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BAM Update #3/2021
(2021)
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.
Offshore wind turbines (OWT) are a major goal of the energy strategy of Germany encompassing the increase of the installed wind power. OWT components are manufactured from welded steel plates with thicknesses up to 200 mm. The underlying standards and technical recommendations for construction of OWTs encompass specifications of so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing of the weld joints is allowed. Reason is the increased risk of time-delayed hydrogen assisted cold cracking as hydrogen diffusion is very slow due to the very thick plates. The strict consideration of those long MWT up to 48 h during the construction of OWTs leads to significant financial burden (like disproportionately high costs for installer ships as well as storage problems (onshore)). In this study, weld joints made of S355 ML were examined in comparison with the offshore steel grade S460 G2+M. The aim was to optimize, i.e., reduce, the MWT before NDT considering varied heat input, hydrogen concentration and using self-restraint weld tests. This would significantly reduce the manufacturing time and costs of OWT construction. To quantify the necessary delay time until hydrogen-assisted cold cracks appear, acoustic emission analysis was applied directly after welding for at least 48 h.
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.
BAM Update #4/2021
(2021)
BAM Inside #7/2021
(2021)
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z.B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW). Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusions-koeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte. Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespon-dierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet. Es zeigte sich, dass:
1. Diffusionskoeffizienten bei Umgebungstemperatur als Tool zur Bewertung einer MWZ geeignet sind. Jedoch veränderte sich der Diffusionskoeffizient mit der untersuchten Probendicke um bis zu einer Größenordnung, d. h. daraus abgeleitete Wartezeiten differieren dementsprechend.
2. Dies deutet darauf hin, dass MWZs von bis zu 48 h einerseits möglicherweise zu konservativ gewählt sind, da der Wasserstoff schneller aus der Naht diffundiert. Andererseits muss aber auch die schnellere Diffusion in weitere potenziell risskritische Nahtbereiche, wie die WEZ, berücksichtigt werden. Daher ist noch keine direkte Aussage auf eine verallgemeinerte WKB-Anfälligkeit (ja/nein) innerhalb der MWZ möglich.
3. Im Fall einer konservativen Prävention der WKB durch Wasserstoffarmglühen (Vermeidung der MWZ) sind die Diffusionskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen bis 400 °C zur Abschätzung der notwendigen Haltezeiten geeignet, z. B. über die numerische Simulation der Wasserstoffdiffusion.
Der Vortrag stellt das Kompetenzzentrum H2Safety der BAM vor und zeigt Aspekte besonderer Kompetenz des Zentrums mit Blick auf das Kompetenzfeld TestCert.
Beginnend mit dem H2-Unfall auf dem Tempelhofer Feld in 1894 wird dargestellt welche Bedeutung Sicherheitsfragen zu Wasserstoff für das Kompetenzzentrum H2Safety haben. Danach wird die Struktur und die Arbeitsschwerpunkte erläutert und die verantwortlichen Personen kurz vorgestellt. Das Kompetenzfeld TestCert wird vertieft erläutert und hier insbesondere auf Sicherheitsaspekte des Markthochlaufes hingewiesen. Darauf aufbauend werden die statistischen Aspekte eines Markthochlaufes wie auch die der Streuung einer Population und deren Alterung dargelegt. Zuletzt kommt der Hinweis auf das Potential der Bewertung von Baumusterprüfkriterien mithilfe der Monte-Carlo-Simulation.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z. B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW).
Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusionskoeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte.
Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespondierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet.
Characterization of Hydrogen Diffusion in a Thick-walled Submerged Arc Multi-Layer Weld Joint
(2021)
The energy production of the future will be dominated by CO2-emission free techniques like wind turbines and become essential in scope of the planned hydrogen economy. As onshore installation capacity is limited, the in-crease of the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These compo-nents are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW) with up to five wires. In accordance with the standards, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking is anticipated by either a hydrogen removal heat treatment (HRHT) or a so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing (NDT) of the respective weld joint is allowed. The reason for the MWT is the necessary time for the hydrogen diffusion at ambient temperature due the high plate thickness. Both the effectiveness of a HRHT at elevated temperatures or the MWT at ambient temperature can be estimated by calculation of the diffusion time. This time depends on reliable hydrogen diffu-sion coefficients and these are rare in literature. For that reason, this study presents the hydrogen diffusion coef-ficients obtained from a multi-layer SAW joint of an offshore steel grade. Two different experimental techniques were used to identify the respective diffusion behavior: (1) hydrogen desorption experiments with a carrier gas hot extraction analyzer at elevated temperatures for the characterization of a HRHT and (2) the electrochemical permeation technique at ambient temperature for the characterization of an MWT. From both experiments, the respective diffusion coefficients were calculated. The obtained DCs are different from those reported in literature, i.e., the duration or applicability of a HRHT or MWT must be critically discussed.
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.
BAM Inside #4/2021
(2021)
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.
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.
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.
BAM Inside #6/2021
(2021)
Liebe Leser*innen,
wir stehen an der Schwelle einer globalen Transformation, des Aufbruchs in ein neues Zeitalter. Deutschland hat sich verpflichtet, bis 2045 das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, und stellt sich damit der Verantwortung, die Erderwärmung in vertretbaren Grenzen zu halten.
Der Weg zu einer CO₂-neutralen Zukunft wird nur mit sicheren Technologien und Innovationen möglich sein. Der Koalitionsvertrag der neuen Bundesregierung betont in seiner Präambel, dass "dieser Fortschritt auch mit einem Sicherheitsversprechen einhergehen muss". Unsere Expertise als Ressortforschungseinrichtung des Bundes mit dem Auftrag, Sicherheit in Technik und Chemie zu gewährleisten, ist daher auch 150 Jahre nach unserer Gründung gefragt - vielleicht mehr denn je. Wir verbinden sie mit dem Anspruch, Wissenschaft mit Wirkung zu betreiben, und leisten so einen Beitrag für eine klimaneutrale Zukunft.
Dieser Wandel und seine Innovationen werden von neuen Ideen in der Chemie sowie den Material- und Werkstoffwissenschaften getragen, unsere Zukunft ist eine stoffliche. Neue und alte Materialsysteme, Komponenten und Infrastrukturen werden im Kontext der Nachhaltigkeit gedacht werden müssen. Ihre Sicherheit macht Märkte, trägt also zum gesellschaftlichen Wohlstand bei, wenn wir das Vertrauen in Wissenschaft und Technik stärken. Dieses Vertrauen wiederum erwächst aus der Expertise von Menschen und der Verlässlichkeit von Institutionen wie der BAM.
Im letzten Jahr haben wir unsere Anstrengungen insbesondere in Schlüsselbereichen der Energiewende ausgebaut: unter anderem mit unserem Kompetenzzentrum für die Sicherheit moderner Wasserstofftechnologien, umfassenden Testmöglichkeiten für elektrische Energiespeicher und der Suche nach effizienteren, umweltschonenden Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien sowie mit Projekten zur Standfestigkeit noch größerer, leistungsstärkerer Windenergieanlagen und zur CO₂-Einsparung.
Zusammen mit unseren Partner*innen haben wir die große Chance, den Wandel aktiv voranzubringen. Davon erfahren Sie mehr in unserem neuen BAM Report 2021/22. Viel Spaß beim Lesen und Eintauchen in unsere Arbeit!
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.