7.2 Ingenieurbau
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Fatigue is one of the main deterioration processes affecting the performance of welded steel support structures of wind turbines in offshore wind farms. In this contribution, we present a probabilistic physics-based fatigue deterioration model of a wind farm that accounts for the stochastic dependence among the fatigue behavior of different hotspots at turbine and wind farm level. The dependence exists because of uncertain common influencing factors such as similar material properties, fabrication qualities and load conditions. These system effects signify that an inspection of one hotspot provides indirect information of the condition of the remaining hotspots and thus enable an optimization of the inspection effort for a wind farm.
The wind farm model consists of two levels: A turbine support structure (level 1 system model) is represented by its fatigue hotspots and their stochastic dependence. The fatigue performance of a hotspot is described by a probabilistic fracture mechanics (FM) fatigue model. The probabilistic model of the parameters of the FM fatigue model is calibrated based on design data and is thus directly linked to the design of the turbine support structures. Dependence among the fatigue performances of different hotspots in a turbine support structure is modeled by introducing correlations between the stochastic parameters of the FM fatigue models. A wind farm (level 2 system model) consists of different turbine support structures (level 1 system models). Additional correlations are introduced at wind farm level to account for the dependence among the fatigue behavior of hotspots belonging to different turbine support structures. The wind farm model enables the computation of (marginal) hotspot fatigue reliabilities, system fatigue reliabilities of individual turbine support structures and the system fatigue reliability of an entire wind farm. The probabilistic model of the parameters of the two-level system model can be consistently updated with inspection outcomes using Bayesian methods. The updated probabilistic model of the model parameters then forms the basis for updating the estimates of the fatigue reliabilities.
We implement the wind farm model in a software tool named SysPark. The tool provides the means for planning inspections at wind farm level using an adaptive reliability-based threshold approach. In this approach, the first inspection campaign is planned in the year before the fatigue failure rates of the hotspots with the lowest fatigue reliabilities exceed a threshold failure rate. Once inspection results become available, the probabilistic model of the parameters of the wind farm model is updated. If repairs are performed, the wind farm model is additionally modified to describe the behavior of the repaired hotspots. The updated and modified model then enables the planning of the next inspection campaign and so on. The software tool is demonstrated in a case study considering a generic wind farm consisting of turbines with jacket support structures.
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.