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Predictive information and maintenance optimization for deteriorating structures is concerned with scheduling (a) the collection of information by inspection and monitoring and (b) maintenance actions such as repair, replacement, and retrofitting based on updated predictions of the future condition of the structural system. In this article, we consider the problem of jointly identifying—at the beginning of the service life—the optimal inspection time and repair strategy for a generic welded joint in a generic offshore wind turbine structure subject to fatigue. The optimization is performed based on different types of decision analyses including value of information analyses to quantify the expected service life cost encompassing inspection, repair, and fatigue damage for all relevant combinations of inspection time, repair method, and repair time. Based on the analysis of the expected service life cost, the optimal inspection time, repair method, and repair time are identified. Possible repair methods for a welded joint in an offshore environment include welding and grinding, for which detailed models are formulated and utilized to update the joint’s fatigue performance. The decision analyses reveal that an inspection should be scheduled approximately at mid-service life of the welded joint. A repair should be performed in the same year after an indication and measurement of a fatigue crack given an optimal inspection scheduling. This article concludes with a discussion on the results obtained from the decision and value of information analyses.
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 describes a structural reliability analysis utilizing monitoring data in the ultimate limit state with consideration of the uncertainties of the monitoring procedure. For this purpose the uncertainties of the monitoring data are modeled utilizing a new framework for the determination of measurement uncertainties. The approach is based on a process equation and Statistical models of observations for the derivation of a posterior measurement uncertainty by Bayesian updating. This facilitates the quantification of a measurement uncertainty using all available data of the measurement process. For the reliability analysis in the ultimate limit state, monitoring data can be utilized as a loading model Information and as proof loading, i.e. resistance model Information. Both approaches are discussed with generic examples and it is shown that the modeling of monitoring data in a reliability analysis can result in a reduction of uncertainties and as a consequence in the reduction of the probability of failure. Furthermore, the proof loading concept is developed further to account for the uncertain characteristic of proof loading due to the measurement uncertainties which is consistent with the framework for the determination of measurement uncertainties. These approaches and findings can be utilized for the assessment of structures for life cycle extension and the design of monitoring Systems.
The concept and technical details of the implementation of the developed integrated monitoring system within the IMO-WIND project are presented. The tasks of the components of the system and its requirements are described. Selected results from the continuous monitoring during operation of the plant M5000_2 regarding the task design verification and dynamic structural analysis are given.
Ziel des vorliegenden Beitrages ist es, einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Bewertung und der Quantifizierung der Robustheit von Bauwerken zu geben. In diesem Sinne ist eine Zusammenstellung von Ansätzen und Ergebnissen aktueller Veröffentlichungen enthalten. Ein umfassender entscheidungstheoretischer Ansatz für die Berechnung und das Management der Robustheit wird vorgestellt. Dieser beinhaltet die Definition der Robustheit als eine Qualität eines Systems, welches das Bauwerk beinhaltet, d. h. eine Qualität, die auf der Grundlage einer Risikoanalyse bewertet werden kann. Um eine umfassende Risikoanalyse zu ermöglichen, wird ein szenarienbasierter Modellansatz eingeführt, welcher zwei Arten von Konsequenzen im System unterscheidet: direkte Konsequenzen (in Verbindung mit Schäden einzelner Komponenten des Systems) und indirekte Konsequenzen (in Verbindung mit einem Versagen des Systems). Die Definition des Systems spielt deshalb für die Risikoanalyse eine wichtige Rolle, und es wird diskutiert, wie die Robustheit für verschiedene Definitionen zu unterschiedlichen Ergebnissen und Erkenntnissen im Sinne des Managements der Integrität des Bauwerks im gesamten Lebenszyklus unter Berücksichtigung seiner Funktionalität führt. Weiterhin werden wichtige Aspekte der Standardisierung der Robustheitsanalyse, wie auch Anforderungen an die Robustheit, diskutiert und Vorschläge zum Umgang mit diesen Aspekten unterbreitet. Auf der Grundlage der vorgestellten Ansätze zur Berechnung der Robustheit eines Bauwerks wird beschrieben, wie Entscheidungen in Bezug auf den Entwurf, die Zustandsbewertung, auf Inspektionen und Wartung sowie in Bezug auf die Überwachung von Bauwerken, in Hinblick auf das Management der Risiken in allen Phasen des Lebenszyklus, optimiert werden können.
Wind turbines on offshore sites (OWECs) are subjected to combined loads from wind and waves. These dynamic loads, with a frequency content within the range of the natural frequencies of the structures, cause fatigue-effective stresses in the substructures of wind turbines. Therefore, the examination of natural frequencies is an important part within the design process of wind turbines. The quality of the numerical models for such calculations is of great importance, since the certification guidelines permit only small uncertainties in modal analysis results. The accuracy of the parameters of the numerical model can only be achieved through a comparison of simulation results with corresponding test results. Therefore, it is necessary to measure the dynamic behaviour of all components of the wind turbines simultaneously. This is true not only for the design verification, but also for monitoring the OWECs in operation. The potential of integrated systems for monitoring-based maintenance optimisation should thus be used.
We analyse the performance of risk reduction strategies for Terrorist attacks with Improvised Explosive Devices (IEDs) for large governmental building structures in terms of cost-efficiency, significance and effectiveness Accounting for life safety in conjunction with societal preferences and capabilities. The approach builds upon an extended Bayesian pre-posterior decision analysis and the principles of the marginal lifesaving costs based on the Life Quality Index (LQI). The decision scenario is formulated for a decision maker responsible for the safety of governmental or large commercial buildings and consequently the direct risks, the indirect risks due to fatalities and economical importance of the building beside the expected cost for the individual risk reduction strategies are modelled, aggregated and optimised. The considered risk reduction strategies encompass an explicit consideration and distinction of information and actions such as (i) threat surveillance may trigger the temporary evacuation of the building, (ii) the implementation of protection provisions provided by codes and guidelines, (iii) a detailed progressive collapse assessment and specific protection measures and (iv) the combination of protection and surveillance. All considered strategies are found to contribute to risk reduction and can be costefficient, especially for higher threat probabilities. The risk reduction strategies comply with societal macroeconomic and demographical characteristics and societal preferences according to the LQI. The progressive collapse assessment with targeted protection measures is found to be the most cost-efficient, significant and effective counter-terrorism strategy. This finding points to the necessity for a comprehensive utilisation of scientific methods and sophisticated engineering for progressive collapse assessment to determine targeted protection measures.
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.