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Forschungsbericht: Untersuchung des Nachlaufes von Windenergieanlagen und dessen Auswirkung auf die Standsicherheit der benachbarten WEA in Parkaufstellung

Untersuchung des Nachlaufes von Windenergieanlagen und dessen Auswirkung auf die Standsicherheit der benachbarten WEA in Parkaufstellung

Bauforschung, Band T 3058
Henry Seifert, Jürgen Kröning
Deutsches Windenergie-Institut GmbH, Wilhelmshaven
Technischer Überwachungs-Verein Norddeutschland e.V. -TÜV Nord-, Hamburg
2004, 91 S., zahlr. Abb., Tab.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

In Parks betriebene Windenergieanlagen (WEA) beeinflussen sich gegenseitig hinsichtlich des Energieertrags und der mechanischen Beanspruchung. Während die üblichen Windparkrechenmodelle den Parkwirkungsgrad hinreichend genau ermitteln, existieren keine bekannten und validierten Verfahren, mit denen der Nachlauf von Rotoren und die daraus resultierenden Beanspruchungen der nachfolgenden WEA simuliert werden können. Die einschlägigen Normen und Richtlinien geben anzunehmende Lastfälle nur für den Einzelbetrieb an; für den Windparkbetrieb werden bisher keine Vorgaben gemacht. Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) unterstützt das hier vorgestellte Projekt zur Untersuchung des Einflusses der Windparkaufstellung auf die Standsicherheit von WEA, dessen Ziel es ist, einen Vorschlag in den Richtlinien zu schaffen, ab welchem Abstand die Parkaufstellung mit erhöhter Grundturbulenz abgedeckt ist. Dafür werden sowohl vorhandene Messungen von Windgeschwindigkeiten vor und hinter WEA, Beanspruchungen von Komponenten im frei angeströmten und im Leebetrieb, als auch Rechenverfahren angewandt und hinsichtlich der resultierenden Lasten untersucht. Insbesondere der Unterschied zwischen der sogenannten Vollabschattung und der Teilabschattung werden beleuchtet.

Inhaltsverzeichnis

Liste der Formelzeichen und Abkürzungen 2
Kurzfassung 3
Summary 3
1 Einleitung 4
2 Ziele und Aufbau des Forschungsprojekts 6
2.1 Ziele 6
2.2 Zeitplan 7
2.3 Projektbegleitgruppe 7
2.4 Projekttreffen 7
2.5 Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts 8
3 Auswertungen vorhandener Messungen 9
3.1 Leistungskennlinienvermessungen 9
3.2 Windmessungen im Nachlauf einer MW-WEA 18
3.3 Beanspruchungsmessungen 30
3.3.1 Vorgehensweise 30
3.3.2 Datenprüfung und -analyse 39
3.3.3 Analyse der Zeitverläufe und der Anlagendynamik 48
3.3.4 Äquivalente Lasten der einzelnen Datensätze 49
3.3.5 Betriebsfestigkeitsanalyse 64
3.3.6 Untersuchungen an weiteren WEA 67
3.3.7 Zusammenfassung der Auswertungen der Beanspruchungsmessungen 70
4 Berechnung des Nachlaufs mit CFD Programm 71
4.1 Beschreibung des Verfahrens und des Programms 71
4.1.1 Beschreibung der verwendeten Software 71
4.1.2 Allgemeines zur Turbulenzmodellierung 72
4.2 Allgemeines zur Turbulenz im Nachlauf einer WEA 74
4.2.1 Modellbeschreibung 76
4.3 Rechenergebnisse und Vergleich mit gemessenen Daten 77
4.3.1 Windgeschwindigkeitsverteilung im Nachlauf 77
4.3.2 Turbulenzintensität 80
4.4 Diskussion des CFD - Rechenverfahrens und der Ergebnisse 83
5 Zusammenfassung, Bewertung der Ergebnisse und Ausblick 84
5.1 Verwendung von Windmessungen 84
5.2 Verwendung von Beanspruchungsmessungen 85
5.3 CFD-Simulationen 85
5.4 Ausblick 86
6 Literatur 88

Publikationslisten zum Thema:
Windenergieanlage, Aufstellung, Abstand, Windpark, Betrieb, Beanspruchung, Lastannahme, Standsicherheit, Messung, Simulation, Richtlinie,

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Forschungsberichte

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Thomas Misiek
Weiterleitung von Horizontallasten durch Trapezprofile
Bauforschung, Band T 3268
2012, 147 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

An einer Attika angreifende Windlasten erzeugen erhebliche Auflagerkräfte in der Höhe der Oberkante der Dacheindeckung aus Trapezprofilen. Es bietet sich an, die Horizontalkräfte durch gekantete Winkel in die Obergurte der angrenzenden Profilrippen einzuleiten. Diese werden dadurch quer zur Spannrichtung durch eine Linienlast belastet. Diese Lasten in der Dachebene führen bei zweischaligen Dachaufbauten zu einer Belastung der innenliegenden Tragschale aus Trapezprofilen und zu einer Beanspruchung dieser Trapezprofile, für die es keinen abgesicherten Berechnungsansatz gibt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Versuche sowie Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente zur Ermittlung des Trag- und Verformungsverhaltens der Trapezprofile bei Einleitung einer Horizontallast durchgeführt. Die Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Durch die Einleitung der Beanspruchung in den Obergurt ergeben sich sowohl Verschiebungen in Beanspruchungsrichtung (Rahmensystem) als auch rechtwinklig davon. Letztgenannte Verschiebungen resultieren aus der Verdrehung der Rippen. Durch Kopplung der Rippen lassen sich die Verschiebungen und Verdrehungen begrenzen. - Die Problematik der Verdrehung der Rippen verschärft sich bei Einleitung der Kräfte mit einem Hebelarm, z.B. bei der Einleitung von Dachschub aus der Außenschale. Hier führt auch die Kopplung von sechs oder mehr Rippen nicht zu vertretbar kleinen Verschiebungen. Vielmehr muss das entstehende Moment durch Vertikalkräfte abgetragen werden - Um auch unter Druckbelastung wirksam zu sein, sollte die Kopplung der Rippen biege-steif sein. Flachblechtafeln erfüllen diese Anforderung nicht. U- oder L-Profile sind trotz der Probleme bei der Einbindung in den Dachaufbau vorzuziehen. - Die Verbindungen sind für Beanspruchungen aus Zug- und Querkraft zu bemessen. - Die Stege sind für die Auflagerkräfte gegen Stegkrüppeln zu bemessen. - Bei Mehrfeldsystemen sind die Auflagerkräfte an den Zwischenauflagern entsprechend dem statischen System eines über mehrere Feld

Annette Jarosch
Ausfachungsflächen windbeanspruchter Mauerwerkswände unter Berücksichtigung der Windlasten nach DIN 1055-4:2005
Bauforschung, Band T 3241
2010, 34 S., 4 Abb. u. 28 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

Das Ziel der Forschungsarbeit beinhaltete die Erstellung von Bemessungshilfsmitteln für windbeanspruchte nichttragende Ausfachungswände aus Mauerwerk. Unter Anwendung eines an der TU Darmstadt entwickelten Berechnungsmodells zur Bestimmung der aufnehmbaren Windlasten im Grenzzustand der Tragfähigkeit konnte ein Bemessungskonzept erarbeitet und maximal zulässige Ausfachungsflächen von Mauerwerkswänden in Abhängigkeit festgelegter Randbedingungen und Materialparametern angegeben werden. Die zulässigen Ausfachungsflächen nichttragender Außenwände unter Windbeanspruchung wurden unter Berücksichtigung des semiprobabilistischen Teilsicherheitskonzeptes für zwei Lagerungsbedingungen, drei vertikale Biegezugfestigkeiten und vier unterschiedliche Biegezugfestigkeitsverhältnisse abgeleitet. Die angegebenen Ausfachungsflächen wurden unter Annahme konservativer Randbedingungen ermittelt. Ein sich möglicherweise einstellender Membranspannungszustand wurde nicht berücksichtigt, da er sich nicht in allen Anwendungsfällen zweifelsfrei einstellt. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Studie keinerlei Untersuchungen zur notwendigen Zuverlässigkeit von Ausfachungsflächen enthält. In den Bemessungstabellen wurden vielmehr die nach DIN 1055-100 und DIN 1053-100 definierten Teilsicherheitsbeiwerte unverändert übernommen, ohne zu überprüfen, inwieweit diese zur Errechnung des für erforderlich erachteten Zielwertes der Systemzuverlässigkeit angemessen sind. Die Tabellen erlauben jedoch eine Möglichkeit der direkten Berücksichtigung eines reduzierten Teilsicherheitsbeiwertes auf der Einwirkungsseite. Mit den Bemessungstabellen steht der Praxis ein einfaches Hilfsmittel für den Nachweis der Lastabtragung windbeanspruchter Außenwände zur Verfügung.

Mathias Clobes, Andreas Willecke
Überprüfung des Patch-Last-Verfahrens zur Ermittlung der Antwort abgespannter Maste unter Böenwirkung
Bauforschung, Band T 3204
2009, 158 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

Im Rahmen dieses Kurzvorhabens werden diverse für Deutschland typische abgespannte Stahlbau-Konstruktionen, die üblicherweise mit Hilfe der Regelungen in DIN 4131 und DIN 4133 bemessen werden, unter der Einwirkung von Böenwindlasten berechnet. Die gewonnenen Ergebnisse aus den - gegenüber den Normverfahren genaueren - Berechnungen dienen der Verifizierung der Regelungen zur Berücksichtigung der Böenwirkung in DIN 4131. Die Tragwerksantwort unter Einwirkung räumlich korrelierter turbulenter Windfelder wird dynamisch im Zeitbereich berechnet, um bei den abgespannten Tragwerken das nichtlineare Last-Verformungsverhalten zu berücksichtigen. Die Ergebnisse der Zeitverlaufsberechnungen dienen als Referenz für die Einschätzung der Qualität der ebenfalls zu ermittelnden Ergebnisse aus dem Patch-Last-Verfahren. Es wird überprüft, ob mit dem im E DIN 4131 vorgesehenen Verfahren eine sichere und wirtschaftliche Bemessung sowohl von Antennentragwerken als auch Schornsteinen aus Stahl möglich ist.

Ermittlung aerodynamischer Beiwerte für die normgemäße Erfassung der Winddrücke und Windkräfte an Vordächern

H.J. Niemann, N. Hölscher, W. Hubert
Ermittlung aerodynamischer Beiwerte für die normgemäße Erfassung der Winddrücke und Windkräfte an Vordächern
Bauforschung, Band T 3129
2007, 48 S., 28 Abb., 20 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

Anlass und Ziel: Windlastenangaben zu Vordächern in Gebäudefassaden sind weder in den nationalen oder internationalen Normen noch in der entsprechenden Fachliteratur in ausreichendem Maß und den Anforderungen des neuen Sicherheitskonzeptes der DIN 1055-100 entsprechend gegeben. Andererseits besteht ein erheblicher Bedarf der Praxis für Angaben zur Windlast. Diese Lücke soll im Rahmen von Windkanaluntersuchungen geschlossen werden. Wie in der Norm (E-DIN 1055-4) üblich sollen die Lastangaben in Form aerodynamischer Beiwerte ermittelt werden. Zielgröße für ihre Festlegung sind die relevanten Einwirkungseffekte. Hinsichtlich der Wirkung der vielen Einflussparameter wird angestrebt, die Umsetzung für die Norm so einfach wie möglich zu halten. Arbeitsplan und Durchführung: Im Rahmen der Windkanalmessungen werden typische Anordnungen eines Vordachs in einer Gebäudefassade untersucht. Neben den maßgebenden Abmessungen des Vordachs und des Hauptgebäudes wird die Windrichtung variiert und drei Dachpositionen vermessen: Dach in der Wand, Dach um eine Gebäudeecke umlaufend und Dach an einer einspringenden Ecke. Die Windkanalmessungen erfolgen entsprechend den Vorgaben des WTG-Merkblatts (vgl. E-DIN 1055-4 Absatz 6.3 Satz 2) in modelliertem natürlichem Wind. Zur Festlegung der aerodynamischen Beiwerte der statischen Ersatzlasten wird aus den Windkanaldaten eine Statistik der Spitzenwerte der maßgebenden Einwirkungseffekte ermittelt. Damit entsprechen die Ergebnisse der Untersuchungen dem Format der neuen Windlastnorm und sind so unmittelbar der praktischen Anwendung zugänglich.

Untersuchung des Nachlaufes von Windenergieanlagen und dessen Auswirkung auf die Standsicherheit der benachbarten WEA in Parkaufstellung

Henry Seifert, Jürgen Kröning
Untersuchung des Nachlaufes von Windenergieanlagen und dessen Auswirkung auf die Standsicherheit der benachbarten WEA in Parkaufstellung
Bauforschung, Band T 3058
2004, 91 S., zahlr. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

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Zeitschriftenartikel

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Noirfalisse, E.
Hin zu einer vereinfachten Studie der Windwirkung auf Flachdächern (kostenlos)
Kontakt, 2020

Botz, Max; Emiroglu, Altug; Osterminski, Kai; Raith, Manuel; Wüchner, Roland; Große, Christian
Überwachung und Modellierung der Tragstruktur von Windenergieanlagen. Beitrag zu einem Digitalen Zwilling
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

Cristina, Claudio
Befestigungsmethoden von Solaranlagen. Statik-Know-how bei der Montage von Solaranlagen
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Heid, Ann-Christine von der; Grebe, Reiner
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Lachmann, Stefan
Schneelast- und Windzonen richtig bestimmen. Vorsicht bei ungenauen Tabellenangaben
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