STUDIEVEJLEDNING

FOR

CIVILINGENIRUDDANNELSEN I BYGNINGS- OG ANLGSKONSTRUKTION, ESBJERG

2. SEMESTER 2010

TEMA:

MARINE KONSTRUKTIONERS BELASTNING OG FUNDERING

B-studienvnetAalborg UniversitetJanuar 2010

1

INDHOLDSFORTEGNELSEIndholdsfortegnelse .............................................................................................................................. 2 INDLEDNING ..................................................................................................................................... 3 PROJEKTENHEDSBESKRIVELSE ................................................................................................... 3 PROJEKTENHEDENS PROJEKTVALG ........................................................................................... 5 Grouted transition piece p havvindmlle ............................................................................................ 5 INFORMATION ................................................................................................................................ 10 KURSER ............................................................................................................................................ 10

Brudmekanik og udmattelse (SE) ................................................................................................... 10 Last- og sikkerhedsteori (SE) ......................................................................................................... 11 Blgehydraulik (PE) ....................................................................................................................... 13 Videregende geoteknik (PE) ......................................................................................................... 13 Tyndvggede konstruktioner (PE) ................................................................................................. 14 Ikke-liner elementmetode og materialemodellering(PE) ............................................................. 14 Workshop for Innovation and ......................................................................................................... 14 Entrepreneurship (WOFIE) ........................................................................................................... 14 ....................................................................................................................................................... 14

PROJEKTFORM ................................................................................................................................ 15 TERMINER ........................................................................................................................................ 16

2

INDLEDNING

Denne studievejledning glder for B-sektorens Civilingeniruddannelse 2. semester 2010.

Studieordningen for Civilingeniruddannelsen i Bygnings- og Anlgskonstruktion kan findes p

http://bsn.aau.dk/konstruktion/2.semester_kandidat.

Vejledningen supplerer studieordningens projektenhedsbeskrivelse.

Studievejledningen er tnkt som en sttte til bde studerende og vejledere i forbindelse med planlgningen og gennemfrelsen af projektarbejdet. Det er i beskrivelsen anfrt, inden for hvilke rammer de studerende selvstndigt kan formulere problemer og fremkomme med lsningsforslag. De studerende vil i et vist omfang kunne tilgodese srlige faglige interesser ved at vgte de forskellige fagomrder, som indgr i projektenheden.

Ved at flge vejledningen vil de studerende gennemlbe et projektforlb, som efter studienvnets mening er hensigtsmssigt, og som erfaringsmssigt frer til et rimeligt projekt, der giver den studerende baggrund for at kunne opfylde de for projektenheden opstillede ml.Det anbefales derfor, at vejledningen inddrages systematisk i den indledende fase af projektperioden, hvor projekt ider overvejes, og hvor projektforlbet fastlgges gennem problem-afgrnsning, og metodevalg og udarbejdelse af arbejds- og tidsplaner.

Ogs senere i semesteret, hvor grupperne har et strre fagligt overblik, br vejledningen udnyttes bde ved disponeringen af projektrapporten og ved den konkrete afgrnsning af indholdet.Det anbefales desuden, at de enkelte projektgrupper, for at skabe overblik over arbejdets gang, afholder et eller flere statusseminarer undervejs i projektforlbet. I disse seminarer inddrages vejlederne efter nrmere aftale.

PROJEKTENHEDSBESKRIVELSE

Studieordningen giver flgende projektenhedsbeskrivelse for semestret:

Titel: Marine konstruktioners belastning og funderingThe Excitation and Foundation of Marine Structures

Tema: Analyse af brende konstruktioner

Forml: Projektenheden skal stte den studerende til at kunne anvende metoder til analyse og vurdering af marine konstruktioners styrkemssige forhold

3

Ml: Efter projektenheden skal den studerende kunne: anvende metoder, der benyttes til at faststte naturskabte

belastninger fra blger, vind og is anvende avancerede metoder til bestemmelse af konstruktioners

styrke og deformationer

Indhold: Projektet tager udgangspunkt i en marin konstruktion. Belastningen p konstruktionen beskrives ved anvendelse af avancerede hydrodynamiske metoder. Deterministiske og stokastiske metoder anvendes.

Konstruktionen dimensioneres bl.a. ved hjlp af elementmetoden, hvor bde konstruktionens styrke og stivhed beregnes. Endvidere undersges konstruktionen for udmattelsessvigt.

Forudstninger: Ud over kvalifikationer svarende til B.Sc. i Bygnings- og Anlgskonstruktion eller lignende skal den studerende dokumentere flgende fagligheder forud for semestret: Avanceret kontinuummekanik (generelle tjninger og spndinger i tre dimensioner); Finite Element metoden (element opbygning, interpolation, fejlmekanismer); fluidmekanik (tredimensional strmning, turbulens); blgehydraulik; laboratoriearbejde (udfrelse og afrapportering; computer programmering.

Desuden skal den studerende have gode engelskfrdigheder (skriftlig og mundtlig kommunikation).

Omfang: 26 ECTS. Projektenhedens omfang er fordelt p projektarbejde og projektenhedskurser.

Placering: 2. semester

Prveform: Ekstern individuel mundtlig prve

Eksaminationen tager udgangspunkt i et eller flere for rapporten og projektenheden relevante sprgsml.

For yderligere beskrivelse af prveformen henvises til Rammestudieordningen.

Bedmmelse: Bedmmelse sker efter 7-trinsskalaen

Vurderingskriterier: Er angivet i Rammestudieordningen

4

PROJEKTENHEDENS PROJEKTVALG

Grouted transition piece p havvindmlle

Projekter skal principelt indeholde flgende hovedomrder:

1. Statistisk analyse og beregning af blge- og vindlaster2. Dynamisk og statisk strukturel analyse af konstruktion og kontruktionsdetalje3. Udmattelsesberegning af konstruktionsdetalje

Figur 1: BM8 projektet tager udgangspnkt i en 5MW havvindmlle.

Hoveddelene af en havvindmlle bestr af:

1. Rotorplan2. Nacelle3. Trn4. Transition piece5. Monopile (fundamentspl)

5

Der tages udgangspunkt i en 5MW vindmlle, som er udviklet af National Renewable Energy Laboratory (NREL) med henblik p at understtte konceptstudier inden for offshore vindteknologi.

Havvindmllen bestr af et rotorplan, som bestr af nav og vinger. Aerodynamik anvendes til at bestemme laster p vinger og trn hidrrende fra vinden. NREL har udviklet en programpakke til at hndtere denne problemstilling. TurbSim genererer turbulente vindfelter, som kres igennem rotoren. AeroDyn omstter vinden til laster p vingerne og FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence) beregner snitkrfter i vinger og trn. Programmerne og manualer kan findes p hjemmesiden:

http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/

men den samlede pakke med default inputfiler kan findes p hjemmesiden:

http://people.civil.aau.dk/~rrp/BM/

Vindhastighederne og turbulensintensiteterne kan ndres, sledes at vindlasterne bliver sammenlignelige med blgelasterne. Lasterne p vingerne fr rotoren til at dreje en generator, som er placeret i nacellen. Der skal ikke redegres detaljeret for aerodynamikdelen og teorien bagved programmerne. Programmerne vil blive introduceret. Ved hjlp af programmerne kan tidserier med variationen af snitkrfterne p udvalgte steder bestemmes. Disse tidsserier kan kombineres med snitkrfter hidrrende fra blgelasterne p havvindmllen.

Funderingen af havvinmllen afhnger af vanddybden. Plefundering med en monopl anvendes typisk med relativt lave vanddybder. Forbindelsesleddet mellem monopl og mlletrn kaldes transition piece. I olie/gas industrien har man i mange r anvendt groutede samlinger (pile-sleeve connections) mellem topside og jacket p platforme, hvor densit skal overfre krfterne mellem de to konstruktioner. Dette princip anvendes i dag ogs til samlingen mellem monopl og transition piece i vindmller. Princippet af samlingen fremgr af Figur 1 og Figur 2.

Figur 2: Forskellige lsningsmuligheder til udformning af den groutede samling mellem transition piece og monopl.

6

Figur 3: Principskitse af den groutede samling mellem transition piece og monopl.

7

Normkravene til de groutede samlinger kan findes i Offshore Standard DNV-OS-J101, June 2004, kapitel 9. Den vertikal last (primrt egenlast fra rotor, nacelle og trn) skal enten overfres ved friktion i samlingen (Type A) i Figur 2 eller ved hjlp af trykzoner mellem shear keys, som er svejsninger (markeret med sort) i de vrige lsninger. Problemet er i modstning til en samling mellem en jacket og topside, at samlingen skal overfre store og tidvarierende momenter. Momentet vil optages som et kraftpar, hvor trykdelen kan medfre knusning af densiten og revner kan opst i trkzonen. Tilstedevrelsen af shear keys medfrer i den forbindelse spndingskoncentrationer, som vil introducerer de nvnte skader. Derfor er det et sprgsml om shear keys skal anvendes i samlingen og hvor de eventuelt skal placeres. Er det muligt at optimere samlingen og konstruere en alternativ lsning?

Flsomheden af egenfrekvensen af strukturen som funktion af samlingens stivhed vil ogs vre relevant at undersge.

Ofte monteres ekstra foranstaltninger p transition piece for at reducere blgelasten og undg blge slaming og ekstra foranstaltninger vedrrende boat landing faciliteter, se Figur 4. En mulighed er at undersge, hvordan disse foranstaltninger pvirker blgelasten. Det er en mulighed at analysere en svejsning eller samlingsdetaljer for brud og udmattelse.

Figur 4: Transition piece med ekstra foranstaltninger pmonteret.

I projektet kan indg en geoteknisk analyse af monoplen. Alternativt angives en realistisk stivhedsmatrice for frihedsgraderne ved understtningen ved mud line.

Off-shore vindmlle parker relativt tt p fastland har problemer med at de skmmer naturen, str i vejen for sejlbaner og forstyrer fiskeri, flora og fauna.

8

Vindkapaciteten/potentialet er vsenligt strre p bent hav, men her er dybden tilsvarende strre. Flydende havvindmller er idag realistiske konstruktioner. Nedenstende figur viser forskellig lsningsmuligheder, som anvendes i dag.

En mulighed er at opstille en model, der beskriver den dynamiske opfrsel af monoplen.Sprgsmlene er hvor meget masse skal placeres i bunden for at konstruktionen er stabil, og hvordan sikres den ndvendige opdrift. Vil en lsning glde for alle tnkelige blgehjder og blgefrekvenser. Hvilken betydning har den roterende masse (rotorplan) p stabiliteten. Det er interessant at sammenligne spndinger i en trnsamling fra en flydende havvindmlle og en havvindmlle funderet p en monopl.

De geotekniske forhold kan ogs undersges, hvor wiren er hftet fast til en fundamentsblok p havbunden.

9

Der kan eventuelt udfres skalaforsg med et flydende rr, hvor en roterende masse er psat i toppen. Der kan indg ikke-linre materiale-beregninger ved samlingen mellem wiren og trnet. Hvordan laves den samling i praksis. Hvad er udmattelseslevetiden for denne type samling.

Det vil sige, at projektet skal omhandle en del, hvor blgelasten og vindlasterne bestemmes. Der skal eventuelt udarbejdes en bjlkemodel af trnet og transition piece. Der skal eventuelt udarbejdes en FEM model af den groutede samling, hvor ikke-linre materiale modeller inkluderes.

INFORMATION

Relevant materiale i tilknytning til projektet kan findes p hjemmesiden:

http://people.civil.aau.dk/~rrp/BM/

1. FAST, AeroDyn og TurbSim programmer2. Information om opbygningen af NREL 5MW havvindmlle 3. Tegninger af transition piece 4. Rapporter og artikler

Der udarbejdes 3 projektgrupper, der som udgangspunkt kan vre: ------------------------------------------------------------------------------------Grp.1: Grp.2: Grp.3------------------------------------------------------------------------------------Ida Ahmed Christian J.Sren Adnan Christian S.Tina Haris Jesper------------------------------------------------------------------------------------

KURSER

Brudmekanik og udmattelse (SE)Titel: Brudmekanik og udmattelse

Fracture mechanics and fatigueForml: Den studerende skal opn kendskab til analyse af revnedannelse i

materiale og kunne anvende det i forbindelse med vurdering af udmattelsespvirkede konstruktioners levetid.

Ml: Den studerende skal kunne bestemme karakteristika for revner i elastiske materialer primrt ud fra numeriske metoder (spndingsintensitetsfaktorer, kritisk revnelngde mm). Den studerende skal have kendskab til revnevkst i forbindelse med udmattelse, og kunne beregne levetiden for udmattelsespvirkede konstruktioner herunder inddragelse af praktiske forhold (krve, hotspot spndinger mm.).

10

Indhold: Energibetragtninger vedrrende ustabil revnevkst i skre materialer. Kriterier for revnevkst. Elasticitetsteoretisk spndingsanalyse af skarpe revner. FEM-metoder. Spndingsintensitetsfaktoren. Den plastiske zone ved revnespidsen. Brudsejhed. Kritisk revnelngde. Revneudbredelse ved udmattelse. Krve og deres effekter. Tjningsudmattelse. Praktisk anvendelse af brudmekanik. Miners regel. Rainflow counting.

Forudstninger: Kurset Kontinuummekanik p 1. semester Omfang: 2 ECTS Type: SEPlacering: 2. semesterPrveform: AflsningsopgaverBedmmelse: Individuel bedmmelse bestet / ikke bestetVurderingskriterier: Er angivet i RammestudieordningenKursusholder: Lars DamkildeLitteratur: Samlsning:

Last- og sikkerhedsteori (SE)Titel: Last- og sikkerhedsteori

Structural reliabilityForml: Kursets forml er at understtte den studerende i at:

forst det statistiske grundlag for at forklare og modellere dels naturlige laster, ssom blge-, vind- og jordsklvslaster og dels breevner/styrkeparametre for brende konstruktioner,

forst den grundlggende viden om estimering af brende konstruktioners sikkerhed ved anvendelse af probabilistiske metoder

Begrundelse: Last og sikkerhed giver de grundlggende forudstninger for at forst og vurdere brende konstruktioners sikkerhed ved anvendelse af probabilistiske metoder og ved anvendelse af deterministiske metoder kalibreret vha. probabilistiske metoder.

Ml: Den studerende skal ved den afsluttende prve kunne: dokumentere kendskab til de berrte begreber, teorier og metoder

inden for vurdering af elementer og systemers sikkerhed, anvende begreber, teorier og metoder til at vurdere og analysere

en konstruktions sikkerhed vha. probabilistiske metoder, benytte korrekt fagterminologi

Indhold: Kurset indeholder flgende elementer: begreberne sikkerhed og plidelighed, stokastiske variabler, modellering af usikkerheder (fysisk, statistisk og

modelusikkerhed), stokastiske modeller for laster og styrker,

11

estimering af plidelighed ved hjlp af FORM/SORM metoder (sikkerhedsindeksmetoden) og simulering,

modellering af systemsvigt og estimering af plidelighed for serie- og parallelsystemer,

stokastiske processor og tidsvarierende plidelighed, lastkombinationer, partialkoefficientmetoden og kalibrering af partialkoefficienter,

herunder Eurocodes, anvendelse af Bayesiansk statistik, metoder til vurdering af usikkerheder af komplekse

responsstrrelserForudstninger: Kurset forudstter, at den studerende har bestet et kursus i

sandsynlighedsregning og statistik p B.Sc. eller diplomingenirniveauOmfang: 2 ECTS Type: SEPlacering: 2. semesterPrveform: Intern skriftlig eksamen; se RammestudieordningenBedmmelse: Individuel bedmmelse bestet / ikke bestetVurderingskriterier: Er angivet i RammestudieordningenKursusholder: John Dalsgaard SrensenLitteratur: Samlsning: Kurset kres som video-konference. Det vil sige, at undervisningen

transmitteres fra kurset i Aalborg i A204. Der vil vre hjlp til opgaveregningen..

12

Blgehydraulik (PE)Placering: 2. semesterOmfang: 3 ECTSType: PEForml: At give viden om metoder til bestemmelse af belastninger fra blger,

vind og strm p offshorekonstruktioner.Indhold: Stabilitet af flydende legemer. Frste ordens blgeteori. Stokes 2. og 5.

ordens teori. Strmfunktionsteori. Gyldighedsomrder for blgeteorier. Uregelmssige blger. Froude-Krylov kraft. Morison formel. McCamy og Fuchs teori for cylindre. Numerisk beregning af blgelast p store legemer af vilkrlig form.

Kursusholder: Peres Akrawi Hartvig Litteratur: Samlsning:

Videregende geoteknik (PE)Placering: 2. semesterOmfang: 1 ECTSType: PEForml: At give et teoretisk grundlag for at kunne anvende svel plasticitets- som

elasticitetsteoretiske geotekniske beregninger, samt at give grundlag for selvstndigt at kunne vurdere konsekvensen af at anvende forskellige forudstninger og beregningsmetoder.

Indhold: Plasticitetsteori for jord: Kinematisk, statisk tilladelige lsninger samt statisk bestemte brud. Brudanalyser. Plasticitetsteoriens begrnsninger. Konsolideringsteori: Konsolidering. Krybning. Forbelastningstryk. Elasticitetsteori og tillempede metoder: Strmnetmetoden. Trykspredning. Markundersgelsesmetoder: CPT. Store ple: bne/lukkede profiler. Beregning af vertikal og horisontal breevne vha. statiske og kinematiske tilladelige lsninger. Finite difference metoden til beregning af ples flytninger og stninger.

Kursusholder: Sven KrabbenhftLitteratur: Samlsning: Der udbydes ikke undervisning i kurset. Hvis geoteknik indgr som en

del af projektet, vil Sven Krabbenhft st for vejledningen.

13

Tyndvggede konstruktioner (PE)Placering: 2. semesterOmfang: 2 ECTSType: PEForml: At give den studerende forstelse for design og analysemssige aspekter

vedrrende tyndvggede konstruktioner. At opve frdigheder i at analysere og dimensionere tyndvggede konstruktioner og konstruktionselementer.

Indhold: Bjlker med sammensatte bne og lukkede tvrsnit. Liner pladeteori. Tvrbelastede plader. Skalteori: Rotationssymmetriske skaller. Cylinderskaller. Berryfunktioner. Torsionsinstabilitet, foldning og kipning af sjler med bne tyndvggede tvrsnit. Foldning og kipning af bjlker med bne tyndvggede tvrsnit. Rektangulre pladers instabilitet.

Kursusholder: Lars DamkildeLitteratur: Samlsning:

Ikke-liner elementmetode og materialemodellering(PE)Placering: 2. semesterOmfang: 2 ECTSType: PEForml: At give en indfring i den ikke-linere elementmetode, specielt med

henblik p geometrisk og materialemssige ikke-linere problemer.Indhold: Formulering af elementmetodeligningerne for ikke linere problemer.

Numeriske lsningsmetoder. Elementer i en, to og tre dimensioner for ikke linere problemer. Opbygning af et ikke-linert elementprogram. Eksempler p anvendelse.

Kursusholder: Anders KristensenLitteratur: Samlsning: Bemrk at kurset ikke er skemalagt. Kursene introduceres ad-hoc.

Workshop for Innovation and

Entrepreneurship (WOFIE)

Placering: 2. semesterOmfang: 2 ECTSType: Fri studieaktivitet

14

Forml:Indhold: Kursusholder:Litteratur: Samlsning:

PROJEKTFORMFra og med dette semester er det obligatorisk at aflevere projektet delvist elektronisk. Nr denne afleveringsform benyttes, skal der fortsat afleveres en trykt hovedrapport, mens bilag/appendiks afleveres elektronisk. Den nye struktur forsges tilnrmet ekstern praksis og indeholder flgende:

Hovedrapporten skal vre kortere, end den samlede rapport er i dag. Den skal stadig vre gennemarbejdet, sammenhngende og struktureret. Hovedvejleder skal sammen med de studerende vurdere hvilket omfang, der er rimeligt for hovedrapporten. Et udgangspunkt kunne vre maksimalt ca. 100 sider.

Dette niveau forventes justeret over tid, efterhnden som der opsamles erfaringer med den nye form.

Bilag/appendiks skal ogs vre strukturerede, men behver ikke at vre gennemarbejdede, fx m der meget gerne indg (indskannede) hndskrevne beregninger. Dog er det et naturligt krav, at alt er lsbart og fremstr, s vejleder og censor kan vurdere indholdet. Det anbefales p det kraftigste, at Bilag/appendix materiale der vedlgges i rapportform, gemmes som et enkelt dokument i elektronisk form.

Alle dele af semesterets afrapportering svel trykt som elektronisk materiale skal indg i vurderingen.

Hvis alle parter er indforstede (dvs. alle studerende i projektgruppen, alle projektgruppens vejledere og censor), kan der afleveres 100 % elektronisk.

Bemrk at kravene til upload af alle projekter i Det Digitale Projektbibliotek glder for alle studerende uanset afleveringsformen (se vejledning p byggeri.aau.dk).

Den nye afleveringsform indfres rullende, sledes at det nu er obligatorisk fra og med 6. semester..

15

TERMINERStatusseminar: Aftales lbendeAflevering af projekt: ikke fastlagt.Projekteksamen og eksamen studieenhedskurser: Juni

16

IndholdsfortegnelseINDLEDNINGPROJEKTENHEDSBESKRIVELSEPROJEKTENHEDENS PROJEKTVALGGrouted transition piece p havvindmlleINFORMATIONKURSERBrudmekanik og udmattelse (SE)Last- og sikkerhedsteori (SE)Blgehydraulik (PE)Videregende geoteknik (PE)Tyndvggede konstruktioner (PE)Ikke-liner elementmetode og materialemodellering(PE)Workshop for Innovation and Entrepreneurship (WOFIE)

PROJEKTFORMTERMINER