Untersuchungen zum Ansatz der Baugrundsteifigkeit bei der gesamtdynamischen Berechnung von Windenergieanlagen

Leitung:                    Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter:                 Dr.-Ing. Arne Quast
Laufzeit:                   Abschluss 2010
Förderung durch:

Einführung

Für die Ermittlung der für Ermüdungsnachweise relevanten Bauteilbeanspruchungen muss für Windenergieanlagen (WEA) das dynamische Verhalten des aus Rotor, Turm und Gründung bestehenden Gesamtsystems simuliert werden (gesamtdynamische Berechnung). Die Gründung wird in der Regel durch Momentenfeder- und dämpferelemente berücksichtigt, wobei die Feder- und Dämpferkonstanten vom Schubmodul und der Querkontraktionszahl des Baugrunds abhängen.

Berechnung

Abb. 1: Ansatz der Baugrundsteifigkeit als Ersatzfeder und -dämpfer

Der Baugrund wird in der gesamtdynamischen Betrachtung in aller Regel durch einfache Ersatzfedern und -dämpfer berücksichtigt (Abb. 1).

Abb. 2: a) Abnahme des Schubmoduls in Abhängigkeit von der Schubverzerrung, b) Zunahme der Dämpfung in Abhängigkeit von der Schubverzerrung, [Smoltczyk, 2001]

Entscheidender Parameter für die Ersatzfedern ist der dynamische Schubmodul G bzw. der dynamische Steifemodul. Bislang wird für WEA der für sehr kleine Dehnungen gültige dynamische Schubmodul G_max angesetzt. Inzwischen wird aber diskutiert, ob dies für Lasten aus Windböen, die über mehrere Sekunden andauern, zulässig ist, und ob nicht konservativ mit statischen Baugrundsteifigkeiten zu rechnen ist (diese sind um Faktoren 5 bis 10 kleiner!). Die Abhängigkeit des Schubmoduls und der Dämpfung von den auftretenden Dehnungen ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 3: Verschiebung für Fundament unter dynamischer Horizontalkraft

Am IGBE werden hierfür sowohl zwei- als auch dreidimensionale Finite Elemente-Berechnungen mit den Programmen PLAXIS und ABAQUS durchgeführt. Die Anpassung des Schubmoduls in Abhängigkeit der Dehnung wird dabei iterativ berücksichtigt (siehe Abb. 3).