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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.
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.
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.
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.
Risikobasierte Überwachungsverfahren zur Lebensdauerverlängerung von bestehenden und neuen Bauwerken
(2011)
Diese Veröffentlichung enthält Konzepte zur Lebensdauerverlängerung von Bauwerken auf der Grundlage der Tragwerkszuverlässigkeitstheorie. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse aus nationalen und europäischen Forschungsvorhaben vorgestellt. Den Schwerpunkt bildet die Verwendung von Bauwerksüberwachungsdaten unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten zur Bestimmung der Tragwerkszuverlässigkeit. Dazu wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der A-posteriori Messunsicherheit vorgestellt. Es wird gezeigt, aufgrund welcher Eigenschaften der verwendeten probabilistischen Modelle die Zuverlässigkeit im Grenzzustand der Ermüdung in Bezug auf eine Lebensdauerverlängerung beeinflusst werden kann.
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.
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.