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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.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt, der letztlich im Versagen des Materials enden kann. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb wurde in Laborversuchen das Ermüdungsverhalten von Beton unter Druckschwellbeanspruchungen untersucht. Im Fokus dieser Untersuchungen standen dabei die während der Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zur Schädigung des Gefüges und schließlich auch zum Ermüdungsversagen führen können.
In den Ermüdungsversuchen wurden versuchsbegleitend Dehnungsmessungen, Ultraschall-Laufzeitmessungen und Schallemissionsmessungen an den Proben zur Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt. Die Schallemissionsmessung ist dabei ein wichtiges Instrument, da sie die Rissentwicklungsprozesse detektiert, die die Ursache für die Materialschädigung sind. Mit ihr konnten die unterschiedlichen Phasen der Rissentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Betonproben festgestellt werden. Diese Phasen sind gekennzeichnet durch sich stabilisierende, stabile und instabile Rissprozesse, die entsprechende Auswirkungen auf das Materialverhalten haben. Ein Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Messtechniken zeigt den entsprechenden Einfluss der Rissentwicklungen auf die Materialeigenschaften des Betons.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des heterogenen Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten momentan noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb befasst sich der vorliegende Beitrag mit der experimentellen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Beton, speziell unter hochzyklischen Druckschwellbelastungen. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die während der gesamten Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zu Veränderungen im Materialverhalten und schließlich auch bis zum Ermüdungsversagen führen können. Ziel ist es, eine möglichst realitätsnahe Beschreibung des im Materialgefüge ablaufenden Ermüdungsprozesses zu entwickeln.
Im vorliegenden Beitrag werden einige Ergebnisse von Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern vorgestellt, die in den letzten Jahren an der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Statik und Dynamik der TU Berlin durchgeführt wurden. Dabei wurde der Fokus auf die Untersuchung des Ermüdungsprozesses an sich und seine Ursachen gelegt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird ein Modell entwickelt, welches das beobachtete Materialverhalten realitätsnah abbilden kann, sich derzeit aber noch in der Entwicklung befindet.
The aim of this project is to get deeper insight into the fatigue behaviour of concrete under cyclic compressive loading. It focuses on the evaluation and modelling of the entire damage process during life-cycle by means of various non-destructive measuring techniques. In numerous tests on cylinders h/d = 30/10 cm under different cyclic loading conditions, the crack development and the damage evolution are monitored using acoustic emission analysis and ultrasonic velocity measurement. The final aim will be the definition of a damage descriptor D based on experimental observations, which can be implemented into a numerical model on a meso-mechanical level.
The fatigue process of concrete under compressive cyclic loading is still not completely explored. The corresponding damage processes within the material structure are especially not entirely investigated. The application of acoustic measurement methods enables a better insight into the processes of the fatigue in concrete. Normal strength concrete was investigated under compressive cyclic loading with regard to the fatigue process by using acoustic methods in combination with other nondestructive measurement methods. Acoustic emission and ultrasonic signal measurements were applied together with measurements of strains, elastic modulus, and static strength. It was possible to determine the anisotropic character of the fatigue damage caused by uniaxial loading based on the ultrasonic measurements. Furthermore, it was observed that the fatigue damage seems to consist not exclusively of load parallel oriented crack structures. Rather, crack structures perpendicular to the load as well as local compacting are likely components of the fatigue damage. Additionally, the ultrasonic velocity appears to be a good indicator for fatigue damage beside the elastic modulus. It can be concluded that acoustic methods allow an observation of the fatigue process in concrete and a better understanding, especially in combination with further measurement methods.
Reinforced concrete is a widely used material for power generation structures, where load scenarios like impact loadings need to be considered. In this context mechanical splicing systems for the connection of reinforcement bars are of specific interest and impact resistance for the splicing systems has to be verified. High speed tensile tests need to be performed on splicing systems for reinforcement bars to confirm the capability of the coupler to resist impact loading. Furthermore, the ability of the reinforcement steel to dissipate energy by ductile behaviour with pronounced plastic strains should be confirmed by these tests. During the last decades comprehensive experiences were developed at BAM performing high speed tensile tests on reinforcement bars as well as on several splicing systems. For the lack of available standards defining these tests in detail an appropriate test procedure was developed and continuously optimized during this period at BAM. The test procedure is partially based on testing principles adapted from available standards. The main intention behind this test procedure is to perform high-speed tensile tests with a specific constant strain rate generated at the specimen. Furthermore, main objective was to establish a procedure to guarantee the comparability of test results for different diameter of reinforcement as well as for different types of couplers. Besides the pure execution of the high-speed tensile tests, the test specification also declares how to evaluate the measurements and the test results. Finally, some typical results will be presented in this contribution.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.
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.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
This paper deals with the assessment of track deterioration using a train-track interaction model. While modelling a train-track system a balance has to be found between the complexity and effort of the model on the one side and the needs for the assessment. The choice of assessment criteria are decisive for the given task. For an optimization of the track and its components simple assessment criteria are needed to allow for a variation of parameters. The paper describes the generalized process for track assessment and optimization and gives examples for specific members.
The current knowledge about fatigue behavior of concrete is still incomplete. This concerns especially the progress of fatigue which precedes the fatigue failure. Therefore, the process of fatigue itself under cyclic compressive loading was investigated in a systematic and comprehensive way. The aim of this investigation was to obtain a deeper insight and to provide a better understanding of the damage process occurring within the material during fatigue loading. Concrete cylinders were tested with a number of cycles to failure between 106 and 107. To investigate macroscopic and microscopic changes in the material, various methods of non-destructive and destructive testing were used. One main result was, in contrast to other authors, that the investigated changes in macroscopic material behavior could not be explained only by a development of micro-cracks. The results indicated rather, that the related changes in the fatigue behavior are mainly a result of viscous processes in the hardened cement paste, similar to the processes of creep. Based on the experimental results a description of the possible processes was derived which take place in the material structure during fatigue loading and also leads to the observed macroscopic changes in the material behavior. In this context, the results have shown that in case of isotropic material behavior a stiffness reduction related to a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain-relationship caused by fatigue.
The current knowledge about fatigue behavior of concrete is still incomplete. This concerns especially the progress of fatigue which precedes the fatigue failure. Therefore, the process of fatigue itself under cyclic compressive loading was investigated in a systematic and comprehensive way. The aim of this investigation was to obtain a deeper insight and to provide a better understanding of the damage process occurring within the material during fatigue loading. Concrete cylinders were tested with a number of cycles to failure between 106 and 107. To investigate macroscopic and microscopic changes in the material, various methods of non-destructive and destructive testing were used. One main result was, in contrast to other authors, that the investigated changes in macroscopic material behavior could not be explained only by a development of micro-cracks. The results indicated rather, that the related changes in the fatigue behavior are mainly a result of viscous processes in the hardened cement paste, similar to the processes of creep. Based on the experimental results a description of the possible processes was derived which take place in the material structure during fatigue loading and also leads to the observed macroscopic changes in the material behavior. In this context, the results have shown that in case of isotropic material behavior a stiffness reduction related to a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain-relationship caused by fatigue.
Constitutive modeling of creep-fatigue interaction for normal strength concrete under compression
(2015)
Conventional approaches to model fatigue failure are based on a characterization of the lifetime as a function of the loading amplitude. The Wöhler diagram in combination with a linear damage accumulation assumption predicts the lifetime for different loading regimes. Using this phenomenological approach, the evolution of damage and inelastic strains and a redistribution of stresses cannot be modeled. The gradual degration of the material is assumed to not alter the stress state. Using the Palmgren–Miner rule for damage accumulation, order effects resulting from the non-linear response are generally neglected.
In this work, a constitutive model for concrete using continuum damage mechanics is developed. The model includes rate-dependent effects and realistically reproduces gradual performance degradation of normal strength concrete under compressive static, creep and cyclic loading in a unified framework. The damage evolution is driven by inelastic deformations and captures strain rate effects observed experimentally. Implementation details are discussed. Finally, the model is validated by comparing simulation and experimental data for creep, fatigue and triaxial compression.