlinigen Verfahrwegs beschleunigen und so die gew\u00fcnschte Reaktionskraft erzeugen und das System somit beispielsweise in eine harmonische Schwingung versetzen. Das IWES setzt den Shaker f\u00fcr experimentelle Modalanalysen ein und kann so durch Ver\u00e4nderungen im Eigenschwingungsverhalten auf ge\u00e4nderte Gr\u00fcndungseigenschaften r\u00fcckschlie\u00dfen. Das Belastungsspektrum ist dabei sehr variabel. Die erreichbaren Kr\u00e4fte sind durch die Gr\u00f6\u00dfe der Reaktionsmassen, deren maximaler Beschleunigung und, insbesondere bei kleinen Frequenzen, durch den nutzbaren Verfahrweg beschr\u00e4nkt.<\/p>\n\n\n\n

Eine dritte Belastungsoption (3) zum Lasteintrag stellen Elektrovibratoren dar. Dabei werden in diesem System Drehstrom-Asynchronmaschinen mit rotierenden und verstellbaren Unwuchtmassen versehen und \u00fcber Frequenzumrichter betrieben. Mit einer Regeleinheit k\u00f6nnen zwei Motorpaare zu einem System zusammengeschaltet werden. Dadurch erhalten die Wissenschaftler*innen ein regelbares Unwuchterregersystem, das bei gegebener Drehzahl sowohl in seiner resultierenden Wirkungsgr\u00f6\u00dfe als auch in seiner Wirkungsrichtung variabel ist.<\/p>\n\n\n\n

Anwendungsspektrum resonanzbasierter Pr\u00fcfmethoden<\/h3>\n\n\n\n

Der Vorteil einer resonanzbasierten Belastung liegt darin, dass ein Widerlager nicht ben\u00f6tigt wird. In den oben genannten resonanzbasierten Belastungsoptionen (2) und (3) ist eine Belastungssituation unter gegebener Mittellast daher nicht ohne weiteres m\u00f6glich. Da sowohl Richtung als auch Gr\u00f6\u00dfe der Belastung mit der dritten Belastungsoption (3), also den Elektrovibratoren, vorgegeben werden k\u00f6nnen, steht damit ein flexibel einsetzbares und langlebiges Belastungssystem am IWES zur Verf\u00fcgung. Gegen\u00fcber einer servohydraulischen Belastung f\u00fchrt das System neben k\u00fcrzeren Versuchszeiten auch zu einer dynamisch vergr\u00f6\u00dferten Belastung. Wird eine zehnfach gesteigerte Belastungsfrequenz und eine unter dynamischer Anregung erzielte Verst\u00e4rkung der Strukturbelastung von Faktor 10 angenommen, so lassen sich zehnmal mehr Lastzyklen bei deutlicher Energieeinsparung realisieren. Wird neben dem Verst\u00e4rkungsfaktor und der h\u00f6heren Belastungsfrequenz auch der hohe, nicht ben\u00f6tigte, Leistungsbedarf einer Hydraulikanlage ber\u00fccksichtigt, ergeben sich m\u00f6gliche Effizienzsteigerungen von etwa 1:1000.<\/p>\n\n\n\n

Erfahrungen im Projekt ResoWind<\/h3>\n\n\n\n

Im Forschungsprojekt ResoWind<\/a> hat das IWES erstmalig am TTH resonanzbasierte Pr\u00fcfmethoden umgesetzt und an einer Stahlrohrstruktur im Spannfeld erprobt, siehe Abbildung 1. Das dabei verwendete Regelungssystem haben die Expert*innen auf seine Anwendbarkeit getestet. Die oben genannten Funktionalit\u00e4ten eines aus zwei Motorpaaren bestehenden Unwuchterregersystems konnten dabei erfolgreich evaluiert werden.<\/p>\n\n\n\n

\"Versuchsaufbau
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Inbetriebnahme des Unwuchterregersystems. (a) Stahlrohrturm als Ersatzsystem eines Pr\u00fcfk\u00f6rpers. Ansichten des Unwuchterregers mit vier synchron betriebenen Unwuchtmotoren (b) mit gekennzeichneten Unwuchtmassenpositionen im Betrieb von oben und (c) von unten. \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In der Grundbauversuchsgrube wurde ein resonanzbasierter Versuch an einem gro\u00dfskaligen Monopilemodell entworfen, siehe Abbildung 2. Dabei kamen alle oben genannten Optionen zur Belastung des Monopiles zum Einsatz, siehe Abbildung 3. Insbesondere wurde das Unwuchterregersystem mit dem servohydraulischen Belastungssystem verglichen, indem die Belastungsstufen des resonanzbasierten Systems in Form von Spannungsschwingweiten am Turmfu\u00df gemessen und mit Hilfe des servohydraulischen Belastungssystems in vergleichbaren Belastungsstufen bzw. Schwingwegen nachgefahren wurden. Messtechnisch aufgezeichnet wurden dabei sowohl Dehnungen am Turm bzw. im Pfahl als auch die Reaktion des Bodens mittels Porenwasser- und Erddruckgebern. Zur Beobachtung des strukturdynamischen Verhaltens wurden die horizontalen Beschleunigungen und die in der Lastebene auftretenden Bewegungsamplituden mittels Laserwegaufnehmern aufgezeichnet. Den Wissenschaftler*innen stehen die Daten nun f\u00fcr weitere Analysen und f\u00fcr eine gezielte Optimierung des Belastungssystems zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n\n\n

\"Aufbau
Abbildung 2: Aufbau des resonanzbasierten Versuchsstands als CAD-Modell mit Monopile in der Grundbauversuchsgrube, Lasteinleitungsstruktur, elektrodynamischen Shaker, Unwuchterreger und Sensorik<\/em>. \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
Abbildung 3: Video des schwingenden Systems w\u00e4hrend der resonanzbasierten Pr\u00fcfung. Auf dem Foto sind neben den drei Belastungssystemen auch die Laserwegsensoren zu sehen. Am vorderen rechten Unwuchterreger sind die oberen beiden Unwuchtmassen sichtbar.<\/em> \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Numerische Simulationsumgebung als virtuelles Experiment<\/h3>\n\n\n\n

Die IWES-Wissenschaftler*innen haben im Vorfeld numerische Modelle abgeleitet, um das Versuchssystem zu dimensionieren und die dynamischen Strukturreaktionen abzusch\u00e4tzen. Die Messergebnisse dienen nun der weiteren Verifikation des Versuchssystems. Sie stehen auch zur Validierung verschiedener Modelleigenschaften, wie<\/p>\n\n\n\n