Erschütterungsemissionen von Windenergieanlagen

• Published in: Der Stahlbau Vol. 88; no. 6; pp. 559 - 573
• Main Authors: Nagel, Sven, Zieger, Toni, Luhmann, Birger, Knödel, Peter, Ritter, Joachim, Ummenhofer, Thomas
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Berlin Wiley Subscription Services, Inc 01-06-2019
• Subjects: analysis and calculation; Berechnungs‐ und Bemessungsverfahren; Broadband; Computer simulation; Experiments; Ground motion; hybrid tower; Hybridturm; Mast- und Turmbau; masts and towers; Mehrkörpersimulation; multi‐body simulation; Rotation; Schwingungen; Seismic activity; Seismographs; Seismologie; seismology; Versuche; vibration; Vibration effects; Vibration measurement; wind energy; Wind power; Wind turbines; Windenergie
• ISSN: 0038-9145; 1437-1049
• DOI: 10.1002/stab.201900039

Durch die Windanströmung werden auf die Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) Kräfte ausgeübt, die den Rotor in Rotation versetzen. Über die Nabe und ggf. ein Getriebe wird diese Drehbewegung auf den zur Stromerzeugung notwendigen Generator übertragen. Alle rotierenden Komponenten weisen erhebliche Massen auf, sitzen am Kopf einer schlanken, elastischen Turmtragstruktur und rufen in dieser dynamische Effekte hervor. Die dynamisch angeregte Turmstruktur leitet diese durch die Kopfanregung provozierten Schwingungen modifiziert über die Gründung in den Baugrund ein. Mithilfe von Breitbandseismometern können Bodenschwinggeschwindigkeiten nicht nur im direkten Anlagenumfeld, sondern auch in größeren geometrischen Abständen aufgezeichnet werden. Windenergiegegner sehen in der Bodenanregung ein Potenzial für gesundheitsbeeinträchtigende Schwingungseffekte. Im Rahmen dieses Aufsatzes werden die am Fundament einer 2‐MW‐Windenergie‐Beispielanlage gemessenen seismischen Anregungen mithilfe von numerischen Simulationen analysiert und deren physikalische Hintergründe erklärt. Bislang werden die gemessenen Bodenschwinggeschwindigkeiten meist ausschließlich den Anregungsfrequenzen aus dem Rotor zugeschrieben. Die hier vorgestellten Untersuchungen verdeutlichen, dass die strukturellen Eigenschaften der Turmstruktur die Art und Intensität der in den Boden eingebrachten Schwingungen erheblich beeinflussen und die in den Baugrund eingebrachte Bodenbewegungsamplitude dominieren. Abschließend wird gezeigt, dass ein gezielter Einsatz von Schwingungstilgern eine Reduktion der in den Baugrund übertragenen Schwingungsamplituden bewirken kann.
Soil vibrations induced by wind turbines
The towers of wind turbines (WT) are constantly excited due to the rotation of the rotor, hub, gear and generator. The resulting vibrations, generated at the upper end of the tower, are modified by the dynamic properties of the tower structure and induced into the ground. Broadband seismometers record these vibrations not only in the close environment of the WT but also up to several kilometers away from the turbine. In addition, residents and wind power opponents fear a potential of negative health effects caused by these vibration phenomena. In the context of this paper, seismic vibrations are measured at the foundation of an exemplary 2 MW WT. These seismic signals are compared to numerical simulations. Based on this, the technical background of the source mechanism is explained. So far, the measured ground vibrations usually have been attributed exclusively to the excitation frequencies of the WT. However, the investigations presented in this article show that the structural properties of the tower structure influence the type and intensity of the vibrations introduced into the ground and dominate the emitted ground motion amplitudes. Finally, it is shown that the use of absorbers can cause a significant reduction of the vibrations.