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Dieser Artikel enthält aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich des überwachungsgestützten Managements der Tragwerksintegrität. Das Management der Tragwerksintegrität hat zum Ziel, die Funktionalität eines Tragwerks während des gesamten Lebenszyklus durch Einhaltung der Zielzuverlässigkeiten sicherzustellen. Ausgehend von Forschungsergebnissen über die Charakteristik von Überwachungsverfahren und -daten im Rahmen von Zuverlässigkeitsanalysen, wird ein Ansatz vorgestellt, wie die erwarteten Kosten für das Management der Tragwerksintegrität durch Überwachungsverfahren optimiert werden können. Dazu wird eine Kosten-Nutzen-Analyse für den Lebenszyklus einer Gründungstruktur von Offshore-Windenergieanlagen durchgeführt. Im Rahmen der Bayes'schen Entscheidungstheorie werden durch eine Prä-posteriori-Entscheidungsanalyse die optimalen Entscheidungsparameter für den Entwurf eines Überwachungssystems bestimmt. Als Fallstudie wird ein Überwachungssystem für die Gründungsstruktur eines Multibrid-M5000-Prototyps konzipiert und die mögliche Reduktion der Risiken und erwarteten Betriebskosten quantifiziert. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
This paper contains recent research results in the field of monitoring supported structural integrity management. The structural integrity management aims at ensuring the functioning of a structure throughout the life cycle by compliance with the target reliabilities. Building upon research results concerning the characteristics of monitoring techniques and data within the framework of reliability analyses, an approach is introduced for the optimisation of the expected structural integrity management costs by monitoring information. For this aim, a life cycle cost benefit analysis for offshore wind turbine support structures is formulated. The optimal monitoring decision parameters are then assessed utilizing the Bayesian pre-posterior decision theory. As a case study a monitoring system for a Multibrid M5000 offshore wind turbine prototype support structure is designed and possible reductions of the risks and expected costs are quantified.
This paper establishes the model basis regarding the ultimate limit state consisting of structural, loading, and probabilistic models of the support structure of offshore wind energy converters together with a sensitivity study. The model basis is part of a risk based assessment and monitoring framework and will be applied for establishing the 'as designed and constructed' reliability as prior information for the assessment and as a basis for designing a monitoring system. The model basis is derived considering the constitutive physical equations and the methodology of solving these which then in combination with the ultimate limit state requirements leads to the specific constitutive relations. As a result finite element models based on shell elements incorporating a structural and a loading model are introduced and described in detail. Applying these models the ultimate capacity of the support structure and the tripod structure are determined with a geometrically and materially nonlinear finite element analysis. The observed failure mechanisms are the basis for the definition of the ultimate limit state responses. A probabilistic model accounting for the uncertainties involved is derived on the basis of literature review and measurement data from a prototype Multibrid M5000 support structure. In combination with the developed structural and loading models, sensitivity analyses in regard to the responses are performed to enhance the understanding and to refine the developed models. To this end, as the developed models necessitate substantial numerical efforts for the probabilistic response analysis predetermined designs of numerical experiments are applied for the calculation of the sensitivities using the Spearman rank correlation coefficient. With this quantification of the sensitivity of the random variables on the responses including nonlinearity the refinement of the model is performed on a quantitative basis.
Tragverhalten von Offshore Gründungskonstruktionen - Rechnerische und messtechnische Untersuchungen
(2012)
Dieser Artikel enthält eine Zusammenfassung von Ergebnissen des Forschungsverbundvorhabens 'OGOWIN: Optimierung aufgelöster Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen hinsichtlich Materialeinsatz, Montageablauf und neuer Fertigungsverfahren'. Die Ergebnisse umfassen (1) eine Untersuchung des dynamischen Verhaltens der verschiedenen Gründungsvarianten Monopile, Tripod und Jacket, (2) die Ermittlung einer Wöhlerlinie für den Grundwerkstoff eines Stahlgussknotens, (3) die Ermittlung der Traglast eines Stahlgussknotens in einem 1:1-Versuch sowie (4) Berechnungen zur Form- und Materialoptimierung. Zur Überwachung der Gebrauchstauglichkeit während des Betriebes wurden relevante Parameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die ersten Eigenfrequenzen der o. g. Gründungskonstruktionen rechnerisch untersucht. Untersuchungen der Ermüdungsfestigkeit und die erstmalige experimentelle Ermittlung der Traglast eines Gussknotens tragen zu einem optimierten Entwurf durch genaue Kenntnis des Materialverhaltens und der höchstbeanspruchten Bereiche bei. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine geometrische Optimierung des Stahlgussknotens unter konstruktiven Randbedingungen zu einer Verringerung des Materialaufwandes bzw. zu einer Erhöhung der Traglast führen kann. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
This paper contains a summary of the joint research project 'OGOWIN: Optimisation of support structures for offshore wind turbines regarding the material consumption, the construction and production sequence as well as new production methodologies'. The results comprise (1) a modal analyses of various types of offshore wind turbine support structures, (2) the fatigue strength testing of the cast steel material, (3) a large scale ultimate capacity test of a cast steel tube connection and (4) an optimisation of the tube connection aiming at material and stress reduction. The sensitivity of the relevant parameters on the first natural frequencies was quantified and the most influencing parameters were identified. The analyses of the fatigue strength and of the ultimate capacity of the cast steel tube connection support an optimised design by precise knowledge of the failure mechanisms and material behaviour. Moreover, it is shown that optimising the cast steel node can reduce the material use and stress concentration.
Zukünftig soll durch die Installation von Windparks in der ausschließlichen Wirtschaftszone und deren Betrieb ein wesentlicher Anteil des Strombedarfs in Deutschland gedeckt werden. Für die zugehörige Realisierung der Windenergieanlagen hat die zuständige Behörde, das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Standards veröffentlicht, über deren Inhalte im Hinblick auf die zu errichtenden Stahlkonstruktionen von Windenergieanlagen berichtet wird. Über die zu absolvierenden Freigabephasen und deren Bestandteile sowie über die Anforderungen, die die Genehmigungsbehörde an die Art und den Umfang der zu erbringenden Nachweise für die Tragstrukturen stellt, wird im Rahmen des Aufsatzes berichtet. Bei der zuständigen Genehmigungsbehörde durchlaufen derzeit die ersten Anträge das Genehmigungsverfahren. Über die hierbei gesammelten Erfahrungen wird aus Sicht der zuständigen Behörde und deren Fachgutachtern berichtet. Speziell hierbei auftretende Diskussionspunkte werden benannt und Hinweise gegeben.
Das Bauwerk einer Windenergieanlage dient der Sicherstellung der Energieproduktion. Eine entsprechende Zuverlässigkeit der Struktur und deren permanente Bewertung und Unterhaltung ist dazu notwendig. In diesem Beitrag werden Möglichkeiten der Bewertung des für die Struktur wichtigen Schädigungsmechanismus Ermüdung sowie dessen Überwachung in Zusammenhang mit Schädigungsindikatoren aufgezeigt. Dabei wird auf strukturmechanische, werkstoffmechanische und probabilistische Modelle sowie auf Messdaten eines Prototyps einer OWEA zurückgegriffen. Ausgehend von der gesamtdynamischen Berechnung wird die Zuverlässigkeit gemäß der Auslegung für den Schädigungsmechanismus Ermüdung durch ein Wöhlerlinienmodell berechnet. Damit werden ermüdungssensible Komponenten der Struktur identifiziert. Schädigungsindikatoren zur Überwachung der Ermüdungsfestigkeit werden auf Grundlage schädigungs-äquivalenter Dehnungen vorgestellt.
Fatigue assessment of support structures for offshore wind energy converters.
The structure of wind energy converters secures a reliable energy production. Hence an adequate reliability of the structure and additionally permanent assessment and maintenance is required. Within this paper methods for the assessment of the important damage mechanism fatigue in combination with monitoring of the fatigue reliability utilizing damage indicators are proposed. These methods comprise structural system, material degradation and probabilistic models as well as monitoring data of an offshore wind energy converter prototype. The structural reliability of the structure as designed is calculated based on an overall dynamic analysis using a SN-approach. Herewith fatigue sensitive components are identified. Damage indicators for monitoring the fatigue reliability based on damage equivalent strains are presented.
Für die Installation von Offshore-Windenergie-Anlagen der 5-Megawattklasse vor der Küste Deutschlands in der Nordsee ist es erforderlich, Gründungsstrukturen in hoher Stückzahl wirtschaftlich herstellen zu können. Für den Wassertiefenbereich der Nordsee wird im Rahmen dieses Aufsatzes der Konstruktions-typ Jacket hinsichtlich dynamischer Eigenschaften untersucht.
Darüber hinaus wird über Stahlgussbauteile berichtet, die in den hochbelasteten Knotenpunkten des Jackets verbaut werden. Derzeit ist es üblich, Jackets aus handelsüblichen Stahlhohlprofilen zu fertigen, die an den Enden zu einer Knotenverbindung miteinander verschweißt werden. Diese Lösung besitzt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen, über die nachfolgend berichtet wird.
Bauteile aus Stahlguss hingegen weisen unter anderem die Vorteile auf, universell einsetzbar und in Form bzw. Gestaltung völlig frei wählbar zu sein. Um das komplexe Tragverhalten dieser Stahlgussbauteile bewerten zu können, wurden neben Simulationsrechnungen auch Laborversuche durchgeführt. Es wurde das Tragverhalten unter statischer Belastung am Stahlgussbauteil im 1:1-Modell und das Ermüdungsverhalten an Stahlgussproben getestet.
Load bearing behaviour of cast steel components in offshore wind turbines under fatigue and static loads.
The installation of offshore wind turbines of the 5-megawatt class in deep water of the North Sea makes it economically necessary to build foundations in high quantities.
Constructions of this kind are a major technical challenge in terms of design, manufacturing and operation. In this paper the dynamic behaviour of jacket constructions in the North Sea are investigated. Currently jacket structures are constructed with steel pipes that are welded at the connecting nodes. This procedure implies several disadvantages.
In contrast cast steel elements are universally applicable and designable. To verify the load bearing behaviour numerical simulations and laboratory tests are done. Laboratory tests include the testing of the ultimate load bearing capacity. In a large scale setup and fatigue tests at small cast steel specimen.