Globale und lokale Ermüdungskonzepte

Für die Beurteilung der Ermüdungsfestigkeit (fatigue assessment) von Stahlkonstruktionen kommen bei der SKI Ingenieurgesellschaft folgende Ermüdungskonzepte zum Einsatz:

Eine Übersicht über die Ermüdungskonzepte bietet die folgende Darstellung:

Ermüdungskonzepte (Schema in Anlehnung an RADAJ)
Ermüdungskonzepte
Rissbildung an einem Probekörper nach dynamischer Belastung

Bewertung von rissbehafteten Bauteilen

Bei den heutigen Windenergieanlagen handelt es sich um hochdynamisch beanspruchte Strukturen, welche zum einen eine ausreichende Standsicherheit und zum anderen Ermüdungssicherheit gewährleisten müssen.

Es kann sowohl in Beton- als auch in Stahlkonstruktionen zu einer Rissbildung kommen. Schäden treten dabei häufig an gekerbten Übergängen bzw. an Steifigkeitssprüngen bei unterschiedlichen Materialien auf. Beispiele dafür sind der Fußpunkt eines Turmes am Übergang zum Fundament, Ringflanschverbindungen von Stahlsektionen, Übergange zwischen Beton- und Stahlsektionen bei Hybridtürmen oder der Turmkopfanschluss zur Gondel.

Einteilung der Nachweisformate
Einteilung der Nachweisformate

Durch die Belastungen können Risse in Betonbauteilen auftreten, welche nicht unmittelbar die Tragfähigkeit der Struktur beeinflussen. In diesem Fall kann die Bewehrung die Zugkräfte aufnehmen. Ursache kann ein Extremlastereignis sein, bei dem hohe Lasten auf die Konstruktion wirken und infolge dessen es zu einer Rissbildung kommt. Eine Steigerung der Rissbreite nach diesem Ereignis muss nicht zwingend erfolgen bzw. kritisch sein. Dazu werden bei SKI auf Grundlage der Bruchmechanik verschiedene Ermüdungskonzepte angewendet, u.a. das Rissfortschrittskonzept.

Sind Risse in der Struktur zu erkennen, ist es aufgrund der relativ hohen Zahl an Schwingspielen wichtig zu beurteilen, ob die Rissweite mit zunehmender Betriebsdauer zunimmt (Rissfortschritt). Die Risse können sich dabei gegebenenfalls negativ auf die restliche Lebensdauer der Struktur auswirken. In diesem Fall kann es notwendig sein, geeignete Maßnahmen zur Instandsetzung zu entwickeln.

Die SKI Ingenieurgesellschaft verfügt über Schweißfachingenieure mit nationalem und internationalem Prüfzeugnis sowie öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige für Tragkonstruktionen von On- und Offshore-Windenergieanlagen.

In diesem Zusammenhang können von SKI fachliche Beurteilungen/Gutachten für ein breites Spektrum an rissbehafteten Bauteilen erstellt werden:

Nachweisebenen für die Betriebsfestigkeit

Für dynamisch beanspruchte Bauteile ist ein rechnerischer Ermüdungsnachweis für die zu erwartenden Betriebslasten zu erbringen (Betriebsfestigkeitsnachweis). Bei Konstruktionen aus Stahl richtet sich der Ermüdungsnachweis nach DIN EN 1993-1-9. In Abhängigkeit von dem verwendeten Berechnungsverfahren für die Schnittgrößen kann der rechnerische Betriebsfestigkeitsnachweis auf der Ebene von:

  • Spannungszeitreihen,
  • Spannungskollektiven oder
  • Schädigungsäquivalenten Einstufenkollektiven

in Verbindung mit geeigneten Schadensakkumulations-Hypothesen geführt werden. Für die Beurteilung der Sicherheit gegen Materialermüdung stehen neben experimentellen Methoden die oben aufgelisteten Konzepte zur Verfügung.