7.2 Ingenieurbau
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As many wind turbines approach the end of their design lifetime, from a technical point of view, comprehensive fatigue analysis of all critical parts is necessary to decide what comes after – continued operation, repowering, or decommissioning. Typically, it is a two-stage evaluation process consisting of a physical inspection of the structure and an analytical part to compare the design and actually experienced loading conditions. Structural health monitoring helps to reduce the uncertainties in the estimations by providing insight into deviations between the designed and the built structure. Furthermore, it allows the evaluation of the consumed fatigue lifetime by analyzing the strain measurements that mirror the actual structural response to experienced environmental and operational conditions. However, the measurement values are limited to a sparse number of instrumented spots on the structure, and further extrapolation to the non-instrumented (critical) sections is required to perform a complete fatigue assessment. One known approach is the external force reconstruction, which has only scarcely been considered for application in offshore wind turbines. In order to extend the previously developed thrust force reconstruction framework, this work discusses the possibilities and challenges of wind and wave loading reconstruction in offshore wind turbine support structures.
Dieser Kurzvortragg erläutert nichtlineare Phänomene die angesichts der aktuell wachsenden Dimensionen von Monopfahlgründungen für Offshorewindenergieanlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Insbesondere wird dabei auf das Pfahlfußbeulen sowie das Schalenbeulen des bereits installierten Pfahles eingegangen.
The research project Verification of Buckling Assessment and Behaviour in Large Monopiles (VERBATIM) focuses on challenges arising due to the ongoing increase of dimensions of monopiles as foundation for offshore wind turbines. This project is focused on two main topics:
- Monopile tip buckling during pile installation
- Local buckling of embedded piles during operation
It is known from previous investigations and experiences in practice that large deformations of a monopile tip during offshore installation works can occur. These large deformations initiated at the tip of the monopile are commonly referred to as “pile tip buckling”. Own research focuses on optimising monopile dimensions to reduce the cost of monopile foundations for offshore wind turbines while preventing pile tip buckling.
Buckling of embedded cylindrical shells for offshore structures is a common engineering task. Structures can be analysed using standard software and have been done so in recent studies e.g., Gottschalk. However, the trend towards larger monopile and optimised structures has led to a fundamental need for better and verified models. A main challenge is the submodelling of the structure-soil-interaction. Developing such complex models is one main goal of the VERBATIM project.
For both main topics model tests were performed at the laboratories of BAM and TU Berlin. These experimental results were used to verify related numerical models and simulations.
The new crack luminescence method offers the possibility of making fatigue surface cracks in metallic materials more visible during inspections through a special coating system. This coating system consists of two layers, whereby the first layer has fluorescent properties and emits visible light as soon as it is irradiated by UV light. The top layer is black and is designed to prevent the fluorescent layer from emitting if no crack develops in the underlying material.
The technique proved particularly useful in a wide variety of fatigue tests of steel components under laboratory conditions. Moreover, it has the potential to be used in various industrial applications. To enable industrial deployment and integration into maintenance strategies, a concept study is developed in this contribution, resulting in a qualification framework that can serve as a foundation for determining the reliability of the crack luminescence system in terms of a probability of detection curve. Within this study, factors causing measurement variability and uncertainty are being determined and their influences assessed. Due to the extension of the system by a moving computer vision system for automated crack detection using artificial intelligence, additional long-term effects associated with structural health monitoring systems need to be incorporated into an extended probability of detection study as part of the technical justification.
Finally, important aspects and findings related to design of experiments are discussed, and a framework for reliability assessment of a new optical crack monitoring method is presented, emphasizing the influence of various uncertainty parameters, including long-term effects such as system ageing.
The long-term preservation of our infrastructure requires not only intelligent sensor technology and highly developed monitoring procedures, but also innovative digital tools for analyzing, evaluating and utilizing the results. This includes mathematical and, in particular, probabilistic methods for damage detection and tracking as well as for calculating service life and maintenance cycles and data management. The example project Maintal Bridge Gemuenden as part of the AISTEC project shows the workflow for the implementation of structural health monitoring and experimental tests with a train of Deutsche Bahn. The influence lines, as one possible way for damage detection, were measured with a highly accurate GNSS System to locate the trains position when crossing the bridge. The results were compared to measurements from 1987 just before the bridge went in operation.
This 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.
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.
Almost all building materials in civil engineering have an open porosity and interact with or are affected by the environmental conditions. Structures might suffer from effects such as moisture adsorption, carbonation, corrosion, penetration of salt ions and chemical substances, etc. In the hygroscopic range, these processes are mostly driven by diffusion. Due to the confinement of small pores ( 1 m), the Knudsen effect reduces the molecular diffusion. This reduction can become more significant in case of temporal changing pore systems because of physisorption of water vapor, carbonation, or chemisorption.
In this study, unstabilised earth blocks and earth masonry are investigated. In a first step, the pore size distribution of the blocks is measured and sorption isotherms are recorded in experiments. Besides the ordinary physisorption, the involved clay minerals undergo swelling or shrinking due to chemisorption. The following two effects must be considered: first, the reduction of the available pore space by the adsorbed water layer. For this, the Hillerborg sorption theory is used, which is a combination of the well-known Brunauer-Emmett-Teller sorption theory and the Kelvin equation. This allows the computation of adsorbed water layers even in curved pore geometries. Second, the variation of the initial pore size distribution due to chemisorption needs to be modelled. Based on these two models, the effective diffusion coefficient can be predicted. For validation, arrays of relative humidity sensors were embedded into a free-standing earth masonry wall. This monitoring was carried out over more than a year to have a broad variety of environmental conditions and was located in Berlin, Germany.
The prediction of the effective diffusion coefficient can also be transferred to other processes and allows the investigation of materials having temporarily changing pore systems. Examples are the carbonation of cementitious materials, alkali silica reaction, calcium leaching of long-lasting structures, etc. This effect becomes most prominent in the meso-pore range and might alter the effective diffusion coefficient by more than 100 %.
Die VDI Richtlinie 3837 enthält detaillierte Angaben zur Erschütterungsemission. Die DIN 45672-3 enthält nur den Tunnel- oder einen Bodenmesspunkt als Ausgangspunkt der Prognose. Die Erschütterungsanregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung wird beschrieben. Die ERgebnisse der BAM stimmen sehr gut mit dem Prognosekonzept von Highspeed 2 überein. Dies wird an den Punkten 1. Störgrößen, 2. Achsimpulse, 3. Tunnelstrecken aufgezeigt.
Design challenges for Offshore wind-farms. From foundation mechanics to wind-farm aerodynamics
(2023)
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 performance and behavior of the turbine's foundation is often conditioned by the appearance of large deformations, fluid couplings and grain-scale phenomena, whereby specific physical testing (both in field and lab conditions) and ad-hoc simulation techniques can provide useful insights for design; ii) Numerical analysis of a turbine’s interaction with wind/waves is already affordable in engineering scales, while simplified models can already provide a useful insight into the windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
A prediction software has been developed by BAM. The following topics have still be solved. A realistic irregularity spectrum can be derived from axle-box measurements. It agrees wel with the spectrum used for the high-speed 2 project in the United Kingdom. In addition, the scattering of axle pulses should be included. This mid-frequency component can also be found in the HS2 procedure. Finally, the reduction in case of a tunnel line compared to a surface line should be included. Some measurement results of BAM, HS2 and other institutes show a certain mid-frequency reduction. This is due to the load distribution of the tunnel which yields softer axle pulses and the scattered axle impulses are reduced.
Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurden bei Inspektionen Vorspannungsverluste in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen und um den Zustand der vorgespannten Schraubverbindungen langzeitlich zu überwachen, wurde am Fallturm ein Structural Health Monitoring (SHM) System installiert. Für die Auslegung des Monitoringsystems sowie zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses wurde ein numerisches Modell erstellt und in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert.
Im Vortrag werden die experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Systemidentifikation des Stahlrohrgitterturms als auch die Überwachungskampagne mit dem eingesetzten Monitoringsystem sowie die Messergebnisse und deren Bewertung vorgestellt.
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.
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.
Der Vortrag beschreibt die Relevanz der Zuverlässigkeitsbewertung von klassischen ZfP- und SHM-Verfahren. Diese Zuverlässigkeitsbewertung soll auch für das an der BAM entwickelte Risslumineszenzverfahren durchgeführt werden. Die Risslumineszenz wird zunächst vorgestellt und es wird beschrieben welchen Weg man beschreiten muss, um eine Zuverlässigkeitsbewertung für eine Technik durchzuführen, die nicht nur als ZfP-Verfahren genutzt werden soll, sondern auch für die Dauerüberwachung unter der Einbindung einer KI-basierten automatisierten Risserkennung. Die mit dieser Erweiterung des Einsatzspektrums einhergehenden Faktoren für Messunsicherheit und -variabilität wird als Problematik erkannt und als zukünftige Aufgabe, die es zu lösen gilt, definiert.
Die Definition und Beschreibung der Einfügedämmung im Normentwurf DIN 45673-4 ist noch nicht richtig. Es wird die Beschreibung aus DIN 45673-3 herangezogen, die für Messungen gilt. Für die drei Rechenverfahren gibt es jeweils eine passende Beschreibung. Mit diesen Vorlagen ist eine vernünftige Definition der Einfügungsdämmung zu finden. Es bedarf einer Abgrenzung gegenüber anderen (falschen) Möglichkeiten. Des Weiteren ist der Anhang 2 erweitert und der Parametersatz im Anhang 1 auf das Wesentliche reduziert worden.
This talk provides a brief overview on some geomechanical phenomena and problematic issues in the field of offshore wind-energy geotechnics, with reference to their associated challenges for a numerical analysis/simulation. These may include large deformations, fluid coupling and grain-scale phenomena, all of which are generally difficult to be addressed with conventional FE techniques.
These challenges are illustrated here with a practical example for the retrofit of axially loaded piles using compaction grouting techniques. In this case, the mechanical effects of the retrofit may be analysed with standard FE techniques, but require the adoption of strong assumptions, while the injection process itself can only be analysed with special techniques such as the MPM.
Finally, an LBM-DEM framework for the micromechanical analysis of such problems is introduced and a practical application for the estimation of the soil resistance to driving (SRD) in layered profiles is discussed.