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Organisationseinheit der BAM
The authors are currently investigating the possibility to apply compaction grouting for offshore pile foundations (Jacket piles as well as monopiles) as a possible retrofitting technique for an optimised foundation concept. In this research project, we are developing a design approach aiming to predict the ideal amount and properties of a grout for a specific soil situation and desired improvement of pile bearing capacity after Installation and during service time. Both numerical and experimental tests have been carried out to investigate the injection process during which a highly viscous grout is injected into the soil under high pressure to displace and compact the surrounding soil without fracturing it. The implicit Material Point Method (MPM) based on a mixed formulation is the numerical technique chosen to deal with the expected large deformations and the arbitrary shape of the developing grout bulb. The usage of MPM prevents both the need of remeshing and the numerical instability induced by extensive mesh distortion. For validation with experimental results, we have constructed a testing chamber with one transparent sidewall. This chamber enables us to observe the injection process directly at the transparent vertical window and to measure the in-plane soil displacements and strains by means of the Digital Image Correlation (DIC) technique.
The results already reveal the interrelation of soil and grout properties for a successful usage of this common ground improvement technique.
Gerammte Stahlrohrpfähle sind das wesentlichste Gründungselement für Offshore-Konstruktionen. Typischerweise kommen diese als Monopiles oder als Mehrpfahlgründungen für Jacket-Konstruktionen zum Einsatz. Für die verhältnismäßig leichten Windenergieanlagen auf See wird bei Mehrpfahlgründungen regelmäßig die Zugtragfähigkeit maßgebend in der Bemessung. Zusätzlich sind Effekte aus wiederholten zyklischen Belastungen zu beachten, die sich auch auf die Zugtragfähigkeit auswirken können. Auch hier ergibt sich eine Besonderheit dadurch, dass im extremwertverteilten Lastspektrum wenige große (Wechsel-)Last-Amplituden entscheidend sind.
Die gründungstechnischen Herausforderungen bei der Planung solcher Windparks auf See wurden von einer Reihe von Untersuchungen begleitet. Eine Versuchsserie zur Zugtragfähigkeit von großmaßstäblichen Pfählen wurde auf dem Testgelände der BAM nahe Horstwalde bei Berlin durchgeführt. Hierfür wurde ein Testfeld mit 10 Pfählen angelegt. Die Pfähle wurden monoton auf Zug und zyklisch belastet. Vergleichend wurden dynamische Pfahlprobebelastungen durchgeführt. Zwei der Pfähle wurden mit Dehnungssensoren instrumentiert und es konnte die Pfahl-Boden-Interaktion abschnittsweise ermittelt werden.
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 bridge design for railway bridges is far more dependent on the interaction with the traffic and the carriageway than for road bridges. This is especially true for the specific demands of the track in highspeed railways. Both maintenance and safety of the track have to be considered. The most relevant sections for the design criteria can be located at the bridge transition zones. Based on experimental investigations it is shown that bridge joint displacements, changes in stiffness and uplifting of the sleeper are causes for an increased degradation and loss in strength of the ballasted track. With respect to high speed vibrations of the bridge deck can have an even more decisive impact. Bridge deck vibrations can lead to destabilization of the bailast. In a numerical study the behavior of the track at the bridge is illustrated.
Ermittlung von Beanspruchung und Verformungen von Pfahlgründungen - Messverfahren und Applikation
(2014)
Vor dem Hintergrund einer angestrebten größeren Unabhängigkeit der Energieversorgung von fossilen Energieträgern hat die Windenergie in den letzten Dekaden zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei wird insbesondere die Energiegewinnung offshore in der Deutschen Nordsee, auf Grund dort vorhandener stetiger Winde und sinkender Akzeptanz von Windkraftanlagen an Land, forciert. Im Hinblick auf die Gründung dieser Anlagen wird technisches Neuland betreten.
Angesichts von Wassertiefen bis über 25 m erhalten aufgelöste Gründungsstrukturen wie Tripod und Jacket oft den Vorzug vor Monopiles. Letztere waren wegen der geringen Produktions- und Installationskosten, der bisher am häufigsten angewandte Gründungstyp in flacheren Gewässern.
Monopile- und Mehrpfahlgründung unterscheiden sich wesentlich im Abtrag der Belastung durch Beanspruchungen aus Wind und Wellen in den umgebenden Baugrund. Während beim Monopile die zyklischen Momente über laterale Bettung abgetragen werden, entstehen an den Mehrpfahlgründungen axiale Zug- und Druckbelastungspaare in gegenüberliegenden Pfählen. Die zyklischen Belastungen von Monopiles sind demnach hauptsächlich in lateraler Richtung zu erwarten, während für Mehrpfahlgründungen die zyklische Belastung einen überwiegend axialen Charakter aufweist. Die zyklischen axialen Lasten in den Pfählen der Mehrpfahlgründungen können die axialen Tragfähigkeiten insbesondere am Pfahlmantel reduzieren und damit evtl, zu einem Versagen der Gründung führen.
The aim of an ongoing research project is to develop a design approach for typical offshore driven piles (e.g. Jacket piles) based on the application of injections by compaction grouting directly at the pile shaft. The paper aims to present the results of laboratory and in-situ tests, which reveal the efficiency and the promising potential of the optimised foundation concept for a more economic dimensioning of pile foundations and to increase their bearing capacity in non-cohesive soil at any moment after installation.
In diesem Artikel wird ein 3D FE-Modell für den Brückenübergangsbereich vorgestellt, das eine Bewertung hinsichtlich des Langzeitverhaltens ermöglicht und an dem Optimierungsmaßnahmen diskutiert werden können. Bestandteile des numerischen Modells sind das Fahrzeug-Fahrwegmodell mit Brückenstruktur und eine Randformulierung mit der SBFEM. Die hier diskutierten Optimierungsmaßnahmen fokussieren sich auf eine reine Anpassung der Fahrwegsteifigkeit durch elastische Elemente auf der Brückenstruktur.
The main degradation process at bridge transition zones due to traffic loads is the appearance of differential settlements. Abrupt stiffness changes, repeating traffic loads and relative displacements of the superstructure ends on bridges often aggravate this problem. In this contribution, a 3D finite element (FE) model extended with a boundary formulation in the frame of the scaled-boundary finite element method (SBFEM) for a transient analysis of train-track-bridge interaction is presented. This numerical model permits an assessment of bridge transition zone with respect to permanent deformations of the track. The main focus lies on the modeling strategies for the vehicle and their impact on suitable assessment criteria for bridge transition zones. For this purpose, two different modeling strategies for the vehicle, a moving load model and a multibody model, have been compared and discussed on the basis of the assessment criteria. The results indicate that the model of the vehicle has a minor effect for an assessment on the embankment, but that the assessment on the bridge may show significant differences depending on whether the inertial components of the vehicle (multibody model) are considered.
The shaft bearing capacity often plays a dominant role for the overall structural behaviour of axially loaded piles in offshore deep foundations. Under cyclic loading, a narrow zone of soil at the pile-soil interface is subject to cyclic shearing solicitations. Thereby, the soil may densify and lead to a decrease of confining stress around the pile due to microphenomena such as particle crushing, migration and rearrangement. This reduction of radial stress has a direct impact on the shaft capacity, potentially leading in extreme cases to pile failure. An adequate interface model is needed in order to model this behaviour numerically. Different authors have proposed models that take typical Interface phenomena in account such as densification, grain breakage, normal pressure effect and roughness. However, as the models become more complex, a great number of material parameters need to be defined and calibrated. This paper proposes the adoption and transformation of an existing soil bulk model (Pastor- Zienkiewicz) into an interface model. To calibrate the new interface model, the results of an experimental campaign with the ring shear device under cyclic loading conditions are here presented. The constitutive model shows a good capability to reproduce typical features of sand behaviour such as cyclic compaction and dilatancy, which in saturated partially-drained conditions may lead to liquefaction and cyclic mobility phenomena.