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Organisationseinheit der BAM
In diesem Beitrag wird ein grundsätzliches Untersuchungskonzept für den Schienengebundenen Verkehr in Bezug auf das langzeitliche Verhalten am Brückenübergang vorgestellt. Das damit verbundene Ziel ist die Entwicklung eines numerischen Modells zu entwickeln, dass sowohl das Langzeitverhalten wie auch das kurzzeitdynamische Verhalten beschreibt, um konstruktive Lösungen zu entwickeln und zu optimieren. In einer ersten Phase wird der Brückenübergang mittels der FEM mit zwei unterschiedlichen Randmodellierungen für das FE-Gebiet modelliert. Die Ergebnisse der Modellierung mit einer Visko-Elastischen Randmodellierung und einer Randmodellierung mittels der Scaled-Boundary-Finite-Element Methode, werden miteinander verglichen. Unterschiede in der Wirkung auf kurzzeitdynamische Kenngrößen werden gezeigt, die heranzuziehen sind, um insbesondere Setzungen im Hinterfüllungsbereich des Brückenwiderlagers abzuschätzen.
In this paper a shear test, which helps to study local behavior of the soil-pile interaction, is modelled numerically with the Finite Element Method as a 2D plane strain problem. A normal pressure on top and shear displacement on side were applied. So far, the material behavior was considered elastic for the sake of simplicity.
The effect of thickness on contact elements and the presence of in plane stress has been highlighted. The purpose of the paper is to find a suitable contact element which represents more close to reality a soil-pile interaction problem under cyclic axial loading. Moreover, an insight on the presence of in-plane stress shows that it needs to be considered cautiously.
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.
Relevant factors for the liquefaction susceptibility of cyclically loaded offshore monopiles in sand
(2013)
The offshore foundations may exhibit a relatively high liquefaction susceptibility due to the full saturation of the porous seabed and the cyclic nature of the typical offshore loads. Here, the particular relevance of some of the main factors that affect the liquefaction susceptibility of an offshore monopile will be addressed, focusing on the possibility of a progressive accumulation of residual pore water pressure within the saturated soil around a monopile under cyclic lateral loading. The discussion is based on numerical results obtained with a coupled FE model of the offshore foundation which includes the Biot-Zienkiewicz u-p model. A constitutive model of the Generalized Plasticity type has been used for the soil in order to reproduce important features of its behaviour under cyclic loading. This paper presents the findings derived from a parametric study of the problem and shows that the accumulation of residual pore pressure can produce significant changes of the pile's behaviour under external loading. The paper also investigates the effects caused by the loading from a realistic storm of moderate magnitude and the consequential transient degradation of the foundation's stiffness.
The response of many geotechnical systems, whose structural behavior depends on shearing effect, is closely related to soil structure interaction phenomenon. Experimentally it is found that the localisation of these effect happens at a narrow soil layer next to the structure. Numerically, this behavior can be modelled through inter-face elements and adequate constitutive models. In this work, a constitutive model in the framework of Gen-eralized Plasticity for sandy soils has been chosen to be adapted for the interface zone. From the direct shear experiments a sandy soil at loose and dense states under different normal pressures is considered. The adapted constitutive model is able to reproduce contraction and dilatation of the soil according to its relative density and it shows a good agreement with the experimental data.
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.
Most railway embankments in the UK were built in the Victorian era and are of end-tipped construction using materials (usually cohesive) excavated from adjacent cuttings, resulting in a clod-and-matrix structure. Historically, there has been a lack in understanding of the mechanical behaviour of such railway embankments. In the next decade railway traffic in the UK, particularly freight, is forecast to grow considerably. Consequently, there is a need to improve the understanding of how increases in rail traffic loading may influence the mechanical behaviour of railway embankments and thus track performance. The Rail Safety and Standards Board in conjunction with Network Rail is currently undertaking a programme of applied research into this topic. As part of these studies a programme of physical model tests has been carried out. Physical model tests can provide high quality data on system performance under a large range of loading conditions and geometrical configurations. The data can be generated rapidly, with test periods of weeks or months rather than years or decades. Additionally, boundary conditions are well-defined and controlled, compared with the complex situations encountered in full scale embankments in the field. This paper summarises the physical model test programme, the development of the test set-up, the tests themselves and the conclusions drawn.
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.
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.