Probabilistische Sicherheitsbewertung von Offshore-Windenergieanlagen - Teilprojekt 2 "Einwirkung Welle"

An dem themenübergreifenden Verbundprojekt "Probabilistische Sicherheitsbewertung von Offshore-Windenergieanlagen" sind zahlreiche Institute aus den Bereichen des Bauwesens, der Elektrotechnik und des Maschinenbaus beteiligt.
Es soll die für den Bemessungsprozess zentrale Frage der Versagenswahrscheinlichkeit in den aktuellen Bemessungen von OWEA geklärt werden. Darüber hinaus sollen Möglichkeiten zur Optimierung des baulichen Designs aufgezeigt werden. Hierfür werden mit Hilfe von probabilistischen Methoden Versagenswahrscheinlichkeiten für die Grenzzustände berechnet. Die vorhandenen Versagensarten der Tragstruktur werden in einer Fehlerbaumanalyse zusammengeführt und die wahrscheinlichste Versagensart sowie die resultierende Versagenswahrscheinlichkeit können bestimmt werden. Aufgrund dieses Vorgehens wird eine zielorientierte Veränderung der Tragstruktur möglich, so dass eine Optimierung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit erwartet werden kann. Neben der Bestimmung von Sicherheitselementen für das Bauwesen sollen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen der mechanischen und elektronischen Anlagenteile einer OWEA berücksichtigt werden.

Das Franzius-Institut ist am Teilprojekt 2 (Welleneinwirkungen) beteiligt. Im TP 2 sollen die hydrodynamischen Lasteinwirkungen aus brechenden Wellen hergeleitet werden, die als Beanspruchungen auf die Tragkonstruktion und die Anlagenteile wirken. Die hydrodynamischen Lasteinwirkungen auf OWEA resultieren aus brechenden Wellen und erzeugen maximale Struktureinwirkungen, die an Tragstrukturen sowohl erhebliche singuläre Materialbeanspruchungen verursachen als auch die Gesamtstruktur in Schwingungen versetzen und unter Lebenszyklusbetrachtungen zur diskontinuierlichen Degradation der Tragstruktur beitragen können.
Bemessungsrelevante Einwirkungen hängen maßgeblich vom vorherrschenden Seegangsklima, bspw. von der Geometrie einer brechenden bzw. gebrochenen Welle in einem Sturmereignis ab. Sämtliche Einflussparameter unterliegen im natürlichen Seegang großen Schwankungen.
Für eine effiziente Auslegung von OWEA müssen dominierende und signifikante Seegangsparameter sowie Wiederkehrintervalle von Extremereignissen und Methoden zur Bestimmung der Überschreitungswahrscheinlichkeiten bestimmt werden. Dabei werden genauere Kenntnisse über die Streuungen der Einflussparameter benötigt. Somit können probabilistische Verfahren zur lokalen und zeitlich hochaufgelösten Abschätzungen von Strömungs- und Wellenverhältnissen ermittelt werden, mit dem Ziel der Ermittlung von Installations- und Wartungszeiträumen von OWEA.
Es sollen saisonale Effekte und Trends in Extremereignissen unter sich ändernden Randbedingungen in Zeiträumen von Jahrzehnten prognostiziert werden. Hierzu sind Validierungen mit gemessenen und berechneten hindcast Datensätzen (coastDat, GKSS) notwendig sowie Analysen im labortechnischen Maßstab unumgänglich. Im ersten Schritt können hierfür Laufrichtungen, Höhen und Häufigkeiten von Wellenzügen in der Nordsee analysiert werden. Im Folgeschritt wird mit Hilfe von Laboruntersuchungen das Überlagerungsverhalten der Wellen im Wellenkanal (2D) und Wellenbecken (3D) untersucht, um die Streuung der Einflussparameter, z.B. für die Berechnung von brechenden Wellenlasten zu quantifizieren und für sich daran anschließende Bemessungsmethoden zu parametrisieren.
Die deterministische Bestimmung von brechenden Wellenlasten bei gegebener Wellenhöhe und Wellengeometrie unterliegt derzeit auch erheblichen Streuungen, deren Ausmaß ebenfalls untersucht werden muss.