Schwingungsbasierte Lastrekonstruktion an Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen

Die Zustandsüberwachung (SHM) der Turm- und Fundamentstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen hat sich als anerkannte Regel der Technik in der Praxis etabliert. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erfassung, Bewertung und Analyse der einwirkenden Ermüdungsbeanspruchungen, um die Anlagen für einen ermüdungsarmen Betrieb zu optimieren und Potenzial für Lebensdauerverlängerungen vorzuhalten. Ermüdungsbeanspruchungen können entweder direkt mittels Dehnungsmessstreifen gemessen oder indirekt aus der Messung von Turmverformungen in Verbindung mit einem mechanischen Modell (z. B. Finite-Elemente-Modell) rekonstruiert werden. Die indirekte Rekonstruktion kann auch mit den Begriffen “virtuelle Sensoren” bzw. “Digital Twin” beschrieben werden. In diesem Beitrag wird vorgestellt, wie Ermüdungseinwirkungen an relevanten Bereichen von Offshore-Gründungsstrukturen, wie z. B. der Turm-Transition-Piece-Verbindung, aus Beschleunigungs- und Neigungsmessungen rekonstruiert werden können. Der Ansatz verwendet die am Turm erfassten strukturellen Antworten sowie ein FE-Modell, um interne Kräfte bzw. Momente in der Struktur zu bestimmen. Es wird anhand realer Beispiele von deutschen Offshore-Projekten gezeigt, wie die Genauigkeit in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Messinformationen und berücksichtigten Lastannahmen beeinflusst wird. Die Auswirkungen von Unsicherheiten aus Messung und Modellannahmen (z. B. Kalibrierfehler, Baugrundsteifigkeiten) werden ebenfalls dargestellt.

Vibration-based load reconstruction at support structures of offshore wind turbines
Structural Health Monitoring (SHM) of the tower and foundation structures of offshore wind turbines is an established and acknowledged technical rule in engineering practice. The acquisition, assessment and analysis of the acting fatigue loads is an essential aspect in this field of SHM, since it enables the optimization of turbine operation towards lower fatigue lifetime consumption and provides potential for the extension of service life. Fatigue loads can either be measured directly using strain gauges or indirectly reconstructed from the measurement of tower deformations in conjunction with a mechanical model, e. g., a finite element (FE) model. The indirect reconstruction can also be described by the notions of “virtual sensors” or “digital twin”. The current report presents how fatigue loads on relevant areas of offshore foundation structures, such as the tower-transition piece interface, can be reconstructed from acceleration and inclination measurements. The approach uses the structural responses recorded at the tower and an FE model to determine internal forces or moments in the structure. Using real examples from German offshore wind farms, the effect of the available measurement information and considered load assumptions on the estimation accuracy is shown. The effects of uncertainties from acquisition and model assumptions (e. g. calibration errors and soil stiffness) are also presented.