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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
Die Korrosion in ihren zahlreichen Erscheinungsformen beschäftigt Fachleute und Laien. Um-so wichtiger ist es, die einzelnen Phänomene korrekt und eindeutig zu benennen. Nur so kann man eine saubere Beschreibung der Korrosionsvorgänge erreichen und damit in der wörtlichen und schriftlichen Kommunikation richtig verstanden werden. An zahlreichen Beispielen wird der richtige und normgemäße Sprachgebrauch beschrieben.
Mit der Errichtung und der Inbetriebnahme des Windpark alpha ventus wurden umfangreiche Messungen an den Tragstrukturen und den Umgebungsparametern durchgeführt. Im Projekt Gigawind life wurde im TP1 ein Datenmanagementsystem zur kontinuierlichen und periodisch fortgeführten Datenauswertung für große Datenbestände (Big Data) entworfen und realisiert. Anhand von Performanceuntersuchungen konnte eine Verkürzung der Rechenzeit um den Faktor 10 in einem Rechencluster erreicht werden. Unter Anwendung einer Datenpipeline nach dem Publish/Subscribe Prinzip wird eine skalierbare Datenschnittstelle für Monitoringdaten vorgeschlagen.
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 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.
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.
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.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Mit der Errichtung und der Inbetriebnahme des Windpark alpha ventus wurden umfangreiche Messungen an den Tragstrukturen und den Umgebungsparametern durchgeführt. Im Projekt Gigawind life wurde im TP1 ein Datenmanagementsystem zur kontinuierlichen und periodisch fortgeführten Datenauswertung für große Datenbestände (Big Data) entworfen und realisiert. Anhand von Performanceuntersuchungen konnte eine Verkürzung der Rechenzeit um den Faktor 10 in einem Rechencluster erreicht werden. Unter Anwendung einer Datenpipeline nach dem Publish/Subscribe Prinzip wird eine skalierbare Datenschnittstelle für Monitoringdaten vorgeschlagen.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this presentation focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
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.
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.
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.
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.
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.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Die B 1-Brücke am Altstädter Bahnhof war der wichtigste Verkehrsknotenpunkt in Brandenburg an der Havel. Im Dezember 2019 wurden die überführte Bundesstraße und die Straßenbahnlinie für den Verkehr gesperrt. Grund für die Sperrung war eine einsetzende Rissbildung in den Längsträgerstegen in Verbindung mit Hohlstellen, die letztlich auf gerissene Spanndrähte zurückgeführt werden. Um eine Sperrung der hoch frequentierten unterführten Verkehrswege zu verhindern, wurde ein umfangreiches Überwachungskonzept erforderlich. Wesentlicher Bestandteil dieses Konzepts war ein auf der Schallemissionsanalyse basierendes Monitoringsystem, mit dessen Hilfe Spanndrahtbrüche aufgezeichnet und lokalisiert werden konnten. Auf Grundlage der so gewonnenen Ergebnisse konnten Schwerpunkte für die Bauwerksprüfung abgeleitet werden. In diesem Bericht werden die gewonnenen Erkenntnisse zum messtechnisch erfassten Schadensfortschritt und den damit verbundenen visuell festgestellten Schäden beschrieben. Dabei werden die Besonderheit des verbauten konzentrierten Spannglieds (Spannblockverfahren nach TGL 173-33) und des Spannstahls in Bezug auf die Schadensbilder dargestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten bei der Beurteilung anderer Bauwerke mit vergleichbarer Bauart berücksichtigt werden.
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.
Wind turbines are exposed to a high number of load cycles during their service lifetime. Therefore, the fatigue strength verification plays an important role in their design. In general, the nominal stress method is used for the fatigue verification of the most common used butt-welded joints. The Eurocode 3 part 1–9 is the current design standard for this field of application. This paper presents recent results of fatigue tests on small-scaled specimens and large components with transverse butt welds to discuss the validity of the FAT-class. Furthermore, results from numerical simulations for the verification with the effective notch stress and the crack propagation approach are used for comparison. Based on the consistency between the numerical results and the fatigue tests, the influence of the seam geometry on the fatigue resistance was investigated. Finally, a prediction of the fatigue strength of butt-welded joints with plate thicknesses up to 80 mm was carried out.
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.
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.
Support structures of offshore wind turbines are subject to cyclic stresses generated by different time-variant random loadings such as wind, waves, and currents in combinationwith the excitation by the rotor. In the design phase, the cyclic demand on wind turbine support structure is calculated and forecasted with semi or fully probabilistic engineering models. In some cases, additional cyclic stresses may be induced by construction deviations, unbalanced rotor masses and structural dynamic phenomena such as, for example, the Sommerfeld effect. Both, the significant uncertainties in the design and a validation of absence of unforeseen adverse dynamic phenomena necessitate the employment of measurement Systems on the support structures. The quality of the measurements of the cyclic demand on the support structures depends on (a) the precision of the measurement System consisting of sensors, amplifier and data normalization and (b) algorithms for analyzing and converting data to structural health information. This paper presents the probabilistic modelling and analysis of uncertainties in strain measurements performed for the purposes of reconstructing stress resultants in wind turbine towers.
It is shown how the uncertainties in the strain measurements affect the uncertainty in the individual components of the reconstructed forces and moments. The analysis identifies the components of the vector of stress resultants that can be reconstructed with sufficient precision.
The levelized cost of energy (LCoE) is an important measure to quantify the macro-economic efficiency of an offshore wind farm and to enable a quantitative comparison with other types of energy production. The costs of the structural integrity management - which is required to ensure an adequate lifetime reliability of the turbine support structures - are part of the operational expenditures of an offshore wind farm. An optimization of the structural integrity management may reduce the operational expenditures and consequently the LCoE. However, the effect of the structural integrity management on the LCoE is hardly known. To investigate this effect, this paper presents a sensitivity analysis of the LCoE of a generic offshore wind farm. The probabilistic models of the parameters influencing the LCoE are based on a literature study including an explicit model for the structural integrity management.
The analysis reveals that LCoE may potentially be reduced if an optimization of the structural integrity management enables a service life extension.
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 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.
Bei Monopfahlgründungen von Offshore-Windenergieanlagen wird die Verbindung zwischen Monopfahl und Übergangsstück als geschraubter Ringflansch ausgeführt. Die zunehmende Leistungsfähigkeit der Windenergieanlagen führt zu immer größeren Schnittgrößen in diesem Anschluss. In der Folge erhöhen sich nicht nur die Querschnittsabmessungen, sondern es kommen auch zunehmend größere Schrauben zum Einsatz. Da die einschlägigen Regelwerke zur Bemessung dieser Verbindungen nicht für Schrauben der Größen M64 oder M72 konzipiert wurden, stellt sich die Frage der Übertragbarkeit auf solche Anwendungsfälle.
Im Rahmen des Aufsatzes werden Einflüsse diskutiert, die eine Herabsetzung der Schraubentragfähigkeit verursachen könnten. Diese Einflüsse, vornehmlich geometrische Imperfektionen, werden systematisch untersucht und ergänzend in praxisrelevanten Beispielen bewertet. Die somit gewonnenen Erkenntnisse werden für die abschließende Beurteilung der großen Schrauben in Ringflanschverbindungen herangezogen.
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.
Messen im Bauwesen 2018
(2018)
Der Tagungsband zur 10. Fachtagung „Messen im Bauwesen“ enthält die Beiträge der Autoren zum diesjährigen Thema „Messtechnische Anwendungen und deren Einbindung in digitale Bauwerksmodelle“ enthält.
Building Information Modeling (BIM) ermöglicht einen integralen Entwurfs-, Ausführungs- und Instandsetzungsprozess und verspricht Bauwerke von höherer Qualität bei niedrigeren Kosten und kürzeren Projektlaufzeiten. Was BIM aber im konkreten Anwendungsfall bedeutet, ist generell noch Teil eines umfassenden Diskussionsprozesses, insbesondere für die Integration der Ergebnisse von Bauwerksmessungen aus der Ausführungs- und Betriebsphase.
Die diesjährige Ausgabe der Tagung „Messen im Bauwesen“ befasst sich schwerpunktmäßig mit verschiedenen Aspekten des BIM in der bestehenden Baupraxis, beschreibt Technologien hinter BIM und zeigt die vielfältigen Möglichkeiten eines Einsatzes von Messverfahren sowohl in der Bauausführung als auch beim Lebenszyklusmanagement von Bauwerken auf. Auf Basis dieser Schwerpunktsetzung möchten wir wieder aus der Sicht des Bauingenieurs und des Geodäten von Praxisbeispielen aus Hoch- und Tiefbau berichten.
Die Vorträge sind zusammengestellt mit Blick insbesondere auf Bau- und Vermessungsingenieure in Ingenieurbüros sowie der Verwaltung in den Bereichen Planung, Ausführung und Betrieb von Infrastrukturbauwerken.
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.
Die zunehmende Anwendung hochfesten Betons in ermüdungsbelasteten Bauwerken, herausfordernde Belastungsszenarien im Bereich von On- und Offshore Windenergieanlagen bezüglich sehr hoher Lastwechselzahlen sowie das gleichzeitige Streben nach energie- und ressourcenschonendem Bauen stellen die Bemessung von Beton gegen Ermüdung vor neue Aufgaben. Eine Vielzahl von Studien beschreibt bereits die Auswirkung von Einflussfaktoren wie Mischungszusammensetzung, Feuchte, Probekörpergröße oder Belastungsart auf die Ermüdungsfestigkeit und den Ermüdungsprozess. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien und Mischungen der in den verschiedenen Studien verwendeten Proben sind die Auswirkungen der Einflussfaktoren jedoch kaum miteinander vergleichbar. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat wurden deshalb verschiedene Einflussfaktoren gezielt an Proben mit einheitlichen Mischungen untersucht. Das durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bearbeitete Teilprojekt fokussierte sich auf den „Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton“. Neben der Erhebung von Daten zur Ermüdungsfestigkeit wurde der Ermüdungsprozess mit zerstörungsfreien Prüf- und Messmethoden untersucht. Diese Prüfmethoden wurden auch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigungsentwicklung an Betonbauwerken im Rahmen von Monitoringkonzepten bewertet. Untersucht wurden die Ermüdungsfestigkeiten und der Ermüdungsprozess an Zylindern mit drei unterschiedlichen Betonmischungen sowie unterschiedlicher Größe und Schlankheit. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.
Voraussetzung zur Aufklärung von Fugenbewegungen in hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Dabei wird insbesondere auch die praxisgerechte Einbau- und Nutzungsmethodik vorgestellt. Auflösungsvermögen, Robustheit und Nutzerfreundlichkeit werden am Beispiel einer Konzeptstudie auf dem Testgelände DuraBASt erprobt. Es werden grundlegende Hinweise auf den dringlichen Bedarf einer gebrauchsgerechten Beschreibung des realen Verhaltens des Bauwerks Betonstraße identifiziert.
Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.