Fortbildung Windanlagen und Technik

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1 Fortbildung Windanlagen und Technik Allgemeine Risiken, Standsicherheit von WEA, Typenprüfung Claus Goralski Dr.-Ing., SFI / IWE Gutleutstraße 114, Frankfurt, im Regierungspräsidium Darmstadt, Abteilung Arbeitsschutz und Umwelt 9: Uhr, Raum U1.50 ABC GmbH Kackertstraße Aachen Tel HB+P Ingenieure GmbH Birkenweg Darmstadt Tel Zur Person seit 2015 Prüfingenieur für Baustatik (Niederlassungen in Aachen und Darmstadt) seit 2014 / 15 Geschäftsführer H+P GmbH / HB+P GmbH seit 2011 Referent an der SLV GSI (Schweißtechnik) seit 2011 Schweißfachingenieur (SFI), DVS - IIW international seit 2010 GmbH & Co. KG: Niederlassungsleiter München seit 2006 GmbH & Co. KG: Bereichsleiter Windenergie Wissenschaftlicher Angestellter am IMB, RWTH Aachen und Promotion Studium Bauingenieurwesen an RWTH Aachen Dr.-Ing. Claus Goralski Zertifiziert nach: DIN EN 1090, DIN EN ISO 9712 Projektgruppe Windenergie, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) NA Windenergieanlagen: Verbindungen zwischen Stahl und Beton Mitglied des Sachverständigen Beirats des Bundesverband Windenergie BWE Mitglied verschiedener Arbeitskreise Bundesverband Windenergie BWE und Fördergesellschaft Windenergie FGW Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 2

2 Arbeitsbereiche H+P - Windenergie T r a g w e r k s p l a n u n g P r o d u k t e n t w i c k l u n g S t a t i s c h e P r ü f u n g W i e d e r k e h r e n d e P r ü f u n g S a n i e r u n g / V e r s t ä r k u n g G u t a c h t e n W e i t e r b e t r i e b 20 + x Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 3 Weiterbetrieb - Gliederung des Vortrages Windenergieanlagen Konstruktionsarten Grundlagen, Bauweisen, Lastabtrag Bauaufsichtliches Genehmigungsverfahren Grundlagen, bauaufsichtlich und technische Randbedingungen Standsicherheit maßgebende Bauteile Extremlast, Duktilität, Ermüdung Analytische Nachweise und Wiederkehrende Prüfung Tragstruktur (Turm und Gründung) Ergänzende Standsicherheitsnachweise Weiterbetrieb, Sanierung / Verstärkung Diskussion Juwi Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 4

3 Wesentliche Turmkonzepte Betonfertigteilturm Gittermast Stahlrohrturm Hybridturm Betonschaft Stahlschaft Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 5 Anbindung Turm an Fundament - Modell Schnittgrößen mechanisches Modell Bemessung Übergang zwischen Turm und Fundament = auffällig viele Schadensfälle - Lasteinleitungsbereich = sensibler Bereich - Zunahme der einzuleitenden Kräfte mit zunehmender Anlagengröße bei konstantem Durchmesser - i.a. Gut inspizierbar Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 6

4 Anbindung Turm an Fundament - Praxis Stahleinbauteil Turmdurchmesser ~ 4,0 m Beton C30/37 Ankerkorb Durchmesser ~ 4,0 m Beton C30/37 + Mörtelpolster optimierter Ankerkorb Durchmesser > 5,0 m Betonblomben C50/60 Anbindung Betonturm Turmdurchmesser > 7,0 m Beton C30/37 Sonderkonstruktionen Durchmesser beliebig Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 7 Nachweis der Standsicherheit Bauteil-Widerstand Einwirkende Lasten R d E d Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 8

5 Anforderungen an Turm und Gründung + sicherer Lastabtrag in den Baugrund (Gebrauchslasten und Extremlasten) Betriebslasten, Starkwindereignisse, Erdbeben + dauerhafte Konstruktion und Ermüdungswiderstand Auslegung i.d.r. für 20 + x Jahre Nutzungsdauer und Unterhaltungsaufwand sind entscheidend für die Wirtschaftlichkeit + Gewährleistung der geforderten Mindeststeifigkeit der Turmeinspannung Einfluss auf die Auslegung und Beanspruchung der Maschine + Widerstand auch bei extremen Umgebungsbedingungen niedrige Temperaturen, korrosive Medien + Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Konstruktion optimierter Einsatz von Betonstahl und Beton Transportabmessungen, Bauweise (Maschinen und Geräte), Bauzeit und Rückbau Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 9 Vergleich Ingenieurbauwerke Nutzungsdauer Brückenbau Windenergieanlage geplante Nutzungsdauer Jahre und länger Belastung: Eigengewicht und Verkehrsbeanspruchung geplante Nutzungsdauer 20 bis 30 Jahre Belastung: Wind und Betrieb Anteil der Verkehrslast an der Gesamtlast Straßenbrücke dyn. Last ~10% (10 6 Lastwechsel) Windenergieanlage Betrieb ~70-80% (10 9 Lastwechsel) Erfahrung Straßenbrücke bis zu 100 Jahre, Bauwerke ca (Bundesfernstraßen) WEA Onshore bis zu 25 Jahre, Bauwerke ca (in Deutschland) WEA Offshore bis zu 10 Jahre, Bauwerke ca (vor Deutschen Küsten) Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 10

6 Grundlagen der Bemessung Status: - Liste der techn. Baubestimmungen Dez bauaufsichtlich eingeführt Nds. MBl. Nr. 10 a/2014 März Fokus Standsicherheit und standsicherheitsrelevante Bauteile Verweis + Zusatzanforderungen Praxisempfehlungen für Eurocodes DIN EN 1992 Stahl- und Spannbeton DIN EN 1993 Stahlbau - Interaktion Maschinentechnik und Tragwerk - Analytische Untersuchung - Praktische Untersuchung -Prüfumfang - Anforderung an Sachverständige Grundsätze Wiederkehrende Prüfungen Weiterbetrieb von Windenergieanlagen Tragwwerk Turm und Fundament Status: Anwendungsempfehlungen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 11 Statische Prüfung - Typengeprüfte Unterlagen In der Regel wird für Turm und Gründung eine typengeprüfte Konstruktion angestrebt. Typenprüfung der Statische Berechnung und Ausführungsplanung a) Typengeprüfte Statik Abgleich standortspezifische Randbedingungen (Windlasten, Baugrund) Abgleich betriebsspezifische Randbedingungen (Turbulenzgutachten, Parkeffekte) b) ggf. ergänzende Nachweise, z.b. Auftrieb, Erdbeben Einzelprüfung der ergänzenden statischen Nachweise H+P H+P H+P H+P H+P Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 12

7 Statische Prüfung - Unterlagen Standortbezogen Bei kleineren Stückzahlen oder Projekten mit besonderen Randbedingungen werden Standortbezogene Einzelstatiken erstellt. Die Prüfung der Standsicherheit erfolgt durch Prüfingenieure im Auftrag der Bauaufsicht (Sonderbauten) bzw. s.a. SV für Standsicherheit (NRW) a) Statische Berechnung für Turm und Gründung basierend auf einem standortbezogenen Last- und Bodengutachten Prüfung durch eigenen Vergleichberechnung (besondere Kenntnisse erforderlich) H+P H+P H+P Juwi H+P Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 13 Grundsätzlicher Ablauf baulicher Teil Prüfung der technischen Planungsunterlagen hinsichtlich der Standsicherheit Statische Berechnung zu Turm und Gründung Ausführungsunterlagen (Stahlbau- sowie Schal- und Bewehrungspläne) Bescheinigung gemäß 59 Abs. 3 Satz 1 HBO über die Vollständigkeit und Richtigkeit des Standsicherheitsnachweises durch den Prüfsachverständigen für Standsicherheit. Stichprobenhafte Kontrollen der Bauausführung: Kontrolle Baugrubensohle Kontrolle der Fundamentbewehrung und Fundamentbeton Kontrolle der Ausführung Spannbeton-Fertigteilturm oder Stahlturm Bescheinigung gemäß 73 Abs. 2 Satz 2 HBO über die übereinstimmende Bauausführung mit dem nach 59 Abs. 3 Satz 1 HBO bescheinigten Nachweis der Standsicherheit einschließlich der Feuerwiderstandsdauer tragender Bauteile durch den Prüfsachverständigen für Standsicherheit. Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 14

8 Bauwerksprüfungen Bauwerk Tragstruktur: Turm, Fundament einschl. Baugrund Prüfungen während der Bauausführung Prüfung der Standsicherheit durch den Prüfsachverständigen Eigenüberwachung der Bauausführenden Fremdüberwachung zertifizierter Prüfstellen Prüfungen der Qualitätssicherung (Hersteller) Prüfungen der Qualitätssicherung (Kunde) Prüfungen während dem Betrieb Inbetriebnahme Prüfung Wartungsprüfungen Wiederkehrende Prüfung Außerordentliche Prüfungen bei Auffälligkeiten oder nach besonderen Ereignissen (Orkan, Erdbeben, ) Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 15 Überwachung während der Bauausführung DIBt-RiLi für Windenergieanlagen 2012: HBO: Stichprobenhafte Überwachung der Bauausführung an den wesentlichen Punkten. Eine volle Objektüberwachung nach der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure ist damit nicht gemeint. sinnvolle Hilfmittel: Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 16

9 Bewehrungskontrollen und Betoneinbau Prüfungen, z.b. Anzahl Stäbe Durchmesser Bauliche Durchbildung (Betondeckung, Übergreifungen ) Fokus auf: - Bewehrung, bauliche Durchbildung - unzulässige Punktschweißungen - unzulässiges Rückbiegen - Eis, Verschmutzungen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 17 Vorspannung - Sichtprüfungen nach Zulassung Prüfungen, z.b. Spannverfahren Spannprotokolle Korrosionsschutz Anker PE-Mantel Fokus auf: - Zulassung Spannverfahren - Spannprotokolle - Beschädigungen PE Mantel - Korrosionsschutz Anker Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 18

10 Stahlturm bzw. Stahlschaft (Hybridturm) Prüfungen, z.b. Herstellerqualifikation EXC3 Übereinstimmungserklärungen Spannprotokolle Verguß Fußflansch Geometrie Eigenfrequenz Fokus auf: - Stahlbau: Herstellerqualifikation - HV-Garnituren, Spannprotokolle - Randbedingungen der Typenprüfung, z.b. Querschwingungen - Revision der Planunterlagen, z.b. Lage Befeuerungsebenen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 19 Grundsätzlicher Ablauf baulicher Teil Prüfung der technischen Planungsunterlagen hinsichtlich der Standsicherheit Statische Berechnung zu Turm und Gründung Ausführungsunterlagen (Stahlbau- sowie Schal- und Bewehrungspläne) Bescheinigung gemäß 59 Abs. 3 Satz 1 HBO über die Vollständigkeit und Richtigkeit des Standsicherheitsnachweises durch den Prüfsachverständigen für Standsicherheit. Stichprobenhafte Kontrollen der Bauausführung: Kontrolle Baugrubensohle Kontrolle der Fundamentbewehrung und Fundamentbeton Kontrolle der Ausführung Spannbeton-Fertigteilturm oder Stahlturm Bescheinigung gemäß 73 Abs. 2 Satz 2 HBO über die übereinstimmende Bauausführung mit dem nach 59 Abs. 3 Satz 1 HBO bescheinigten Nachweis der Standsicherheit einschließlich der Feuerwiderstandsdauer tragender Bauteile durch den Prüfsachverständigen für Standsicherheit. Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 20

11 Prüfungen während der Betriebszeit DIBt-RiLi für Windenergieanlagen 2012: Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 21 Hilfsmittel - Grundlagen des BWE Wiederkehrende Prüfung der Tragstruktur nach DIBt 2012 Ziel: Bauteile: Intervall: Verantwortlich: - Beurteilung der Standsicherheit - Aussage zum Instandsetzungsbedarf - Turm - Übergang Turm & Gründung - Sichtkontrolle (jährlich) - detaillierte Inspektion (alle 2 bzw. 4 Jahre) - Sachverständiger nach Prüfumfang Dokumentation: - Prüfbericht, z.b. Musterprüfbericht des BWE - Prüfbescheinigung des BWE Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 22

12 Zugangstechniken Bauwerksprüfung aus unmittelbarer Nähe nach DIBt Bühne Hubsteiger Seilzugang!!! Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 23 Seilzugangstechnik nach FISAT Die Seilzugangstechnik eignet sich als Zugangsverfahren für Arbeiten an hoch gelegenen und schwer zugänglichen Arbeitsplätzen beispielsweise für Inspektionen und Reparaturen an Windenergieanlagen. Die Seilzugangstechnik ist eine schnelle und flexible Alternative zu Gerüsten oder Arbeitsbühnen. Voraussetzungen: Höhentauglichkeit G41 Alle 2 Jahre großer Erste Hilfe Kurs Jährlich Prüfung Höhenrettung und Seiltechniken -> Qualifikation mind. FISAT Level 1 Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 24

13 Maßgebenden Bauteile - Turm Übergänge Beton zu Stahlschaft Schraubverbindungen H+P Öffnungen in der Turmschale Befestigung von Einbauteilen H+P Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 25 Maßgebenden Bereiche - Fundament Turmanbindung Fundament Betonsockel Abdichtungssysteme Ankerbolzen & Vergußfugen Spannkeller Überwachung Turmanbindung Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 26

14 Ergänzende Nachweise der Standsicherheit Wird von den genehmigten Unterlagen abgewichen, sind ergänzende Nachweise der Standsicherheit notwendig A) Weiterbetrieb über die ursprüngliche nachgewiesene Nutzungsdauer, i.d.r. 20 Jahre B) Sanierung von tragenden Bauteilen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 27 Ausgangslage Gutachten zum Weiterbetrieb Ausgangslage: - Technische Auslegung i.d.r für eine Entwurfslebensdauer von 20 Jahren - Auslegung i.d.r. standortübergreifend aufgrund von Typenprüfungen (TP) - gute Datenbasis aufgrund der Vielzahl an baugleichen WEA - Baurechtl. Genehmigung i.d.r. unbefristet; techn. Entwurfslebensdauer in Nebenbestimmung - Betrieb über 20 Jahre hinaus ist durch die Standsicherheitsnachweise der TP nicht abgesichert! - Einfluss der Regelungen zur Vergütung bis 2020 / darüber hinaus Ziel: - Beurteilung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit in Bezug auf die weitere Nutzung (t > 20a). Grundlage: - DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen - zukünftig: DIN Tragstrukturen für WEA - Maschinenrichtlinie (MD) Anwendungsdokument (derzeit informativer Status): - DNV-GL: Richtlinie für den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen - BWE: Grundsätze für die Durchführung einer Bewertung und Prüfung über den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen (BPW) an Land Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 28

15 Erfahrungsbereich Weiterbetriebsgutachten heutige Betrachtung zukünftige Betrachtung Fotos: Derzeitige Weiterbetriebserfahrung H+P: E-17/18; E-30; E-40; E-44; E-66; V 47; V 80; V 90, AN600; GE 1,5; TW600, TW600e N27; D4; NTK 300; S31; LW18 Stahlrohrtürme, Schleuderbetonmasten, Gittermasten; Flach- und Tiefgründungen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 29 Regelungen zur Beurteilung des Weiterbetriebs Verweis Status: - Liste der techn. Baubestimmungen Dez bauaufsichtlich eingeführt Nds. MBl. Nr. 10 a/2014 März Fokus Standsicherheit und standsicherheitsrelevante Bauteile + Zusatzanforderungen -praktische und analytische Methode sind anzuwenden - statische Berechnungen nach aktuellen Regelwerken bzw. dem Stand der Technik - repräsentative Untersuchung von Turm und Gründung 12 Richtlinie für den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen Status: Richtlinie Praxisempfehlungen für -Vorbereitung - Analytische Untersuchung - Praktische Untersuchung -Prüfumfang - Anforderung an Sachverständige Grundsätze für die Durchführung einer Bewertung und Prüfung über den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen Status: Anwendungsempfehlungen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 30

16 Beurteilung zum Weiterbetrieb - Prüfumfang Bauaufsichtlich bindend ist die DIBt RiLi für Windenergieanlagen Die praktische Methode ist durch zusätzliche statische Berechnungen unter Einbeziehung des derzeit geltenden Regelwerks zu belegen. Dies bedeutet, dass die ursprüngliche Berechnung nicht ohne zusätzliche rechnerische Nachweise zugrunde gelegt werden kann. (A) Analytische Methode: * Prüfung der Bestandsunterlagen Lebenslaufakte : Logbuch, Gutachten etc. * Nachweis der Standsicherheit auf dem aktuellen Stand der Normung * Neuberechnung der maßgebenden Bauteile basierend auf den aktuellen Normen * Rechnerische Lebensdaueranalyse unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus (B) (B) Praktische Methode: * Sichtprüfung der maßgebenden Bauteile Bauwerk: DIN 1076 bzw. DIN EN ISO 9713 * Absicherung der in (A) angenommenen Randbedingungen * Dokumentation und Bewertung von Alterung, Abnutzung und Verschleiß * Eigenfrequenzen und Struktur-Dämpfung * ggf. Lastmessung (z.b. Turmwanddehnung) * ggf. Monitoring der kritischen Bauteile Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 31 Prinzipielles Ablaufschema zum Weiterbetrieb Vorabbetrachtung H+P / Betreiber Gutachte n Weiterbetrieb H+P / Betreiber Übergeordnete Einflüsse und Zwangslagen: - Vergütung in der Weiterbetriebszeit - Alternative Beplanung des Standortes - Finanzierungsmöglichkeiten - Geplante Weiterbetriebsdauer wiederkehrenden Prüfung nach DIBt-RiLi - Zustandsbewertung - Zustandsentwicklung Prüfen der Wirtschaftlichkeit Untersuchung zum Weiterbetrieb nach DIBt - Analytische Bewertung - Praktische Bewertung ggf. Instandsetzung- / Verstärkungsmaßnahmen Abhängig von der Weiterbetriebsdauer Festlegung der Restnutzungsdauer Definition von ergänzenden Maßnahmen / technische Auflagen Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 32

17 Abgrenzung Instandhaltung / Instandsetzung Instandhaltung Instandsetzung / Verstärkung Arbeiten - Regelmäßige Überprüfungen -Wartung und Pflege - Erneuern von Verschleißteilen Arbeiten - Ersetzen tragender Bauteile - Arbeiten an Lastabtragenden Bauteilen - Verstärkung über den ursprünglichen Sollzustand hinaus Anforderungen Bauwerk z.b. Turm - RI 625 DAfStb Instandsetzungsrichtlinie Fundament Baugrund - DBV Merkblatt Bauen im Bestand Anforderungen - Liste der techn. Baubestimmungen - Eurocodes, DIN EN - DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen - Bauprodukte nach Bauregelliste - RI 625 DAfStb Instandsetzungsrichtlinie - Hersteller- und Anwender-VO-HAVO Instandhaltungsplan i.d.r. genehmigungsfrei Sanierungsstatik erforderlich! Prüfung und Bauüberwachung Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 33 Beispiele - Instandhaltung Maßnahmen : - Regelmäßige Sichtprüfungen - Bauwerksmonitoring zum Erkennen von Auffälligkeiten - Abdichten - Beschichten, Oberflächenschutzsysteme - Reprofilierung von Betonabplatzungen (nicht lastabtragend) Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 34

18 Ergänzende Literatur BWE Grundsätze für den Weiterbetrieb BWE Ratgeber Fundamente Dr.-Ing. C. Goralski, GmbH 35 V I E L E N D A N K! Dr.-Ing. Claus Goralski Ingenieure GmbH Hegger Bernhardt + Partner (vormals BERNHARDT Ingenieure GmbH) Birkenweg 24 D Darmstadt Tel / Fax / Dr.-Ing. C. Goralski, INGENIEURE GmbH GmbH 36