TY - JOUR A1 - Thöns, Sebastian A1 - Faber, M.H. A1 - Rücker, Werner T1 - Ultimate limit state model basis for assessment of offshore wind energy converters JF - Journal of offshore mechanics and arctic engineering N2 - This paper establishes the model basis regarding the ultimate limit state consisting of structural, loading, and probabilistic models of the support structure of offshore wind energy converters together with a sensitivity study. The model basis is part of a risk based assessment and monitoring framework and will be applied for establishing the 'as designed and constructed' reliability as prior information for the assessment and as a basis for designing a monitoring system. The model basis is derived considering the constitutive physical equations and the methodology of solving these which then in combination with the ultimate limit state requirements leads to the specific constitutive relations. As a result finite element models based on shell elements incorporating a structural and a loading model are introduced and described in detail. Applying these models the ultimate capacity of the support structure and the tripod structure are determined with a geometrically and materially nonlinear finite element analysis. The observed failure mechanisms are the basis for the definition of the ultimate limit state responses. A probabilistic model accounting for the uncertainties involved is derived on the basis of literature review and measurement data from a prototype Multibrid M5000 support structure. In combination with the developed structural and loading models, sensitivity analyses in regard to the responses are performed to enhance the understanding and to refine the developed models. To this end, as the developed models necessitate substantial numerical efforts for the probabilistic response analysis predetermined designs of numerical experiments are applied for the calculation of the sensitivities using the Spearman rank correlation coefficient. With this quantification of the sensitivity of the random variables on the responses including nonlinearity the refinement of the model is performed on a quantitative basis. KW - Condition monitoring KW - Failure analysis KW - Finite element analysis KW - Offshore installations KW - Probability KW - Risk analysis KW - Shells (structures) KW - Structural engineering KW - Wind power KW - Model basis KW - Offshore wind KW - Support structure KW - Sensitivity KW - Ultimate limit state PY - 2012 DO - https://doi.org/10.1115/1.4004513 SN - 0892-7219 VL - 134 IS - 3 SP - 031904-1 - 031904-9 CY - Fairfield, NJ AN - OPUS4-26358 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Thöns, Sebastian A1 - Rücker, Werner A1 - Faber, M.H. T1 - Support structure reliability of offshore wind turbines utilizing an adaptive response surface method T2 - OMAE 2010 - 29th International conference on ocean, offshore and arctic engineering T2 - OMAE 2010 - 29th International conference on ocean, offshore and arctic engineering CY - Shanghai, China DA - 2010-06-06 PY - 2010 IS - OMAE2010-20546 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-21666 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Faber, M.H. A1 - Thöns, Sebastian A1 - Narasimhan, H. A1 - Schubert, M. T1 - Risikobasierter Ansatz zur Bewertung der Robustheit von Bauwerken JF - Stahlbau N2 - Ziel des vorliegenden Beitrages ist es, einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Bewertung und der Quantifizierung der Robustheit von Bauwerken zu geben. In diesem Sinne ist eine Zusammenstellung von Ansätzen und Ergebnissen aktueller Veröffentlichungen enthalten. Ein umfassender entscheidungstheoretischer Ansatz für die Berechnung und das Management der Robustheit wird vorgestellt. Dieser beinhaltet die Definition der Robustheit als eine Qualität eines Systems, welches das Bauwerk beinhaltet, d. h. eine Qualität, die auf der Grundlage einer Risikoanalyse bewertet werden kann. Um eine umfassende Risikoanalyse zu ermöglichen, wird ein szenarienbasierter Modellansatz eingeführt, welcher zwei Arten von Konsequenzen im System unterscheidet: direkte Konsequenzen (in Verbindung mit Schäden einzelner Komponenten des Systems) und indirekte Konsequenzen (in Verbindung mit einem Versagen des Systems). Die Definition des Systems spielt deshalb für die Risikoanalyse eine wichtige Rolle, und es wird diskutiert, wie die Robustheit für verschiedene Definitionen zu unterschiedlichen Ergebnissen und Erkenntnissen im Sinne des Managements der Integrität des Bauwerks im gesamten Lebenszyklus unter Berücksichtigung seiner Funktionalität führt. Weiterhin werden wichtige Aspekte der Standardisierung der Robustheitsanalyse, wie auch Anforderungen an die Robustheit, diskutiert und Vorschläge zum Umgang mit diesen Aspekten unterbreitet. Auf der Grundlage der vorgestellten Ansätze zur Berechnung der Robustheit eines Bauwerks wird beschrieben, wie Entscheidungen in Bezug auf den Entwurf, die Zustandsbewertung, auf Inspektionen und Wartung sowie in Bezug auf die Überwachung von Bauwerken, in Hinblick auf das Management der Risiken in allen Phasen des Lebenszyklus, optimiert werden können. KW - Qualität KW - Risikoanalyse KW - Modellansatz KW - Konsequenz KW - Direkt KW - Indirekt KW - Versagen KW - Schaden KW - Lebenszyklus KW - Hängebrücke KW - Quality KW - Risk assessment KW - Model approach KW - Consequence KW - Direct KW - Indirect KW - Failure KW - Damage KW - Life-cycle KW - Suspension bridge KW - Entwurf und Konstruktion KW - Berechnungs- und Bemessungsverfahren KW - Bestandssicherung und Erhaltung PY - 2010 DO - https://doi.org/10.1002/stab.201001354 SN - 0038-9145 SN - 1437-1049 SN - 0932-6375 VL - 79 IS - 8 SP - 547 EP - 555 PB - Ernst CY - Berlin AN - OPUS4-21862 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Thöns, Sebastian A1 - Faber, M.H. A1 - Rücker, Werner T1 - Optimierung des Managements der Tragwerksintegrität für Offshore-Windenergieanlagen JF - Bautechnik N2 - Dieser Artikel enthält aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich des überwachungsgestützten Managements der Tragwerksintegrität. Das Management der Tragwerksintegrität hat zum Ziel, die Funktionalität eines Tragwerks während des gesamten Lebenszyklus durch Einhaltung der Zielzuverlässigkeiten sicherzustellen. Ausgehend von Forschungsergebnissen über die Charakteristik von Überwachungsverfahren und -daten im Rahmen von Zuverlässigkeitsanalysen, wird ein Ansatz vorgestellt, wie die erwarteten Kosten für das Management der Tragwerksintegrität durch Überwachungsverfahren optimiert werden können. Dazu wird eine Kosten-Nutzen-Analyse für den Lebenszyklus einer Gründungstruktur von Offshore-Windenergieanlagen durchgeführt. Im Rahmen der Bayes'schen Entscheidungstheorie werden durch eine Prä-posteriori-Entscheidungsanalyse die optimalen Entscheidungsparameter für den Entwurf eines Überwachungssystems bestimmt. Als Fallstudie wird ein Überwachungssystem für die Gründungsstruktur eines Multibrid-M5000-Prototyps konzipiert und die mögliche Reduktion der Risiken und erwarteten Betriebskosten quantifiziert. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- This paper contains recent research results in the field of monitoring supported structural integrity management. The structural integrity management aims at ensuring the functioning of a structure throughout the life cycle by compliance with the target reliabilities. Building upon research results concerning the characteristics of monitoring techniques and data within the framework of reliability analyses, an approach is introduced for the optimisation of the expected structural integrity management costs by monitoring information. For this aim, a life cycle cost benefit analysis for offshore wind turbine support structures is formulated. The optimal monitoring decision parameters are then assessed utilizing the Bayesian pre-posterior decision theory. As a case study a monitoring system for a Multibrid M5000 offshore wind turbine prototype support structure is designed and possible reductions of the risks and expected costs are quantified. KW - Management der Tragwerksintegrität KW - Messunsicherheit KW - Tragwerkszuverlässigkeit KW - Bayes'sche Aktualisierung KW - Kosten-Nutzen-Analyse KW - Lebenszyklus KW - Structural integrity management KW - Measurement uncertainty KW - Structural reliability KW - Bayesian updating KW - Cost-benefit analysis KW - Life cycle KW - Bauwerkserhaltung/Sanierung - Maintenance and Repair KW - Meerestechnik - Offshore engineering KW - Stahlbau - Steel construction PY - 2012 DO - https://doi.org/10.1002/bate.201200021 SN - 0932-8351 SN - 1437-0999 SN - 0005-6820 SN - 0341-1052 SN - 0932-6359 SN - 0932-8351 VL - 89 IS - 8 SP - 525 EP - 532 PB - Ernst & Sohn CY - Berlin AN - OPUS4-26313 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Faber, M.H. A1 - Thöns, Sebastian ED - Miraglia, S. ED - Vrouwenvelder, A.C.W.M. ED - Steenbergen, R.D.J.M. ED - Van Gelder, P.H.A.J.M. T1 - On the value of structural health monitoring T2 - 22nd ESREL conference 2013 - Safety, reliability and risk analysis: Beyond the horizon T2 - 22nd ESREL conference - Safety, reliability and risk analysis: Beyond the horizon CY - Amsterdam, The Netherlands DA - 2013-09-29 PY - 2014 SN - 978-1-138-00123-7 SP - 2535 EP - 2544 PB - Taylor & Francis AN - OPUS4-29894 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Thöns, Sebastian A1 - Faber, M.H. A1 - Rücker, Werner T1 - Fatigue and serviceability limit state model basis for assessment of offshore wind energy converters JF - Journal of offshore mechanics and arctic engineering N2 - This paper develops the models for the structural performance of the loading and probabilistic characterization for the fatigue and the serviceability limit states for the support structure of offshore wind energy converters. These models and a sensitivity study are part of a risk based assessment and monitoring framework and will be applied for establishing the 'as designed and constructed' reliability as prior information for the assessment and the design of monitoring systems. The constitutive physical equations are introduced in combination with the fatigue and serviceability limit state requirements as the starting point for the development of the structural performance and loading models. With these models introduced in detail, several modeling aspects for both limit states are analyzed. This includes analyses of the influence on the hot spot stresses by applying a contact formulation for the pile guide brace connection and the application of a finite element formulation using solid elements. Further, the comparison of the natural frequencies of a discrete rotor model with a continuous rotor model is documented. To account for uncertainties associated with the structural and loading models, a probabilistic model is derived on the basis of literature review and measurement data from a prototype Multibrid M5000 support structure. The sensitivity study is based on the calculation of a nonlinear coefficient of correlation in conjunction with predetermined designs of experiments. This is conducted by a systematic analysis of the influence of the random variables on limit state responses and hence on the structural reliability. Integrating the analyses and sensitivity studies of the fatigue and serviceability limit state models developed in this paper as well as the ultimate limit state models in Thöns et al. ('Ultimate Limit State Model Basis for Assessment of Offshore Wind Energy Converters,' ASME J. Offshore Mech. Arct. Eng.), the model basis for the assessment is completed. The process of establishing and analyzing such a model basis contributes to a detailed understanding of the deterministic and probabilistic characteristics of the structure and provides valuable insights in regard to the significance of available data. KW - Fatigue KW - Finite element analysis KW - Rotors KW - Wind power PY - 2012 DO - https://doi.org/10.1115/1.4004514 SN - 0892-7219 VL - 134 IS - 3 SP - 031905-1 - 031905-10 CY - Fairfield, NJ AN - OPUS4-26437 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Thöns, Sebastian A1 - Rohrmann, Rolf A1 - Rücker, Werner A1 - Faber, M.H. T1 - Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Baustrukturen in Offshore-Windenergie-Anlagen JF - Stahlbau N2 - Das Bauwerk einer Windenergieanlage dient der Sicherstellung der Energieproduktion. Eine entsprechende Zuverlässigkeit der Struktur und deren permanente Bewertung und Unterhaltung ist dazu notwendig. In diesem Beitrag werden Möglichkeiten der Bewertung des für die Struktur wichtigen Schädigungsmechanismus Ermüdung sowie dessen Überwachung in Zusammenhang mit Schädigungsindikatoren aufgezeigt. Dabei wird auf strukturmechanische, werkstoffmechanische und probabilistische Modelle sowie auf Messdaten eines Prototyps einer OWEA zurückgegriffen. Ausgehend von der gesamtdynamischen Berechnung wird die Zuverlässigkeit gemäß der Auslegung für den Schädigungsmechanismus Ermüdung durch ein Wöhlerlinienmodell berechnet. Damit werden ermüdungssensible Komponenten der Struktur identifiziert. Schädigungsindikatoren zur Überwachung der Ermüdungsfestigkeit werden auf Grundlage schädigungs-äquivalenter Dehnungen vorgestellt. Fatigue assessment of support structures for offshore wind energy converters. The structure of wind energy converters secures a reliable energy production. Hence an adequate reliability of the structure and additionally permanent assessment and maintenance is required. Within this paper methods for the assessment of the important damage mechanism fatigue in combination with monitoring of the fatigue reliability utilizing damage indicators are proposed. These methods comprise structural system, material degradation and probabilistic models as well as monitoring data of an offshore wind energy converter prototype. The structural reliability of the structure as designed is calculated based on an overall dynamic analysis using a SN-approach. Herewith fatigue sensitive components are identified. Damage indicators for monitoring the fatigue reliability based on damage equivalent strains are presented. KW - Bewertung KW - Offshore-Windenergie KW - Ermüdung KW - Strukturspannungskonzept KW - Zuverlässigkeit KW - Schadensindikatoren KW - Integrated Monitoring System KW - Damage Identification KW - Load Monitoring KW - Wind turbines PY - 2008 DO - https://doi.org/10.1002/stab.200810076 SN - 0038-9145 SN - 1437-1049 SN - 0932-6375 VL - 77 IS - 9 SP - 630 EP - 638 PB - Ernst CY - Berlin AN - OPUS4-17977 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -