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Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------This report describes concepts for an intelligent bridge on the basis of a reliability-based condition assessment utilizing inspection and monitoring data. The central part of the concept is a model describing the bridge system. The overall bridge model is comprised of deterioration models and a mechanical system model of the structure. The model is a-priori characterized by the input data (such as the geometry, the materials, and the utilization of the bridge). Significant uncertainties in the deterioration modeling as well as the load conditions motivate a probabilistic modeling. The model enables a continuously updated probabilistic condition assessment. It provides information about the condition and the reliability of the bridge system and its components and serves as a basis for the planning and the optimization of maintenance actions. Inspection, measurement, and monitoring information are included by updating the model parameters. Bayesian updating is utilized for the updating of the model parameters and is performed on the basis of the developed classification of structural information and the corresponding procedures. These methodologies allow to consistently incorporate all available information into the model and the prediction. Thereby, the precision and the validity of the data and observations are explicitly accounted for. The condition assessment of the bridge system and its components is updated by updating the model parameters, and maintenance actions can be planned and optimized taking into account all available information in a rational and consistent manner. In this way, the intelligent bridge with inspections, measurements, and monitoring information becomes an adaptive system, which has the ability to adjust to changes.
Ermittlung von Beanspruchung und Verformungen von Pfahlgründungen - Messverfahren und Applikation
(2014)
Vor dem Hintergrund einer angestrebten größeren Unabhängigkeit der Energieversorgung von fossilen Energieträgern hat die Windenergie in den letzten Dekaden zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei wird insbesondere die Energiegewinnung offshore in der Deutschen Nordsee, auf Grund dort vorhandener stetiger Winde und sinkender Akzeptanz von Windkraftanlagen an Land, forciert. Im Hinblick auf die Gründung dieser Anlagen wird technisches Neuland betreten.
Angesichts von Wassertiefen bis über 25 m erhalten aufgelöste Gründungsstrukturen wie Tripod und Jacket oft den Vorzug vor Monopiles. Letztere waren wegen der geringen Produktions- und Installationskosten, der bisher am häufigsten angewandte Gründungstyp in flacheren Gewässern.
Monopile- und Mehrpfahlgründung unterscheiden sich wesentlich im Abtrag der Belastung durch Beanspruchungen aus Wind und Wellen in den umgebenden Baugrund. Während beim Monopile die zyklischen Momente über laterale Bettung abgetragen werden, entstehen an den Mehrpfahlgründungen axiale Zug- und Druckbelastungspaare in gegenüberliegenden Pfählen. Die zyklischen Belastungen von Monopiles sind demnach hauptsächlich in lateraler Richtung zu erwarten, während für Mehrpfahlgründungen die zyklische Belastung einen überwiegend axialen Charakter aufweist. Die zyklischen axialen Lasten in den Pfählen der Mehrpfahlgründungen können die axialen Tragfähigkeiten insbesondere am Pfahlmantel reduzieren und damit evtl, zu einem Versagen der Gründung führen.
Altematively to common modal analysis as tool for detectmg changes between a reference and an actual (possibly damaged) structural state, the subspace-based damage detection method has been developed in recent years and successfully adopted to test application data sets. Characteristic for that method is that instead of analyzing modal parameters, a Statistical test with respect to changes of a dynamic signature of structural response is introduced. Therefor, a Gaussian residual vector is extracted from the subspace of an output only Vibration data covariance matrix within the reference state. The paper describes the application of this damage detection method within a laboratory fatigue test on a Steel frame structure. Aim of the investigation was to analyze the usability and efficiency of the detection method for realistic damage on carrying structures of wind energy turbines. In a second Step, a numerical model of the lab test structure is developed and validated. Thus, a comparable numerical Simulation of the fatigue damage detection was feasible and the accuracy of the Simulation procedure could be verified. The present study describes the first Step in a two-step approach for quantifying and optimizing fundamental characteristics of SHM Systems for offshore wind turbine structures concerning a required number of sensors and their optimal location.
Subspace-based detection of fatigue damage on jacket support structures of offshore wind turbines
(2014)
The paper describes the application of the Stochastic Subspace-based Damage Detection (SSDD) method on model structures for an utilization of this approach on offshore wind turbine structures. Aim of the study was therefore to analyze the usability and efficiency of the detection method as well as to determine an optimized set of parameter for realistic damage on support structures of wind energy turbines. Based on results of an experimental fatigue test on a Steel frame laboratory structure a strategy for a numerical verification of the experimentally evolved damage detection was developed, utilizing a time integration approach to simulate the dynamic response. In a second Step the identified modeling and computing methodology is used to numerically investigate the ability to detect damage in real size structural components of offshore wind turbines.
A mechanical structure supported by nonlinear springs subjected to an external load is considered. If all mechanical parameters of the system were known, the displacement of the system subjected to this load could be easily calculated. If not all of the parameters are known, but the load and the displacement are measured at one location, an inverse problem exists. In the presented problem the nonlinear springs are unknown and have to be determined. At first glance a problem needs to be solved, which is underdetermined due to the number of unknown variables. However, evolutionary computing can be applied to solve this inverse, nonlinear and multimodal problem. Sometimes a prior knowledge exists on certain system properties, which is difficult to implement into analytical or numerical solver. This knowledge can play a decisive role in identifying the system properties and it can be easily included as boundary condition when applying evolutionary algorithm. This article examines how and under what conditions the spring resistances can be identified. The procedure is exemplified at a mechanical system of a pile foundation.
This paper presents the impact of dynamic loading on the deterioration of ballasted track. Firstly it is discussed which types of loading can be observed at the track. The effects of cyclic and dynamic loading on the ballast assembly are discussed with respect to the different boundary conditions of physical model tests compared to those existing in reality. For dynamic loading, on the one hand, the displacements and rotations of single particles at the surface become more important. On the other hand, the load distribution caused by an impact like loading is different from a quasistatic loading. Finally, large scale tests are presented. When comparing the dynamic loading sequences with the solely cyclic loading, limits are found for a vibration level that is associated with an accelerated accumulation of permanent deformations.
A comprehensive numerical model for the analysis of offshore foundations under a general transient loading is presented here. The theoretical basis of the model lies on the Swansea formulation of Biot's equations of dynamic poroelasticity combined with a constitutive model that reproduces key aspects of cyclic soil behaviour in the frame of the theory of generalised plasticity. On the practical side, the adoption of appropriate finite element formulations may prevent the appearance of spurious numerical instabilities of the pore pressure field. In this respect, the use of a coupled enhanced-strain element is here proposed. On the other hand, the practicality of the presented model depends ultimately on its computational efficiency. Some practical recommendations concerning the solution strategies, the matrix storage/handling procedures and the parallel multi-processor computation are here provided. Finally, the performance of the model with a benchmark study case and its practical application to analyse the soil–structure interaction of an offshore monopile under a realistic transient storm loading are discussed.
Offshore-Pfähle in Mehrpfahlgründungsstrukturen wie Jacket-Gründungen müssen nach der Rammung überwiegend zyklisch axialen Belastungen widerstehen. Die Abmessungen der Pfähle werden sowohl von der inneren Tragfähigkeit und dem Ermüdungsverhalten des Stahlquerschnittes als auch von der äußeren Tragfähigkeit und der Pfahl-Boden-Interaktion bestimmt. Aufgrund der großen Zahl von Pfahlgründungen, die für aktuelle und zukünftige Windparkprojekte benötigt werden, besteht ein dringender Bedarf, die Dimensionierung und die damit verbundenen Kosten des Einzelpfahles zu optimieren. Bezüglich der Pfahltragfähigkeit sind wichtige aktuelle Forschungsthemen eine mögliche Traglaststeigerung durch Anwachsen und die geeignete Abschätzung der zyklischen Degradation. Zur Untersuchung beider Effekte wurde eine großmaßstäbliche Versuchsanlage auf dem Testgelände BAM TTS in Horstwalde nahe Berlin errichtet. Auf diesem Versuchsfeld können große Stahlrohrammpfähle zyklisch druck- und zugbelastet werden. Zudem kann die Untersuchung von Alterungseffekten durch zeitlichen Versatz zwischen den Messkampagnen untersucht werden. Erste Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Pfahltragfähigkeit bis zu ca. 60 % nach einer Standzeit von ca. 18 Monaten. Für die Degradation der Tragfähigkeit der zyklisch belasteten Pfähle zeigen die ersten vorläufigen Ergebnisse ein zum Teil unerwartetes Verhalten. Zusätzliche Untersuchungen werden derzeit zur weiteren Abklärung durchgeführt.
Structural health monitoring with statistical methods during progressive damage test of S101 Bridge
(2014)
For the last decades vibration based damage detection of engineering structures has become an important issue for maintenance operations on transport infrastructure. Research in vibration based structural damage detection has been rapidly expanding from classic modal parameter estimation to modern operational monitoring. Since structures are subject to unknown ambient excitation in operation conditions, all estimates from the finite data measurements are of statistical nature. The intrinsic uncertainty due to finite data length, colored noise, non-stationary excitations, model order reduction or other operational influences needs to be considered for robust and automated structural health monitoring methods. In this paper, two subspace-based methods are considered that take these statistical uncertainties into account, first modal parameter and their confidence interval estimation for a direct comparison of the structural states, and second a statistical null space based damage detection test that completely avoids the identification step. The performance of both methods is evaluated on a large scale progressive damage test of a prestressed concrete road bridge, the S101 Bridge in Austria. In an on-site test, ambient vibration data of the S101 Bridge was recorded while different damage scenarios were introduced on the bridge as a benchmark for damage identification. It is shown that the proposed damage detection methodology is able to clearly indicate the presence of structural damage, if the damage leads to a change of the structural system.
A prototype of wind turbines in 5 megawatt dass was built and tested at the first German offshore wind energy test fteld in the North Sea. In order to investigate dynamic behaviors under a complex state of loads, a continuous dynamic monitoring System was implemented by Federal Institute for Material Research and Testing (BAM). It recorded structural responses and environmental/operational variables from November 2007 to October 2009.
This paper presents significant resonance phenomenon due to the interaction in the tower-nacelle System under operational conditions. Modal parameters are automatically estimated by the poly reference Least Square Complex Frequency domain (p-LSCF) method. Campbell plot demonstrates that a three-blade passage frequency and its multiples f3n match with the natural frequencies of the wind turbine System in several modal Orders. The damping estimates decrease and the Vibration amplitude increase significantly. A control System is necessary to minimize the excessive vibrations.