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Numerical analysis can be useful for the investigation of important aspects of offshore foundation
prototypes that otherwise could hardly be studied experimentally, like the evolution of pore-water pressure around
the monopile foundation of an offshore wind turbine under extreme loading. A combination of mixed pressuredisplacement
formulations along with a constitutive model for sands based on the Generalized Plasticity Theory
can replicate accurately the soil behaviour in saturated conditions. However, additional issues must be taken into
account in order to perform numerical simulations of offshore piles. Some implications of the Babuska-Brezzi
restriction, as well as considerations about the pile-soil interface and suitable solution strategies are discussed
here. Due to the high cost of the transient analysis, the parallel computation offers a promising perspective, but
can be complex and needs to be implemented carefully in order to avoid a performance deterioration. A brief
overview on current trends and functional software is given here.
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.
Im Rahmen mehrerer vom Bundesumweltministerium geförderter Forschungsvorhaben untersucht die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft das Tragverhalten von zyklisch lateral und axial belasteten Rammpfählen für Offshore-Windkraftanlagen. Neben Modellversuchen im Labor werden hierbei auch Großversuche durchgeführt. In diesem Beitrag wird das neu erstellte Testfeld der BAM zur Prüfung von Pfählen in Horstwalde vorgestellt. In den laufenden Großversuchen werden Parameter wie Tragfähigkeitsminderung infolge zyklisch-axialer Lasten im Druck- und Zugbereich sowie die Zunahme von Tragfähigkeiten durch sogenannte Anwachseffekte untersucht. Bezüglich der zyklischen Belastungen werden insbesondere als unsicher anzunehmende Wertepaare in den derzeit verwendeten Interaktionsdiagrammen betrachtet, wobei hier das Hauptaugenmerk aber nicht nur auf dem Versagen des Pfahls, sondern auch auf der Ermittlung der Resttragfähigkeit nach definierten Zyklenzahlen liegt. Im Beitrag werden erste Ergebnisse zu den Anwachseffekten präsentiert und mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Des Weiteren werden das Versuchsprogramm zu den zyklisch axial belasteten Pfählen vorgestellt und erste Ergebnisse gezeigt. In einem Ausblick werden weitere Ziele des Forschungsvorhabens beschrieben. Hierzu gehören die Validierung und Kalibrierung eines existierenden Modells zur Ermittlung der Tragfähigkeit unter zyklischer Belastung auf der Grundlage aktueller Messdaten am Pfahl.-----------------------------------------------------------------------------------------------
Large-scale tests on driven piles for the investigation of pile capacity under cyclic loading and ageing effects. The cyclic behaviour of axially and laterally loaded piles for the foundation of offshore wind turbines is being investigated by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in the frame of several research projects funded by the German Federal Ministry for the Environment and carried out in cooperation with industrial and academic partners. To this end, physical model tests in reduced scale as well as large scale field tests are being performed. This paper presents the new pile testing facility in the BAM's testing site at Horstwalde. The large-scale tests being performed there are aiming at the pile capacity degradation due to cyclic axial loading (both in tension and compression) as well as at the investigation of the capacity gains due to ageing effects (pile setup). Concerning the cyclic loading, the investigations have been mainly focused on special load combinations where there is little experience and where current interaction diagrams are loosely defined. However, the aim of the tests was not the cyclic failure, but rather the assessment of the post-cyclic capacity after the application of a pre-defined number of load cycles. Here, the testing program is summarised and some key results from the first testing campaign are discussed. The paper also presents some preliminary results concerning the capacity gains through ageing and compares them to previous experience from the literature. Finally, the paper gives an outlook on further goals of the current research projects, including the validation and calibration of a design model for the cyclic capacity of piles based on measured data from real piles.
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.
A great deal is possible, even on the seabed. Together, wind and waves shake the foundations of the offshore wind turbines. "ere is also the “normal” current and ebb and #ow of the tides that are so distinctive in the North Sea. Pore water pressure can also occur on the seabed, loosening it. Where monopiles are involved, the worst case is that the stability of the whole turbine can be altered – even if such a monopile rammed into the seabed has a diameter of up to eight metres. Over half the planned offshore wind turbines in the North and Baltic Seas are to have monopile foundations, and over 40 % are to have multi-pile foundations, designed for example as a tripod. "is is why pile foundations and their loads deserve special attention. For one thing above all is to be avoided in plant operations, and that is the risk of turbine tilt.
Offshore wind turbines enter unknown territory, especially where the foundations are concerned. This is because offshore wind power can only make use of the experience from the common offshore constructions used by the oil and gas industry to a limited extent. The offshore wind industry has tried to reduce foundation dimensions, especially the pile lengths, as much as possible compared with those of the oil and gas industry. This is because with the large number of wind turbines involved it can provide considerable economic advantages. On the other hand, the stability of the foundations is additionally at risk because due to the much larger number of cyclic loads they are subjected to it is very difficult to predict how they will behave. Since offshore wind farms are manufactured in series, every systematic fault in the foundation acts as a series fault for a large number of turbines. This calls for monitoring – and the right dimensions of pile foundation, the most common type of foundations used for wind turbines
Schieflagen bitte vermeiden
(2016)
Vieles ist möglich, auch auf dem Meeresboden. Wind und Wellen rütteln gemeinsam an der Gründung, den Fundamenten der Offshore-Windenergieanlagen. Hinzu kommen die „ganz normale“ Strömung sowie die in der Nordsee besonders ausgeprägten Gezeiten von Ebbe und Flut. Zudem kann am Meeresboden Porenwasserüberdruck entstehen, der den Boden lockern und im schlimmsten Fall bei Monopiles die Stabilität der gesamten Anlage ändern kann. Selbst wenn ein solcher in den Meeresboden gerammter Pfahl bis zu 8 Meter Durchmesser hat. Über die Hälfte der geplanten Offshore-Anlagen in Nord- und Ostsee werden mit Ein-Pfahl-Gründungen geplant, über 40 % sollen als Mehrpfahl-Gründungen, zum Beispiel als Tripod, ausgeführt werden. Von daher verdienen Pfahlgründungen und ihre Belastungen besondere Aufmerksamkeit. Denn eines gilt es im Anlagenbetrieb unbedingt zu vermeiden: Eine drohende Schiefstellung der Anlage
Offshore-Windenergie betritt Neuland, gerade bei der Gründung. Denn Windenergie auf See kann die Erfahrungen der gängigen Offshore-Konstruktionen der Öl- und Gasindustrie nur bedingt nutzen. Mehr als dort, versucht man bei der Offshore-Windenergie, die Gründungsabmessungen – insbesondere die Pfahllängen – soweit wie möglich zu reduzieren. Denn dies kann bei der hohen Anzahl der Windenergieanlagen erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Andererseits wird die Standsicherheit der Gründungen durch den viel höheren Anteil an zyklischen Lasten gegenüber den gängigen Offshore- Strukturen in schwer einschätzbarer Weise zusätzlich gefährdet. Da Offshore-Windenergieanlagen in Serienfertigung produziert werden, wirkt sich hier jeder systematische Fehler bei der Gründung dann gleich als Serienfehler auf eine Vielzahl von Anlagen aus. Überwachung ist also angesagt – und das richtige Maß bei der Pfahlgründung, der am meisten verwendete Fundamenttyp bei Windenergieanlagen.
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 track on bridges is affected by cyclic and dynamic action arising from the train passage and the reaction of the track supporting structure. Concerning the track, the current bridge design procedures include two major engineering tasks: On the one hand the stability of the track supported on the bridge deck has to be satisfied. In order to reduce the deterioration of the track the elasticity of the track has to be adapted for the stiff bridge deck. Furthermore, lateral stability has also to be satisfied. The vibration of the bridge structure has to be taken into account because it can affect the stability of the ballasted track. On the other hand the transition zone between bridge structure, abutment and the track on the subgrade is a matter of permanent concern. The changes in stiffness, in the dynamic behavior arising from the rolling stock and the relative deflection between the bridge structure and the abutment induce a nearly unavoidable problem for the long term behaviour on the track.
BAM has conducted intensive experimental work to study the behaviour of the ballasted track on dynamically excited bridges. The state of the art is a design value for the deck acceleration of 0.35 g as established in the ENV 1991-1. In our experimental investigations the design value was verified. The influence of a frequency content higher than 30 Hz and of single vibration amplitudes on the track deterioration was evaluated. Both vertical and lateral stability were investigated. The influence of vibrations on the lateral stability can be more severe since the lateral stability could involve a sudden failure of the track. Furthermore, a simulation tool was developed to calculate the lateral stability on a vibrating bridge deck. For this simulation tool a parameter study was undertaken [1] where combinations of the curvature of the bridge-track system, the design temperature and the bridge deck vibrations were investigated. Parts of this study are incorporated in this paper.
In a current research project the investigations are extended to the interaction of the train-track-dynamics and the long term behaviour of the transition zone. The main emphasis is on the integration of the possible deterioration of the structural components in the numerical modelling of the relevant structural elements of the vehicle, the bridge and bridge abutment structure. An outlook is given to a complete model for the assessment of the track behaviour at railway bridges.
Die Berechnung von Verformungen lateral belasteter Pfahlgründungen bedingt in der Regel die Überführung
der transienten Belastungen aus verschiedenen Umwelteinwirkungen in eine meist sinusförmige
zyklische Belastung mit konstanter Amplitude. Dies bringt die Vernachlässigung der Reihenfolge,
in der die realen Belastungen auftreten, mit sich. Die Voraussetzung dafür ist, dass der Einfluss dieser
Reihenfolge auch tatsächlich gering ist. Da die meisten experimentellen Untersuchung hierzu sich auf
die Elementebene und relativ geringe Zyklenzahlen beschränken, wird hier eine Versuchsserie präsentiert,
in welcher Modellpfähle durch Zyklenpakete mit unterschiedlichen Amplituden in variierender
Reihenfolge und hohen Lastspielzahlen belastet werden. Es zeigt sich ein geringer bis vernachlässigbarer
Einfluss der Reihenfolge der Lastblöcke für reine Schwellbelastungen.
Offshore piles have to withstand predominantly cyclic axial loads when they are installed in multi-pile configurations, as in jacket foundations. The dimensions of the pile are governed by both the internal capacity and the fatigue behaviour of the steel cross-section as well as by its external capacity in the pile-soil interaction. Owing to the large numbers of piled foundations required for current and future offshore wind farms, there is an urgent need to optimize the dimensions and related costs of single piles. With regard to the pile capacity, two major topics of research are the determination of possible capacity gains due to pile ageing effects and proper consideration of cyclic degradation. In order to investigate both effects, a large-scale testing facility has been constructed at the BAM TTS site in Horstwalde near Berlin. This open-air facility allows large tubular driven piles to be loaded cyclically in both tension and compression while studying the ageing effects by introducing delays between the testing campaigns. First results already show a moderate increase in pile capacity over time. Concerning the anticipated capacity degradation of cyclically loaded piles, preliminary results show an unexpected behaviour. Additional tests are currently being conducted for further clarification.
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 structural performance of many geotechnical systems (e.g. axially-loaded pile foundations), depends on the shearing resistance at the soil interface, which may govern the load bearing capacity of the foundation. Experimental investigations have shown that this interaction is mainly localised within a narrow shear band next to the structure. Under cyclic loading, a contraction of the soil at the interface may arise (net volume loss), possibly leading to a stress relaxation and thus to a reduction of the load bearing capacity (the so-called friction fatigue). Based on the constitutive similarities between soil continua and interfaces, we propose here the adaption of a Generalized Plasticity model for sandy soils for the numerical analysis of interface problems. In this contribution, the results of an experimental campaign for the parameter calibration of the constitutive model are presented. The tests have been conducted with a ring shear device involving different normal stresses, roughness of the steel plates as well as cyclic loading. The new modelling approach shows promising results and has the additional practical advantage that the interface zone and the soil continuum can both be described with the same constitutive model in general boundary value problems.
In this contribution, we consider two applications in which probabilistic approaches can potentially complement or enhance the design and assessment of offshore wind turbine foundations. First, we illustrate in a numerical example that probabilistic modelling can be helpful in dealing with chang-es in turbine locations during the planning phase of an offshore wind farm. In this case, spatial probabilistic modelling of the ground conditions enables (a) an inference of the soil properties at the modified turbine location from field data collected at different locations across an offshore wind farm site and (b) an optimisation of further site investigations. Second, we discuss the uncer-tainties and risks associated with the installation of large diameter monopiles in soils with hetero-geneities such as strong layers and/or embedded boulders. Subsequently, we present a concept for modelling, understanding, and managing these risks based on a probabilistic model of the subgrade conditions, monopile, and subgrade-pile-interaction.
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.
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.