7.2 Ingenieurbau
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Eingeladener Vortrag
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One crucial metric of interest to wind farm operators is the remaining useful life (RUL) of single components, wind turbines, or even entire wind farms. Occasionally, questions arise regarding how to operate a turbine, even in the presence of manufacturing or design errors, which from a computational design standpoint reduce the remaining lifetime below the intended service life. A typical measure involves adapting the monitoring and inspection plan. Using such a maintenance plan, the author intends to simulate the lifetime of jacket-type structure in a fatigue test. The objective of the experiment is to demostrate that systems like three-dimensional jackets possess redundancies that enable reliable continued operation, despite the reduced fatigue life of individual components due to technical flaws, if an appropriate maintenance concept is in place. This presentation discusses the steps leading to the procedure of the experiment including the design process and the maintenance planning.
Brücken sind Teil der alternden Verkehrsinfrastruktur. Um die Nutzungsdauer zu verlängern und plötzliche Schäden zu detektieren kann Bauwerksmonitoring ("Structural Health Monitoring") eingesetzt werden. Der Einfluss von Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Temperatur, auf das Bauwerksverhalten ist meist größer als der Einfluss von Schäden. Diese Einflüsse bestmöglich voneinander zu trennen und Veränderungen im Tragverhalten korrekt Schäden oder Umgebungsbedingungen zuzuordnen ist eine offene Forschungsfrage. Diese Arbeit zeigt eine mögliche Lösung, bei der gekoppelte Modelle von Umwelteinflüssen, Schäden und Tragverhalten des Bauwerks auf Grundlage von Monitoringdaten aktualisiert werden. Das Framework dazu wird vorgestellt und an einem Laborexperiment eines Stahlbetonbalkens in der Klimakammer angewandt. Die Ergebnisse bestätigen die Vorgehensweise. In nächsten Schritten müssen komplexere Tragwerke und die Sensitivität des Ansatzes untersucht werden.
Train-induced ground vibrations – The emission and transmission from tunnel and surface lines
(2023)
Train-induced ground vibrations are quite different for tunnel and surface lines. The excitation of the track and ground vibration by the vehicle-track-soil interaction maybe influenced by the stiffer track support of the tunnel invert. The excited waves are propagating on a different path compared to the surface line. The wave propagation in the interior of the soil is calculated by a wavenumber integral in a similar way as the propagation along the surface and a general reduction of < 0.5 has been found. An additional reduction has been found because of the missing Rayleigh wave. The different excitation of tunnel lines is analysed theoretically by the combined finite-element boundary-element method and some results about the influencing tunnel and soil parameters will be shown. Measurements have been made at the Mühlberg-Tunnel in Germany. The vibrations of the train, the track and the soil have been measured simultaneously at the tunnel and a nearby surface line. Spectra will be shown for different train speeds between 60 and 160 km/h. A clear reduction effect for the tunnel line compared to the surface line has been observed in a specific (train-speed-dependent) frequency range. This agrees well with the observations of other research institutes. The mid-frequency tunnel-surface reduction seems to be a consequence of the stiffer track structure which leads to a wider distribution of the axle loads. Therefore, the axle impulses due to the train passage are longer and have a lower frequency content. This will have an effect on the ground vibrations at some distance which are present in case of an irregular transmission path through a ballast and soil with varying stiffness. A similar reduction effect can also be found for other track forms where the axle impulses are distributed on a longer track segment, for example slab tracks, tracks with under ballast plates, under ballast mats or under sleeper pads.
The resonances of railway bridges have often been analysed for short bridges under periodical high-speed trains, for simply supported one-span bridges, for the fundamental bridge mode, and by time-domain analyses. Many time-consuming calculations have been performed to establish simplified rules for standards. In this contribution, the passage of different (existing, new and hypothetic) trains over different bridges will be analysed in frequency domain by using three separated spectra with the purpose to get a better physical insight in the phenomena. At first, the excitation spectrum of the modal forces is built by the mode shape and the passage time of the train over the bridge. The second spectrum is the frequency response function of the bridge which include the modal frequency, damping and mass. The third part is the spectrum of the axle sequence of an arbitrary train which is not limited to periodical or specific (conventional, articulated, regular or standard) trains and which does not include any bridge parameters. The final solution in frequency domain is obtained as the product of these three complex, strongly varying spectra for the dominating bridge mode or in general as the sum of these products over all relevant bridge modes. The time domain solution is obtained via the inverse Fourier transform, and the resulting time histories have been successfully compared with some measurement results. The method is applied to the vertical and torsional modes of a mid-long 1-span bridge on elastomeric bearings under standard train speeds, and to a long multi-span integral bridge under long periodical freight trains. Different resonance and cancellation effects have been found for systematically varied train speeds according to the axle sequence of the whole train which is dominated by the two locomotives in that case. To be more specific, the first torsional mode of the mid-span bridge is excited for a train speed of 100 km/h whereas the second bending mode is excited for a train speed of 160 km/h. In both cases, the other mode is suppressed by the minima of the axle-distance spectra. In addition, the case of the German high-speed train ICE4 and the very high-speed hyperloop case will be discussed briefly. In general, it is shown that resonance effects are also worth to be studied for freight and passenger trains with lower speeds.
The soil-foundation-structure interaction is always important when building vibrations due to train passages have to be considered. The frequency range for train vibrations is up to 100 Hz. Normally, soft surface soils are crucial so that the wavelength can be much smaller than the foundation dimensions. Three topics are of interest for the prediction and the under-standing of building vibrations. 1. The „kinematic interaction“ or the „added foundation ef-fect“, which is calculated either by the combined boundary-element finite-element method or by the wavenumber domain method, results in a reduction of the free-field vibration. The stiff-ness of the foundation resists the wave deformation, plates and walls for horizontally propa-gating waves or piles for vertically incident waves. 2. The „inertial interaction“ or the „added building effect“ yields an amplification around the vertical building resonance, which may be a rigid mode on the compliant soil or a flexible mode for high-rise buildings, and a reduction at higher frequencies. This has been analysed by detailed finite element models of apartment and office buildings. 3. Base isolation is a method to further reduce building vibrations. It is important to know the soil-foundation impedance for the possible reduction, as well as the correct building impedance. A high-rise building cannot be considered as a rigid mass model. It has a frequency-dependent behaviour with longitudinal waves travelling from the founda-tion to the top of the building which include the effect of floor vibrations. Experiences from building projects in Vienna, Frankfort and Berlin will give some additional results for the ex-citation from tunnel lines, the kinematic response of pile foundations, and the inertial re-sponse of the flexible multi-storey buildings.
Die Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen haben eine lange Tradition in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Jahr 2006 wurde eine Prognose-Software fertiggestellt, die viele Forschungs- und Messergebnisse zusammenfasst. Sie umfasst die Teilbereiche Emission (die Anregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung), die Transmission (die Ausbreitung durch den Boden) und die Immission (die Übertragung vom Freifeld in ein Gebäude). Die Prognose geschieht in allen Teilen mit einfachen Formeln, die veröffentlicht sind und zur Anwendung für Jedermann zur Verfügung stehen. Es werden Beispiele zur Emission und zur Transmission gezeigt.
Im Bereich Transmissionsprognose werden zu den Anregungskräften (aus dem Emissionsteil) die Bodenerschütterungen als Schwinggeschwindigkeitsterzspektren berechnet. Das Ergebnis hängt stark von der Bodensteifigkeit, -dämpfung und -schichtung ab. Dies wurde später mit einer Messkampagne in der Schweiz an 10 Messorten bestätigt (Bild 1). Die Berechnung erfolgt näherungsweise für einen geschichteten Boden mit einer frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeit (Dispersion) oder einem tiefenabhängigen Wellengeschwindigkeitsprofil.
Die Anregungskräfte werden im Prognosebereich Emission mit einem 2-dimensionalen Gleismodell berechnet (Bild 2). 1-dimensionale Modelle liefern meist falsche Ergebnisse und 3-dimensionale Modelle (zum Beispiel mit der kombinierten Finite-Element-Randelement-Methode) sind für eine Erschütterungs¬prognose sicherlich zu aufwändig. Das 2-dimensionale Modell wurde an 3-dimensionale Ergebnisse so angepasst, dass die Ergebnisse für viele Gleise und Böden annähernd zutreffen. Auch Minderungs¬maßnahmen am Gleis können mit diesem Modell sehr gut berechnet werden.
Die Prognoseverfahren wurden in den folgenden Jahren weiter verfeinert. Es wurde die quasi-statische Anregung durch die bewegten statischen Zuglasten mit einer Näherungsformel ergänzt, so dass auch das tieffrequente Nahfeld realistisch erfasst werden kann. Mit der Berücksichtigung der Achsfolge (insbesondere zwischen den Achsen im Drehgestell) ergeben sich zwei typische Minima in den Erschütterungsspektren, die oft auch in den Messungen beobachtet werden. Der Amplitudenanteil zwischen diesen beiden Minima ist oft stärker angehoben, so dass hier eine zusätzliche Erschütterungsanregung vermutet wird. Dieser Anteil kann rein empirisch prognostiziert werden, so wie das in den englischen Prognosen (zuletzt für das Highspeed2-Projekt) enthalten ist. Die Begründung dieses Anteils ist allerdings nicht die Achsfolge, sondern die Zerstreuung der statischen Achslastimpulse durch einen unregelmäßigen Gleisuntergrund und Boden.
Die messtechnische Ermittlung eines Minderungseffektes ist komplizierter als allgemein angenommen. Es reicht nicht aus, jeweils an einem Messpunkt in der Nähe eines Gleises mit und ohne Minderungs¬maßnahme die Erschütterungen zu messen und aus dem Verhältnis der Amplituden (beziehungsweise aus der Differenz der Pegel) „die Einfügedämmung“ zu ermitteln. Es wird an Beispielen gezeigt, wie man hier sinnvoller vorgehen kann.
1. Zunächst ist es wichtig, nicht nur die Einfügedämmung sondern auch die Originalspektren mit und ohne Minderung zu dokumentieren und zu veröffentlichen, damit man kontrollieren kann, ob wesentliche Amplituden und Frequenzbereiche reduziert sind oder ob es sich um eher zufällige Minderungen oder Verstärkungen handelt. (Beispiel Unterschottermatte/Raron, Müller/SBB)
2. Der Messpunkt sollte nicht im Nahbereich des Gleises liegen, da ansonsten eine zu günstige, falsche Einfügedämmung bestimmt wird. (Beispiel Tunnel/ Leipzig/Breitsamter)
3. Um Zufälligkeiten zu vermeiden, sollte man an mehr als einem Punkt messen. (Beispiel Unterschotterplatte/Altheim/Auersch)
4. Man sollte eigentlich immer auch die Bodenkennwerte (Steifigkeit, Dämpfung, Amplituden-abnahme, Übertagungsfunktion) messen. Selbst bei nahegelegene Messquerschnitten kann man Überraschungen erleben. (Beispiel erste ICE-Messungen/bei Würzburg/Auersch)
5. Bei verschiedenen Bodenkennwerten kann man eine Korrektur durchführen. (Beispiel Gleis-tröge/Mistler) Am besten bestimmt man ein äquivalentes Kraftspektrum zu jedem Messort und jedem Messzug (Beispiel Feste Fahrbahn/Gardelegen/Auersch)
6. Prinzipiell gibt es nicht die Einfügedämmung einer Maßnahme. Die Einfügedämmung ist immer boden- und referenzsystemabhängig. Die „beste“ Einfügungsdämmung erhält man mit einem steifen Untergrund (Beispiel Unterschottermatte/Tunnel/München Gasteig/Wettschureck) Das heißt aber nicht, dass die Maßnahme durch einen künstlich versteiften Untergrund besser wird (Beispiel Unterschottermatten/RRT2006/Auersch)
Es werden Messbeispiele gezeigt, die alle neben einer hochfrequenten dynamischen Minderung auch eine mittelfrequente quasi-statische Minderung aufweisen. Dabei wird der mittelfrequente Zerstreuanteil der statischen Achslastimpulse durch die breitere Lastverteilung und damit die Impulsdehnung der Achslastimpulse reduziert. Diese Impulsdehnung lässt sich mit dem 2-dimensionalen Gleismodell berechnen. Die Minderungswirkung hängt aber wiederum vom Referenzsystem und dessen unregel¬mäßiger Steifigkeitsverteilung ab. Je unregelmäßiger der Boden und Gleisuntergrund des Referenz¬systems, desto stärker ist die Minderungswirkung.
The contribution shows measurement examples of cars, floors, foundations, railway tracks, a footbridge, and a railbridge. Vibrations may include modes and waves. Namely in soil-structure interaction, modes are damped, shifted and prevented so that alternatives for the modal analysis are necessary: The approximation of the whole spectrum (flexibility function) and of the whole train passage (moving-load response).
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) collaborates with TNO to develop a software framework for automated calibration of structural models based on monitoring data. The ultimate goal is to include such models in the asset management process of engineering structures. As a basis for developing the framework, a multi-span road bridge consisting of ten simply supported steel box girders was selected as a test case. Our group measured output-only vibration data from one box girder under ambient conditions. From the data, we determined eigenfrequencies and mode shapes. In parallel, we developed a preliminary structural model of the box girder for the purpose of predicting its modal properties. In this contribution, we provide an overview of the measurement campaign, the operational modal analysis, the structural modeling and qualitatively compare the identified with the predicted modes. As an outlook, we discuss the further steps in the calibration process and future applications of the calibrated model.
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.
A simple and fast prediction scheme is presented for train-induced ground and building vibrations. For the emission, finite-element boundary-element or multiple-beam-on-continuous-soil models of the track have been analysed and approximated by faster track-on-Winkler-soil models. The vehicle-track interaction due to irregularities yields the excitation forces. For the transmission of waves in the soil, the wavenumber integral of the compliance of layered soils has been evaluated. The calculation time is reduced for the prediction by using the solution of a homogeneous half-space with a frequency-dependent wave velocity (the dispersion) of the soil. For the immision, many 2 and 3-dimenisonal finite-element building models have been investigated, and a good approximation has been established by a 1-dimensional soil-wall-floor model. In addition, the axle sequence of the train, the quasi-static and the “scattered” response of the soil, and the wave propagation from a tunnel to a pile foundation of a building have been included.
Usually, geometric irregularities are considered as the main cause of ground vibrations from trains. A varying stiffness of the track, the track support and the soil can also generate ground vibrations. The regular stiffness variation of the track on and between the sleepers results in a deterministic dynamic axle load. The random stiffness variation of the track support yields also dynamic axle loads. The dynamic axle loads are generated by the varying wheel displacements under the static axle load by the acceleration of the unsprung mass of the rail vehicle. The random stiffness variation has a second effect. The pulses from the passage of the static axle loads are superposed regularly to the quasi-static response, but also irregularly to yield a “scattered” part of the axle pulses. The same holds for a random variation of the soil stiffness. All these effects of stiffness variations have been calculated by wavenumber-domain multi-beam track models, a random finite-element soil model and the superposition of axle impulses in a stochastic simulation. The results are confronted with many measurements at different sites. It is concluded that the stiffness variation of the track and the soil generate an important ground vibration component near railway lines.
Vibration measurements have many causes and many technical and natural sources. Problems can sometimes be solved by short-term measurements, but in many cases, a long-term measurement is necessary. In long-term measurements of days, weeks, months and even years, it is easy to collect a huge quantity of raw data, but at the end, the post-processing of these data can be exhausting (for example one-year vibration data of a wind energy tower). A software has been developed which con-sists of measuring and evaluation routines where the measuring routines can operate different meas-uring systems and different measuring cards. The main advantage of this software is the fact that the interesting evaluations can be integrated in the measuring process so that the characteristics of the vibration can be extracted without storing all the raw data. Only important time segments are stored, for example train passages. The overall concept of the software and the main evaluation routines will be described in some details. Examples of our measurement experience will illustrate the capabilities of the software. 1) Surveying construction work in nearby sensitive buildings (for example an old wind tunnel), including a stable alarm system and meaningful vibration limits. 2) Prediction of train-induced vibration for a planned building to prevent annoyance and to improve the building design. 3) Modal analysis and long term measurements of several single- or multi-span, concrete or steel bridges 4) Modal and wave analysis of coupled floors in a historical building (“Neues Palais” at Potsdam). 5) Soil properties of various measurement sites (different routines to evaluate the dispersion). Moreover, from many projects, amplitudes, frequencies, and attenuation laws have been collected and analysed for the different sources such as vibratory or impact pile driving and ground compaction, demolition work with different machines, blasting in quarries and in tunnel works, bomb and mine clearing.
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.
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.
Die B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurde im Dezember 2019 aufgrund von während einer turnusmäßigen Inspektion entdeckten Rissen und Hohlstellen entlang der vorgespannten Längsträger gesperrt und im Mai 2021 abgebrochen. In der Zwischenzeit wurde die Brücke detailliert überwacht. Vor dem Abriss wurden zudem umfangreiche Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und Schadensanalyse sowie Tests moderner Sensorik vorgenommen. Dabei konnte sowohl die richtige, zuvor nicht sicher bekannte Anzahl von Spanngliedern in den Querträgern sicher ermittelt werden als auch durch moderne Varianten der Schwingungsmessungen und der faseroptischen Sensorik zusätzliche Kenntnisse püber das Bauwerksverhalten ermittelt werden . In dem Beitrag werden die Verfahren mit ihren Möglichkeiten und Grenzen vorgestellt, die Ergebnissee an der Brücke in Brandenburg erläutert und zukünftige Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Die aktuelle Instandhaltungsstrategien von Ingenieurbauwerken arbeiten zustandsbasiert und stützen sich auf visuelle Inspektionen in kurzen, starren Intervallen. Beim Übergang zu Predicitive-Maintenance-Strategien können Sensordaten eigesetzt werden um Prognosemodelle der Bauwerke zu aktualisieren. Ein erster Schritt hierzu ist die sensorbasierte Systemidentifikation.
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.
The contribution discusses the processing and analysis of data generated on two different ways of investigations for impact damage in reinforced concrete structures. Damage investigations are essential to determine type and characteristics of damage and thus the residual capacity. Damage describing data is generated using two different types of investigation, a non-destructive tomographic as well as numerical examination. Subsequently, data of both sources was merged and analysed. Within the research project “Behaviour of structural components during impact load conditions caused by aircraft fuel tank collision” reinforces concrete plates were damaged by impact loading, see Hering (2020). Afterwards the damaged specimens were investigated tomographically as well as numerically using several methods and models. Aim of the presented research work was to specify an objective comparability of numerical data with experimentally determined damage patterns and based on this, to establish a quantitative damage evaluation.
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.
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.
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spher-ical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homoge-neous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by gen-eralised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
Dieser Vortrag präsentiert einige Prinzipien und einige Beispiele zur Minderung von Eisenbahnerschütterungen. Die Prinzipien unterscheiden sich für die Minderungsmaßnahmen im Gleis, im Boden und bei Gebäuden. Kraftübertragungsfunktionen isolierter und nicht isolierter Gleissysteme, reflektierte und durchgelassene Wellenamplituden bei gefüllten Bodenschlitzen und die Übertragung der Freifeldschwingungen ins Gebäude werden analysiert. Bei den einfachen Gleismodellen muss der richtige Anteil der unabgefederte Fahrzeugmasse zum eindimensionalen Gleismodell hinzugefügt werden. Der Minderungseffekt eines gefüllten Bodenschlitzes ist von der Steifigkeit und nicht von der Impedanz des Schichtmaterials bestimmt. Bei einer elastischen Gebäudelagerung muss die Minderungswirkung mit der richtigen Boden- (Fundament-) Steifigkeit berechnet werden, und das abgeminderte Gebäudeverhalten hängt wesentlich von der effektiven Gebäudemasse ab, die mit zunehmender Frequenz deutlich kleiner als die starre Gebäudemasse ist.
Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homoge-nen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Boden-reaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
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.
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.
In this presentation, we discuss the potential of probabilistic approaches to the design and assessment of offshore foundations. The potential is demonstrated in a numerical example considering a laterally loaded monopile. As an outlook, we present a concept for managing the risk associated with installing large monopiles.