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Sonderforschungsbereich 1463: Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen - Teilprojekt A05 „Stochastische Modellierung der Kombination instationärer Einwirkungen und Einwirkungsparameter“

Sonderforschungsbereich 1463: Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen - Teilprojekt A05 „Stochastische Modellierung der Kombination instationärer Einwirkungen und Einwirkungsparameter“

Leitung:  Dr.-Ing. Boso Schmidt
Team:  Anna Rode
Jahr:  2021
Datum:  17-02-21
Förderung:  Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit:  01.01.2021 – 31.12.2024

Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) ist die Erforschung physikalischer, konzeptioneller und methodischer Grundlagen, basierend auf dem Konzept eines Digitalen Zwillings, für eine integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik zukünftiger Offshore-Megastrukturen.

Unter Offshore-Megastrukturen werden schlanke integrale Strukturen von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) mit > 20 MW Nennleistung verstanden, die sich durch sehr große Abmessungen auszeichnen sowie stark dynamisch mit ihrer Umgebung interagieren. Sie können einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg der Energiewende leisten, da sie im Vergleich zu heutigen Anlagen eine effizientere Stromerzeugung und kontinuierlichere Stromeinspeisung aufweisen und bezogen auf ihre Leistung kürzere Installationszeiten und kostengünstigere Logistik und Wartung haben. Derzeitige Methoden für den Entwurf von Tragwerken für OWEA sind meist aus dem Tragverhalten initiiert und zerlegen das Gesamtsystem in Ersatzsysteme. Das Systemtragverhalten, der Fertigungs- und Installationsprozess sowie spätere Lebensphasen werden kaum berücksichtigt. Zukünftige OWEA werden Megastrukturen sein, die bisher kaum bekannten Einwirkungen, z. B. aufgrund der Windbedingungen in der Ekman-Schicht, die sich in Höhen über 100 m ausbilden kann, unterliegen. Aufgrund ihrer Abmessungen und der zu erwartenden filigraneren Bauweise werden für Megastrukturen nichtlineare dynamische Interaktionen einzelner Komponenten untereinander sowie mit der Umgebung relevanter. Daher wird ein Skalieren bestehender Strukturen nicht möglich sein, sodass neue Strukturkonzepte erforderlich sind.

Für den sicheren, wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Entwurf dieser neuen Strukturkonzepte werden Methoden benötigt, die den sequentiellen Entwurfsprozess parallelisieren. Dies hilft nicht nur, Entwicklungszyklen zu beschleunigen, sondern ermöglicht auch einen integrierten Entwurf unter Berücksichtigung derzeit noch nachgeschaltet untersuchter Lebensphasen wie Fertigung, Installation sowie Betrieb und Rückbau. Für den Betrieb von Offshore-Megastrukturen sind während der gesamten Lebensdauer präzise Informationen über den Zustand und das dynamische Verhalten der Tragstruktur und Rotorblätter sowie die Kenntnis über die Auswirkungen sich ändernder Umgebungs- und Betriebsrandbedingungen erforderlich. In dem SFB sollen die bisher unzureichend erforschten Entwurfs- und Betriebsbedingungen von Offshore-Megastrukturen durch physikalisch motivierte Modellansätze beschrieben und in einem reduzierten, echtzeitfähigen Gesamtmodell zu einem Digitalen Zwilling einer OWEA zusammengeführt werden. Der Digitale Zwilling dient der Entwicklung einer integrierten Entwurfs- und Betriebsmethodik, die hinsichtlich der grundlegenden Prinzipien auf andere Megastrukturen wie weitgespannte Brücken und Offshore-Plattformen adaptiert und angewendet werden kann.

Langfristig zielt der SFB auf einen Paradigmenwechsel im Entwurf und Betrieb von Bauwerken mit einem komplexen Tragverhalten ab.

Das TP A05 Stochastische Modellierung der Kombination instationärer Einwirkungen und Einwirkungsparameter wird vom Institut für Massivbau bearbeitet.

Neben einer detaillierten Beschreibung der aero- und hydrodynamischen Einwirkungen und ihren Streuungen (TP A01–A03) ist das Verständnis der Interaktion von mehreren zeitlich veränderlichen Umwelteinwirkungen wesentlich für das Tragverhalten und die Beanspruchung von Offshore-Megastrukturen. In TP A05 soll eine von der Tragstruktur und ihrem dynamischen Verhalten unabhängige wahrscheinlichkeitstheoretische Kombinationsmethodik für Einwirkungsparameter erforscht werden. Es ist geplant erstmals die Wirkrichtungen und die zu erwartenden Änderungen der Umgebungsbedingungen über die Lebensdauer von Offshore-Megastrukturen einzubeziehen.