Korrelation und Richtungsabhängigkeit extremer Einwirkungsparameter in der Deutschen Bucht
Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Forschungsvorhaben wurden mehrjährige Messzeitreihen der Forschungsplattformen FINO1 und FINO3 statistisch ausgewertet und zwei stochastische Modelle zur kombinierten Beschreibung extremer Einwirkungsparameter für Offshore-Strukturen entwickelt. Durch die Verwendung von synchron erfassten Messzeitreihen wurden Modellunsicherheiten, wie sie bei simulierten Hindcast-Daten oder bei zusammengesetzten Zeitreihen mehrerer Messstandorte entstehen, ausgeschlossen. Als Grundlage für die Auswertungen wurde eine Datenbank zeitgleich gemessener Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie signifikanter Wellenhöhen und Wellenrichtungen angelegt. Der Beobachtungszeitraum beträgt zehn Jahre. Für die Wahl eines einheitlichen methodischen Vorgehens wurden in über 170 systematisch durchgeführten Extremwertanalysen unterschiedliche Analyseverfahren, Verteilungsfunktionen und Methoden zur Parameterschätzung an Messzeitreihen der Windgeschwindigkeit und signifikanten Wellenhöhe beider Messstandorte verglichen. Auf diese Weise konnte ein validiertes einheitliches Vorgehen in der Extremwertanalyse gewählt werden, bei dem die betrachteten Einwirkungsparameter bestmöglich beschrieben werden und eine Vergleichbarkeit der betrachteten Standorte gewährleistet ist. Als Maß für die Eignung einer Verteilungsfunktion oder Schätzmethode wurde die Anpassungsgüte nach verteilungsunabhängigen Anpassungstests, dem Chi-Quadrat- und dem Kolmogorow-Smirnow-Test, verwendet. Auf Grundlage der Untersuchungen wurde die Block-Maxima-Methode zur Stichprobenerhebung in Kombination mit der dreiparametrigen Weibull-Verteilungsfunktion für Größtwerte für die Extremwertanalyse der Windgeschwindigkeiten und signifikanten Wellenhöhen festgelegt. Für die Parameterschätzung wurde die Maximum-Likelihood-Methode gewählt. Mit diesem einheitlichen Vorgehen wurden für die Einwirkungsparameter an den untersuchten Standorten vergleichbare Extremwertanalysen gewährleistet, welche auf geeigneten und optimal angepassten Verteilungsfunktionen basieren. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden zwei Ansätze für die Entwicklung von Kombinationsmethoden für extreme Windgeschwindigkeiten und signifikante Wellenhöhen verfolgt. Im sogenannten richtungsbedingten Kombinationsansatz wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Richtungsabhängigkeit der betrachteten Einwirkungsparameter Windgeschwindigkeit und signifikante Wellenhöhe für die Beschreibung der Kombination verwendet werden kann. Diese Annahme wurde durch die Untersuchungen bestätigt und es konnte ein richtungsbedingter Kombinationsansatz entwickelt und validiert werden. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Daten unterschiedlicher Messstandorte deutete auf eine starke Ortsabhängigkeit dieses Ansatzes hin. Bei der zeitlich bedingten Kombinationsmethode wurden zeitgleich auftretende Extremereignisse als Extrapolationsgrundlage verwendet und statistisch ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass die Unabhängigkeit des Ergebnisses einer Extremwertanalyse vom Bezugszeitintervall auch für zeitlich bedingte Werte gilt. Das heißt, dass Extremwertanalysen auf Basis der zeitgleich mit den Extremwerten eines Bezugszeitintervalls auftretenden weiteren Einwirkungsparameter zu konstanten bedingten Werten einer definierten mittleren Wiederholungsperiode führen. Der erforderliche Beobachtungszeitraum war dabei bei den untersuchten Messzeitreihen sehr viel kürzer als die festgelegte mittlere Wiederholungsperiode (hier 1/5 bei den Auswertungen der FINO1-Daten). Ausgehend von dieser Erkenntnis wurden Kombinationswerte für zeitgleich auftretende extreme Windgeschwindigkeiten und signifikante Wellenhöhen in Abhängigkeit von den extremen Einzelereignissen bestimmt. Die in dieser Arbeit entwickelte zeitlich bedingte Kombinationsmethode ist standort- und parameterunabhängig. Mit ihr können gemeinsam auftretende Extremereignisse beliebiger mittlerer Wiederholungsperioden bestimmt werden. Der Datenbedarf der entwickelten Kombinationsmethode entspricht dem Datenbedarf einer Extremwertanalyse eines unabhängigen Einzelereignisses. Abschließend wurden die Ergebnisse der zeitlich bedingten Kombinationsmethode mit dem sogenannten Konturplotverfahren verglichen und für die angesetzte Datengrundlage eine realistischere Beschreibung der Kombination durch den entwickelten Ansatz nachgewiesen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Directional Dependence of Extreme Load Parameters for Offshore Wind Turbines. Proceedings of the 25th (2015) International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE), Kona, Big Island, Hawaii, USA. ISSN: 1098-6189, ISBN: 978-1-880653-89-0
Schmidt, B.; Hansen, M.; Marx, S.
- Measurement Based Investigation of Directional Dependence of Extreme Load Parameters for Offshore Wind Turbines. Proceedings of the 12th German Wind Energy Conference (DEWEK) 2015, Bremen, Germany, 19.-20. Mai 2015
Schmidt, B.; Marx, S.; Hansen, M.
- Kombinierte Extrembelastung von Offshore-Windenergieanlagen. Dissertation, Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie, Leibniz Universität Hannover, 2017
Schmidt, B.
