Zur Schädigungsberechnung an Betonkonstruktionen für Windenergieanlagen unter mehrstufiger und mehraxialer Ermüdungsbeanspruchung (E-Book)

Tragwerke für Windenergieanlagen unterliegen während ihrer Lebensdauer großen zyklischen Beanspruchungen mit hohen Lastwechselzahlen. Neben den maximalen Einwirkungen sind daher die Ermüdungsbeanspruchungen für die Dimensionierung der Tragkonstruktion von entscheidender Bedeutung. Der Ermüdungsnachweis für Beton basiert auf einer linearen Schädigungshypothese nach Palmgren und Miner. Die Anwendung dieser vereinfachten linearen Akkumulationshypothese kann aber zu unsicheren oder unwirtschaftlichen Bemessungsergebnissen führen, da der tatsächlich stark nichtlinear verlaufende Ermüdungsprozess im Beton nicht ausreichend genau berücksichtigt wird. Ebenfalls können durch diesen linearen Schädigungsansatz nicht die Auswirkungen unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen sowie Einflüsse aus mehraxialen Beanspruchungszuständen auf die resultierende Ermüdungslebensdauer berücksichtigt werden. Daher wird in der vorliegenden Arbeit, aufbauend auf einem mechanisch begründeten Ermüdungsmodell aus der Literatur, eine Vorgehensweise zur Beschreibung der Steifigkeits- und Schädigungsentwicklung in Beton unter mehrstufiger und mehraxialer Ermüdungsbeanspruchung entwickelt. Zur Validierung des mehrstufigen Schädigungsansatzes werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die erforderlichen Materialkennwerte für mehraxiale Beanspruchungszustände werden aus Literaturangaben abgeleitet und anhand von mechanischen Modellüberlegungen entwickelt. Das modifizierte Schädigungsmodell wird an das FE-Programm ABAQUS© adaptiert. Damit wird ein Spannbetonschaft einer Windenergieanlage der Multi-Megawattklasse numerisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutlich den Einfluss der Belastungsreihenfolge auf die Ermüdungslebensdauer. Ferner wird offenkundig, dass sich durch Spannungsumlagerungen im Querschnitt erheblich geringere Ermüdungsschädigungen ergeben als bei Berechnungen, in denen die Spannungsumlagerungen nicht berücksichtigt werden. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass durch eine gleichzeitig auftretende Querdruck- oder Querzugbeanspruchung die resultierende Ermüdungslebensdauer signifikant beeinflusst wird. Die aus der numerischen Simulation gewonnenen Erkenntnisse werden im Grundsatz durch die Ergebnisse von in-situ-Messungen an einem Spannbetonschaft bestätigt. Die Auswertungen zeigen, dass die bisher gemessenen Dehnungen allein durch äußere Belastungen und Langzeiteinflüsse aus Schwinden und Kriechen erklärt werden können. Es traten keine Dehnungsentwicklungen auf, die auf Ermüdungsschädigungen an den einzelnen Messstellen hinweisen würden.

• Einführung
• • Entwicklung der Windenergie
  • Motivation
  • Zielsetzung
  • Aufbau der Arbeit
• Materialverhalten von Beton unter monotoner Beanspruchung
• • Allgemeines
  • Einaxiales Materialverhalten
  • Mehraxiales Materialverhalten
• Materialverhalten von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung
• • Grundbegriffe und Bezeichnungen
  • Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit
  • Einaxiales Ermüdungsverhalten
  • Mehraxiales Ermüdungsverhalten
• Mechanische Modelle für Beton
• • Allgemeines
  • Materialmodelle für monotone Beanspruchung
  • Materialmodelle für Ermüdung
• Ermüdungsnachweise in den Vorschriften
• • Allgemeines
  • Ermüdungswirksame Einwirkungen auf Tragkonstruktionen
  • für Windenergieanlagen
  • Ermüdungsnachweise nach der DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen
• Erweiterung des energetischen Schädigungsmodells für mehrstufige Ermüdungsbeanspruchung
• • Allgemeines
  • Energetischer Ansatz für veränderliche Schwingbreiten
  • Gegenüberstellung des energetisches Schädigungsmodells und der linearen Akkumulationshypothese
  • Validierung des mehrstufigen Schädigungsmodells an experimentellen Ermüdungsuntersuchungen
• Berücksichtigung von mehraxialen Beanspruchungszuständen
• • Vorbemerkungen und Vorgehen
  • Energetische Betrachtungsweise bei mehraxialer Ermüdung
  • Schädigungsberechnungen für mehraxiale Ermüdungsbeanspruchungen mit konstanter Amplitude
  • Schädigungsberechnungen für mehrstufige Ermüdungsbeanspruchungen unter Berücksichtigung von mehraxialen Beanspruchungszuständen
  • Bemessungsvorschlag bei mehraxialer Ermüdung
• Adaption des Schädigungsalgorithmus an ein Finite-Elemente-Programm
• • Einleitung
  • Nichtlineare Strukturanalysen mit dem Finite-Elemente-Programm ABAQUS©
  • Elasto-plastisches Betonmodell in ABAQUS©
  • Zur Anwendung von User-Subroutinen
  • Numerische Verifikation
• Numerische Schädigungsuntersuchungen am Spannbetonschaft einer Windenergieanlage
• • Vorbemerkungen
  • System und Einwirkungen
  • Direkter Ermüdungsnachweis nach DIBt-Richtlinie
  • Numerische Schädigungsanalyse des Spannbetonschaftes
  • Numerische Schädigungsanalyse am Lasteinleitungsbereich des Stahladapters
  • Abschließende Bewertung der Berechnungsergebnisse
• In-situ-Messungen am Spannbetonschaft einer Windenergieanlage
• • Einleitung
  • Beschreibung des Bauwerks
  • Verformungsmessungen im Beton
  • Durchführung der Bauwerksmessung
  • Auswertung und Darstellung der gemessenen Dehnungen für ausgewählte Belastungssituationen
  • Beurteilung der bisher gewonnenen Messergebnisse
• Zusammenfassung und Ausblick
• • Zusammenfassung
  • Ausblick
• Anhang
• • A.1 Bruchschwingspielzahlen im Hauptmeridianschnitt
  • A.2 Bruchschwingspielzahlen am Druckmeridan
  • A.3 Bruchschwingspielzahlen im Deviator
  • A.4 Bruchschwingspielzahlen im ebenen Spannungszustand
  • A.5 Modifikationsfaktoren ?c2(N,r) bei Druckmeridianbeanspruchung
  • A.6 Modifikationsfaktoren ?c3(N,a) bei zweiaxialer Ermüdungsbeanspruchung
• Literatur