Bemessung von Stahlbetontürmen aus Doppelwandelementen für Windkraftanlagen

Abstract

Die Forderung nach einer Energiewende führt dazu, dass mehr Strom aus nachhaltigen Energiequellen wie der Windenergie gewonnen werden soll. Deshalb werden immer mehr Windkraftanlagen mit steigender Energieförderleistung errichtet und auch Schwachwindgebiete erschlossen. Aufgrund von geringen Windgeschwindigkeiten in Bodennähe ist die Errichtung von Windkraftanlagen mit großen Nabenhöhen erforderlich. Die Entwicklung kostengünstiger Turmbauweisen für Türme mit Nabenhöhen über 100 m birgt erhebliches Sparpotential. Ein neuartiges Herstellungsverfahren von Türmen sieht die Verwendung von industriell gefertigten und polygonal angeordneten Doppelwandelementen vor. Dieses Herstellungsverfahren mit Halbfertigteilen soll die Vorteile der Ortbetonbauweise (Ermüdungswiderstand) mit jenen der Fertigteilbauweise (Wirtschaftlichkeit) kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bemessung eines Betonturms aus Doppelwandelementen in Hybridbauweise für eine moderne Windkraftanlage mit 140 m Nabenhöhe. Hierzu wird die Bestimmung der Einwirkungen aus Wind, Eigengewicht, Imperfektionen, Funktionslasten, Erdbeben und Ermüdungslasten zufolge der gültigen Normen ermittelt und ausführlich erklärt. Die maßgebende Beanspruchung des Turms wird für die maximalen Wind- und Erdbebeneinwirkungen in Österreich ermittelt. Die Bemessung des Betonturms erfolgt für die Grenzzustände der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit sowie Ermüdungseinwirkungen. Es werden die erforderlichen Betonquerschnitte des Turms inklusive Vorspannkabel und Bewehrung in den Höhen +0, +30, +60 sowie +90 m über projektierter Geländeoberkante bestimmt. Die Bemessung zeigt, dass ein Turm aus Doppelwänden mit einem wirtschaftlichen Materialaufwand hergestellt werden kann. Es kann gezeigt werden, dass ein hybrider Turm mit 140 m Nabenhöhe am Fuß einen Durchmesser von ca. 14 m bei einer Betonwandstärke von 30 cm aufweisen muss. Außerdem kann bei einer Halbfertigteilbauweise mit Doppelwänden im Vergleich zu einer derzeit üblichen hybriden Bauweise mit vollwandigen Betonvollfertigteilen der teure Spannstahl (ganz oder zum Teil) von einer billigeren durchgängigen schlaffen Bewehrung ersetzt werden. Wobei angemerkt werden muss, dass viele der getroffenen Annahmen bei der Lastaufstellung und Bemessung sehr konservativ sind und dadurch ein gewisses Materialeinsparungspotential zu dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen Turm-Design besteht. Die konservativen Annahmen sind notwendig, weil die aktuelle Normung, besonders in Österreich, hybride Turmbauwerke für die Windkraftanlagen nicht voll erfasst. Die fehlenden Angaben können entweder mit Messungen an Modellen bzw. anhand nummerischer Simulationen gewonnen werden. Dies ist nicht Teil dieser Arbeit und ist eine Aufgabe für die Zukunft.

Demanding a change in energy policy leads to the request for more electricity produced from sustainable energy sources like wind energy. Therefore, more and more wind turbines with increasing energy output were built even in low-wind areas in the last years. The construction of wind turbines with large hub heights are required because of the low wind speeds near the ground. Developing cost-effective construction methods of steel towers with a hub height more than 100 m provides a great economical opportunity. A new building method suggests the use of industrial manufactured and polygonal arranged double-wall-elements. This production method with semi-finished parts combines the advantages of in-situ concrete (fatigue resistance) and prefabricated construction methods (cost-effectiveness). The main goal of this work is the draft of a concrete tower using double-wall-elements. A hybrid tower of a modern wind power-plant with a hub height of 140 meters will be designed. The determination of wind-impact, dead weight, imperfection, function load, earthquake-load as well as fatigue resistance has been calculated with current standards and will be explained in detail. The maximal stress-level of the tower has been measured with the maximum impact of wind and earthquake-load values of Austria. This work covers the draft of concrete towers for load carrying capacities, the serviceability limit state as well as fatigue loads. The necessary concrete cross section of the tower has been calculated including the prestressing cable and reinforcements. The newly designed tower of the wind power plant contains the design of cross sections +0; +30; +60 and 90 m. The results show that a tower made of double wall elements can be manufactured with low costs of material. A hybrid tower with a hub-height of 140 m has to have a tower-diameter of 14 m and a wall thickness of 30 cm at the base. Using the semi-finished production method for constructing double wall elements, a continuous reinforcement can be used (fully or partially) instead of highly priced prestressed steel. Due to current standards for wind turbines conservative assumptions are necessary, therefore it should be noted that there exists saving potential. The prevailing legal norms do not fully cover Austrian hybrid tower structures for wind turbines. These missing specifications can either be obtained by measurements on models or by numerical simulations, nevertheless this is not part of this work.