7.2 Ingenieurbau
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Structural health monitoring (SHM) intends to improve the management of engineering structures. The number of successful SHM projects – especially SHM research projects – is ever growing, yielding added value and more scientific insight into the management of infrastructure asset. With the advent of the data age, the value of accessible data becomes increasingly evident. In SHM, many new data-centric methods are currently being developed at a high pace. A consequent application of research data management (RDM) concepts in SHM projects enables a systematic management of raw and processed data, and thus facilitates the development and application of artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) methods to the SHM data. In this contribution, a case study based on an institutional RDM framework is presented. Data and metadata from monitoring the structural health of the Maintalbrücke Gemünden for a period of 16 months are managed with the RDM system BAM Data Store, which makes use of the openBIS data management software. An ML procedure is used to classify the data. Feature engineering, feature training and resulting data
are performed and modelled in the RDM system.
Brücken werden durch Inspektionen und teilweise durch Monitoring überwacht, um Daten und Informationen über den Zustand und die Einwirkungen zu sammeln. Auf deren Grundlage werden Entscheidungen hinsichtlich Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit und Verfügbarkeit getroffen. In diesem Vortrag werden die Potentiale der Digitalisierung zur Unterstützung und Verbesserung der Brückenüberwachung diskutiert. Insbesondere werden die Bereiche Datenmanagement, Brückenmodellierung und Entscheidungsfindung betrachtet.
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.
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.
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.
This article presents a solid cohesion model for the simulation of bonded granular assemblies in the frame of 3D discrete element approaches (DEM). A simple viscoplastic cohesion model for 2D geometries is extended to 3D conditions, while its yield criterion is generalized as a hyper-surface in the space of bond solicitations to include torsional moments. The model is then calibrated using experimental results of uniaxial traction at both the microscopic and macroscopic scales with an artificial granular cohesive soil. The paper finally presents some simulated results on the macromechanical sample traction application and briefly discusses the model's current limitations and promising prospects for subsequent works.
Prediction of building noise and vibration – 3D finite element and 1D wave propagation models
(2021)
Construction work or traffic excite nearby buildings, and the perceptible or audible vibration can be a nuisance for the inhabitants. The transfer of the vibration from the free field to the building has been calculated by the finite element method for many models in consultancy and research work. The analysis for all storeys of certain building points such as walls, columns and floors unveiled some rules, some typical modes, and some wavetype responses. A simplified building-soil model has been created, which includes well these effects of building-soil resonance, wall/column resonance, floor resonances, and the high-frequency reduction. The model consists of one wall for a wall-type apartment building or a column for each specific part (mid, side or corner) of a column-type office building. The building response in the high-frequency (acoustic) region is calculated as mean values over all storeys and over wider frequency bands, by wave-type asymptotes of an infinitely tall building, and by the soil to wall ratio of impedances. The secondary noise is predicted by Transfer values between the building vibration (center of floors, walls at a room corner) and the sound pressure.
Die Linienlastgesetzmäßigkeit gilt nicht für Zuganregung. Die Punktlastgesetzmäßigkeit wird bei kurzen Zügen in größeren Entfernungen erreicht. Bei langen Zügen reduziert sich die Abnahme um r-0,3 für die theoretische exponentielle Dämpfungsabnahme, um r-0,5 für die vereinfachte potentielle Dämpfungsabnahme. Die gemessenen Abnahmereduktionen liegen in diesem Bereich.
Structural health monitoring (SHM) of civil structures often is limited due to changing environmental conditions, as those changes affect the structural dynamical properties in a similar way like damages can do. In this article, an approach for damage detection under changing temperatures is presentedand applied to a beam structure. The used stochastic subspace-based algorithm relies on a reference null space estimate, which is confronted to data from the testing state in a residual function. For damage detection the residual is evaluated by means of statistical hypothesis tests. Changes of the system due to temperature effects are handled with a model interpolation approach from linear parameter varying system theory. From vibration data measured in the undamaged state at some few reference temperatures, a model of the dynamic system valid for the current testing temperature is interpolated. The reference null space and the covariance matrix for the hypothesis test is computed from this interpolated model. This approach has been developed recently and was validated in an academic test case on simulations of a mass-spring-damper. In this paper, the approach is validated experimentally on a beam structure under varying temperature conditions in a climate chamber. Compared to other approaches, the interpolation approach leads to significantly less false positive alarms in the reference state when the structure is exposed to different temperatures, while faults can still be detected reliably
Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann.
Measurements at the foundation, the surrounding soil and nearby buildings have been done during several drop tests of different containers on different foundations. The first measurements have been done on a big foundation where it should be guaranteed that the foundation is rigid and the container is tested properly. It was controlled that the foundation does not absorb more than 2 percent of the energy of the container. Most of the drop energy is lost in shock absorbers. Later on, a smaller drop test facility has been built on the ground but inside an existing building. It had to be controlled by prediction and measurements that the drop test will not damage the building. Tests from different heights on soft, medium, and stiff targets have been done to find out rules which allow to identify acceptable and unacceptable drop tests. Later on, the biggest drop test facility has been built for masses up to 200 t. It was necessary for the design of the foundation to estimate the forces which occur during the drop tests. On the other hand, the acceptable tests should be selected and controlled by measurements where the impact duration is important. Different sensors, accelerometers, accelerometers with mechanical filters, geophones (velocity transducers), strain gauges, and pressure cells have been applied for these tasks. The signals have been transformed to displacements which proved to be best suited for the interpretation of the impact mechanism. Modell calculations have been used to check and understand the dynamic measurements. The simplest law is the conservation of the momentum which is a good approximation if the impact is short. If the soil under the foundation has an influence on the deceleration of the container, the maximum foundation velocity is lower than the simple estimation. The amplitudes of the foundation could also be estimated from the ground vibrations and their amplitude-distance law.
Erschütterungen, die durch Eisenbahnverkehr erzeugt werden, breiten sich durch den Erdboden aus und regen benachbarte Gebäude zu Schwingungen an. Es wurde ein Prognoseverfahren für Bahnerschütterungen ent-wickelt, das mit einfachen Modellen schnell Ergebnisse liefert. Dies sind physikalische Modelle, zum Beispiel 1-dimensionale Modelle mit Übertragungsmatrizen für die Fahrzeug-Fahrweg-Boden-Wechselwirkung und für die Gebäude-Boden Wechselwirkung. Damit werden die komplexen Verhältnisse bei der Emission (dem Zusammen¬wirken von Fahrzeug und Fahrweg), bei der Transmission durch den homogenen oder geschichteten Boden und bei der Immission in Gebäuden näherungsweise erfasst. In (Auersch, 2020) wird gezeigt, dass diese einfachen Prognosemodelle die Ergebnisse von detaillierten Modellen wie der Finite-Element-Randelement-Methode für das Gleis, die Wellenzahlintegrale für den Boden und 3-dimensionale Finite-Element-Modelle für das Gebäude gut wiedergeben können. Dies entspricht auch der Absicht, die Prognosemodelle aus den Ergebnissen der Detailmodelle abzuleiten. Die drei Prognoseteile werden getrennt berechnet, aber es werden physikalisch sinn¬volle Schnittstellen verwendet. Für die Emission und Transmission sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, für die Transmission und Immission sind es die Freifeldamplituden des Bodens.
Design challenges for Offshore wind-farms. From foundation mechanics to wind-farm aerodynamics
(2021)
This talk provides a brief introduction on general engineering design challenges for the offshore wind energy production. Some general features of the offshore wind-energy field from a civil engineering perspective are firstly presented, followed by a brief discussion of some of the main geomechanical issues for the foundation of the offshore turbines into the seabed.
In the following part, an overview of relevant fluid-structure interactions and some options for an efficient numerical analysis are provided, where the hydromechanical Wave–Tower interaction is firstly discussed. Then, some general aspects of the windfarm aerodynamics are introduced. On the one hand, some modelling possibilities for the wake analysis of single turbines and turbine groups are discussed. And on the other hand the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
In particular, this talk shows that: i) The bearing capacity of turbine multi-pile foundations can degrade under cyclic loading (waves, wind, …), while for monopile foundations cyclic hydromechanical coupling effects may take place, which may lead to a foundation softening; ii) Numerical analysis of a turbine’s interaction with wind/waves is useful and affordable, while simplified models can already provide a useful insight into the windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
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.
his presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The second lecture continues with the case of laterally 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.
In this presentation, a framework for integrating vibration-based structural health monitoring data into the optimization of inspection and maintenance of deteriorating structural systems is presented. The framework is demonstrated in an illustrative example considering a steel frame subject to fatigue.