Probabilistic design of support structures for offshore wind turbines by means of non-Gaussian spectral analysis

verfasst von

Sebastian Kelma

betreut von

Peter Schaumann, Michael Beer

Abstract

Offshore-Windenergie ist von besonderer Bedeutung, um die ehrgeizigen Ziele der klimaneutralen Energieerzeugung zu erreichen. Diese machen den beschleunigten Ausbau von Offshore-Windenergieanlagen erforderlich. Die Strukturauslegung erfolgt unter der Berücksichtigung von Normen und Richtlinien. Hier ermöglichen probabilistische Bemessungsmethoden eine detaillierte und wirtschaftliche Strukturauslegung.
Nicht nur die Umweltbedingungen streuen während der Lebensdauer, sondern auch die Belastungen bei konstanten Umweltbedingungen unterliegen zufälligen Streuungen. Für den Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen werden die erforderlichen Lastsimulationen meist im Zeitbereich durchgeführt. Im Vergleich dazu ist die Ermittlung der Lasten im Frequenzbereich weniger zeitaufwändig. Dies ist sehr vorteilhaft für den probabilistischen Entwurf, der deutlich mehr Lastsimulationen im Zeitbereich erfordert. Allerdings können Nichtlinearitäten und das sich im Kurzzeitbereich ändernde Strukturverhalten von Offshore-Windenergieanlagen bei der Lastsimulation im Frequenzbereich nicht gut dargestellt werden.
Extremlasten und Ermüdungslasten können mit Hilfe der Frequenzbereichsanalyse berechnet werden. Die Bestimmung der Verteilungsfunktionen von Extremwerten basiert auf theoretischen Grundlagen und ist schon bekannt. Für die Ermüdungsauslegung gibt es verschiedene empirische Modelle, die die Verteilungsfunktion von Ermüdungslasten auf der Grundlage der Frequenzbereichsanalyse beschreiben. Es wird ein neues Modell vorgestellt, das zu genaueren Ergebnissen führt.
Für den Fall, dass Lastsimulationen im Frequenzbereich nicht möglich sind, ist eine Übertragung der im Frequenzbereich gegebenen Signale erforderlich, um zufällige Zeitreihen zu erzeugen. Für die Auslegung von Offshore-Windenergieanlagen gibt es in den Normen nahezu keine Empfehlungen, wie diese Übertragung durchgeführt werden soll. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass auch bei gröberer Diskretisierung der Spektren genaue Ergebnisse von Wellenlasten erzielt werden. Die resultierenden Lasten und ihre statistischen Eigenschaften haben eine hinreichende Genauigkeit, während der numerische Aufwand im Vergleich zu den angegebenen Empfehlungen reduziert ist.
Auf der Grundlage der theoretischen Erkenntnisse werden Zeitreihen aus Lastsimu-lationen von Offshore-Windenergieanlagen hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften
analysiert. Es werden Untersuchungen durchgeführt, um die Übereinstimmung zwischen den Extremlasten und den Ermüdungslasten zu ermitteln, die entweder aus Zeitreihen bestimmt oder auf Basis der spektralen Eigenschaften berechnet sind. Es wird zudem gezeigt, dass Strömungen im Seegang zu erhöhten Ermüdungsbelastungen führen.

Organisationseinheit(en)

Institut für Stahlbau

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

199

Publikationsdatum

2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/15784 (Zugang: Offen)