Filigrane Betonstrukturen

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1 Filigrane Betonstrukturen Ermüdungsverhalten hochfester Beton Ed. Züblin AG November 2009

2 Aktivitäten ZÜBLIN/ STRABAG im Bereich Offshore Wind Entwicklung einer Filigranen Betonstruktur Besonderheiten beim Ermüdungsverhalten von Beton Ed. Züblin AG November 2009

3 Messmastprojekte Arkona Becken Südost, 2006 Fino 3,

4 ZÜBLIN Gravity Base Plattform Bootsanleger Spannbetonschaft, Kreisringquerschnitt Sandballast in Schaft und Hohlkästen Spannbeton- Hohlkästen Fußplatten 80 Fundamente für OWP Global l Tech I,

5 Logistik 1. Onshore Produktionsstätte Cuxhaven 2. Speziell entwickeltes robustes Offshore Baugerät Logistikkonzepte L i tikk t ausgelegt l t für fü die di Großserie G ß i 5

6 Forschungsprojekt Filigrane Betonstruktur Laufzeit: bis Entwurf filigrane Struktur Lastberechnung Lastspektrum Ermüdung Bemessung Betonrezeptur IFMA - Institut für Massivbau: Ermüdungsversuche Mechanische Modelle Nachweiskonzept 6

7 Motivation Materialeinsparung, Nachhaltigkeit Gewichtsreduzierung, Vorteile für die Logistik Reduktion hydrodynamischer Belastung Kostenreduktion Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Offshore Windkraftwerken 7

8 Filigraner Beton, ein Widerspruch? Die konsequente Weiterentwicklung des Werkstoffs Beton und die Nutzung des Vorspannens ermöglicht schlanke, filigrane Konstruktionen aus Beton. Druckfestigkeit Normalbeton bis 60 MN/m² Hochfester bis 130 MN/m² Beton UHPC bis 200 MN/m² Vorteile Hochfester Beton: dichtes & homogenes Gefüge geringer Kapilarporenanteil hohe Festigkeit 8

9 Entwurfsrandbedingungen 5MW WTC I B Anlagen der 5MW Klasse 350 bis 500 to V ref = 50 m/s AWZ Nordsee 300 bis 450 to 1. Eigenfrequenz f 0 =0,25 bis 0,35 Hz LAT Fundament- Logistik konstruktion? Material Gründungsart Strömung Meeresboden 9

10 Analyse und Optimierung Gravity Base Geometrie abhängig Nachweise: ULS, SLS, FLS vom Installationsschiff Wandstärkenreduktion beim Einsatz von hochfestem Beton Restriktive Vorgaben zum dynamischen Verhalten Varianten zum Lastabtrag in Meeresboden Spreizung bestimmend für geotechnische Nachweise Einhaltung der max. Sohlspannungen Außenabmessungen innerer Hebelarm z Lastrichtung 0 y Schwerpunkt Günstigster hydrodynamischer Widerstand bei Kreisquerschnitten 10

11 Entwurf filigrane Struktur 11

12 Einwirkungen Dynamik Ermüdungslasten Aerodynamik Hydrodynamik Schwingfreudiges System Regelung g der Anlage F Dk (t) π 4 ρ C mk D Lebensdauer 20 Jahre w 2 k u Dk (t) 1 ρ 2 w C Dk D k u Dk (t) u Dk (t) n = 2 x 10 9 Lastspiele Einwirkungen zeitlich und räumlich veränderlich! Integrale Lastberechnung mit GH-Bladed 12

13 Besonderheiten Ermüdungsnachweis Beton Stahl Beton C80/95 f cd,28 = 42,6 MN/m² f cd,fat,28 = 29 MN/m² log N 14 1 E cd,max E 1 E cd,min cd,max Einfluss des mittleren e Lastniveaus beim Werkstoff Beton nicht vernachlässigbar Vorspannung beeinflusst Ermüdung Drei-Parameter Ermüdungslastkollektive werden benötigt Nachweis über schadensäquivalente Lasten wie im Stahlbau sind nicht möglich 13

14 Nachweisverfahren Zeitreihen der Biegemomente aus 6 x 600 s dyn. Simulation je Windgeschwindigkeit am Gesamtsystem cycle range cycle mean Expliziter Nachweis, vereinfachtes Verfahren nicht anwendbar Schadensakkumulation rainflowcounting Markov Matrix cycle range cyc cle mean Nachweis nach DIN , MC90 und DNV n i D Σ N i 1 14

15 Analyse der Lastkollektive Auftretenszeit, Lastwechselzahl und Schädigung D [-] (Lebensdauer 20 Jahre) 35% 30% Schädigung D [%] Auftretenszeit [%] Lastfall 1.2 nach GL Wind 25% Lastwechsel [%] 20% 15% 10% 5% 0% 1,4 4,1 6,8 9,5 12,2 14,9 17,6 20,3 23,1 25,8 28,5 Betriebsbereich - Windgeschwindigkeit v hub [m/s] 15

16 Einfluss der Wöhlerliniensteigung Betrachtung zur flacheren Wöhlerlinie Stahl mit m = 10 Schädigung Stahlturmfuß bei Ansatz unterschiedlicher Wöhlersteigungen 0,45 Anteil Schädigun ng d/d in [% %] 0,40 0 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0, ,00 m=4 80% der Gesamtschädigung g m = Doppelamplitude dm [knm] 16

17 Analyse der Lastkollektive Ermüdungslastspektrum - OK Schaft/ UK Stahlturm Doppelam mplitude log dm [knm ] low cycle fatigue Beton m > 10 Stahl m = 4 1 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 Häufigkeit log n Aktueller Stand der Normung führt zu extrem konservativer Auslegung für große Doppelamplituden mit geringen Häufigkeiten weiterer Forschungsbedarf 17

18 Ermüdungsversuche Universität Hannover Universalprüfmaschine Resonanzprüfmaschine Triaxialzelle 18

19 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Telefon Ed. Züblin AG November 2009