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Organisationseinheit der BAM
- 7 Bauwerkssicherheit (44)
- 9 Komponentensicherheit (43)
- 7.2 Ingenieurbau (28)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (28)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (18)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (11)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (11)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (11)
- 5 Werkstofftechnik (10)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (10)
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Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
Die Automobilindustrie sucht nach Lösungen, um Emissionen zu reduzieren, und nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen, deren Verfügbarkeit über die nächsten Dekaden abnehmen wird. Aus diesem Grund gewinnen komprimiertes Erdgas sowie Wasserstoff als Energieträger zunehmend an Bedeutung. Um befriedigende Reichweiten mit komprimiertem Gas zu erreichen, wird ein Betriebsdruck von 20 MPa bis zu 70 MPa (nur Wasserstoff) angewandt. Die Hochdruckbehälter müssen die statischen und die dynamischen Innendruck- sowie die thermische Belastung ertragen. Gleichzeitig soll der Behälter eine sichere, aber auch eine wirtschaftliche Leichtbaustruktur sein, welche nur mit Hybridstrukturen (Metall- oder Polymerliner mit Kohlefaser- bzw. Glasfaserumwicklung an der Außenseite) realisiert werden kann. Wegen der Vielzahl an veränderlichen Produktionsparametern zeigen Composite- und speziell Hybridstrukturen große Streuungen in ihrem Strukturverhalten. Die dargestellten Versuchsdaten, welche an industriell gefertigten Composite-Hybriddruckbehältern gemessen wurden, zeigen dieses Problem. Um das Material im Sinne des Leichtbaus effizient zu nutzen und um gleichzeitig einen hohen Grad an Sicherheit mit reproduzierbarem Strukturverhalten zu realisieren, wird ein besseres Verständnis für das Verhalten des Hybriddesigns benötigt. Neben der Betrachtung der Imperfektionen im Composite und der benötigten Messmethoden für die Charakterisierung der Strukturparameter ist das Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit die Simulation des Eigenspannungszustandes, resultierend aus der Produktion und dem Betrieb, sowie dessen Auswirkung. Um den Einfluss der verschiedenen Strukturparameter auf das Verhalten des Hochdruckbehälters mittels einer Sensitivitätsanalyse zu untersuchen, wurde ein geschlossen analytisches parametrisiertes Modell erstellt. Für die effektive Parametervariation sind hierfür analytische Modell von Vorteil im Vergleich zu FEM-Modellen. Das vorgestellte nichtlineare analytische Modell berücksichtigt den Einfluss des Eigenspannungszustandes des Autofrettageprozesses, in welchem der Liner kontrolliert durch Innendruck plastifiziert wird. Ebenso werden die Steifigkeitsdegradation infolge von Zwischenfaserbrüchen im Composite bei der Erstbeanspruchung (Degradationsmodell nach Puck), die thermischen Eigenspannungen infolge der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der temperaturabhängige E-Modul des Harzsystems berücksichtigt. Die umfangreichen Versuchsdaten validieren die analytische Simulation zufriedenstellend. Die Simulation zeigt, dass der Schichtspannungszustand inklusiv des Eigenspannungszustandes stark von den Parametern Temperatur und Innendruck während der Produktion sowie im Betrieb abhängig sind. Diese Effekte sind bei einer erweiterten Spannungsanalyse der Behälterstruktur zu berücksichtigen.
Die Versalzung und Verunreinigung von Metalloberflächen durch chloridhaltige Aerosole hat eine große Bedeutung für das Korrosionsverhalten von beschichteten Metalloberflächen im maritimen Bereich und bei Offshore-Anwendungen. So ist z. B. zu klären, ob und in welchem Maße eine Versalzung der Oberfläche Einfluss auf die Haftung und Dauerhaftigkeit von Beschichtungen hat. Dafür sind Detailfragen zu klären, etwa mit welcher Versalzung nach welchem Zeitraum zu rechnen ist oder wie für systematische Untersuchungen eine definierte und reproduzierbare Versalzung im Labor nachgestellt werden kann. Der Beitrag widmet sich diesen Fragestellungen. Es werden Ergebnisse eines Feldversuches auf Helgoland gezeigt und ein einfaches Verfahren zur definierten Beladung von Metalloberflächen mit Chloriden im Labormaßstab vorgestellt.
Zum Schutz vor Korrosionsprozessen werden metallene Werkstoffe in der Automobilindustrie üblicherweise mit komplexen Beschichtungssystemen versehen. Durch eine Beschädigung des Beschichtungssystems kann bei Zutritt von Feuchtigkeit und korrosionsstimulierenden Ionen das Metallsubstrat korrodieren und unter Umständen die Beschichtung im Bereich neben der Verletzung enthaften. Dabei gibt es verschiedene Mechanismen, die zu einer Unterwanderung und Enthaftung der Beschichtung führen können. In jedem Fall wird aber die Dauerhaftigkeit des Korrosionsschutzes negativ beeinflusst und die Lebensdauer des Bauteils herabgesetzt.
Die Industrie versucht deshalb, Beschichtungssysteme zu entwickeln, die dem Vorgang der kathodischen Enthaftung bestmöglich widerstehen können. Einen kritischen Entwicklungs- und Qualifizierungsschritt stellt dabei die geeignete Prüfung auf kathodische Unterwanderung und Enthaftung dar, da eine Prüfung der Beschichtung möglichst schnell und kosteneffizient zu belastbaren Ergebnissen führen soll. Neben den industriell üblichen Salzsprühnebeltests kommen häufig elektrochemische Polarisationstests zur Anwendung. Verschiedene Automobilherstellerhaben verwenden jeweils angepasste Tests, die sich bezüglich der Prüfparameter unterscheiden. Bei allen Testvarianten wird aber versucht, durch Verschärfung der Prüfparameter kurze Prüfzeiträume zu erreichen. Dabei kann es aber dazu kommen, dass die real ablaufenden Mechanismen der Unterwanderung beeinflusst und verändert werden und das Prüfergebnis von Ergebnissen im Feld zum Teil stark abweicht.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem ausgewählten Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Qualitätsprüfungen betrachtet. Durch den Ansatz der statistischen Versuchsplanung wird der Einfluss einzelner Prüfparameter auf die Enthaftung und das Ergebnis des Kurzzeittests gezeigt.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich ausgelotet.
Vorstellung der Korrosionsuntersuchungen im Rahmen des Themenfeldprojektes LeBeWind an der BAM
(2017)
Im Vortrag wird das Teilprojekt Korrosion des Themenfeldprojektes LeBeWind vorgestellt. Dabei werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich hinterfragt. Zusätzlich werden die Problemstellungen bei der Versalzung von metallischen Oberflächen im maritimen und Offshore-Bereich betrachtet.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich ausgelotet.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich ausgelotet.
Das Ziel des Verbundforschungsvorhabens KKS-Gründung war die Entwicklung eines Monitoringsystems zur Erfassung von Korrosion an Gründungsstrukturen im Labormaßstab. Dafür war eine umfassende Bewertung und Beschreibung korrosionsbeeinflussender Faktoren und der Korrosionssysteme notwendig. Im Vorhaben KKS-Gründung wurde die Gründungsstruktur unterhalb der Wasserlinie betrachtet bis hin zum anaeroben Bereich im Sediment. Insbesondere der Sedimentbereich wurde bisher nur unzureichend betrachtet. Da die komplexen Mechanismen in der Sedimentzone noch nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht wurden, mussten Möglichkeiten entwickelt werden, um diese zu bewerten.
Im Verbundforschungsvorhaben KKS-Gründung agierte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als Forschungsstelle. Die Hauptziele des Teilvorhabens der BAM waren die Bereitstellung einer Messumgebung für das von den Partnern entwickelte Monitoringsystem, die umfassende wissenschaftliche Beschreibung der Korrosionssysteme im Unterwasserbereich und Sediment sowie die Gewinnung von Messdaten zur Verifizierung und Überführung in die Simulation. Als Forschungsstelle war die BAM der Ansprechpartner für die Verbundpartner bei wissenschaftlichen Fragestellungen.
Die Hauptziele des Vorhabens wurden erreicht und es wurden grundlegende Erkenntnisse zum Korrosionsverhalten von Offshore-Stahl im Unterwasser und Sedimentbereich gewonnen. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse zum Betrieb eines Laborcontainers und zur Nachstellung von Korrosionssystemen in Meerwasserbecken bei Verwendung von künstlichem Meerwasser und Sand als Sediment gewonnen. Eine Beschreibung und Bewertung der Korrosivität und ablaufender Reaktionen in den einzelnen Belastungszonen wurde mittels elektrochemischer und gravimetrischer Verfahren vorgenommen.
Die Versalzung und Verunreinigung von Metalloberflächen durch chloridhaltige Aerosole hat eine große Bedeutung für das Korrosionsverhalten von beschichteten Metalloberflächen im maritimen Bereich und bei Offshore-Anwendungen. So ist z. B. zu klären, ob und in welchem Maße eine Versalzung der Oberfläche Einfluss auf die Haftung und Dauerhaftigkeit von Beschichtungen hat. Dafür sind Detailfragen zu klären, etwa mit welcher Versalzung nach welchem Zeitraum zu rechnen ist oder wie für systematische Untersuchungen eine definierte und reproduzierbare Versalzung im Labor nachgestellt werden kann. Der Beitrag widmet sich diesen Fragestellungen. Es werden Ergebnisse eines Feldversuches auf Helgoland gezeigt und ein einfaches Verfahren zur definierten Beladung von Metalloberflächen mit Chloriden im Labormaßstab vorgestellt.
Offshore wind turbines enter unknown territory, especially where the foundations are concerned. This is because offshore wind power can only make use of the experience from the common offshore constructions used by the oil and gas industry to a limited extent. The offshore wind industry has tried to reduce foundation dimensions, especially the pile lengths, as much as possible compared with those of the oil and gas industry. This is because with the large number of wind turbines involved it can provide considerable economic advantages. On the other hand, the stability of the foundations is additionally at risk because due to the much larger number of cyclic loads they are subjected to it is very difficult to predict how they will behave. Since offshore wind farms are manufactured in series, every systematic fault in the foundation acts as a series fault for a large number of turbines. This calls for monitoring – and the right dimensions of pile foundation, the most common type of foundations used for wind turbines
Offshore-Windenergie betritt Neuland, gerade bei der Gründung. Denn Windenergie auf See kann die Erfahrungen der gängigen Offshore-Konstruktionen der Öl- und Gasindustrie nur bedingt nutzen. Mehr als dort, versucht man bei der Offshore-Windenergie, die Gründungsabmessungen – insbesondere die Pfahllängen – soweit wie möglich zu reduzieren. Denn dies kann bei der hohen Anzahl der Windenergieanlagen erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Andererseits wird die Standsicherheit der Gründungen durch den viel höheren Anteil an zyklischen Lasten gegenüber den gängigen Offshore- Strukturen in schwer einschätzbarer Weise zusätzlich gefährdet. Da Offshore-Windenergieanlagen in Serienfertigung produziert werden, wirkt sich hier jeder systematische Fehler bei der Gründung dann gleich als Serienfehler auf eine Vielzahl von Anlagen aus. Überwachung ist also angesagt – und das richtige Maß bei der Pfahlgründung, der am meisten verwendete Fundamenttyp bei Windenergieanlagen.
Dieser Kurzvortragg erläutert nichtlineare Phänomene die angesichts der aktuell wachsenden Dimensionen von Monopfahlgründungen für Offshorewindenergieanlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Insbesondere wird dabei auf das Pfahlfußbeulen sowie das Schalenbeulen des bereits installierten Pfahles eingegangen.
Faserverbundwerkstoffe besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Die Anzahl der elastischen Größen und Festigkeiten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ist dadurch größer als zum Beispiel bei isotropen Werkstoffen. Die Festigkeiten und die Steifigkeiten in den verschiedenen Laminatrichtungen unterscheiden sich darüber hinaus um bis zu zwei Größenordnungen. Abhängig von der Belastungsart versagen Faserverbundwerkstoffe spröde oder duktil. Der Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in den verschiedenen Richtungen kommt daher eine grundlegende Rolle zu. Insbesondere die Bestimmung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ist aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Last-Verformungs-Verhaltens schwierig und mit den bestehenden Auswerteroutinen genormter Prüfverfahren teilweise fehlerbehaftet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Analyse der Schubeigenschaften in der Laminatebene durch eine neu entwickelte Schubvorrichtung, die eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Für die Probekörper dieser Schubvorrichtung wird auf der Grundlage von Messergebnissen ein lastabhängiges Modell der Schubspannungsverteilung entwickelt, das die Materialnichtlinearität berücksichtigt und bei der Analyse der Versuchsergebnisse zur Anwendung kommt. In vergleichenden Untersuchungen der Interaktion benachbarter Schichten an glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten mit ein- und zweiachsiger Orientierung kann gezeigt werden, dass bei identischem Schubspannungszustand in den Einzelschichten bis zu 60% größere Schubfestigkeiten der zweiachsig verstärkten Verbunde vorliegen. Die orthogonal verstärkten Laminate sind schadenstoleranter, da sich Zwischenfaserbruche nicht ungehindert ausbreiten können, sondern an den um 90° gedrehten Fasern gestoppt werden. In Laminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung führt dagegen der erste Riss unmittelbar zum Trennbruch. Die Verifizierung dieser Beobachtung erfolgt mittels des Verfahrens der Röntgenrefraktions- topographie. In Schubzugversuchen erfolgt die Korrelation der mechanischen Belastungssituation mit der mikrostrukturellen Analyse der inneren Schädigungsentwicklung des Werkstoffs. An zweiachsig verstärkten Kohlenstofffaserlaminaten unter Zwischenfaserbruchbeanspruchung kann gezeigt werden, dass die Degradation der intralaminaren Schubsteifigkeit mit der Zunahme an inneren Oberflachen als Maß für die Zwischenfaserbruchdichte einhergeht. Einachsig verstärkte Verbunde versagen dagegen relativ spröde bereits durch den ersten Zwischenfaserbruch und damit ohne Zunahme der Mikrorissdichte. Die Zusammenfassung der Erkenntnisse spiegelt sich in der Verbesserung des Auswerteverfahrens des in DIN EN ISO 14129 genormten Schubzugversuchs wider. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitat des Schubmoduls und der Faserrotation infolge der großen Verformungen während des Schubzugversuchs erfolgt in einem Iterationsprozess die stuckweise Anwendung der Klassischen Laminattheorie zur Bestimmung der Einzelschichtspannungen. Die Bewertung der Ergebnisse des Schubzugversuchs mit diesem Analyseverfahren hinsichtlich der Belastungsgrenzen resultiert in einer guten Übereinstimmung mit dem Festigkeitsmodell nach Puck. Die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der intralaminaren Schubfestigkeit mittels des in der industriellen Anwendung weit verbreiteten Normversuchs.
Eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung und Errichtung von Windenergieanlagen, sowohl auf See als auch an Land, erfordert zunehmend den Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle. Werden nach dem Schweißen dieser hochfesten Konstruktionen unzulässige Defekte detektiert, sind nach geltenden Verarbeitungsrichtlinien die defekten Bereiche durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen zu reparieren. Fehlende Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten in den Regelwerken bedingen oftmals eine unzureichende Berücksichtigung dabei auftretender zusätzlicher Beanspruchungen durch die erhöhte Schrumpfbehinderung der Ausfugenuten. Zusätzlich haben die ausführenden Betriebe vielfach kaum Kenntnis über die Degradation angrenzender Gefüge durch thermische Ausfugeprozesse und erneutes Schweißen, die in diesem Zusammenhang besonders bei den hochfesten Stählen als kritisch anzusehen sind. Das aktuelle Forschungsvorhaben der BAM (FOSTA P1311/IGF-Nr.20162N) fokussiert hierfür systematisch bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der Reparatur von hochfesten Schweißverbindungen. Wesentlich sind hierbei der Einfluss der Schrumpfbehinderung, der Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie der Reparaturzyklenanzahl und die metallurgischen Aspekte bei den hochfesten Güten S500MLO für zukünftige Offshore-Anwendungen und S960QL für aktuelle Mobilkrananwendungen. Aufbauend auf einigen Studien zur schweißbedingten Beanspruchung hochfester Stähle zeigt der vorliegende Beitrag die Identifikation geeigneter Probengeometrien und Schweißdetails mittels numerischer und experimenteller Analysen. Dadurch wird die Übertragbarkeit der vorgestellten Schweißexperimente und Ergebnisse hinsichtlich der resultierenden Schweißeigenspannungen auf reale Reparaturfälle im Bereich des hochfesten Stahlbaus sichergestellt. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen eine signifikante Erhöhung der Beanspruchungen an den variierten schlitzförmigen Prüfnähten. Das Eigenspannungsniveau sowohl im Schweißgut als auch in der WEZ korreliert mit dem Einspanngrad. Mit dem Ziel beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte zu erarbeiten, sind zum einen geringere Wärmeinbringungen, besonders durch niedrige Zwischenlagentemperaturen und Einspannbedingungen anzustreben, um hohe Beanspruchungen und kritische Gefügedegradationen im Reparaturbereich zu vermeiden. Dies wird durch systematische Untersuchungen zum Ausfugen und Schweißen sowie letztlich dem Transfer von Verarbeitungsempfehlungen für die Anwender und Richtlinien erreicht.
Für eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung von Windkraftanlagen ist der Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle vielfach notwendig. Bei der Montage hochfester Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Derzeitige Normen und Verarbeitungsrichtlinien geben hierbei kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten, insbesondere für hochfeste Stähle. Vor diesem Hintergrund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der schweißtechnischen Reparatur durch lokales thermisches Ausfugen und erneutes Schweißen durchgeführt.
Hierzu werden einige wesentliche Ergebnisse an Beispielen des Ingenieurbaus, mit Blick auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen erörtert. In einem aktuellen Vorhaben (FOSTA P1311, IGF 20162N) sind darauf aufbauend die Einflüsse durch die Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Reparaturschweißen hochfester Feinkornbaustähle (S500MLO, S960QL) sowie die Reparaturzyklenanzahl Fokus systematischer Untersuchungen. Mittels strukturmechanischer Berechnungen ließen sich hierzu selbstbeanspruchende Probenformen identifizieren, die unterschiedliche definierte Steifigkeitsverhältnisse von Reparaturschweißnähten realer Bauteile abbilden. Schweißnähte an diesen bauteilähnlichen Proben weisen signifikant erhöhte schweißbedingte Beanspruchungen mit zunehmenden (Biege-)Einspanngraden auf. Im Vergleich mit bisherigen Erkenntnissen wird gezeigt, dass eine sichere Reparatur solcher Schweißnähte nur mittels optimaler Reparaturkonzepte und Wärmeführung gelingt, um diesen hohen Beanspruchungen und auch den speziellen Gefügen hochfester Stähle Rechnung zu tragen.
Ziel der Untersuchungen ist es letztlich, Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte gerade für KMU abzuleiten, um Schäden und zumeist teure Nacharbeiten zu vermeiden.
Derzeit ist die Instandhaltung von großen Betontragwerken wie Brücken oder Windenergieanlagen problemorientiert und von einem reaktiven Vorgehen geprägt. Das bedeutet, erst wenn sichtbare Schäden vorliegen, werden diese meist unter Beeinträchtigung des Betriebs instand gesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung von prädiktiven Instandhaltungsstrategien, deren Fokus in der langfristigen Bauwerksüberwachung und der Vorhersage von Schädigungsentwicklungen liegt, wurde die Anwendung von Ultraschallverfahren für die Identifizierung der Degradationsprozesse von Betontragwerken unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht. Hierzu fanden Arbeiten im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat zum "Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton" an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zu den "Methoden zur Zustandsanalyse von Windenergieanlagen" am Institut für Massivbau (IfMa) der Leibniz Universität Hannover (LUH) statt, welches zudem vom Deutschen Beton- und Bautechnik Verein e.V. (Forschungsvorhaben DBV-311) gefördert wurde. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung wie die Probekörpergröße, das Belastungsniveau und die Betonfestigkeit untersucht. Als Schädigungsindikator und Vergleichsparameter wurden die Ultraschallgeschwindigkeit und der dynamische E-Modul des Betons verwendet. Um das Potential der Schädigungserfassung im Beton mittels Ultraschallprüfung umfassender zu bewerten, wurden zusätzlich Versuche an Betonproben unter monoton steigender Belastung, Kriechversuche, Temperaturversuche und Untersuchungen an großformatigen Balken durchgeführt.
Interdigital transducers (IDTs) are a well-known tool for excitation of surface acoustic waves. The use of IDTs is versatile, but they are most commonly employed as actuators for excitation of ultrasonic guided waves (UGWs). However, they are still a relatively new technology, which leaves many possibilities for future research, especially in the scope of newly emerging structural health monitoring (SHM) systems. IDTs offer low weight, design flexibility and beam directivity, which make them ideal candidates for employment in such systems.
Due to the IDTs’ and waves’ complexity, problems often cannot be described analytically, therefore they require numerical solutions and experimental validations. In this contribution, a novel, simple use of IDTs, in the scope of SHM is described. Firstly, numerical findings acquired with finite element method are presented. To validate those results, experiments in a plate-like waveguide are carried out. A good agreement between them is found. The results show the potential of the IDTs in yet another prospective application, which could be attractive for adoption in the future.
In diesem Artikel wird ein 3D FE-Modell für den Brückenübergangsbereich vorgestellt, das eine Bewertung hinsichtlich des Langzeitverhaltens ermöglicht und an dem Optimierungsmaßnahmen diskutiert werden können. Bestandteile des numerischen Modells sind das Fahrzeug-Fahrwegmodell mit Brückenstruktur und eine Randformulierung mit der SBFEM. Die hier diskutierten Optimierungsmaßnahmen fokussieren sich auf eine reine Anpassung der Fahrwegsteifigkeit durch elastische Elemente auf der Brückenstruktur.
We introduce a new concept that enables a decision analyst to explore and quantify the benefits of decision alternatives that exceed the scope of a pre‐posterior decision or value of information analysis. This new concept, namely, the expected value of sample information and action analysis, facilitates to examine decision alternatives that become only possible with additional knowledge. The concept is introduced by taking basis in proof load testing as a source of (pre‐)posterior knowledge. Pre‐posterior decision analysis is necessary in order to optimize the structural design through proof loading information. The application of the common value of information Analysis and the new value of information and action analysis are demonstrated in a case study.
Abschließend kann gesagt werden, dass dieses Buch umfassend in die einzelnen Bereiche der Physik einführt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und der Kombination von Lehr- und Arbeitsbuch eignet es sich sehr gut zum Selbststudium. Für den Weg zum Seminar ist es aufgrund seines Gewichtes eher nichts. Es wird jedoch seinem Anspruch, ein unentbehrlicher Begleiter für das Physikgrundstudium zu sein, in jeder Hinsicht gerecht.
To cope with the increase in the manufacturing and operation of wind turbines, wind farm operators need inspection tools that are able to provide reliable information while keeping the downtime low. Current inspection techniques require to stop the wind turbine. This work presents the current progress in the project EvalTherm, in which passive thermography is evaluated as a possible non-destructive inspection tool for operational wind turbine blades (WTBs). A methodology to obtain thermal images of rotating WTBs has been established in this project. However, the quality of the results is heavily dependent on various aspects such as weather conditions, information on the inspected WTB, damage history, etc. In this work, a section of a used WTB is simulated using finite-element modelling (FEM) as well as experimentally tested for evaluating the accuracy of the model. Such a model will provide insight into the potential thermal response of a certain structure (with specific material properties) in given weather (boundary) conditions. The model is able to provide satisfactory predictions of the thermal response of the structure, as well as indicate what thermal contrast(s) result from artificial defects introduced in the structure.
A steady increase of wind energy infrastructure [1] brings along a challenge of maintaining and operating wind turbines (WT) with its multiple components. Inspection of wind turbine rotor blades (WTB) is an important part of maintaining the overall health and safety of a WT. It involves visually or mechanically examining the blades for signs of damage or wear that could affect their performance and structural integrity of the entire WT. A WTB is a complex structure due to its ever-increasing scale (going beyond 100 m for a 16 MW WT [2]) as well as multi-material construction. Passive infrared thermography offers an alternative to contact- or proximity-based inspection techniques currently in use such as visual inspection performed by technical personnel (using a lift or a drone) and involves looking for signs of damage on the surface of the blades, and ultrasonic testing to detect internal defects. In contrast to active thermography, passive thermography uses the sun as source of heat, instead of conventional heat lamps, flash, or laser. An inspection technique to (semi-autonomously) inspect the WTBs of an operating WT from the ground has been developed [3]. Given the optimum thermal contrast (weather conditions for field measurements), external as well as internal features of the WTB can be visualised with appropriate post-processing. The work presented here is part of an ongoing multi-partner project titled “EvalTherm”: the evaluation of passive thermography as a non-destructive inspection tool of WTBs in operation. In this work, artificial defects representative of realistic defects in glass fibre reinforced plastic (GFRP) WTBs are introduced in out-of-service WTB pieces. These are scanned using X-ray computed tomography to obtain a three-dimensional reconstruction to be used as input for finite-element based thermal simulation using COMSOL Multiphysics. The simulation data is compared with infrared thermal inspection of the same WTB section, in order to compare the effect of thermal contrast caused in certain weather conditions. In addition, the influence of defect characteristics such as defect size, morphology, and location on detectability is investigated. Validated simulation models are used to predict thermal signatures of defects along with the optimal thermal contrast. Such simulation models in combination with weather forecast data can assist operators of wind turbine infrastructure to plan passive thermography inspection without the need of dangerous inspection procedures and associated shutdown of energy production.
Weather-dependent passive thermography and thermal simulation of in-service wind turbine blades
(2023)
. To cope with the increase in the manufacturing and operation of wind turbines, wind farm operators need inspection tools that are able to provide reliable information while keeping the downtime low. Current inspection techniques require to stop the wind turbine. This work presents the current progress in the project EvalTherm, in which passive thermography is evaluated as a possible non-destructive inspection tool for operational wind turbine blades (WTBs). A methodology to obtain thermal images of rotating WTBs has been established in this project. However, the quality of the results is heavily dependent on various aspects such as weather conditions, information on the inspected WTB, damage history, etc. In this work, a section of a used WTB is simulated using finite-element modelling (FEM) as well as experimentally tested for evaluating the accuracy of the model. Such a model will provide insight into the potential thermal response of a certain structure (with specific material properties) in given weather (boundary) conditions. The model is able to provide satisfactory predictions of the thermal response of the structure, as well as indicate what thermal contrast(s) result from artificial defects introduced in the structure.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided in two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the cyclic pile fatigue and the so-called pile setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of these two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
Deep foundations for offshore wind turbines. Lecture 2: lateral behaviour and advanced topics
(2020)
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures. The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
This presentation provides an overview on general issues related to erosive failures in civil constructions like hydraulic infrastructures and offshore foundations. A brief introduction to the related research activities of BAM in the field of offshore wind energy is first provided, and the general possibilities for micromechanical modelling approaches are outlined. Finally, the ongoing DFG-ANR research project COMET is introduced.
This talk provides a brief introduction on general engineering challenges for the offshore (marine) wind energy production, focusing on material, structural and hydromechanical aspects.
The talk begins with a broad overview on general trends for offshore wind-farms, with insights on some characteristic structural features and their associated loads. Then, some particular open issues for the foundation of the offshore wind turbines into the seabed are introduced. Here, different research approaches are discussed, from experimental investigations to coupled computational analysis at micro- and macroscopic scales.
In the second part of the seminar, both the hydromechanical Wave–Tower interaction and some general aspects of the windfarm aerodynamics (wake analysis) are discussed. Some modelling possibilities in the frame of CFD (computational fluid dynamics) are introduced and the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
Summing up, this seminar aims to show that: i) Numerical analysis of the turbine’s interaction with wind/waves and with the seabed is both useful and affordable. ii) Simplified models can provide an insight into windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
Driven steel piles are commonly used as deep foundations for a wide range of engineering structures, particularly in the offshore branch. They are also an interesting example among the broad spectrum of geotechnical applications where the fluid-solid interaction at the pore-scale can play a major role for the macromechanical behaviour of the whole system.
In the context of the geotechnical practice for offshore wind-farm structures, both the industrial design and the actual dimensions of the large piles used as foundations in the seabed are often driven by factors such as the soil resistance to driving (SRD), which are still not well understood and often estimated based on mere empirical correlations or overly simplified one-dimensional models. In particular, the role of the micromechanical effects during the installation process (e.g. local dilatancy or contractancy) and their consequences on the pore pressure levels at the pile-tip and on the effective resistance to driving, are generally either disregarded or at most assumed to be covered by the simplified engineering “black-box” solutions.
Here, we propose a general framework to address such local aspects of a geotechnical application involving fluid-saturated soils while retaining the focus on the micro-scale phenomena. We advocate for an approach that combines the relative simplicity of the Discrete Element Method (DEM) for the solid mechanics with the capabilities of the Lattice Boltzmann Method (LBM) for the fluid dynamics. In this sense, we aim to compile some useful techniques and practical recommendations for an efficient GPU-based implementation of a micromechanical LBM-DEM simulation tool.
State of the art and development perspectives of deep foundations for offshore wind converters
(2020)
This presentation provides an overview of the main geotechnical aspects associated with deep foundations in the context of offshore wind generation. The most common deep foundation typologies (large diameter monopiles and multipile typologies) as well as new trends under development (e.g. suction buckets) and their current limits will be briefly described. The talk concludes with a brief review of advanced topics not covered in classical pile design, such as hydromechanical coupling effects (pore pressure generation), cyclic accumulation of deformations, cyclic degradation of axial capacity or pile-setup gains.
Design challenges for Offshore wind-farms. From foundation mechanics to wind-farm aerodynamics
(2021)
This talk provides a brief introduction on general engineering design challenges for the offshore wind energy production. Some general features of the offshore wind-energy field from a civil engineering perspective are firstly presented, followed by a brief discussion of some of the main geomechanical issues for the foundation of the offshore turbines into the seabed.
In the following part, an overview of relevant fluid-structure interactions and some options for an efficient numerical analysis are provided, where the hydromechanical Wave–Tower interaction is firstly discussed. Then, some general aspects of the windfarm aerodynamics are introduced. On the one hand, some modelling possibilities for the wake analysis of single turbines and turbine groups are discussed. And on the other hand the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
In particular, this talk shows that: i) The bearing capacity of turbine multi-pile foundations can degrade under cyclic loading (waves, wind, …), while for monopile foundations cyclic hydromechanical coupling effects may take place, which may lead to a foundation softening; ii) Numerical analysis of a turbine’s interaction with wind/waves is useful and affordable, while simplified models can already provide a useful insight into the windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
his presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The second lecture continues with the case of laterally loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
In this lecture, both the physical behaviour and the general design procedures for deep foundations in the context of the offshore wind energy generation are presented. The first part of the lecture deals with the phenomenology and design of the pile foundations relative to the bearing of axial loads. The second part dwelves on the particularities of the lateral loads as well as on two research topics beyond the current design procedures, namely the hydromechanical coupling and the aging and fatigue phenomena as observed in the course of large-scale field tests.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided in two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the cyclic pile fatigue and the so-called pile setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of these two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile Setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
Design challenges for Offshore wind-farms. From foundation mechanics to wind-farm aerodynamics
(2023)
This talk provides a brief introduction on general engineering design challenges for the offshore wind energy production. Some general features of the offshore wind-energy field from a civil engineering perspective are firstly presented, followed by a brief discussion of some of the main geomechanical issues for the foundation of the offshore turbines into the seabed.
In the following part, an overview of relevant fluid-structure interactions and some options for an efficient numerical analysis are provided, where the hydromechanical Wave–Tower interaction is firstly discussed. Then, some general aspects of the windfarm aerodynamics are introduced. On the one hand, some modelling possibilities for the wake analysis of single turbines and turbine groups are discussed. And on the other hand the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
In particular, this talk shows that: i) The performance and behavior of the turbine's foundation is often conditioned by the appearance of large deformations, fluid couplings and grain-scale phenomena, whereby specific physical testing (both in field and lab conditions) and ad-hoc simulation techniques can provide useful insights for design; ii) Numerical analysis of a turbine’s interaction with wind/waves is already affordable in engineering scales, while simplified models can already provide a useful insight into the windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The second lecture continues with the case of laterally loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
Mit dem Klimawandel verändert sich nicht nur das Wetter, also Regenmengen, Temperaturen oder Starkwind- bzw. Sturmzeiten. Mit diesen Veränderungen gehen auch Veränderungen der örtlichen Korro-siviät der Atmosphäre einher. Sind die Datengrundlagen der aktuellen nationalen und internationalen Normen mit Datenerhebungen aus den 1970igern und 80iger Jahren noch repräsentativ? Hierzu werden an realen Offshorestrukturen valide Daten erfasst, die als Grundlage für KI-basierte Modellbildung verwendet werden sollen.
Support structures of wind turbines in German offshore wind farms are regularly inspected. Currently, inspection outcomes are generally not systematically recorded. This prevents their consistent handling and processing, which is a key requirement to enable an efficient structural integrity management. As part of the DiMoWind-Inspect project, a data model and reference designation system for such inspection results is developed to facilitate their identification, localization, quantification, tracing and linking throughout the lifetime of a wind farm and beyond. The inspection results together with structural health monitoring results and information on repairs form the basis for assessing and predicting the structural condition, estimating the remaining lifetime, and planning of future inspections, structural health monitoring, and repairs. As a basis for developing a digital structural integrity management, a generic framework is proposed in this paper, which describes the stakeholders, data, models, processes and workflows of the integrity management of support structures in offshore wind farms and their interrelations. The framework adopts a building information modelling approach to describe the information relevant to the structural integrity management. The central digital space of the framework is a common data environment. An implementation of the framework will enable a digital structural integrity management in which inspection, structural health monitoring, repair, assessment and planning outcomes generated throughout the life cycle of a wind farm can be consistently collected, managed, shared and processed by the relevant shareholders.