7.2 Ingenieurbau
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A significant number of new wind farms has to be installed and, at the same time, existing wind farms reaching the end of their planned life need to be reused efficiently to ensure that the ambitous goals for deploying offshore wind are met. Some relevant reuse alternatives for offshore wind farms are lifetime extension, repowering utilizing existing substructures and full replacement. In this presentation - starting from experience gained from extending the lifetime of the of the U1 metro viaduct in Berlin - we discuss end-of-life decision making in offshore wind. We focus particularly on issues concerning substructures and highlight existing challenges and opprtunities in research and development.
Monopiles are currently the predominant foundation type for offshore wind turbines in Europe. Due to the increasing dimensions of the turbines, pile diameters beyond 10m become necessary. A design-relevant failure mode of monopiles is the local buckling of the pile wall in the embedded sections. Relevant buckling guidelines do not consider the soil-structure interaction specifically, although the embedment may allow for a reduction of wall thickness. However, Eurocode-based design concepts require a validation with comparative buckling cases for validation, either in terms of buckling curve parameters for both the algebraic stress-based and semi-numerical LBA/MNA design concept or as a calibration factor kGMNIA for fully numerical GMNIA calculations. These parameters are not yet available for embedded shells. To close this gap, we have conducted experiments on piles embedded in sand to investigate local buckling under soil-structure-interaction. The results will be used to calibrate numerical models. This research was carried out as part of the VERBATIM research project, funded by PTJ/BMWK and supported by the Carbon Trust's Offshore Wind Accelerator consortium.
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.
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.
Support structures of wind turbines in German offshore wind farms are regularly inspected. Currently, inspection outcomes are generally not systematically recorded. This prevents their consistent handling and processing, which is a key requirement to enable an efficient structural integrity management. As part of the DiMoWind-Inspect project, a data model and reference designation system for such inspection results is developed to facilitate their identification, localization, quantification, tracing and linking throughout the lifetime of a wind farm and beyond. The inspection results together with structural health monitoring results and information on repairs form the basis for assessing and predicting the structural condition, estimating the remaining lifetime, and planning of future inspections, structural health monitoring, and repairs. As a basis for developing a digital structural integrity management, a generic framework is proposed in this paper, which describes the stakeholders, data, models, processes and workflows of the integrity management of support structures in offshore wind farms and their interrelations. The framework adopts a building information modelling approach to describe the information relevant to the structural integrity management. The central digital space of the framework is a common data environment. An implementation of the framework will enable a digital structural integrity management in which inspection, structural health monitoring, repair, assessment and planning outcomes generated throughout the life cycle of a wind farm can be consistently collected, managed, shared and processed by the relevant shareholders.
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.
Falltürme sind Bauwerke, die als Versuchsanlagen sehr speziellen, impulsartigen Belastungen ausgesetzt sind. Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurde bei Routineinspektionen eine Abnahme der strukturellen Integrität in Form von Vorspannungsverlusten in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen, wurde ein umfassendes Structural Health Monitoring (SHM) System geplant und am Bauwerk installiert unter Nutzung von digitalen Bauwerksmodellen. Für die Auslegung des Überwachungssystems, insbesondere aber zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses, wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt. Um sicherzustellen, dass die FE-Modelle das reale Tragwerksverhalten mit ausreichender Genauigkeit abbilden, mussten sie jedoch in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert werden. Der vorliegende Beitrag beschreibt experimentelle und numerische Untersuchungen zur Identifizierung des strukturellen Systems des Stahlrohrgitterturms in Vorbereitung einer Überwachungskampagne. Die Auswertung von gemessenen Schwingungen unter ambienter Anregung ermöglichte die Identifizierung der Eigenfrequenzen mehrerer globaler Schwingungsmoden des Fallturms. Zur Modellvalidierung wurde zunächst eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Parameter mit dem größten Einfluss zu ermitteln. Anschließend wurde ein evolutionärer Algorithmus (EA) zur Optimierung nach dem Prinzip der Minimierung der Differenzen zwischen gemessenen und simulierten charakteristischen Antworten eingesetzt. Das aktualisierte Modell wurde schließlich an der dynamischen Reaktion der Turmstruktur infolge einer realen Falltest-induzierten Stoßbelastung validiert. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen.
Falltürme sind Bauwerke, die als Versuchsanlagen sehr speziellen, impulsartigen Belastungen ausgesetzt sind. Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurde bei Routineinspektionen eine Abnahme der strukturellen Integrität in Form von Vorspannungsverlusten in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen, wurde ein umfassendes Structural Health Monitoring (SHM) System geplant und am Bauwerk installiert unter Nutzung von digitalen Bauwerksmodellen. Für die Auslegung des Überwachungssystems, insbesondere aber zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses, wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt. Um sicherzustellen, dass die FE-Modelle das reale Tragwerksverhalten mit ausreichender Genauigkeit abbilden, mussten sie jedoch in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert werden. Der vorliegende Beitrag beschreibt experimentelle und numerische Untersuchungen zur Identifizierung des strukturellen Systems des Stahlrohrgitterturms in Vorbereitung einer Überwachungskampagne. Die Auswertung von gemessenen Schwingungen unter ambienter Anregung ermöglichte die Identifizierung der Eigenfrequenzen mehrerer globaler Schwingungsmoden des Fallturms. Zur Modellvalidierung wurde zunächst eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Parameter mit dem größten Einfluss zu ermitteln. Anschließend wurde ein evolutionärer Algorithmus (EA) zur Optimierung nach dem Prinzip der Minimierung der Differenzen zwischen gemessenen und simulierten charakteristischen Antworten eingesetzt. Das aktualisierte Modell wurde schließlich an der dynamischen Reaktion der Turmstruktur infolge einer realen Falltest-induzierten Stoßbelastung validiert. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen.
A digital structural integrity management of offshore structures enables an optimized planning of inspections and repairs with risk-based methods. In a risk-based approach, the inspection and repair strategy that minimizes the expected lifetime costs consisting of the expected inspection, repair and failure costs is determined. In addition to inspections, information on the structural condition can be continuously obtained by monitoring the vibration response of the structural system. Changes in the vibration characteristics quantified in terms of modal properties can be an indication of structural damage. In risk-based inspection and repair planning, the effect of monitoring results is determined via Bayesian updating of the structural condition and reliability. This information should be applied to inform decisions on inspections and may result in a reduced inspection effort. The benefit of continuously monitoring the structural health can be quantified in terms of the value of information, which corresponds to the difference between the expected lifetime costs with and without monitoring. In this work, we demonstrate in a numerical example how an optimized sensor placement for a vibration-based structural health monitoring system can be determined by maximizing the value of information.
In this contribution, we consider two applications in which probabilistic approaches can potentially complement or enhance the design and assessment of offshore wind turbine foundations. First, we illustrate in a numerical example that probabilistic modelling can be helpful in dealing with chang-es in turbine locations during the planning phase of an offshore wind farm. In this case, spatial probabilistic modelling of the ground conditions enables (a) an inference of the soil properties at the modified turbine location from field data collected at different locations across an offshore wind farm site and (b) an optimisation of further site investigations. Second, we discuss the uncer-tainties and risks associated with the installation of large diameter monopiles in soils with hetero-geneities such as strong layers and/or embedded boulders. Subsequently, we present a concept for modelling, understanding, and managing these risks based on a probabilistic model of the subgrade conditions, monopile, and subgrade-pile-interaction.
Gradual or sudden changes in the state of structural systems caused, for example, by deterioration or accidental load events can influence their load-bearing capacity. Structural changes can be inferred from static and/or dynamic response data measured by structural health monitoring systems. However, they may be masked by variations in the structural response due to varying environmental conditions. Particularly, the interaction of nominally load-bearing components with nominally non-load bearing components exhibiting characteristics that vary as a function of the environmental conditions can significantly affect the monitored structural response. Ignoring these effects may hamper an inference of structural changes from the monitoring data. To address this issue, we adopt a probabilistic model-based framework as a basis for developing digital twins of structural systems that enable a prediction of the structural behavior under varying ambient condition. Within this framework, different types of data obtained from real the structural system can be applied to update the digital twin of the structural system using Bayesian methods and thus enhance predictions of the structural behavior. In this contribution, we implement the framework to develop a digital twin of a simply supported steel beam with an asphalt layer. It is formulated such that it can predict the static response of the beam in function of its temperature. In a climate chamber, the beam was subject to varying temperatures and its static response wass monitored. In addition, tests are performed to determine the temperature-dependent properties of the asphalt material. Bayesian system identification is applied to enhance the predictive capabilities of the digital twin based on the observed data.
Nach den bisherigen Regeln werden Bauwerksprüfungen von Brücken in starr definierten Intervallen durchgeführt. Diese starre, periodische, zustandsbasierte Instandhaltungsstrategie soll zukünftig durch eine flexible und prädiktive Instandhaltung ersetzt werden. Hierbei sollen Inspektionen und Instandhaltungsmaßnahmen unterstützt durch autonome Systeme auf der Grundlage von Monitoringdaten geplant und zusätzlich bei unvorhergesehenen Ereignissen ausgelöst werden. Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens AISTEC wird ein Vorgehen für Großbauwerke und kleinere Regelbauwerke zur Umsetzung eines kombinierten globalen, schwingungsbasierten und quasistatischen Monitorings entworfen. An der Maintalbrücke Gemünden – einer semiintegralen Rahmenbrücke aus Spannbeton auf der Schnellfahrstrecke Hannover–Würzburg – wurde als Demonstrator ein Dauermonitoring realisiert.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) full scale specimens for nuclear transport and storage containers (casks) are tested for their structural integrity in a series of drop tests on the Test Site Technical Safety in Horstwalde, 50 km south of Berlin. These drop tests cause a major stress not only on the casks, but also on the steel tower structure of the test facility, itself. The load pattern makes the structure very interesting for detailed investigation. The focus of the monitoring lies on the bolted joints of the flange connections that are a typical connection for cylindrical elements if welding is technical or economical unfavorable. The definition of the monitoring takes was done by investigating the existing documents and inspection results accompanied by building an initial digital representation of the structure, consisting of two finite element (FE) models and a geometrical 3D point cloud representation. As a first step the structures behavior during static and dynamic loading was analyzed using measurement data and an updated numerical FE Model. The idea behind is to use models for a digital planning and operation/evaluation of the structural health monitoring. A static FE simulation and a dynamic FE simulation are generated, to investigate how the structure behaves under the load conditions.
Inspection and maintenance contribute significantly to the lifetime cost of bridges. There is significant potential in using information obtained through structural health monitoring to update predictive models of the condition and performance of such structures, and thus ena-ble an improved decision-making regarding inspection and maintenance activities. Within the AISTEC project funded by the German Federal Ministry of Education and Research, we develop vibration-based structural health monitoring systems aimed at continuously provid-ing information on the structural condition of bridges. Environmental variations such as changing ambient temperatures can significantly influence the dynamic characteristics of bridges and thus mask the effect of structural changes and damages. It remains a challenge to account for such influences in structural health monitoring. To study the effect of ambient temperatures on the dynamic characteristics of beam structures, we monitor the vibration response of a reinforced concrete beam in the uncracked and cracked state at varying tem-peratures in a climate chamber. We postulate a set of competing parameterized probabilistic structural models, which explicitly account for the effect of varying ambient temperatures on the mechanical properties of the system. We then combine the information provided by the structural models with the information contained in the recorded vibration data to learn the parameters of the temperature-dependent structural models and infer the plausible state of the beam using Bayesian system identification and model class selection.