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Organisationseinheit der BAM
Paper des Monats
- ja (1)
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.
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.
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.
The fatigue deterioration modeling for welded steel structures subjected to high cycle fatigue is presented in the current document. The aim of this paper is to formulate approaches based on actual Research results for the phases fatigue crack initiation, fatigue propagation and fatigue failure. The physical characteristics of the approaches are discussed in combination with the associated uncertainties and the probabilistic modeling of this time variant reliability problem. The fatigue deterioration modeling documented here serve as a basis for a reliability-based approach to inspection planning.
A reliability-based approach to inspection planning for welded steel structures subjected to high cycle fatigue is presented in the current document. Inspections are an effective means to control the Progress of fatigue deterioration and the presented approach allows to determine the minimum required inspection effort so that the considered structure complies with the given risk acceptance criteria in terms of target reliability throughout its service life.
Fatigue and serviceability limit state model basis for assessment of offshore wind energy converters
(2012)
This paper develops the models for the structural performance of the loading and probabilistic characterization for the fatigue and the serviceability limit states for the support structure of offshore wind energy converters. These models and a sensitivity study are 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 the design of monitoring systems. The constitutive physical equations are introduced in combination with the fatigue and serviceability limit state requirements as the starting point for the development of the structural performance and loading models. With these models introduced in detail, several modeling aspects for both limit states are analyzed. This includes analyses of the influence on the hot spot stresses by applying a contact formulation for the pile guide brace connection and the application of a finite element formulation using solid elements. Further, the comparison of the natural frequencies of a discrete rotor model with a continuous rotor model is documented. To account for uncertainties associated with the structural and loading models, a probabilistic model is derived on the basis of literature review and measurement data from a prototype Multibrid M5000 support structure. The sensitivity study is based on the calculation of a nonlinear coefficient of correlation in conjunction with predetermined designs of experiments. This is conducted by a systematic analysis of the influence of the random variables on limit state responses and hence on the structural reliability. Integrating the analyses and sensitivity studies of the fatigue and serviceability limit state models developed in this paper as well as the ultimate limit state models in Thöns et al. ('Ultimate Limit State Model Basis for Assessment of Offshore Wind Energy Converters,' ASME J. Offshore Mech. Arct. Eng.), the model basis for the assessment is completed. The process of establishing and analyzing such a model basis contributes to a detailed understanding of the deterministic and probabilistic characteristics of the structure and provides valuable insights in regard to the significance of available data.