Quantifizierung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermüdungsfestigkeit von Hohlprofilknoten für Offshore-Windenergieanlagen

Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Jacket-Gründungsstrukturen für Offshore-Wind­energie­anlagen werden nach neusten Konzepten die Hohlprofilknoten dieser Strukturen auto­matisiert gefertigt. Die Ermüdungsfestigkeit dieser automatisiert ge­fertigten Knoten wurde bisher nicht experimentell untersucht. Mit die­sem BMWi/AiF geförderten Pro­jekt wer­den erstmalig experimentell und numerisch die Einflüsse einer automatisierten Fer­tigung auf die Ermü­dungsfestigkeit quantifiziert.

Zur Realisierung der energiepolitischen Ziele gemäß EEG 2014 von 15 GW aus der Offshore-Windenergie bis 2030 sind überschlägig etwa 3000 Anlagen notwendig, wobei die Windparks hierfür zum größten Teil Wassertiefen um und über 30 m aufweisen. Für diese Standorte kommen als Gründungsstruktur neben XL-Monopiles auch sogenannte Jackets in Betracht. Jackets werden als räumlich aufgelöste Hohlprofil­konstruktionen ausgeführt, wobei der Aufbau der bisher ausgeführten Varianten aus überwiegend vier Gurten bzw. Beinen mit mehreren x-förmigen Ver­strebungen der Seitenflächen besteht, siehe Abbildung 2.

Jackets bieten großes Optimierungspotential nicht nur innerhalb des De­signs, son­dern auch im Fertigungsprozess, was bei Ausschöpfung zu einer deutli­chen Attraktivitäts­steigerung dieser Gründungsstruktur führt. Ein mögliches Optimierungskonzept sieht vor, die Knoten herausgelöst aus der Gesamtstruktur als separates Bauteil auf einem Manipulator zu schweißen, der die zu fügenden Komponenten bewegt. Dies hat den Vorteil, dass konstant mit ho­her Qualität in Wannenlage geschweißt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser auto­matisierten Fertigungs­strategie besteht darin, dass erstmalig auch das Schweißen einer Wurzellage von innen möglich ist.

Da es bisher technisch nicht möglich war, Hohlprofilknoten automatisiert und beidsei­tig zu schweißen, wird diesem Aspekt in der Normung nicht bzw. nicht eindeutig Rechnung getra­gen. Ein möglicher Vorteil auf Seiten der Lebensdauer automatisiert geschweißter Knoten mit Innenlage sowie verbesserter Schweißnahtoberfläche ist bisher nicht versuchstechnisch er­forscht worden. Unter dem besonderen Aspekt der automatisierten Fertigung soll das Er­mü­dungs­verhalten von skalierten Hohlprofilknoten unter Anwendung typischer Offshore-Stähle sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden. Hierfür werden am Institut für Stahlbau in drei Versuchsserien Schwingversuche an konventio­nell sowie auto­matisiert ge­fertigten Hohl­profilknoten mit innerer und ohne innere Schweiß­naht durchgeführt.

Um die Wirt­schaftlichkeit der Verbindung weiter zu verbessern, wird bei der Bundesanstalt für Material­forschung und -prüfung (BAM) die Einsatzmöglichkeit von Hochleis­tungs­schweißverfahren wie dem Metall-Schutzgas (MSG)-Tandemschweißen für Offshore-Stähle im Dickblechbereich untersucht. Die Bewertung des MSG-Tandemschweißverfahrens erfolgt hierbei im Rahmen von Schweißversu­chen an ebenen Er­satz­prüfkörpern und ¼-Mockups der Hohlprofilknoten.

Forschungsstellen:

• Institut für Stahlbau (Leibniz Universität Hannover)
• BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (Berlin), Abteilung 9 - Komponentensicherheit, Fachbereich 9.3 - Schweißtechnische Ferti­gungsverfahren