Concrete Structures for Wind Turbines

Die Windindustrie in Deutschland nimmt bei der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen (WEA) weltweit eine herausragende Stellung ein. Durch die fortschreitende Entwicklung von immer leistungsfähigeren Windenergieanlagen sowie die zusätzlichen Anforderungen bei der Bemessung und Ausführung von Offshore-Gründungstragwerken wird der bisherige Erfahrungsbereich in den verschiedenen Teilgebieten des Bauingenieurwesens überschritten.
Im vorliegenden Buch werden die Grundlagen für Planung, Entwurf, Berechnung und Konstruktion von Turmkonstruktionen für WEA aus Stahlbeton und Spannbeton, und zwar für Onshore- und für Offshore-Anlagen, behandelt. Windenergieanlagen sind dynamisch hochbeanspruchte Bauwerke. Für die Bemessung von Tragkonstruktionen sind daher neben den maximalen Lasten die Ermüdungsbeanspruchungen von großer Bedeutung, insbesondere in den Anschluss- und Knotenbereichen von Beton- und Hybridkonstruktionen. Dort treten mehraxiale Beanspruchungszustände auf, die bisher durch die Bemessungsvorschriften nicht erfasst werden. Die speziellen Einwirkungen und das nichtlineare Werkstoffverhalten werden detailliert dargestellt und die Modellbildungen für die Berechnungen erläutert. Bemessung und Nachweise werden unter besonderer Berücksichtigung der Ermüdung behandelt. Das Kapitel Herstellung schließt hybride Tragwerke, die Segmentbauweise für Spannbetontürme und die Fundamente für Offshore-WEA ein.

Seit 1906 begleitet der Verlag Ernst & Sohn mit dem Beton-Kalender die Entwicklung des Stahlbeton- und Spannbetonbaus. Dieses Buch sollte das Fortschreiten des Eisenbetonbaus jährlich begleiten, und zwar so lange, bis die "stürmische Entwicklung", so der erste Herausgeber Fritz von Emperger (1862-1942), der Bauweise ein Ende gefunden hätte.
Ausgewählte Kapitel des Beton-Kalender werden in der neuen englischsprachigen Reihe BetonKalender Series dem internationalen Markt zur Verfügung gestellt.

Auteur

Univ.-Prof. Dr.-Ing.Jürgen Grünberg studierte Bauingenieurwesen an der TU Berlin und an der Leibniz Universität Hannover, wo er später promovierte. Nach acht Jahren Tätigkeit als Bauleiter bei HOCHTIEF bzw. Projektleiter bei der Ingenieurgemeinschaft Meerestechnik und Seebau (IMS), ging er 1983 als Beratender Ingenieur in die Selbständigkeit. Seit 1986 ist er Prüfingenieur für Baustatik, im Jahr 1993 wurde er als Universitätsprofessur an das Institut für Massivbau an die Leibniz Universität Hannover berufen. Bereits seit 1980 beschäftigt er sich mit der Bemessung und Konstruktion von Offshore-Strukturen und von Fernmeldetürmen, später kamen Windenergieanlagen hinzu. Prof. Grünberg arbeitet in nationalen und internationalen Fachausschüssen auf dem Gebiet der Stahlbetonbauweise, er ist Autor zahlreicher Veröffentlichungen in einschlägigen Zeitschriften und Fachbüchern. Dr.-Ing. Joachim Göhlmann studierte Bauingenieurwesen an der Leibniz Universität Hannover und promovierte 'Zur Schädigungsberechnung an Betonkonstruktionen für Windenergieanlagen unter mehrstufiger und mehraxialer Ermüdungsbeanspruchung'. Dr. Göhlmann beschäftigt sich mit Entwurf, Planung, Herstellung und Monitoring von Turmkonstruktionen einschl. Gründung für windenergieanlagen seit 2000. Seit 2010 ist er Geschäftsführer von grbv Ingenieure im Bauwesen GmbH, Hannover, die sich insbesondere der Planung und Berechnung von Turmbauwerken und Tragstrukturen für Onshore- und Offshore-WEA widmen.

Résumé
The wind energy industry in Germany has an excellent global standing when it comes to the development and construction of wind turbines. Germany currently represents the world's largest market for wind energy. The ongoing development of ever more powerful wind turbines plus additional requirements for the design and construction of their offshore foundation structures exceeds the actual experiences gained so far in the various disciplines concerned.
This book gives a comprehensive overview for planning and structural design analysis of reinforced concrete and pre-stressed concrete wind turbine towers for both, onshore and offshore wind turbines. Wind turbines represent structures subjected to highly dynamic loading patterns. Therefore, for the design of loadbearing structures, fatigue effects - and not just maximum loads - are extremely important, in particular in the connections and joints of concrete and hybrid structures. There multi-axial stress conditions occure which so far are not covered by the design codes. The specific actions, the nonlinear behaviour and modeling for the structural analysis are explained. Design and verification with a focus on fatigue are adressed. The chapter Manufacturing includes hybrid structures, segmental construction of pre-stressed concrete towers and offshore wind turbine foundations.

Selected chapters from the German concrete yearbook are now being published in the new English "Beton-Kalender Series" for the benefit of an international audience.
Since it was founded in 1906, the Ernst & Sohn "Beton-Kalender" has been supporting developments in reinforced and prestressed concrete. The aim was to publish a yearbook to reflect progress in "ferro-concrete" structures until - as the book's first editor, Fritz von Emperger (1862-1942), expressed it - the "tempestuous development" in this form of construction came to an end. However, the "Beton-Kalender" quickly became the chosen work of reference for civil and structural engineers, and apart from the years 1945-1950 has been published annually ever since.

Contenu

Allgemeines
Einwirkungen auf Windenergieanlagen

• Ständige Einwirkungen
• Anlagenbetrieb (Rotor und Gondel)
• Windlasten
• Höhe des Seewasserstands
• Hydrodynamische Umweltbedingungen
• Hydrodynamische Analyse
• Temperatureinwirkungen
• See-Eis
• Vereisung von Bauteilen
  Nichtlineares Werkstoffverhalten
• Einführung
• Stoffgesetze für Stahlbeton und Spannbeton
• Biegemoment-Verkrümmungs-Beziehungen
• Verformung und Biegemomente nach Theorie 2. Ordnung
• Querschnittsbemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit
• Räumliche mechanische Modelle für Beton
  Tragkonstruktionen und Bemessung
• Berechnungsgrundlagen
• Strukturmodell für den Turmschaft
• Schwingungsuntersuchung
• Vorspannung
• Auslegung landseitiger Windenergieanlagen (LWEA)
• Auslegung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA)
• Grenzzustand der Tragfähigkeit
• Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
• Grenzzustand der Ermüdung
• Bemessung von Knotenpunkten
• Bemessung der Gründung
  Herstellung von Türmen aus Spannbeton
• Einleitung
• hybride Tragwerke aus Stahl und Spannbeton
• Spannbetontürme in Segmentbauweise
• Offshore-Gründungstragwerke aus Beton
  Literatur