Jacket-Konstruktionen für Offshore-Bauwerke

Jacket-Konstruktionen gehören zu den aufgelösten Tragstrukturen in der Offshore-Industrie. Sie werden bereits seit vielen Jahren für die Gründung von Öl- und Gas-Plattformen eingesetzt. Mittlerweile gibt es aber auch im Bereich der Windenergie erste Prototypen, die sowohl Onshore als auch Offshore von REpower Systems AG gemeinsam mit Industriepartnern aufgestellt wurden.

Ein Jacket besteht dabei in der Regel aus vier rohrfömigen Eckstielen und sich kreuzenden Diagonalen, die im Werk mit Hilfe von Schweißverbindungen zusammengesetzt werden (s. Abbildung links). Des Weiteren ist ein Übergangsknoten erforderlich, um die Kräfte und Momente von der ersten Turmsektion mit einer kreisförmigen Geometrie auf das Jacket mit einer viereckigen Geometrie sicher übertragen zu können. Dieser Übergangsknoten ist eines der wichtigsten Komponenten bei Jackets für Offshore-Windenergieanlagen (s. Abbildung rechts). 

Jacket-Konstruktion für eine Windenergieanlage
Jacket-Konstruktion für eine Windenergieanlage
Übergangsknoten zwischen Jacket und 1.Turmsektion
Übergangsknoten zwischen Jacket und 1.Turmsektion

OC4-Jacket

Zur Validierung von Offshore-Tools wird das stählerne Jacket vom internationalen Benchmark OC4 (Offshore Code Comparison Collaboration Continuation) genutzt. Damit einheitliche Bemessungsgrundlagen für Geometrie, Material und Lasten zugrunde liegen, wurde von NREL eine 5MW-Referenzturbine vorgegeben. Begleitend vom IWES liegt auch eine Referenzstruktur für das Jacket vor.    

Das Ziel der Offshore-Initiative ist die Kopplung zwischen aerodynamischer und hydrodynamischer Simulation für eine 5MW OWEA inklusive der Tragstruktur. Durch diese Co-Simulation sollen Interaktionen zwischen Turbine, Turm und Jacket aufgezeigt werden, wodurch auch Einsparpotenziale aufgedeckt werden können.    

       

Detailberechnungen für die Rohrknoten eines Jackets

Neben dem Übergangsknoten unterliegen auch die Doppel-K-Knoten an den Eckstielen (s. Abbildung links) sowie die X-Knoten zwischen den Diagonalen hohen dynamischen Beanspruchungen. Sie müssen nicht nur für die Extremlast, sondern auch für die Ermüdungslasten infolge Wind und Wellen bemessen werden. Insbesondere die Schweißnähte sind im Hinblick auf ihre Ermüdungsfestigkeit zu überprüfen. Oftmals kommen dafür lokale Ermüdungskonzepte, wie z.B. das Strukturspannungskonzept, zur Anwendung, weil nicht alle Knotengeometrien bzw. Kerbdetails über den Kerbfallkatalog des Nennspannungskonzeptes abgedeckt werden.

Alternativ gibt es auch die Ausführung mit Gussknoten, um mittels größeren Ausrundungsradien die Spannungskonzentrationen gegenüber einer geschweißten Variante (s. Abbildung rechts) reduzieren zu können.  

Doppel-K-Knoten bei einem Jacket
Doppel-K-Knoten bei einem Jacket
Spannungskonzentration an den Querschnittsübergängen
Spannungskonzentration an den Querschnittsübergängen