7.2 Ingenieurbau
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This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile Setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
Automated modal analysis for tracking structural change during construction and operation phases
(2019)
The automated modal analysis (AMA) technique has attracted significant interest over the last few years, because it can track variations in modal parameters and has the potential to detect structural changes. In this paper, an improved density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) is introduced to clean the abnormal poles in a stabilization diagram. Moreover, the optimal system model order is also discussed to obtain more stable poles. A numerical Simulation and a full-scale experiment of an arch bridge are carried out to validate the effectiveness of the proposed algorithm. Subsequently, the continuous dynamic monitoring system of the bridge and the proposed algorithm are implemented to track the structural changes during the construction phase. Finally, the artificial neural network (ANN) is used to remove the temperature effect on modal frequencies so that a health index can be constructed under operational conditions.
The governing load bearing mechanism of multi-pile foundations is often the shaft friction. Under cyclic loading the soil particles next to the foundation rearrange and tend to compact leading to a decrease of the surrounding normal stress. The reduction of the normal stress leads to a lower threshold for shear stress (friction fatigue), which results in a degraded shaft bearing capacity. The common interface models used for numerical simulations (e.g. Mohr-Coulomb) are not able to capture such behavior. This work aims to develop an interface material model that incorporates such features of the contact behavior at the soil-structure interface.
The response of many geotechnical systems, whose structural behavior depends on shearing effect, is closely related to soil structure interaction phenomenon. Experimentally it is found that the localisation of these effect happens at a narrow soil layer next to the structure. Numerically, this behavior can be modelled through interface elements and adequate constitutive models. In this work, a constitutive model in the framework of Generalized Plasticity for sandy soils has been chosen to be adapted for the interface zone.
From the direct shear experiments a sandy soil at loose and dense states under different normal pressures is considered. The adapted constitutive model is able to reproduce contraction and dilatation of the soil according to its relative density and it shows a good agreement with the experimental data.
The response of many geotechnical systems, whose structural behavior depends on granular friction and a shearing effect with the ground, is characterized by a complex soil-structure interaction at their interfaces. Experimentally it is found that this interaction is highly non-linear, state-dependent and localized within a narrow layer of soil next to the structure, whereby cyclic loads can play a key role. Numerically, this behavior is often modelled with overly simplified models of interface elements that neglect cyclic effects within the soil. This work introduces a new perspective with an adequate constitutive model in the framework of Generalized Plasticity for sandy soils for an improved consideration of the interface mechanics.
Risslumineszenz
(2018)
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.