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Suction Buckets sind etablierte Gründungselemente für Offshore-Öl- und -Gasplattformen, die bisher in der Offshore-Windindustrie nur vereinzelt eingesetzt wurden. Diese Fundamente können zusammen mit der Unterstruktur installiert werden, wodurch zusätzliche Offshore-Operationen wie das Grouting von Transition Pieces oder von Jacket-Beinen vermieden werden. Außerdem werden bei der Installation von Suction Buckets, im Gegensatz zu Pfahlgründungen, minimale akustische Emissionen erzeugt, sodass zusätzliche schallreduzierende Maßnahmen überflüssig sind. Aus diesen Gründen gelten Suction Buckets als eine praktikable und potenziell kostengünstige Gründungslösung für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Das Forschungsvorhaben ProBucket wurde 2020 initiiert und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Durch die geplanten vielfältigen physikalischen und numerischen Untersuchungen strebt das Vorhaben an, die Unsicherheiten der existierenden Bemessungsverfahren zu verringern. In diesem Beitrag werden die aktuellen Herausforderungen zum Design und zur wirtschaftlichen Umsetzung von Suction Buckets für OWEA erläutert. Darüber hinaus werden die Forschungsaktivitäten von ProBucket beschrieben.

In vielen Bereichen des Ingenieurwesens gehört das Schweißen zu den maßgebenden und am häufigsten angewendeten Verbindungstechniken. Auch für Tragstrukturen von Windenergieanlagen, zu denen u. a. Türme und Monopiles gehören, sind stumpfgestoßene, dickwandige Schweißverbindungen charakteristisch. Durch die zunehmenden Dimensionen und Beanspruchungen geraten konventionelle Hochleistungsfügeverfahren wie das Unterpulverschweißen an die Grenzen ihrer technischen Umsetzbarkeit. Gleiches gilt auch für das Design und die Bemessung dieser Verbindungen. Zum Nachweis der Ermüdungssicherheit ist bisher das Nennspannungskonzept, basierend auf experimentell ermittelten Wöhlerlinien, Stand der Technik und maßgebend in gültigen Bemessungsnormen wie dem Eurocode 3. Dieses Verfahren ist einfach in der Anwendung, bietet aber kaum Möglichkeiten, lokale Nahteigenschaften zu berücksichtigen und so zu einer individuellen Dimensionierung zu gelangen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu einer zuverlässigen Lebensdauerprog-nose auf Basis lokaler Ermüdungskonzepte, indem sie die Anwendbarkeit des Zwei-Phasenmodells, d. h. einer Kombination aus Kerbdehnungs- und Rissfortschrittskonzept, für die Bemessung von dickwandigen Stumpfstößen untersucht. Wesentliche Eingangsgrößen für dieses Modell sind die aus der Nahtgeometrie resultierende, elastische Spannungserhöhung und die lokale, inhomogene Festigkeitsverteilung über den Nahtquerschnitt. In großem Umfang wurden daher die Nahtprofile der Schweißproben vor der Schwingprüfung messtechnisch erfasst und durch entsprechende Filter für die numerische Analyse der Kerbformzahlen aufbereitet. Erst durch das Filtern mit entsprechender Grenzwellenlänge werden Messdaten vereinheitlicht und grundsätzlich vergleichbar. Für das Qualitätsmanagement innerhalb der Schweißfertigung und auch den direkten Eingang in Bemessungskonzepte ist dieser Schritt essentiell. Am Ende der Untersuchung steht eine umfassende Datenbasis zur Kerbgeometrie stumpfgeschweißter Verbindungen. Diese lokalen Nahtgeometrieeigenschaften und aus der Härte umgewertete Festig-keitsverteilungen über den Querschnitt bilden nun die maßgebenden Eingangspara-meter für das Zwei-Phasenmodell. Die Validierung an experimentell ermittelten Schwingfestigkeiten zeigt die Anwendbarkeit und das Potential des Modells. Die erreichte Prognosegüte für verschiedene Stahlwerkstoffe und Randbedingungen ist hoch. Durch die große Datenbasis ist es möglich, statistische Verteilungen dieser Eingangsparameter abzuleiten und im Rahmen stochastischer Monte-Carlo-Simulationen zu untersuchen. Das Potential lokaler Nachweiskonzepte für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung großer Stahlstrukturen kann damit eindeutig aufgezeigt werden.

Immer größere Abmessungen stellen die gesamte Wertschöpfungskette der Windindustrie vor große Herausforderungen. Eine effiziente Fertigung wird für die Unternehmen immer wichtiger, um dem steigenden Kostendruck standzuhalten und auch auf dem internationalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben. Im schweren Stahlbau ist das Schweißen die am weitesten verbreitete Fügetechnik. Durch den Einsatz neuartiger Hochleistungsfügeverfahren sollen zukünftig die Lagenanzahl und die Durchlaufzeit in der Fertigung verringert werden. Für diese alternativen Verbindungen ist nachzuweisen, dass die mechanisch‐technologischen Nahteigenschaften vergleichbar oder sogar besser sind. In diesem Beitrag liegt der Fokus insbesondere auf einer Beurteilung der Ermüdungsfestigkeit. Dabei werden sowohl konventionell Unterpulver (UP)‐geschweißte Stumpfstöße als auch Verbindungen, gefügt mit einer Verfahrenskombination aus UP‐ und Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre, experimentell und analytisch untersucht. Motiviert durch die Frage nach einer optimierten Ermüdungsbemessung mit Berücksichtigung lokaler Nahteigenschaften wurde die Nahtgeometrie aller Schwingproben zunächst vermessen. Um eine allgemeine Vergleichbarkeit dieser Messungen zu gewährleisten, werden Standards für diese Messaufgabe und die anschließende Aufbereitung der Daten vorgeschlagen. Die gemessenen Profile wurden in FE‐Modelle überführt und elastische Kerbfaktoren ermittelt. Bei ausreichender Profilanzahl entlang der Naht kann der spätere Anrissort eindeutig prognostiziert werden. Die statistische Auswertung der Kerbfaktoren in Kombination mit den Schwingversuchen zeigt abschließend einen direkten Zusammenhang zwischen geometrischer Kerbwirkung und Lebensdauer.