Value of Structural Health Monitoring (VoSHM) als Kriterium des Genetischen Algorithmus für die Optimale Sensorplatzierung am Zayas‘ Frame.
Quelle: BAM
Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen werden regelmäßig hinsichtlich Schäden untersucht. Mit Überwachungssystemen, dem sogenannten Structural Health Monitoring, können kontinuierlich die Vibrationsdaten abgegriffen und ausgewertet werden. Die daraus entnommenen Informationen über mögliche globale Schäden des redundanten Stahltragwerks können für die Instandhaltungsplanung genutzt werden. Die aktualisierte Zuverlässigkeit des Systems steuert Entscheidungen über Inspektionen und Reparaturen.
Die Installation und der Betrieb des Überwachungssystems sind mit Kosten verbunden, welche zusammen mit Kosten aus Inspektionen und Reparaturen sowie dem Risiko des Systemversagens die gesamten Kosten über die Lebensdauer der Struktur ergeben. Über eine effiziente Auswahl der Sensoren des Überwachungssystems mit einer Value of Information-Analyse können die Kosten und der Nutzen optimal balanciert werden. Die Aufgabe besteht also darin, vor der Inbetriebnahme den voraussichtlichen Vorteil des Systems zur Überwachung der dynamischen Strukturantworten zu maximieren. Um die optimale Platzierung von Vibrationssensoren zu finden, wird in dieser Arbeit ein genetischer Algorithmus erprobt.
Das Framework wird an einem redundanten Jacket-artigen Stahlrahmen demonstriert. Das numerische Beispiel zeigt, dass der Nutzen des Überwachungssystems für die risikobasierten Instandhaltungsplanung generell die Kosten übersteigt. Bereits nach wenigen Optimierungsschritten wird die Konfiguration der Vibrationssensoren mit dem höchsten Wert für das Lebensdauermanagement der Gründungsstruktur gefunden. Abhängig vom Kostenmodell, welches die Offshore-Bedingungen bei der Installation und des Betriebs von Sensoren widerspiegelt, besitzen Überwachungssysteme bestehend aus wenigen Sensoren im oberen Bereich der Struktur das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Der genetische Optimierungsalgorithmus für die Platzierung der Sensoren schneidet im Vergleich zu sequentiellen Algorithmen gut ab und bietet ein großes Potenzial für die Übertragung der Methoden auf reale Jacket-Gründungsstrukturen. Als nächster Schritt wird das Konzept an einem runterskalierten Dreibein-Jacket angewandt, um die Praxistauglichkeit zu überprüfen. Ziel ist es, einen Beitrag für die Verbesserung des Lebensdauermanagements von Offshore-Windenergieanlagen zu leisten und auf diesem Wege den Umstieg auf erneuerbare Energien voranzutreiben.
Optimal vibration sensor placement for jacket support structures of offshore wind turbines based on value of information analysis
Lukas Eichner, Ronald Schneider, Matthias Baeßler
veröffentlicht in Ocean Engineering, Band 288, Heft 2, Aufsatznummer 115407.
BAM Bauwerkssicherheit
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