A05 – Stochastische Modellierung der Kombination instationärer Einwirkungen und Einwirkungsparameter

Bei Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) dominieren neben Eigengewichtslasten und Lasten aus dem Betrieb vorrangig Umweltereignisse die Beanspruchungen. Insbesondere Wind-, Wellen- und Strömungslasten und ggf. Temperaturlasten sind für die Auslegung von Offshore-Tragstrukturen relevant. Gleichzeitig sind OWEA durch hohe dynamische Beanspruchungen, veränderliche Einwirkungsszenarien und reaktive Bestandteile gekennzeichnet (z. B. Pitch-Regelung der Rotorblätter oder (semi-)aktive Schwingungstilger). Neben einer detaillierten Beschreibung der zum Teil neuartigen Umwelteinwirkungen und ihrer Streuungen (TP A1 (Link) und A3 (Link)), beeinflusst die realitätsnahe Kombination der genannten Einwirkungen wesentlich die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Offshore-Megastrukturen.

Im Gegensatz zum konventionellen konstruktiven Ingenieurbau, wo in der Regel die Auswirkungen von Lasten (z. B. Schnittgrößen) kombiniert werden, werden bei OWEA meist die Umgebungsbedingungen kombiniert. Alle relevanten Kombinationen von Umweltbedingungen (und Betriebsbedingungen) werden dann in aero-hydro-servo-elastischen Simulationen der OWEA angewendet, um die Auswirkungen unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Gesamtstruktur und der aktiv geregelten Systeme der OWEA zu bestimmen. Dabei sind für eine sichere Auslegung von Offshore-Megastrukturen auch Einwirkungskombinationen zu berücksichtigen, die nicht durch eine extreme Einzeleinwirkung gekennzeichnet sind. Beispielsweise können auch zyklische Wind- oder Wellenlasten unterhalb einzelner Extremereignisse aufgrund der dynamischen Strukturantwort zu bemessungsrelevanten Beanspruchungen führen.

Für das gleichzeitige Auftreten extremer meteorologischer und ozeanografischer („metocean“) Umweltbedingungen existieren probabilistische Kombinationsansätze, die für die Kombination von Windbedingungen in der Prandtl-Schicht und Seegang entwickelt wurden. Die Wirkungsrichtung der Lastparameter wird dabei vernachlässigt und die Bemessung erfolgt in der Regel für die strukturmechanisch ungünstigste Richtungsüberlagerung der Lastparameter – was nicht auf physikalischen Grundlagen beruht. Die Arbeitshypothese von TP A05 lautet, dass für zukünftige materialoptimierte Offshore-Megastrukturen Kombinationsansätze erforderlich werden, die zusätzlich die Wirkungsrichtung der Lastparameter und die Kombination von ozeanografischen Umweltbedingungen mit Windbedingungen in der Prandtl- und Ekman-Schicht realistisch berücksichtigen. Bei zukünftigen Offshore-Megastrukturen mit Nabenhöhen von > 170 m und Rotordurchmessern von > 280 m werden sich große Teile der Rotorfläche in der Ekman-Schicht befinden. Diese liegt oberhalb der Prandtl-Schicht (unterer Teil der atmosphärischen Grenzschicht, die sich bis zu einer Höhe von etwa 150 m erstreckt) und zeichnet sich durch eine weitgehend laminare Strömung und nur eine geringe Zunahme der Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe aus. Sie interagiert nicht mehr direkt mit den winderregten Wellen. Die Windrichtung in dieser Schicht wird deutlich stärker von der geostrophischen Windrichtung beeinflusst und kann daher stärker von der Windrichtung in der Prandtl-Schicht abweichen – und wahrscheinlich auch von der Wellenrichtung. Auch die Kombination von Dünungswellen und lokalen Wind- und Seegangsbedingungen ist in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens, ihre Intensität und ihre Auswirkungen auf die strukturelle Belastung weitgehend unerforscht. Dünungswellen sind Wellen, die durch entfernte Sturmgebiete oder Winde erzeugt werden und sich in Höhe, Periode und Richtung erheblich von winderregten Wellen unterscheiden können.

Darüber hinaus haben sich herkömmliche Kombinationsansätze und gemeinsame Wahrscheinlichkeitsmodelle bisher auf die Umweltbedingungen für die Auslegung von Tragwerken konzentriert. Für den Transport, die Installation und den Rückbau sehr großer und schwerer Komponenten von Offshore-Megastrukturen werden ebenfalls Methoden benötigt, die eine realistische Beschreibung und zuverlässige Vorhersage der kombinierten metocean-Bedingungen ermöglichen. Im Vergleich zu herkömmlichen gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsmodellen muss die Dauer der gleichzeitigen metocean-Bedingungen, die den Transport oder die Installation ermöglichen, probabilistisch berücksichtigt werden.

Das übergeordnete Ziel von TP A5 ist daher die Erforschung und Entwicklung datenbasierter Kombinationsmethoden zur realistischen Beschreibung und Vorhersage gleichzeitig auftretender Umweltbedingungen unter Berücksichtigung der Wirkungsrichtung der Belastungsparameter. In der zweiten Förderperiode werden diese Kombinationsmethoden in Demonstrator-Versuchen im Großen Wellenkanal (GWK+) anhand ausgewählter Zufallsvariablen der Wellen- und Strömungsbedingungen validiert, mit Hilfe von aero-hydro-servo-elastischen Simulationen unter Verwendung des digitalen Zwillings hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Strukturbelastung untersucht und um probabilistische Vorhersagemodelle für Transport- und Montagezeitfenster erweitert.

TP A5 arbeitet eng mit TP A1 (Link) und TP A7 (Link) im Cluster „Wind and Wave Interactions“ zusammen und stellt diesen kombinierte Umweltbedingungen für die stochastische Windfeld- und Seegangsmodellierung zur Verfügung. Als zentrale Schnittstelle zwischen Umweltbedingungen und Tragstruktur liefert TP A5 kombinierte Lastparameter als Eingangsgrößen für die aero-hydro-servo-elastischen Simulationen in TP Z1 (Link) und führt zusätzlich eigene aero-hydro-servo-elastische Simulationen mit dem digitalen Zwilling aus TP Z1 durch.

 [1]         Kaliske, M.; Schmidt, B. Analysing the Directional Dependence of Wind and Wave Interactions for Offshore Wind Turbines Using Environmental Contours. J. Mar. Sci. Eng. 2024, 12, 1116