Baustrukturelle Berechnungen bei Windenergieanlagen (Master)
Das Vertiefungsmodul „Baustrukturelle Berechnungen bei Windenergieanlagen“ dient der vertiefenden Betrachtung von Windenergieanlagen (WEA) im Masterstudiengang Maschinenbau. Es ist neben den Modulen "Simulation von WEA" und "Konstruktion von WEA" als dritte Lehrveranstaltung des Stiftungslehrstuhls im Bereich der Windenergietechnik konzipiert. Die beiden Schwerpunkte dieser Lehrveranstaltung sind erstens die strukturmechanische Modellierung einer WEA als elastisches Mehrkörpersystem (MKS) und zweitens Berechnungen und Festigkeitsnachweise an einer WEA.
Zum ersten Punkt werden in einer zusammenfassenden Darstellung die kinematischen und die kinetischen Gleichungen eines elastischen Körpers im MKS und das Gesamtgleichungssystem eines MKS entwickelt. Die konkrete Umsetzung des Strukturmodells in modernen Simulationssoftwaretools für WEA wird schematisch dargestellt und erläutert. An zwei realistischen Beispielen – dem Rotorblatt und dem WEA-Turm mit Gondelmasse – werden die Eigenfrequenzen und die Eigenmoden mit Hilfe eines Finite Elemente-Modells in MATLAB berechnet und diskutiert.
Für die Behandlung des zweiten Schwerpunktes der Lehrveranstaltung wird die WEA als Bauwerk betrachtet. Hierbei werden die Besonderheiten der Stahlbeton- und Spannbeton-Komponenten (Hybrid-Turm und das Fundament) einer WEA erörtert. Das Eurocode 3 - Nachweiskonzept für Stahlbauwerke sowie die GL-Richtlinie 2010 werden detailiert dargestellt. Die Tragfähigkeits- und Betriebsfestigkeitsnachweise für Stahlbauteile, insbesondere für geschraubte und geschweißte Anschlüsse werden allgemein und anhand von numerischen Beispielen behandelt. Die Festigkeitsnachweise bei geschraubten Ringflanschverbindungen am WEA-Stahlturm sowie die zugehörigen mechanischen Berechnungsmodelle werden sehr ausführlich anhand von Beispielen unterrichtet.
Auf einen Blick
- Einführung – konstruktiver Aufbau einer WEA
- Einwirkungen auf die WEA – die Rotorblatt-Aerodynamik, Wind- und Wellenlasten, sowie definierte Auslegungslastfälle
- Strukturmechanische Modellierung einer WEA – dynamische Berechnung des elastischen Mehrmassenmodells; Eigenschwingungen und FE-Modellierung
- Die WEA als Bauwerk – Fundament und Turm, Nachweise der Stahlbeton- und der Stahl-Systemteile; Nachweiskonzepte in EC 3 und in der GL-Richtlinie 2010; Betriebsfestigkeitsnachweis; Nachweise typischer Schweiß- und Schraubenanschlüsse
