Traglastversuche an Großprüfkörpern für modulare Polygonturmsektionen von Windenergieanlagen

Bei der Bemessung von Stahltürmen für Onshore‐Windenergieanlagen führen oftmals Stabilitäts‐ und Ermüdungsnachweise infolge der hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen zu großen Turmabmessungen. Aufgrund der Steigerung von Nennleistung und Nabenhöhe für Windturbinen müssen auch die Dimensionen bei den Tragstrukturen erhöht werden. Einige Anlagentypen erfordern mittlerweile einen Turmfußdurchmesser von > 4,5 m. In diesen Durchmessern lassen sich Turmsektionen auf der Straße nicht mehr (wirtschaftlich) transportieren. Daher sind vermehrt modulare Bauweisen entwickelt worden, wobei die Stahlsektionen aus längsgeteilten Segmenten bestehen, die auf der Baustelle endmontiert werden. Des Weiteren stellt die Verbindungstechnik für turmartige Bauwerke immer wieder eine neue Herausforderung dar, wenn größere Windenergieanlagen geplant werden. Als technische Alternative zu den bisherigen Turmkonfigurationen wird ein Konzept für einen modularen Polygonturm vorgestellt, dessen Plattensegmente entlang der Längskanten über Strangpressprofile verbunden werden sollen, sodass am Standort keine weiteren Schraub‐ oder Schweißverbindungen erforderlich sind. Durch diese innovative Verbindungstechnik und die längsorientierte Fertigung von ebenen Turmsegmenten sollen Umformprozesse und teilweise auch Schweißprozesse während der Fertigungsphase eingespart werden, die bislang bei den rohrförmigen Stahltürmen erforderlich sind. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde die technische Machbarkeit eines modularen Polygonturms für eine Anlagenklasse mit 10 MW Nennleistung und 200 m Nabenhöhe analysiert, um Lösungsansätze für die nächste Generation von Onshore‐Windenergieanlagen anbieten zu können. Für eine fiktive Referenz‐Windenergieanlage wurden Lastfälle generiert, um Bemessungen für die Turmsektionen durchführen zu können. Auf Basis der berechneten Turmabmessungen wurde ein Versuchsprogramm erstellt und es wurden Traglastversuche an Großprüfkörpern im Maßstab 1 : 10 durchgeführt. In diesem Aufsatz werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen vorgestellt, wobei die Traglasten der einzelnen Turmkonfigurationen miteinander verglichen und die Versagensmechanismen erläutert werden.

The verification for stability and fatigue of steel towers for onshore wind‐turbines require large dimensions due to the high static and dynamic loads. Since, the rated power as well as the hub height will further increase for wind turbines in the future, also the dimensions of the tower must be increased. Some kind of turbines will require a tower base diameter of > 4.5 m. Tubular steel sections with this dimensions cannot be transported (economically) by road. Therefore modular construction methods have been developed, whereby the tubular steel sections consist of longitudinally divided segments, which will finally assembled on site. Furthermore, the detail design of the connections between the structural components is also a challenge when planning wind turbines for the next generation. As a technical alternative to the existing tower configurations, a concept for a modular polygon tower made of steel is presented, where single plate segments can be connected along the longitudinal edges using extruded profiles so that no further bolted or welded connections are required for the final assembly on site. This technical proposal allows a longitudinal manufacturing of tower segments with steel plates but without any formwork with rolling and bending machines. As part of a research project, the technical feasibility of a modular polygon tower for a hub height of 200 m and a wind turbine class with 10 MW rated power was analysed to offer technical solutions for the next generation of onshore wind turbines. Load cases were generated for a fictitious reference wind turbine to carry out a pre‐design for the tower sections. A test programme was created on the basis of the calculated tower dimensions and ultimate load bearing tests were carried out on test specimens at a scale of 1 : 10. This paper presents the results of the experimental investigations, comparing the load‐bearing capacity of the various tower configurations and the observed failure mechanisms are explained.